概念规律：能量守恒定律的建立

参看录像转视频材料《能量守恒定律建立》２７′　

能量守恒与转化定律的建立　

（初期思想萌生于１７世纪的力学研究；定律完成于１９世纪４０年代）　

能量守恒和转化定律的建立，是继牛顿力学建立之后近代物理学发展中又一次伟大的综合。它和生物进化论、细胞学说一起，被称为１９世纪中叶的“三大发现”。　

一、能量原理产生的时代因素　

１．从“活力”到“功”（跳转１）　

能量原理发展的前史表明，对运动转化过程定量化的认识，在近代自然科学发展的初期，是以一个动力学定理的形式出现的，一直被称为“活力守恒原理”。早在１７世纪初，伽利略已经发现了摆球的等高性，并且提出了“等末速原理”。１６６９年，惠更斯在弹性碰撞的研究中，提　出了这个量，并得出在完全弹性碰撞中，在碰撞前后不变的结论。年，莱布尼兹把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的

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2　量正是活力。到１８世纪初，在约翰・伯努力利的著作里，就一再提到“活力守恒”。１８世纪中叶后，欧勒已经认识到，在有心力作用下，从一个定点开始运动的物体，在它通过任意途径到达离辏力中心有同样距离的任何位置时，其活力都相等。“活力守恒”实际上是能量守恒原理的一个特殊情况。

语，定出其单位为千克・米，并提出了机械过程中的能量守恒的原理：功的代数和的二倍等于活力之和；任何时候都不能从无中产生功或　

活力，功和活力也不能转化为无。科里奥利主张，活力应表示为，12

mv 2　因为这样一来，它在数值上就等于所能做出的功。这样功这一概念，就从机械效率的研究中引入了物理学。　

至于“能”的概念，最早是由约翰・伯努利在１７１７年使用的。１８０７年，英国物理学家托马斯・杨建议将ｍｖ２称为能量，不过他的意见在很长时间里未能引起重视，科学家们仍然用“力”这个词来表示能量。　

２．“永动机”幻想的破灭　

永动机之不可能实现，是导致能量原理建立的另一重要线索。　

早期一个很著名的永动机设计方案，是１３世纪法国人亨内考（Ｖ．ｄｅ　Ｈｏｎｎｅｃｏｕｒｔ）提出的“魔轮”。他在一个轮子的边缘等距离地装上１２根活动杆，杆端装以重球。他设想，当轮子转动起来后，由于右侧的垂球离轮心更远，特别是重球向右甩出的作用，就会压使轮子永不停息地转动下去。但实际上轮子转动一两圈后就停了下来。　

后来，意大利的达・芬奇（１４５２—１５１９）根据同样的原理，制造了一个“重球永动机”，利用轮辐的特殊形状，使右边的球滚向轮子的边缘，而左边的球会自动滚向中心。本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。达・芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。但１７世纪时，英国一个关在伦敦塔下的犯人马尔基斯，却重新制造了一个类似的装置，转轮的直径大约５

米，内装４０个弯曲轮辐，每个轮辐间放一个重２５公斤的钢球。他用这个装置向国王查理一世作了表演，受到国王的嘉奖而特赦了他。其实这个转轮只能靠惯性维持短时间的运转。　

１６世纪７０年代，意大利一个机械师斯特尔提出一个“螺旋汲水器永动机”设计方案：由高处水槽中流出的水，冲击水轮机转动，在带动水磨工作的同时，通过齿轮组带动螺旋汲水器，把流到下面蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。如此周而复始，整个系统就可以不停地运转下去，并完成有效的工作。一时间，形形色色的自动水轮机方案纷纷提了出来，但是没有一个能把流到下面的水全都提升上去；所以，上水槽的水很快流完了，机器也随之停转。　

１７世纪，英国人维尔金斯把磁力和重力结合起来，设计出了“磁力—重力永动机”。如图所示，在立柱上端放一个大磁体，立柱旁边倚靠着一个斜面和一个弧形轨道，斜面下放一个铁球，斜面上下各开一个可以通过铁球的圆孔。维尔金斯设想，由于大磁体的吸引，铁球会沿斜面滚上去；当它滚到上面的圆孔处时，由于重力的作用会掉落下来，并沿着弧形轨道滚向下方；由于惯性的作用，铁球会绕过弯曲的地方钻出下方的圆孔，然后又被磁体吸引上去。这样，铁球不就可以连续上下滚动了吗？这个设想当然不可能实现。因为，如果磁体的磁力特别强，可以把铁球吸引上去，那么就不会让它再滚落下来的。　

层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检

验下一一失败了，以致法国科学院在１７７５年作出决议，认为永动机是不可能制成的，并严正声明：“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。　

３．自然现象之间联系和转化的普遍发现（跳转２）　

１８世纪未到１９世纪中叶，自然科学上一系列重大发现，广泛揭示了各种自然现象之间普遍的联系和转化。　

１７９８年伦福德的钻炮实验和１７９９年戴维的摩冰实验，证明了机械运动向热的转化；而１８世纪蒸汽机的发明与使用，又实现了热运动向机械运动的转化。　

１８２１年塞贝克发现了温差电现象（热电偶），１８３４年珀尔帖又发现了其逆效应，１８４０年焦耳定律的发现，都证明了电运动和热运动之间的相互转化。　

１８００年伏打电堆的发明以及随后发现的电解现象，完成了电运动和化学运动之间的转化。　

　总之，到１９世纪４０年代前后，欧洲科学界普遍酝酿着一种思想氛围，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这样的条件下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立地发现了能量守恒原理。在这些天才人物中，迈尔、焦耳和赫姆霍兹更是声誉卓著的佼佼者，对这一普遍原理的确立，作出了奠基性的贡献。　

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二．迈尔—从自然哲学走到伟大定律面前的人（跳转５）　

１８４０年，德国青年医生罗伯特・迈尔（Ｒ．Ｍａｙｅｒ，１８１４—１８７８）在一艘从荷兰驶往爪哇的船上作随船医生，他发现热带地方病员的静脉血像动脉血一样鲜红；他还听船员们讲暴风雨后海水比较热。这些现象促使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化。　

１８４１年回国以后，他一直思考着这个问题。据说有一天他和朋友在马路上看到一辆四匹马拉的车奔驰而过，他问朋友马的拉力产生了什么效果，朋友回答说使车子的位置了生了移动。他反问说如果马拉车回到原处呢？难道说马的拉力就没有任何效果了？他认为，马是靠食物的氧化产生体力来拉车的，车又通过磨擦使路面和车轴发热，它们之间必然有一种确定的关系。