重新认识能量守恒定律

力学研究（论文）PAGEPAGE7重新认识能量守恒定律摘要：本文重点是从动能，做功等基本的能量方面初步认识能量守恒，再从坐标变换、狭义相对论的质能公式来进一步理解能量守恒。通过分析能量守恒定律，发现各种形式能量的转换遵循等量转换原则能量守恒定律成立的基本条件，指出了长期以来物理学界一直把ΣE=常量等同于能量守恒是对能量守恒定律认识不足。关键词：能量守恒定律，坐标转换，能量增量通过分析能量守恒定律，发现各种形式能量的转换遵循等量转换原则是能量守恒定律成立的基本条件，指出了长期以来物理学界一直把ΣE=常量等同于能量守恒是对能量守恒定律认识不足。换位思考能量守恒定律对坐标变换的要求，得出能量守恒定律对坐标变换的要求：一是所有形式能量变化量（能量增量）的坐标变换必须完全一致；二是在一参照系等量的能量变化量（能量增量），在另一参照系观测，能量变化量（能量增量）必是等量。发现了现物理理论中认为等量能量增量坐标变换后可是不等量的观点与能量守恒定律对坐标变换的要求的矛盾。指出了能量守恒定律在数学上是不可能证的，只能是保证能量守恒定律，凡是先建立了坐标转换体系，再证明能量守恒是不可能的，先建立坐标转换的理论根本与能量守恒定律不相容。重新分析动能的相对性，得出了：能量本质是绝对的，能量需要通过一定的方式表现出来，具体形式能量的表现方式决定了具体形式能量是否具有绝对性与相对性。且具体形式能量的相对性必然有相应的具体形式能量的相对性与之相对应，来符合能量守恒定律。所有静止的和运动的物体都是质量为零物体运动达到极限速度C的产物。在任何物体观测另一物体的运动速度，只能是与之运动方向垂直方向的物体运动速度，即：是另一物体运动极限速度C与之运动极限速度C垂直方向的分速度。一、质点系的动能定理先研究每一个质点，然后再对它们取和，从而得到质点系所遵循的规律对其中第i个质点，动能定理可写为（1.1）是作用在第i个质点上的所有力对质点i所作的功，它既包括质点系以外其它物体所施的作用力—外力的功，又包括质点系内其它质点所施的作用力—内力的功。（1.2）对所有质点求和:（1.3）令为质点系的动能，有：（1.4）（1.5）外力作功与内力作功代数和，等于质点系总动能的增量——质点系的动能定理。二、功能原理和机械能守恒定律1.质点系的功能原理利用质点系的动能定理：（2.1）其中内力作功的代数和项可分为：系统内部保守力的功和内部非保守力的功，保守力做功等于势能增量的负值（2.2）定义机械能为物体系的内能与势能之和。（2.3）功能原理（机械能原理）：外力与非保守内力作功之和，等于系统机械能的增量。2.机械能守恒定律由质点系的功能原理若且，系统的动能与势能可以相互转换，且转换的量值一定相等，即动能增加的量等于势能减少的量，或势能增加量等于动能减少的量。则（2.4）对于一个系统，当合外力的功与内部非保守力的功都为0时，系统的机械能守恒。机械能守恒定律只是普遍的能量转化和守恒定律的特殊形式。各种形式的能量是可以相互转换的，但是不论如何转换，能量既不能产生，也不能消灭，只能从一种形式转换成另一种形式，这一结论叫做能量守恒定律。三、普遍的能量守恒定律能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。注意：1、从一种形式转换成另一种形式是泛指，是指所有形式能量。2、能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变，并没有限制是哪几种形式能量。设：一体系，有3焦耳动能增量和6焦耳电能增量全部转换势能。根据各种形式的能量相互转化的规律可知：要保证系统能量守恒，其根本原因：一是系统内各种形式的能量可以相互转换，且转换的量值一定相等（以下称为：等量转换原则）；二是系统内变化形式能量的减少量与变化形式能量的增加量相等。（3.1）而不是：注意：系统内的作用是有时间与过程的，不同形式能量之间的转换是多种多样，故要确保能量守恒定律成立的条件之一就是所有形式能量之间是可以相互转换的，且转换量一定相等。故此我们可得出：(一)只是保证总能量守恒或总能量增量守恒,并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必需遵守等量转换原则,在中，不仅含有不同形式能量之间转换遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒,而且还含有不同形式能量之间转换不遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒。而根据能量守恒定律，能量的变化只能是不同形式的能量互相转化，在转化中每一种形式的能量转化为另一种形式的能量时，都要严格遵守等量转换原则，从而才能保证总能量守恒。明显不能等同于能量守恒定律。同理，单一（或二/三种）形式能量的守恒只能保证分析的这几种形式能量的转换遵守等量转换原则，并不能保证所有形式能量之间的转换遵守等量转换原则，也是不符合能量守恒定律的。(二)能量守恒定律成立的条件是：一是功和能的关系——各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来量度，即功是能转化的量度。二是能量增量与各种形式能量之间关系——各种形式能量的转换遵循等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量，是此形式能量的增量，也是彼形式能量的增量。而与是结果。长期以来物理学界一直把等同于能量守恒，是对能量守恒定律认识不足。(三)能量守恒定律与总能量守恒(总改变量守恒)以及几种能量形式等量转换间之关系是不可逆的,由能量守恒定律可得总能量守恒(总改变量守恒)以及能量形式等量转换,但由总能量守恒(总改变量守恒)以及几种能量形式之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。能量守恒定律与总能量守恒(总改变量守恒)以及几种能量形式等量转换是不能等同对待的。(四)能量守恒有二，一是等量转换，二是总量守恒，二者不可缺一。(五)功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。四、能量守恒对坐标变换的要求换位思考能量守恒与坐标变换的关系，分析能量守恒定律对坐标变换的要求，按照现代物理的说法，能量守恒只在每个参照系各自内部都有一套描述守恒的方法，它们都在自己的描述下承认能量守恒。则必需要假设在二个坐标系能量守恒成立，至于能量守恒是相对的，还是有条件的，暂不讨论。注意：1、各种形式能量的转换遵循等量转换原则。2、能量增量在能量守恒定律中的重要作用，能量的转移和传递其实是靠能量增量（功能原理）。众所周知，能量有多种形式，如动能、势能、化学能、电磁能、核能等等，各种形式能量之间可以相互转换，都能参加物体之间的作用，而不同形式能量都有自己的数学表达式。首先我们不难看出，由于能量有多种形式，人们不能保证自己已经知道了所有形式能量，要保证所有不同形式能量之间转换遵循等量转换原则，从数学上不可能每一种形式能量地证明。换言之，能量守恒定律在数学上是不可能证明，它只能是保证，我们只能是保证在每个参照系各自内部所有不同形式能量之间转换遵循等量转换原则。凡是先建立了坐标转换体系，再证明能量守恒是不可能的，先建立坐标转换的理论与能量守恒定律根本不相容，如：相对论。现令：在静止参照系S中观测，有能量与，现能量与发生变化——能量转换，由变为，由变为，即：（4.1）（4.2）则（4.3）在以速度u运动参照系观测，（4.4）（4.5）（4.6）令：为量坐标系能量变化量坐标变换函数，即：（4.7）注意：各种形式能量的转换遵循等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量，是此形式能量的增量，也是彼形式能量的增量。通过以上的分析，我们同时可发现，要保证能量守恒定律成立，其主要是保证在各自坐标系，各种形式能量的转换必需遵循等量转换原则。则，我们可得出能量守恒定律对坐标变换的要求：1、所有形式能量变化量（能量增量）的坐标变换必需完全一致；2、在一参照系等量的能量变化量（能量增量），在另一参照系观测，能量变化量（能量增量）必是等量。但事实是各种形式能量的坐标变换不一，则各形式能量的能量增量坐标变化不一，这与能量守恒定律对坐标变换要求之间存在着矛盾。综上所述，我们可得出：1、现物理理论皆忽视了能量守恒定律中各种形式能量的转换遵循等量转换原则，而认为等同于能量守恒，带来的结果是理论往往是建立在总能量守恒之上的，并不是建立在能量守恒定律之上的，比较典型的有相对论，而这些物理理论与能量守恒定律并不相容。2、现物理理论一般认为等量能量增量坐标变换后，可以是不等量的，与能量守恒定律对坐标变换的要求存在矛盾特别明显。3、在数学上根本不能证明各种形式能量的转换遵循等量转换原则，因为人们不能保证自己已经知到所有形式能量，不可能每一种形式能量地证明。换言之，先建立坐标变换体系，再证明其能量守恒，是不可能的，是完全不可能的。能量守恒定律只能是保证，不能是证明。五、重新认识物体运动的本质众所周知，现物理理论皆认为动能具有相对性，等量动能能量增量坐标变换后不等量，显然这一观点与能量守恒定律对坐标变换的要求存在着矛盾，为了解决这一矛盾，我们不得不重新思考物体运动的本质。在狭义相对论中，质能公式、质速公式是一个连环的、相互证明的一个体系，且质能公式、质速公式已得到实验的充分证明。根据狭义相对论（5.1）得（5.2）由（5.2）式我们可做图1。图1物体速度与光速大小关系示意图图2物体动能变化图示从图1，我们可以发现，物体的运动速度是极限速度的一个分速度，且物体的运动只能在以极限速度为半径的圆周上。根据狭义相对论以及（5.2）式，我们可做动能变化图（见图2）。由图3可以看出，速度的变化其实是一个偏转，一个以极限速度c为半径的偏转，坐标系的变换也是速度变化，则坐标系的变换是一个偏转，一个以极限速度c为半径的偏转（见图3）。图3物体速度与光速方向关系示意图图4系和系物体动能与速度变化关系从图4中可以看出，物体运动发生变化，从坐标系看，物体的运动速度由变为，物体的质能由变为，物体的动能变化为：，从相对坐标系运动速度为u的坐标系看来，物体的动能变化为：，物体的运动速度由变为，以及， 注意：圆周上的每一个点在坐标变化条件下，每一个点的运动速度都是达到极限速度，这就是说不管是静止的，还是运动着的物体，其运动速度其实都是极限速度，而人们平常说的相对速度是极限速度的一个分速度。则所有的物体都是静止质量为零的物质达到极限速度c的产物。从以上分析看出，观测坐标的变换并未影响物体的总能量以及能量的增量，观测坐标的变换只是一个观测角度的改变，物体的总能以及能量增量是绝对的，而物体的静止质量以及动能是相对的，且物体的静止质量是相对的，符合能量守恒定律对坐标变换的要求。同理可得，能量是绝对的，能量需通过一定方式表现出来，方式决定了具体形式能量的相对性与绝对性。另：根据，得（5.3）众所周知，物体都存在着静能，但物体不能绝对静止，引入运动概念，则只有静止物体运动速度为极限速度下：同样可得所有静止的和运动的物体都是质量为零物体运动达到极限速度C的产物的观点。故此，我们得出以下结论：结论一、能量本质是绝对的，能量需要通过一定的方式表现出来，具体形式能量的表现方式决定了具体形式能量是否具有绝对性与相对性。且具体形式能量的相对性必然有相应的具体形式能量的相对性与之相对应，来符合能量守恒定律。结论二、所有静止的和运动的物体都是质量为零物体运动达到极限速度C的产物。结论三、在任何物体观测另一物体的运动速度，只能是与之运动方向垂直方向的物体运动速度，即：是另一物体运动极限速度C与之运动极限速度C垂下直方向的分速度。结论四、得观测偏转角度（θ）与运动速度（v）存在以下关系：（5.5）结论五、速度合成公式：设：有人在中观测物体运动速度，物体速度。合成运动速度为（见图5）：