世界科普大师写给孩子的趣味物理/科普大师趣味科学系列

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现在，为了说明理论物 理学里要用到的概念和推 理方式，我们来考察一下 物理学基本定律之一的能 量守恒定律（能量既不能 被创造，也不能被消灭。 它有许多表现形式，能在 各类形式间转化，但它的 总量永远守恒——译者注 ）。 有一个事实，也可说是 一条定律，可以解释到目 前为止我们知道的所有自 然现象。据我们所知，它 是绝对精确的。它就是能 量守恒定律。根据这条定 律，在自然界发生的形形 色色的变化中，有一个量 （即能量）是不变的。这 是一个相当抽象的_溉念， 只因它是个数学原理，即 某个数量在某些事发生时 能保持不变。它不是对一 种机制或任何具体事物的 描述，它只是个不可思议 的事实：我们可以计算某 个数值，等我们欣赏过大 自然表演的魔术后，再来 计算这个数量，两次结果 是一样的。鉴于它是个抽 象的概念，我们用一个类 比来说明它的含义。 假设有个孩子，我们就 给他取名叫丹尼斯吧。他 有一些积木，这些积木不 会破损，也不能分成更小 块。每块积木都一样。我 们假设丹尼斯有28块积木 ，每天早晨，他的妈妈把 他和这28块积木留在一个 房间里。等到晚上，他的 妈妈出于好奇，数了数积 木的数量，于是，他的妈 妈发现了一条唯象理论（ 物理学中在解释物理现象 时，不用其内在的原因， 而是用概括试验事实所得 到的物理规律——译者注 ）——不管丹尼斯怎么玩 积木，积木总数都是28块 。 这种情况持续了一段时 间，直到某天，积木只有 27块了，但是稍一查找， 他的妈妈就发现有一块在 地毯下面。她需要四处查 找才能确定积木的数目有 没有改变。可是有一天， 积木的数目看上去又变了 ——只剩下26块。经过仔 细查找，她发现，J那两块 积木就在敞开的窗户外面 。 又有一天，她发现积木 的数目变成了30块，这令 她十分l京讶。后来，她才 知道丹尼斯的朋友布鲁斯 带着他的积木来玩过，落 下了几块积木。她把多出 来的积木拿走，关上窗户 ，不再让布鲁斯进来，从 这以后，一切都正常了。 有一次，她发现积木只有 25块了。房间里只有一个 装玩具的盒子，她走过去 ，想打开盒子，可是丹尼 斯大声尖叫着：“不要动我 的盒子!” 妈妈很好奇，也很聪明 ，她想到了一个好办法。 她知道，每块积木重80克 ，以前她曾称过装玩具的 盒子，盒子质量为450克。 这一次，她想核实一下， 于是又称了一下盒子的质 量，减掉450克，再除80 克。她发现：看到的积木 数+（盒子质量一450克） /80克=常数 公式1 后来妈妈又有了新的发 现，她发现浴缸里脏水的 高度改变了，原来是丹尼 斯把积木扔进了水中，可 是，因为水太脏，之前她 没发现，但她现在能算出 有多少块积木在水里，这 需要在她的公式里加一项 。由于原来水面高15厘米 且每块积木能让水 面升高O．6厘米，新公 式为： 看到的积木数+（盒子 质量一450克）／80克+（ 水面高度一1 5N米）／0． 6厘米： 常数 公式2 于是，在愈加复杂的情 况中，妈妈发现了一系列 用来计算有多少块积木藏 在她看不到的地方的项。 结果她得到了一个复杂的 公式，得到了一个恒定不 变的量，不管孩子如何玩 ，这个量永不改变。 这和能量守叵都有哪些 相似的地方呢？ 首先，必须从这个情景 中抽掉一点，那就是根本 没有积木。去掉公式1和公 式2中的第一项，我们可以 发现，我们进行的是较为 抽象的计算。以下是相似 点： 1．我们在计算能量时 ，有时候它的一部分会脱 离系统跑出来，有时候又 会有一些跑进去。为了验 证能量守恒，我们必须注 意不要把任何能量放入或 取出。 2．能量有许多种形式 ，每种形式都有其表示能 量的公式。这些形式分别 是：引力能、动能、热能 、弹性能、化学能、电能 、核能、辐射能、质能。 倘若我们把每种形式的能 量贡献的公式相加，除非 有能量进出，否则它的总 量不会改变。 P18-20