第二章 运动的守恒量和守恒定律

本章将在上一章的基础上,将研究对象由质点转向质点系统,重点研究系统的过程问题,从而确立和认识运动的守恒定律。本章将着重讨论能量守恒、动量守恒和角动量守恒。由宏观现象总结出的这几个守恒定律在微观世界已经过严格检验,证明它们同样有效。它们不仅适用于任何物理过程,也适用于化学、生物等其他过程。自然界至今还没有发现违反它们的事例。可以说,守恒定律是自然规律最深刻、最简洁的陈述,它比物理学中其他定律(例如牛顿运动定律)更重要、更基本。

从质点的动能定理发展为机械能守恒定律,中间必须用到功能原理。功能原理反映了功和能的关系。功能原理指出,机械能有两种形式,即动能和势能。机械能守恒定律则进一步指出,在一定条件下,质点系统的动能和势能可相互转化,但它们的总和保持不变。机械能守恒定律是能量守恒定律的一个特例。作为自然界的一个普遍规律,能量守恒定律指出了物体运动形式可以相互转化或转移,在运动转化中,能量始终是守恒的。动量守恒定律同样是自然界的普遍规律,它揭示了通过物体的相互作用,机械运动发生转移的规律。和动量相似,角动量也是个重要的守恒量。在本章中,只介绍质点的角动量与角动量守恒定律。

能量、动量和角动量为什么守恒?这涉及时空对称性问题,即与物质和物质运动的时空属性有关。这方面的内容超出了基础物理学的范围,我们只在2-9节中作一点最基本的介绍。