功、能概念形成的历史过程-最新资料

功、能概念形成的历史过程

物理学中的“功”和“能”的概念是非常重要的，在物理学史上，功、能的定义却是姗姗来迟的，从观念的产生到有明确的、现代意义下的概念，经历了一个漫长的历史过程.本文联系

物理学发展史，试图揭示功、能概念形成的历史背景和过程梗概.

一、萌芽阶段

功和能的概念在历史上比它的名称要古老得多，我们至少可以追溯到伽利略（Galileo， 1564～1642）时代.

在17世纪初，伽俐略注意到：提升重量（用滑轮系）所需

的力乘以作用力所经过的距离是保持不变的.尽管两个因子本身

都可以变化.他将力和路程的乘积称为“矩”.无疑，这里的“矩”已包含了功的含义；同时，他在研究落体运动时还发现：物体下落过程中所能达到的最大速度能够使它跳回到原来的高度，但不会更高，很明显，这里隐含了机械能守恒的思想.

二、十七、十八世纪“力的含义”

在十七、十八世纪时期的力学著作中，力的概念是模糊的.

牛顿（Newton， 1643-1727）在他的《自然哲学的数学原理》中也没有从力的本质上来理解力，我们不妨看看牛顿对“力”的定义和解释：

定义1：所谓物质固有的力是每个物体按其一定量而存在于其中的一种抵抗能力，在这种力的作用下，物体保持其原来的静

止状态或者在一直线上等速运动的状态.

定义2：外加力是一种为了改变一个物体的静止或等速直线运动状态而加于其上的作用力.在解释中，牛顿还指出：“这种力只存在于作用的过程中，当作用过去以后，它就不再留在物体之中”.

从上面的定义我们可以看出，牛顿当时并不是像我们现在这样着眼于受力分析，而是考虑物质“具有”多少可以使其他物体或本身产生某种效应的“能力”.比如，他把物体的“惯性”称为“物体固有的力”、“抵抗能力”；“外来的力”是物体运动变化的“源泉”，由于强调了“力”对物体来说是外来的，因而包含了物质、运动分离的思想，这样“力”就被看成物体相互作用的数学表示，正如牛顿自己所说的那样“……不是从物理上而是从数学上来考虑的”，有人把牛顿的这句话看成是牛顿在“力”的观点上的“高明”之处，可是，正是由于这一“高明”之处，使一段时间内人们对力、能、运动量的概念混淆不清，这些角色都由“力”来凑合扮演.

三、关于“运动量度”的争论

前面我们已经说了，牛顿时代，力学体系在逻辑上，数学表达上还不够俱全，人们对“力”的概念的内涵的理解是模糊的.这样，在不同意义上使用这一概念描述力的各种效应时，就会有不同的结论，从而引起了笛卡儿（Descartes， 1569-1650）学派和莱布尼兹（leibniz， 1646-1716）学派关于“运动量度”

的一场旷日持久的争论.

1644年，笛卡儿在《哲学原理》中论述了整个宇宙体系时，采用了“运动量”一词，他把运动量定义为“物体（当时还未有质量概念）和速率的乘积”，主张用运动量作为机械运动的量度，提出运动量守恒定律——一切物体的总运动量不变.

后来牛顿在《原理》中，沿用了“运动量”，他把质量与速率的乘积mv定义为动量，笛卡儿和牛顿是当时欧洲举足轻重的数学家和物理学家，他们关于运动量度的主张——mv是运动的

唯一量度得到许多人的承认.

不久，惠更斯（Hugygens， 1629～1695）等人发现了运动量具有方向性，从而提出，将运动量定义为质量同速度矢量的乘积，这样就具有了现代意义下的动量及动量守恒定律，但是新的运动量守恒定律并不能满意地解释宇宙的运动将永远进行下去.

1669年，惠更斯曾提出如下法则，作为碰撞问题解答的一

部分，“在两物体的碰撞中，它们的质量及速率的平方乘积mv2之和，在碰撞前后保持不变.”但他的观点未被人们所重视.

1686年，莱布尼兹利用了惠更斯的上述结论，提出mv2才

是运动的“真正”、“惟一”量度，并且在系统中应是∑mv2守恒，而不是∑mv守恒，从而拉开了物理学史上关于运动两种量

度的争论.

后来，莱布尼兹也注意到笛卡儿的观点在某些情况下是适用的，但是令人遗憾的是他没有想到把两者综合在一起，却在1695

年，提出将“力”分为“死力”和“活力”两种，他把mv2定义为“活力”，提出“活力守恒定律”，活力守恒定律当时得到许多科学家的支持，比如D·伯努利（Bernoulli，1700—1782）运用这一原理得到了著名的伯努利方程.

四、功、能概念的提出

早期的工业革命中，工程师们往往不用活力，而是用与活力等值的物体的重量与路程的乘积作为机械功效的量度，因为这更加直观，卡诺（s.Car'nest，1796—1832）把这个量称为“作用矩”.1820年，法国科学家科里奥利（Coriolis，1792—1843）把这个量称为“功”，1826年，法国科学家蓬瑟勒（Poncelet，1788—1867）明确推荐了“功”，并定义为“力和力的作用点的位移的乘积”，这样功的概念就进人物理学.

至于“能量”一词，早在1807年，托马斯·杨（Young·Thomas，1773—1829）就提出用“能量”一词代替莱布尼兹的“活力”，但是他的建议没有被人们广泛使用，人们仍旧用“力”这个概念，甚至到了1847年，迈尔（Mayer，1814—1878）和亥姆霍兹（Helmhohz，1821—1894）发现能量守恒定律时，仍用“力”表示，普遍称为“力的守恒定律”.现代意义的能量概念，直到1853年才被W·汤姆逊（Thomson，1824—1907）所定义——“当它从一个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生用机械功单位来量度的各种作用的总和.”这句话明确了功能之间的关系.1867

年，汤姆逊又将“活力”定义为“动能”，关于“势能”的既念，1847年，亥姆霍兹在《论力的守恒》一书中已有定义，至此在机械运动的范围内功、能概念已确定.