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1、3.能量的守恒和耗散,教学说明,内容目录,探究实践,知识拓展,从这里开始!,这是第一页,原创 杨浦高级中学 物理组 顾如鸿电子邮箱：,教学说明,4.方法建议,5.评价方法,6.关于ppt的使用说明（基于office2003）,1.课时分配,本章内容计划为7课时,2.内容安排,每一课时教师可先自习，后讲解或讨论。也可由教师先讲授，然后提出本节的思考内容，再让学生去看书后，教师引导，讨论书后提出的问题,3.重点难点,本章的重点：对能量的认识、能对能量的形式能正确地归类，并根据归类的情况认识各种能的区别和联系。难点：对能量的“品质”“转化能力”和能量转化的“方向性”的认识。,自习与教师的点拨以及学生
2、的讨论相结合。教师可根据自己对能量内容的理解情况，适当增加一些相关拓展内容（在ppt的最后有提供的内容）。要强调综合理解能量的概念和意义，寻找不同学科中所涉及的能量的共同本质和差异。,本章内容应强调对相关内容中所涉及的关键词的理解，不应死记硬背。比如：能量是“守恒”的，为什么又要“节能”？能量转化过程中的“方向性”和能量的“品质”怎么理解？,1.点击“2.内容目录”中的相关内容，可进入到相应的内容讲解。2.右下方按钮能较好地完成切换。换页时都有按钮动画提示。3.单击每一页的第一行文字，都可以后退到上一张幻灯片。,内容目录,1.能量的形式,2.能量的存储,3.能量的转化,4.能量守恒,5.能量的
3、耗散,6.熵和熵的增加,7.专题小结,10.阅读材料,8.探究与实践,9.知识拓展（阅读）,1.能量的形式,一.物体物质由于运动而具有的能,动能,如：1.机械运动具有动能 2.分子运动具有分子动能,风能,自然界物质具有的能量可以有多种表现形式。动能、势能、化学能、电磁能、核能等都是能量的一种形式。,二.物质之间相互作用的能。,如：1.势能(重力势能、弹性势能、分子势能、电势能）,2.化学能 化学能来自于原子结合方式的改变,化学反应中，当反应物分子转变为生成物分子时，各原子内部虽然没有发生变化，但原子间的结合方式发生了改变。在破坏旧化学键时，需要能量来克服原子间的相互吸引作用。在形成新化学键时，
4、由于原子间的相互吸引而放出能量。在化学反应中放出或吸收的能量来源于旧化学键的破坏和新化学键的形成过程。这种在化学键破坏和形成过程中所放出或吸收的能量就是化学能。由于化学键的实质是分子间的电磁相互作用，所以化学能本质上是一种电磁相互作用能。,3.核能 核能来自原子核内部核子之间的相互作用。,据估测，一次闪电释放的能量可高达60106kwh，相当于6千万台家用空调工作一小时。有关资料显示，地球上平均每年发生的雷暴达16106次,例如1kg铀-235完全裂变所释放出的能量可达7.41010kJ，是1kg标准煤燃烧释放能量（3104kJ）的243万倍。,三.以场的形式存在的能：电场能、磁场能。电磁能、
5、光能是电磁运动的能,学习本节内容的，我们应当提升的观点：,1.自然界的物质都具有能量，能量是物质存在的基本形式。所有能量形式都可能归入物质运动的能、物质间相互作用的能以及场能这三大类型中。,2.动能、势能、化学能、电磁能、光能、核能等都是能量的一种形式。动能是物质机械运动的能，势能、化学能、核能是物质之间相互作用的能，电磁能、光能是电磁场运动的能。,思考与讨论,1.自然界中有哪些能的表现形式?,2.试说出以下现象中释放的能量形式:(1)汽车轮胎爆裂;(2)火山喷发;(3)炸药爆炸;(4)核爆炸.,3.风镐、风铲等气动工具利用压缩空气做动力，压缩空气能做功，表明压缩空气具有能量。试分析压缩空气具
6、有的能量形式。,4.把一杯1kg 0的冷水回加热到100时，水的质量会变化吗？请利用质能关系式计算这杯水的质量变化数值，并回答这杯水的质量是增加还是减少？你的计算结果说明了什么？,3.能量的形式结束,2（1）汽车轮胎爆裂（空气内能）；（2）火山喷发（地球内部岩浆的内能）；（3）炸药爆炸（炸药的化学能）；（4）核爆炸（核材料内部的核能）,4水的质量会增加，利用 克。,2.能量的存储,学习本节内容的，我们应当提升的观点：,能量可以存储，各种形式的能量都可以存储在物质之中。食品和化石燃料中存储化学能、电池和蓄电池中存储着电能、水库存储水的势能、核燃料中存储着核能等等。,“蓄势”是指：人拉弓箭做功，将
7、人体内的生物能以弓的弹性势能的形式储存起来。,教材P.57 拉大平行板间的距离，由于极板上电量不变，但两板间电压升高，由 可得电容器储能增大，这是因为拉大平板间距离时外力作了功。,思考与讨论,1.对一个已经充好电的电容器来说，它所带的电量是不变的，这时如果设法把平行板电容器两板距离拉大一些，这过程中电容器的储能是否发生变化？为什么？,2.我国古长城峰火台上的每块砖石都是依靠人力从地面搬运上去的，如果砖石的质量为m，搬运高度为h，则每块砖因为位置举高具有的储能为多大？,4.任何形式的能都可以存储，试举出能可以存储的一些实例。,3.2能量的存储结束,E=mgh,3.能量的转化,生物能转化为机械,太
8、阳能转化为电能,风能转化为电能,太阳能转化为内能,太阳能转化为风能,重力势能转化为动能,太阳能转化为光能,思考讨论：1.阅读3.3光合作用过程中的能量转化过程.说出绿色植物的叶绿体中光反应和暗反应时能量转化的大致过程,电子射线管中存在什么样的能的转化？,利用两束相对运动的粒子流对撞，就能把全部能量用来相互作用产生新的粒子,4.能量守恒,能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其它形式，而在转化过程中，能的总量保持不变。,永动机：指不消耗能量而又能源源不断地对外做功的机器,永动机违反了能量守恒定律,能量守恒定律的发现，宣告了制造永动机这一梦想的彻底破灭,17、18世纪很多
9、人搞永动机。1775年法国科学院最终对任何永动机计划关上了大门。很多机械师们在设计永动机上面浪费了他们的大量时间，埋没了他们的天才，甚至断送了他们的前途。形形色色永动机的失败，显示了能量不会无中生有地创造出来，它只能从一种形式转变为另一种形式，人们只能按照这条自然规律来利用、掌握自然力。可惜在19世纪30年代前，人们还没有从不可能造出永动机的结论中直接引伸出能量守恒定律。下面列出了几种永动机的设计方案图（如图5中的所示），先看懂这些方案，然后对这些设计方案作出正确判断。（D）(A)只有是正确的(B)只有和是不正确的(C)只有和是不正确的(D)都不正确,学习前两节内容的，我们应当提升的观点：,各
10、种形式的能量在一定条件下可以相互转化，会从一种形式转化为其他形式，但转化过程中能量既不会消灭，也不会创生，能的总量保持不变。这就是能量守恒定律。能量守恒定律是关于物质运动的普遍定律，为物质运动是永恒的这一辩证唯物主义观点提供了自然科学的有力证据。,1由于摩擦存在，铁球能量不断散失，不补充能量，铁球就再也到不了高处，无从落下，大轮也不再转动，这个设计之所以不能永动，就是因为违反了能量守恒定律。,3.能量守恒结束,2摩擦与发热使发电机输出的能量越来越小，不足以带动电动机，电动机同样带不动发电机，道理是一样的，违反能量守恒的设计是不可能成功的。,5.能量的耗散,能量是守恒的为什么还要节能？为什么还会
11、出现所谓的能源危机？你想过吗？,在自发的过程中发生热传递时，为什么不是热的物体越来越热并且冷的物体越来越冷？如果真能这样也不违反能的转化与守恒定律!,在自发过程中，压强大的气体会自发地向压强小的空间流动你是否见过：压强小的空间的气体一致地自发地向压强大的空间聚集？最后压强小的空间压强越来越小？,自发过程中的能量转化是有方向性的,能量沿着自发的方向进行的能量转换的过程叫做能量的耗散,自发过程是指：不用外力帮助，就能自动进行的过程,能量的耗散规律：热传递是单向的热只能自发地从高温物体向低温物体传递因此，不可能出现低温物体自发地把热量传递给高温物体而使低温物体的温度更低的现象,冰箱可以使冷的食品越来
12、越冷而热的物体（空气）却越来越热冰箱的致冷过程是自发的发生的吗？,热传递的单向性是一条重要的自然规律,通过上述分析，你认为能量守恒，但还必须节能的原因？,学习本节内容的，我们应当提升的观点：,热传递是单向的，即只能自发地从高温区向低温区而不会自发地从低温区向高温区。,教材P66 利用海水内能发电不可能，这是因为假如从海水这样一个单一热源中的内能转变为功，推动发电机来发电，这是不可能的，因为热变功的过程，必须在两个热源之间进行，热量在从高温热源向低温热源传递过程中才能作功。而要造成一个比海水更低的低温热源，是先要作功，消耗其它能量，这就得不偿失了。,完整,破碎,有序,无序,自发过程,几率很大可能
13、,几率太小不可能,6.熵和熵的增加,什么是有序?什么是无序?请你举一二个例子对有序和无序作出说明,自发过程是指：不受外界影响，就能自动进行的过程,自发过程具有单向性：,“一言既出，驷马难追”；“生米煮成熟饭”；“泼水难收”都是对单向性过程的生动描述,玻璃器皿被打碎：,在物理学上，是将均匀不变性称作是无序的，而将变异性即变化差异性称作是有序的。（但在社会科学上，在人的普遍体验上，自由涣散性是明显的无序，而团结凝聚性是明显的有序。均匀不变的事物则更确定，而变化差异的事物更不确定。,热机（如：内燃机、蒸汽机等）的效率能否无限提高？,热机总是只能利用一部分热量，使之变成有用的机械功，尽管排放的废气中还
14、有许多能量，却只能让剩余的能量耗散掉。即热机的效率不可能达到100%。,燃料,热机,机械功,没有得到利用的能量,利用价值高的能量,利用价值低的能量,有序程度高,有序程度低,熵值小,熵值大,能量的品质“退化”,熵增,熵的大小：(1)一个物质系统能量不可用程度的大小。(2)物质系统的混乱“无序”程度的大小。,自发过程,熵的增加,能量的贬值,能量转化具有方向性的规律（也就是热力学第二定律）用文字表述如下：,自然界的自发过程都是熵增加的过程，也就是能量贬值的过程熵越大，即不能用来做功的能量越多这个规律也称熵增原理,熵增原理实际上告诉我们，能量在使用过程中，将不断地贬值，被耗散，利用的价值将越来越低,熵
15、增原理的适用条件和系统的划分,熵增原理只适用于与外界没有物质和能量交换的系统（称为孤立系统）,活的生物体通过摄食、排泄、呼吸与外界不断进行着物质和能量的交换，是一个开放系统。生物体在与外界进行物质与能量交换的过程中，不断减少自已的熵（或者说增加负熵），以维持生命体的有序。但是生命体以及与之发生物质、能量交换的外界合起来作为一个更大的并且是孤立的系统时，熵仍然增加。,学习本节内容的，我们应当提升的观点：,能量以热的形式散发到周围空间而无法再继续做功的现象称之为能量耗散。在能的转化过程中，能量耗散是不可避免的。科学家用熵的大小，表示一个物质系统能量不可用程度的大小。物质系统的熵越大，该系统能量的不
16、可利用程度也越大。,能量耗散与熵增是一回事吗？请根据熵和能量这两个概念的关联和区别说出你的理解。,全章结束，进入问题探究,进入问题探究？,返回？,问题探究,1.对能量存在形式可按物质运动的能、物质间相互作用的能以及场的能来进行分类。请你根据自己的理解，各举一例说明这三种类型的能量形式。,2.任何形式的能量都可以存储，试举出能量可以储存的一些实例。,3.请查阅天然气的主要成份以及热值（是煤气的2倍），从而对上海市政府提出的关于居民生活用的燃气将由煤气改为天然气，以及出租车等车辆使用的燃料将由汽油改为天然气的措施，作出分析评价。,4.能量守恒与能量耗散是否矛盾？为什么？,专题小结,1.自然界的物质
17、都具有能量，能量是物质存在的基本形式。所有能量形式都可能归入物质运动的能、物质间相互作用的能以及场能这三大类型中。,2.动能、势能、化学能、电磁能、光能、核能等都是能量的一种形式。动能是物质机械运动的能，势能、化学能、核能是物质之间相互作用的能，电磁能、光能是电磁场运动的能。,3.能量可以存储，各种形式的能量都可以存储在物质之中。食品和化石燃料中存储化学能、电池和蓄电池中存储着电能、水库存储水的势能、核燃料中存储着核能等等。,专题小结,4.各种形式的能量在一定条件下可以相互转化，会从一种形式转化为其他形式，但转化过程中能量既不会消灭，也不会创生，能的总量保持不变。这就是能量守恒定律。能量守恒定
18、律是关于物质运动的普遍定律，为物质运动是永恒的这一辩证唯物主义观点提供了自然科学的有力证据。,5.热传递是单向的，即只能自发地从高温区向低温区而不会自发地从低温区向高温区。,6.能量以热的形式散发到周围空间而无法再继续做功的现象称之为能量耗散。在能的转化过程中，能量耗散是不可避免的。科学家用熵的大小，表示一个物质系统能量不可用程度的大小。物质系统的熵越大，该系统能量的不可利用程度也越大。,阅读 核能来自原子核内部核子间的相互作用 我们知道原子弹、核电站、太阳释放的能量都是核能。核能来自原子核内部。科学家在1925年发现，各种元素的原子核质量，略小于组成它们的质子和中子的质量之和，这种现象被称为
19、“质量亏损”。核能就与“质量亏损”有关。爱因斯坦在相对论中告诉我们质量和能量是可以转化的，质量和能量的转化关系可以用质能关系式E=mc2表示。根据质能关系式，质子和中子结合成原子核时亏损的质量转化为它们结合成原子核时所放出的能量（称为结合能）。重核裂变与轻核聚变时，所放出的能量都是由原子核的“质量亏损”转化而来的。原子核虽小，亏损的质量更小，但由于c2这个数值巨大，再加上物质所包含的原子数量极大，所以只要很小一部分物质的原子核发生裂变或聚变，释放出来的能量就极为可观。例如1kg铀-235完全裂变所释放出的能量可达7.41010kj，是1kg标准煤燃烧释放能量（3104kj）的243万倍。质子和
20、中子在结合成原子核时为什么会释放能量呢？这和原子核内部核子（科学家们在研究原子核内部相互作用往往忽略质子和中子的区别而通称核子）之间的相互作用有关。我们知道，原子核的大小约为10-15m，虽然质子之间存在着静电斥力，但原子核的结合仍很牢固，可见核子之间必定存在一种要比静电斥力强得多的吸引力核力，原子核正是依靠这种极强的核力使核子牢固地结合在一起的。假如要把原子核内的质子或中子取出，必定要克服核力而做功，就象从原子中取出电子要做功一样。反之，若是把孤立的核子结合成原子核，则必定要放出一定的能量E。科学家们把这一能量称为原子核的结合能。由上可见，核能就是原子核裂变或聚变时质量亏损转化来的结合能，或
21、者说核能是原子核内部核子间的相互作用能。,阅读 平行板电容器的储能把已充电的电容器的两极板用带绝缘柄的螺丝刀短路时，可以看到放电时产生的火花，并听到响声。利用电容器放电时的能量可以点亮摄影用的闪光灯，可以点焊金属等。电容器放电时释放的能量来源于充电后电容器的储能。充电后的电容器两极板内侧带有等量异种电荷，板间形成一匀强电场，这一电场的能量就是电容器的储能，它属于电磁相互作用能。对于一个确定的电容器来说，其电容C是不变的量，充入的电量Q越多，极板间电压U越高，则电容器的储能越多，即电容器所储能量为：W=QU将Q=U C代入上式，得W=CU2由上式可知，在一定电压下，电容C越大，则电容器的储能越大
22、；对同一电容器来说，充电电压（在充电结束时，电容器极板电压等于充电电压）越高，电容器的储能越大，但充电电压不允许超过电容器的耐压值，若超过将导致电介质被击穿而损坏电容器。,阅读 新发现的储能物质可燃冰我们已经知道，可燃冰是新近发现的储存着大量化学能的物质，它主要分布在海底沉积物中，是目前世界上许多国家正在开发的新能源。可燃冰的正式名称是天然气水合物，它的外形像冰雪或固体酒精。可燃冰点火即燃，使用十分方便。可燃冰存储的是什么能量呢？科学家发现，海底古生物尸体经过漫长地质年代的沉积后，会被细菌分解会产生甲烷，另外地球深处产生的含有甲烷的天然气也会不断进入地壳，这样只要温度不太高（10以下）压力足够
23、大（30大气压以上），甲烷分子就会被若干个水分子形成的笼型结构接纳，生成笼型固体结晶水合物分散在海底岩层（或某些地表深层）的空隙中。所以“可燃冰”中存储的能量实际上就是甲烷中的化学能。在常温下，可燃冰就分解为甲烷和水。,科学家发现存在控制宇宙神秘能量的新证据 天文学家发现了一种控制宇宙的神秘能量暗能量的最新证据，这种暗能量可能占宇宙总能量的2/3，它正在把宇宙中的星系及星系中的一切以史无前例的速度相互分离。近年来，科学家们一直在寻找宇宙不仅正在膨胀，而且正在加速膨胀的原因。有人认为，是神奇的暗能量在远距离上把物体推开，从而克服了引力的局部作用。最近，英国曼彻斯特大学伊恩布劳内领导的一个国际天文
24、小组为神秘的暗能量的存在提供了新的证据。这些科学家观察到，来自遥远而明亮的类星体的光被弯曲后，形成了若干个类星体的图像，图像的数目和途中存在的星系所形成的引力透镜数目不相符合，由此科学家断定，途中必定存在为我们看不见的其他物质，从而证明了宇宙中确实存在暗能量。引力透镜现象是由于来自遥远星系的光在到达天文望远镜之前，会被途中的其他物体的引力所弯曲，和通常的透镜折射光相似。据新科学家杂志新闻网站报道，该天文小组的一位科学家使用包括宇宙年龄在内的参数和引力透镜源的可能数目，计算被引力透镜折射的类星体的数目。他发现这一数目大约是没有暗能量存在的情况下类星体图像数目的两倍。因此他推算出，宇宙的2/3必定
25、是由暗能量组成的。剩下的1/3由暗物质(它的形态至今还不知道)和组成星球与行星的常规物质构成。所有这两种物质的引力是正常的引力，即通常的万有引力。而暗能量与它们相反，具有长距离的反引力(anti-gravity)性质。与神秘的暗物质一样，目前科学家们并不知道暗能量究竟是什么，但这些新的结果增加了暗能量存在的可信度。现在科学界普遍相信，它是宇宙加速膨胀的原因。其实，有关反引力的想法并不新鲜。早在80多年前，爱因斯坦就已经把这种反引力效应以所谓的宇宙常数的名义包括在他的广义相对论中了。当时，爱因斯坦为了不使星球由于相互间的吸引力而挤到一起，设想宇宙中应该还存在一种排斥力，它与引力相对抗，从而使宇宙
26、保持稳定。他把这个排斥力称为宇宙常数。上世纪20年代，哈勃发现宇宙并非静止不动，而是在不断膨胀。爱因斯坦便放弃了他发明的这个宇宙常数，并称这是他“一生中最大的错误”。因为爱因斯坦本人和后来的许多天文学家都把这个宇宙常数只看作是数学上的假设，而不认为它和实际的宇宙有多少关系。直到上世纪90年代也没有人想到过这个效应会变成现实。可现在暗能量的发现证明这个排斥力确实存在。看来，如果爱因斯坦还活着，也许他就会承认，放弃宇宙常数是他一生中第二个最大的错误。有关暗能量的探讨十分玄妙。有人认为暗能量是从宇宙真空中渗透出来的。有实验表明，真空似乎并不是空无一物，而是一些虚粒子在时生时灭地冒泡泡。,马克斯普朗克
27、Max Karl Ernst Ludwig Planck18581947 马克斯普朗克1858年4月23日出生在德国的沿海城市基尔。对宇宙和大自然的广泛兴趣以及探求其奥秘的好奇心驱使他走上了研究物理学的道路。读完大学后，他先后任基尔大学、慕尼黑大学、柏林大学的教授，长期从事热力学的研究工作。从1894年起，他把注意力转向当时物理学界正热烈探究的黑体辐射问题。黑体辐射问题是指1860年，德国物理学家基尔霍夫首先提出，如果一个物体能全部吸收投射在它的上面的辐射而全无反射，那么这一物体就称为绝对黑体。此后包括普朗在内的有关科学家对之进行了一系列的深入研究。在开拓精神的驱动下，普朗克终于在黑体辐射问题
28、上有了革命性的重大突破。他在悉心研究后发现，在某些放射作用的过程中，原有的经典物理学已无法作出透彻的解释。这就意味着要对之有所突破。对于一位科学工作者来说，这需要极大的勇气。1900年12月，普朗克终于在德国物理学会上发表了他那影响现代文明的著名论文：关于正常光谱的能量分布定律的理论，宣告了量子论的诞生，是现代物理学上的一场革命性突破。根据普朗克的量子论，能量并非以连续的形式而存在，而是以个别“小包”的形式存在，这些不连续的“小包”被称为能量子或量子。量子是大小不一的，它们随着各量子的放射频率的不同而变化。量子的大小与频率之间的比例常数可以用一个常数来代表，这个常数就是当今物理学上的普朗克常数
29、。用公式来表示就是：E=hv 其中，E就是不可分能量的最小单元，即量子；h是普朗克常数，v是频率。然而，作为一名开拓者，普朗克的新发现在开始时没有得到什么响应。由于他的理论打破了经典物理学的旧体系，许多物理学家起初都拒绝接受它。直到1913年，丹麦物理学权威尼尔斯波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时，普朗克理论的伟大意义才被人们所公认。普朗克的量子概念破坏了经典物理学的庞大体系，成了当今科学的重要基础。根据经典物理学，能量与其他物理量一样，可以连续取值。而能量不能连续的思想引入物理学后，经典物理学所碰到的许多疑难问题很快就得到了解答。在量子化概念的引导下，微观物理学迅速发展为2
30、0世纪物理学的主流，并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础。凭借敢于创新的精神和所取得的开拓性成果，普朗克得到了极大的荣誉。1918年，他得到了物理学的最高荣誉奖诺贝尔物理学奖。1926年，他被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员。美国也选他为物理学会的名誉会长。1930年，他又被德国科学研究的最高机构威廉皇家促进科学协会选为会长,阅读材料：实物和场 实际上，前文已经提出并使用了物理场的概念。为了使我们对于物质结构的认识更深入一步，有必要专门来谈谈场的问题。实物与场的空间界限 我们能不能在空间上把实物与场区分开来呢？问题首先就出在“交界面”上。试就一小粒实物而论，我们暂且想象
31、它有一个确定的“表面”，以这个表面为界，表面以内是实物；表面以外实物便不存在了，而与它相联系的场便出现了。存在不存在这样一个确定的表面？在这表面处的实际情况又如何呢？我们已经知道，所有的实物都是由质子、中子、电子等少数几种基本粒子组成的。这个“交界面”的问题，归根到底就是这些基本粒子和场怎样相互作用的问题。前面我们已经谈到，基本粒子不是某种微小的球体。每个基本粒子都是一个复杂的系统。它们都具有波粒二象性，它们和场不可分割地联系在一起，每种场对粒子的结构都有一定的影响，而每个粒子也都影响着其周围的场。基本粒子之间的相互作用，实际上应当归结为基本粒子及其周围的场的相互作用。所以，我们不能认为基本粒
32、子具有明显的几何界限，不可能明确地断定外部场在什么地方中止，粒子本身又从什么地方开始。这样的几何界限客观上是根本不存在的。我们只能大致地区分出它的内部联系和外部联系的相对界限。那末，实物与场作为两种不同的物质存在形式，是否可以区分呢？我们的回答是：也很困难。实物与场的区分标准 以往，作为区分实物与场的标准，通常有几条：质量、能量密度、硬度，即“可入性”和运动自由度等。质量与能量，与物质的运动状态有关。当物体处于与观察者相对静止的状态时，它所具有的质量称为“静止质量”。原先以为，静止质量是区分实物与场的一个标准。实物是具有静止质量的物质；而场则不具有静止质量。但是，自从发现了“介子场”、“电子正
33、电子场”以及其它具有静止质量的粒子场以后，这条界限就被打破了。同样具有静止质量的场，与具有静止质量的实物怎么区分呢？原先以为，能量密度是区分实物与场的又一个标准。实物是空间能量密度特别大的物质；而场则是空间能量密度比较小的物质。后来发现，存在着高能光子，它在与原子核碰撞时能产生正负电子对、介子和其它粒子。这种现象说明，存在着能量密度极大的电磁场量子，它可以产生比它能量密度较小的实物粒子。这条界限也被打破了。原先以为，硬度，即可入性是区分实物与场的另一个标准。实物具有一定的硬度，是不可入的；而场则是可入的。后来发现了高能宇宙射线，特别是中微子能够穿透厚度相当大的实物；而核场，即“介子场”只有极小
34、的可入性。这条界限又被打破了。“自由度”是为了确定物体的运动状态所需要的独立变数的数目。比如：在三维空间自由运动的质点，具有三个移动自由度。自由度也是对物体运动状态的一种描述。原先以为，自由度是区分实物与场的一个最终标准。实物只具有有限个运动自由度；而场则具有无限多个运动自由度。后来发现，在高能领域里，实物粒子和场一样，也具有无限多个运动自由度。这条界限终于同样被打破了。总之，实物和场实际上并没有严格的质的区别。所以不可能找到一条明确区分它们的绝对界限。把全部的物质分为实物和场的做法，物理学上叫做“一级近似”。这在宏观领域基本上是正确的。因此，也只有在宏观条件下，才可能在质量变化，运动状态，可
35、入性等方面指出实物和场的质的区别。到了微观领域，我们看到实物微观粒子和场如此紧密地，不可分割地，难以严格区分地联系在一起。这正是微观领域和宏观领域具有质的区别的重要方面。在微观领域看来，场的客观存在是无可置疑的事实；反倒是存在不存在被称为“实物”的东西，成了一个值得研究的问题。物质就其空间的广延性而言，场占据了空间的绝大部分。在一个原子中，微观粒子所占的体积不及整个原子所占体积的万分之一。除了粒子以外是什么东西？是各种场。原子构成分子，在原子、分子构成的物体中，原子所占的体积，又不及整个物体所占体积的千、百分之一。除了原子以外是什么东西？还是各种场。场实在是比之“实物”更为普遍，更为一般的东西
36、，而“实物”则是场在一定条件下的某种表现形式。当然，这个问题更确切的答案，还有待于物质结构理论的进一步发展。如对于中微子等某些微观粒子特别是夸克的研究，看它们能不能归结为场的某种形式，以及在什么条件下如何具体地归结为什么场的何种表现形式。场作为物质存在的基本形式，也只是人类到目前为止这一相对认识阶段的相对真理。场也决不是物质的始原。场本身也是不可穷尽的。场也一定有它更高一级的“亚微观结构”。任何复杂的过程，在客观上既可以作为某种事物的本质，同时又可以作为另一种更深刻的事物的现象。现象和本质是矛盾的对立统一。它们是相互依存，相互转化，相互渗透的。在一定条件下，较低一级事物现象的本质，可以成为较高
37、一级事物本质的现象。然而，现象和本质又永远有区别，从认识过程来说，现象总是比本质先被认识；本质只有在积累了一定数量的现象的基础上才可能被揭示，被认识。场这种复杂过程也绝不能例外。,阅读材料 质量与能量 我们不得不在这里插入一个问题：什么是质量？质量最初是作为量度“物质多少”而引入的。后来，用于作为惯性的量度。“惯性”是物质最基本的属性之一，它反映物体保持原有运动状态的性质。牛顿(Newton)第一定律，即“惯性定律”所说的“静者恒静，动者恒动”描述的就是物体保持原有运动状态(静止也是一种运动状态)的这种性质，即“惯性”。“惯性只是运动不灭的反面表现”z.3。要想改变物体的原有运动状态，必须对该
38、物体施加外力。质量是惯性的量度。在同样的外力作用下，质量较大的物体运动状态改变较小；而质量较小的物体运动状态改变较大。质量又是物体万有引力特性的量度。若与某个物体处于同样的相对位置，质量较大的物体与该某物体之间的万有引力较大；而质量较小的物体与该某物体之间的万有引力较小。质量同时又是惯性特性和万有引力特性耦合的量度。实验表明，一个物体的“惯性质量”和“万有引力质量”完全相等，不差分毫。这个事实说明，惯性特性和万有引力特性有着不可分割的内在联系，它们是物质的统一本质的不同表现。任何物质都离不开运动。“能量”是物质运动的一般量度。物质处于不同的运动形式，如：机械运动、分子热运动、电磁运动、化学运动
39、、原子核与基本粒子运动等;即相应于不同的能量形式，如：机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等。当物质的运动形式发生转变时，相应的能量形式同时发生转变。能量可以通过物质的相互作用在物质之间传递，在传递的过程中，有时能量形式也同时发生改变。量度能量传递的基本物理量叫“功”。能量从甲物体传递到乙物体，就叫甲物体对乙物体“做功”。自然界的一切过程都服从“能量守恒和转换定律”。物体要对外做功，就必须消耗本身的能量。因此，一个物体的能量越大，它所具备的对外做功的“能力”就越大。质量和能量，这两个最基本、最重要的物理量之间存在着密不可分的关系。实践表明，当一个物体处于不同的运动状态，即具有不同能量时，它的
40、质量也不相同。一物体的质量随着它的能量的增减而增减。一物体与外界交换能量时，也随之转移相应的质量。这一点是爱因斯坦(Einstein)的伟大发现，它的具体表述就是由他的狭义相对论直接导出的著名的质能关系式：E=mc2 与1克质量相应的能量，可以把20万吨水从摄氏0度加热到100度。太阳由于能量辐射，每秒钟丧失的质量为420万吨。而地球因为接受太阳的辐射，每秒钟增加的质量约为250公斤。,阅读材料“真空”不空 最先，人们认为“真空”就是“没有物质的空间”，就是空无一物。并且以为我们感官所及的地球上的“空间”就是空无一物的“真空”。后来，人们发现地球上的“空间”充满着各种气体。于是又认为抽掉了气体
41、的空间就是空无一物的“真空”。再后来，人们又发现了各种“场”，几乎无所不在地充斥着所有空间。那末，去除了“场”的空间应该就是“真空”了。现在，我们进一步发现“真空”非空，而且内容极其丰富、构造相当复杂。鉴于微观粒子的高速运动，其速度与光速相比已经不能忽略，即必须考虑其“相对论效应”。物理学家狄拉克(Dirac)由此得出了描述微观粒子运动规律的著名的狄拉克方程。狄拉克方程的重要结论之一，就是微观粒子的能量既可以是正值，也可以是负值。这就预言了每种微观粒子都存在有它的“反粒子”。不久，“正电子”在实验中被发现了。继而，各种“反粒子”纷纷在实验中被发现。人类对物质的认识，发生了空前的飞跃。比如：正、
42、反电子一旦相遇，立即“湮灭”而化为光子，即光辐射，亦即使电磁场处于激发状态。或者相反，高能光子，亦即处于高激发态的电磁场，也可以产生一正、反电子对，而使电磁场复归“平静”。反粒子的存在事实，使微观世界的图象更为复杂。原则上，能量越高的粒子相互“碰撞”时产生正、反粒子对的数目也越多。而正、反粒子对的相遇和“湮灭”最终总是化为某种辐射，亦即使某种场处于激发状态。对一个粒子只有在能量较低的情况下，才能近似地把它作为“单体问题”来处理，即可以不考虑它的反粒子。但在能量较高的情况下，即便是单个粒子，我们也不得不考虑它所涉及的各种“粒子对效应”，即它的反粒子，以及它周围的其它粒子对。综上所述，“真空”其实
43、是无数“稳定结合”的“夜来风静毂纹平”的正负粒子对的“海洋”。或者换一种说法，“真空”其实只是所有的场都处于“平静”状态，亦即不激发状态，能量最低状态而已。在“真空”中，虽然没有光子，没有电子，没有任何粒子；但是引力场、电磁场、介子场，所有的场都依然存在，它们只是没有激发而已。即便如此，实验发现它们仍然有“振荡”，这种“振荡”叫做“真空零点振荡”。它们仍然顽强地表现出自己的存在，仍然可以对粒子的运动状态发生影响。场是无法“去除”的，尽管它们可以“朱颜改”得看似无有，其实却“雕栏玉砌依然在”。,探究与实践(每节思考与讨论),1.能量的形式,2.能量的存储,3.能量的转化,4.能量守恒,5.能量的耗散,6.熵和熵的增加,7.本章思考与探究,知识拓展（阅读材料）,1.能量的形式,2.能量的存储,3.能量的转化,4.能量守恒,5.能量的耗散,6.熵和熵的增加,(一),(二),(一),(二),
