能量守恒定律的建立与大概念的形成

王海岳

【摘要】大概念在核心素养培育上，是当前理论与实践界关注的核心议题。能量守恒定律是物理学中一个具有普遍意义的原理，涉及的范围非常广泛，是19世纪自然科学的一块重要理论基石。本文旨在通过对能量守恒定律建立过程的探索，建立自然规律发现的底层逻辑。

【关键词】大概念、能量守恒定律、核心素养

大概念的“大”的内涵不是“庞大”，也不是指“基础”，而是“核心”或“底层逻辑”，具有很强的迁移价值。大概念就是构造出的大脑内合宜的“主干道”。它不仅体现了人们对知识“少而精”的渴求，也是中国基础教育课程教学改革持续深化的重要标志。一般而言，最深邃的观念、最根本的原理以及最内核的精神，往往隐藏在事实、现象和行为的背后，需要通过理性的深层追问才能抵达和认识。

把握大概念和事物的底层逻辑有利于更深刻理解事物发展的逻辑，培育核心素养。能量守恒定律的建立，经历了广阔而又艰苦的孕育过程，是自然科学和哲学长期发展的结果。恩格斯称它为“伟大的运动基本规律”。

一、漫长的孕育过程

能量守恒和转化定律思想的孕育史，是人类对自然界科学图景认识史上的一个非常富有意义的个例。四五十万年前，我们的祖先学会了人工磨擦取火，这是原始人技朮发明的一件大事。磨擦取火，是把机械运动转化为热的过程。在磨擦取火之后的一段漫长的岁月里，利用畜力、风力和水力来运转机械，驱动车船，是一个将机械能中的势能与动能相互转化的过程。从16世纪到18世纪，经过伽利略、牛顿、惠更斯、莱布尼茨、伯努利等物理学家的认真研究，使动力学得到较大的发展，机械能守恒的思想在这一时期已经萌发。1769年瓦特发明蒸汽机，实现了热与机械运动相互转化。1799年伏打发明电池，1800年卡莱尔等成功地进行水和硫酸铜溶液的电解，实现了电能与化学能的相互转化。1821年塞贝克发现了温差电，1834年珀尔帖发现了它的逆效应，实现了电能与热能的相互转化。1820年奥斯特发现了电的磁效应，1831年法拉第发现了感应电流，实现了电能、热能、机械能的相互转化。这—切发现都表明，自然界各种各样的作用是相互关联的，联系的观点去观察自然成了科学思想中一种重要观点。为能量守恒和转化定律的发现提供了充分的实验基础。

二、哲学思想的启示和促进

在中国古代和古希腊的哲学家，已提出了运动不灭的思想。法国哲学家笛卡尔于1644年第一个明确提出了“宇宙中运动的量是永远不变的”这一哲学命题，清晰地阐明了运动既不能创造也不能消灭的思想。中国明末清初的思想家王夫之几乎与笛卡尔同时，也通过实践的观察，从哲学上提出了运动不灭的光辉思想。这是在自然科学领域里发现能量守恒和转化定律整整200年前就已经明确得出了的哲学结论。从十八世纪末到十九世纪前半期各种自然现象之间联系和转化的发现，日益揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化，德国哲学家黑格尔提出了各种现象之间相互联系和转化的思想。哲学家谢林更经常地谈到当时科学中关于各种过程的转化的发现。他断言，磁的、电的、化学的、甚至有机现象都会被编织成一个大综合体。他还指出，光的、电的等各种现象，都不过是一种力量的不同形式。这种联系和转化的观点，在当时为发现能量守恒和转化定律提供了适宜的哲学气氛。

三、永动机研制失败的思考

永动机是人们企图不用或少用原料、提高机器的效率而设想出来的一种理想机器。在人们还没有掌握自然的基本规律时，这种想法曾经引诱许多有杰出创造才能的人，他们付出了大量的智慧和劳动，追求这种梦想的实现。

永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪一个叫亨内考的法国人提出来的。他在一个轮子的边缘上等距地安装十二根活杆，如图一。文艺复兴时期意大利集大成者达·芬奇也造了一个类似的装置，如图二。16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔又提出了用流水的落差设计永动机的方案，如图三。图四是一个著名的浮力永动机设计方案。

此外，人们还提出过利用轮子的惯性，细管子的毛细作用，电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案，但是，所有这些方案都无一例外的以失败告终。一切否定都是肯定，各种各样永动机方案的失败，给我们的思考和启示是能量是不可能凭空产生的。

     图一              图二                图三           图四

三、必要的诞生条件

能量转化和守恒定律的诞生，在有了其它种种准备之后，还必须清除一个理论障碍──热素说。热素说是18世纪广为流行解释热的本质的一种理论。它认为热是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。给热素说以沉重打击的是美国物理学家伦福德。伦福德把炮筒放在水槽里，用一支钝得几乎不能削出碎屑的钻头钻孔。几匹马拉着钻具钻了约两个半小时，槽内约18磅水竟然沸腾起来。伦福德的实验有力地否认了热素说。

四、殊途同归------发现能量的转化和守恒原理

到了十九世纪四十年代，把整个链条的各个分立的环节连成一体的时机已经成熟。这段时期内(1842—1847)，有十几个科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了能量守恒定律。其中以德国科学家迈尔、亥姆霍兹，英国科学家焦耳的工作最为著名。

1840年，迈尔作为医生随船从荷兰驶往东印度。当船驶入热带地区时，他给生病的船员放血时，发现静脉血要比在欧洲时鲜红得多，引起了他的深思。他认为这是由于热带地方人的血液中含氧较多引起。他又想到食物中含有化学能，象机械能一样可以转化为热能，在热带高温下机体只需消耗较少热量，所以机体中食物"燃烧"过程减弱，在静脉血中留下了较多的氧。认为食物所含化学能和机械能一样，可以转化为热能，1842年迈尔从“无不生有，有不变无”、“原因等于结果”等哲学观点出发，提出不可灭性。迈尔还提出建立不同“力”之间数值上的当量关系的必要性，宣布了热能和机械能的相当性和可转换性。

亥姆霍兹1847年发表论文《论力的守恒》。他的基本出发点是“通过任何一种自然物体组合之间的作用，不可能无限制地获得能做功的力。”和“自然界中一切作用都应归结为引力和斥力，力、热、电、光和化学变化都是这种力作用下的运动表现形式。

焦耳是个“永动机迷”，一次次的失败引起了焦耳的深思，1840年，经多次实验发现电能转化为热（内能）的焦耳定律，并由此断定，热是能的一种形式。在1843年发表的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，叙述了关于热功当量的测定的描述。

迈尔和亥姆霍兹使用的“力”一词，我们应当理解为能量。能量守恒定律刚创立时，“力”、“能”二词在概念上仍十分混乱。1852年开尔文给“能”下了一个精确的定义，1857年英国工程学教授兰金建议用能量守恒取代力的守恒。

五、能量守恒和转化定律的深入探索

19世纪中叶，能量守恒和转化定律得到了科学界的普遍承认。违反能量守恒和转化定律的永动机：第一类永动机彻底失败了。一些人又想如果轮船在大海中航行，能否直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功？这样并不违反能量守恒和转化定律。对这个问题的深入研究，建立了热力学第二定律。能量守恒和转化定律的探索为人们探索自然规律树立了典范，也为进一步认识自然界的各种规律指明了方向。守恒的思想也是学习自然科学应具有的最底层的逻辑出发点。