守恒定律

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简介

守恒定律以非常好的方式平衡了宇宙。根据支配它的守恒定律，给定的物理属性在封闭的物理系统中通常不会随时间改变。在经典物理学中，某些原则集合调节着能量、动量、角动量、质量和电荷。

粒子物理学中的其他守恒定律实施了在相互作用过程中保持不变的亚原子粒子属性。无需考虑物理过程或化学反应如何展开的微观细节，即可预测系统宏观行为的能力是守恒定律的关键功能。

什么是守恒定律？

守恒定律被认为是基本的自然法则，在物理学以及其他领域都有广泛的应用。由于它们定义了哪些自然过程可以发生，哪些不能发生，因此守恒定律对于我们理解物理宇宙至关重要。例如，能量守恒定律指出，虽然能量的类型可能会发生变化，但其总量不会发生变化。物理过程通常不会改变该定律所涵盖属性的总量。大多数守恒定律是精确的或绝对的，也就是说它们适用于所有可能的进程。

守恒定律的类型是什么？

有几种守恒定律，可以分为精确定律和近似定律。以下是一些基本且重要的守恒定律：

能量守恒

根据能量守恒定律，通常称为热力学第一定律，系统中包含的能量总量必须保持恒定。能量不是凭空产生的，也不能凭空消失。但是，能量可以从一种形式转换为另一种形式，但可以作为功、势能或动能耗散。热是由分子和原子的动能产生的。

我们可以借助能量守恒定律解决许多与动力学相关的难题，它也是热力学研究的基础。

$$\mathrm{系统总能量 = U}$$

$$\mathrm{U=K.E.+P.E.=常数}$$

质量守恒

质量守恒定律是在 1789 年由安托万·拉瓦锡提出的，当时他意识到在物理和化学过程中质量既不会产生也不会消失。因此，任何特定元素在反应开始时的质量将始终等于该元素在反应结束时的质量。如果我们在化学过程中包含所有反应物和产物，则在任何封闭系统中，总质量将随时间保持恒定。拉瓦锡的发现彻底改变了科学，并为现代化学奠定了基础。

电荷守恒

根据电荷守恒定律，封闭系统的总电荷永远不会改变。这意味着，如果系统没有从周围环境接收和发送物质或能量，则在任何两个时刻之间，该系统将永远不会具有不同的总电荷。如果两个带净电荷为零的孤立系统中的粒子相互交换一百万个电子，则带有多余电子的物体将带负电荷，而带有减少数量电子的物体将带相同大小的正电荷。系统的总电荷没有改变，也永远不会改变。

动量守恒

动量守恒的概念指出，在没有任何外力的情况下，孤立系统的总动量将保持不变。换句话说，动量只能通过力的作用改变，力的作用包含在牛顿运动方程中。动量不能产生或消失。动量是物体质量和速度的乘积，它也等于使物体静止所需的总力。

$$\mathrm{m_1
u_1=m_2
u_2}$$

动量守恒在现实世界中的一个应用是涉及碰撞的问题，当动量守恒且净外力为零时。

角动量守恒

根据角动量守恒定律，在没有外力矩的情况下，孤立系统的总角动量在大小和方向上都保持恒定。

角动量守恒定律规定：

$$\mathrm{\omega_1I_1=\omega_2I_2}$$

如果 $\mathrm{\omega_1}$ 是角速度，而转动惯量为 $\mathrm{I_1}$，$\mathrm{\omega_2}$ 是角速度，而转动惯量为 $\mathrm{I_2}$。

守恒定律的特点是什么？

守恒定律有一些重要且独特的特征，例如

时间齐次性

如果我们今天在某个特定位置进行实验，并在一年后在同一位置重复该实验，我们将获得完全相同的结果。

空间齐次性

宇宙中没有首选位置，因为自然规律在任何地方都具有相同的形式。

空间各向同性

守恒定律对于特定方向不是精确的，但对于宇宙中的每个方向都是相同的。

结论

正如我们在以上段落中所学到的，宇宙中任何作用的实际识别或可行性都可以根据这些守恒定律来预测。化学和生物学中反应的稳定性仅取决于电荷、质量和能量的守恒。此外，在物理世界中，所有类型的运动都受动量守恒定律支配。此外，这些守恒定律对于特定的点、位置、时间和方向都不适用，而在宇宙中，它们对于每个点都是相同的。

常见问题解答

Q1. 近似守恒定律是什么？

答：并非所有点都完全精确的守恒定律，但是有一些限制。近似定律在特定条件下有效，例如缓慢运动的物体、微观的单位时间等。

Q2. 守恒定律有哪些应用？

答：守恒定律在我们的日常生活中有很多应用。一些普遍的应用如下：

• 过山车

• 单摆

• 枪击

• 电力转化为机械运动

• 牛顿摆

• 水力发电厂

• 扬声器将电能转换为声音的作用

Q3. 守恒定律的概念首次提出是在什么时候？

答：第一个守恒定律是质量守恒定律，由安托万·拉瓦锡在 1789 年提出。之后，在 1850 年，威廉·兰金提出了能量守恒定律。

Q4. 为什么我们需要守恒定律？

答：我们对自然现象和其他一些人工现象进行了大量研究，以了解它们的性质和稳定性。因此，为了检查过程是否可行，我们使用守恒定律。