谈谈自然界三个伟大的守恒定律

　　我们知道，功和能量是有密切联系的，但又是有区别的。功是能量变化与转换的一种量度，是和变换过程联系在一起的；而能量是代表物体系统在一定状态下，所具有的作功本领，它和物体系统的状态有关，是系统状态的函数。对于机械能（动能和势能）来说，它与物体系统的机械运动状态（即位置和速度）有关。功和能量反映了力对空间的累积作用。在长期的生产斗争和科学实验中，人们总结出一条重要的结论：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。这一结论叫做能量转换与守恒定律，它是自然界的基本定律之一。自然界中物质存在着许多的运动形式。对应不同的运动形式，有不同的能量形式。但当运动形式间相互转化时，物质的能量也随着相互转换。例如：1）利用水位差推动水轮机转动，能使发电机发电，将机械能转换为电能；2）电流通过电热器能够发热，使电能转换为热能；3）电流通过灯泡，既发光又同时发热，使电能转换为光能和热能；4）各种汽燃机，是利用汽油或柴油在燃烧过程中将化学能转换为热能，热能再转换为机械能，推动活塞的运动。自然界中物质运动的形式是各式各样的，因而各种能量的转换过程也是极其丰富的，从古代的钻木取火，到现代的原子能发电，都包含了能量的转换过程。在这些转换过程中，能量的变化常用功来度量。功和 能量大致上呈现聚集与释放的交错模式。如果说能量守恒定律是从力对空间的累积效应出发而得出的定律，那么从力对时间的累积效应出发，我们可以推出：动量守恒定律和角动量守恒定律。所谓动量守恒定律是指如果系统内各物体所受外力的矢量和为0,则系统内各物体动量的矢量和将保持不变，即守恒。用数学式子表示为： mv=恒矢量（m为物体质量，v为速度矢量）。同理，所谓角动量守恒定律是指如果刚体所受的合外力矩等于0,或者不受外力矩的作用，刚体的角动量保持不变，即角动量守恒，或动量矩守恒。用数学式子表示为：mvr=Jω=恒矢量（r为曲率半径，J为转动惯性矩，ω为角速度）。对于角动量，当曲率半径r 时，r将失去意义，仅剩质量和速度有意义，此时，就变成动量守恒定律了。从这个意义来讲，也可认为动量守恒定律是角动量守恒定律的特例，角动量守恒定律更具有普适性。在生产实践和科学实验中，角动量（动量）守恒定律的应用是非常广泛的。例如：1）火箭在虚空中，是静止的。要想火箭飞行，它必须从后方喷出大量高速气体，形成负动量，火箭才能获得向前的正动量，以实现火箭飞行目的；2）跳水运动员在空中作表演时，常先把手臂和腿蜷缩起来，以减小转动惯量而增大转动的角速度，在快到水面时，则又把手腿伸直，以增大转动惯量而减小转动角速度，确保以一定的方向落入水中；3）舞蹈演员跳舞时，先把两臂张开，并绕通过足尖的垂直转轴以一定的角速度旋转，然后迅速把两臂和腿朝身边靠拢，这时，由于转动惯量变小，角速度必增大，因而旋转加快。能量守恒定律、动量守恒定律及角动量守恒定律（简称＂三定律＂），虽然说都是在不同的理想化条件（如质点、刚体等等）下，用经典的牛顿力学原理推证出来的。但它们的使用范围却远远超出了原有的条件的限制，它们不仅适用于牛顿力学有效的所有经典领域，而且也适用于牛顿力学失效的近代物理理论——量子力学和相对论中。由此说明，三定律不但比牛顿力学理论更基本、更普遍，而且也是近代物理理论的基础，成为自然界更普适的物理定律。当然，自然界除了这三个定律以外，还会有其它的守恒定律存在，如：电荷守恒定律、重心守恒定律等等。只不过其它的守恒定律与这三个守恒定律比起来，缺少点普适性而已。参考文献：1、《物理学》南京工学院主编；2、《物理定律的本性》（美）费曼著