李家壕

摘 要：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而牛頓運(yùn)動(dòng)定律則闡述了力的作用的實(shí)質(zhì)是受力物體與施力物體之間能量交換的過(guò)程。在自然界中，力與能量相互轉(zhuǎn)換的例子很多，比如電生磁、磁生電等。力的本質(zhì)是能量交換和趨勢(shì)，基于此，對(duì)力的本質(zhì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：力的本質(zhì)；能量交換；微觀粒子；能級(jí)躍遷

中圖分類(lèi)號(hào)：O431.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.044

牛頓在其“第一定律”中提出“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”。這句話(huà)在今天看來(lái)仍舊是正確的，而力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)質(zhì)是施力物體與受力物體之間能量交換的過(guò)程，施力物體通過(guò)力對(duì)受力物體做功，從而將能量傳遞給受力物體；而受力物體則將能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在外則表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。當(dāng)作用力與受力物體所受的阻力相等時(shí)，受力物體可以保持勻速直線(xiàn)一直運(yùn)動(dòng)下去，一旦失去了外來(lái)的作用力，其自身的能量就會(huì)被阻力逐漸消耗，最終恢復(fù)為靜止?fàn)顟B(tài)。

1 機(jī)械交換作用

以最普遍的機(jī)械交換作用為例，牛頓力學(xué)“第三定律”已經(jīng)證明了力是相互的。這樣說(shuō)來(lái)，力的作用效果自然也具有傳遞性，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變實(shí)際上是施力者的能量傳遞給了受力者。以人推動(dòng)重的物體進(jìn)行滑動(dòng)摩擦為例，首先，人需要對(duì)物體施加一個(gè)大小與滑動(dòng)摩擦力f相等，但方向卻相反的力F，從而物體才有運(yùn)動(dòng)的可能。只要力再大一點(diǎn)，物體就能夠獲得動(dòng)能。因而，此時(shí)物體接受的能量可以表示為：

E=mv2+fs. （1）

式（1）中：m為質(zhì)量，kg；v為速度，m/s；f為滑動(dòng)摩擦力，N；s為物體在拉力方向上的位移，m。

人施加的力除了要轉(zhuǎn)化為受力物體的動(dòng)能之外，還要克服摩擦力做功。物體具有了機(jī)械能，而機(jī)械能是由人賦予的，也就是說(shuō)，是人體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。這是最簡(jiǎn)單的機(jī)械交換作用，力只是傳遞能量的一種形式。

再討論另一種情況，如果人不與物體接觸，機(jī)械交換作用是否能進(jìn)行呢？答案是否定的。能量的傳遞必須依靠介質(zhì)，對(duì)于人和物體這樣一個(gè)系統(tǒng)而言，人的能量要想傳遞給物體，同樣必須依靠介質(zhì)，而空氣不能作為人傳遞能量的介質(zhì)。通俗的說(shuō)就是人無(wú)法對(duì)空氣用力。由于氣體分子在不停地運(yùn)動(dòng)著，對(duì)著空氣用力，從微觀上來(lái)看，人的能量實(shí)際上傳遞給了氣體分子，從而促進(jìn)氣體分子更快地運(yùn)動(dòng)。但是，氣體分子的運(yùn)動(dòng)是不定向的，不能將能量傳遞給物體，或者說(shuō)只能傳遞很少一部分給物體，并不能改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 場(chǎng)質(zhì)趨勢(shì)作用

由于物體周?chē)嬖谝?chǎng)質(zhì)、電場(chǎng)質(zhì)等，因此，實(shí)物體是以漩渦運(yùn)動(dòng)成形為基礎(chǔ)的。假設(shè)實(shí)物體兩側(cè)場(chǎng)質(zhì)由于重疊而不對(duì)稱(chēng)或者不平衡，就會(huì)在場(chǎng)質(zhì)趨勻平衡狀態(tài)中促使物體移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“場(chǎng)質(zhì)趨勢(shì)作用”。

電子是原子、分子等破裂時(shí)釋放的物質(zhì)，電子的移動(dòng)形成了電場(chǎng)，通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾妶?chǎng)就是由此而來(lái)的。如果電子的運(yùn)動(dòng)不規(guī)律，帶電磁體兩側(cè)的電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生變化，因此就可能導(dǎo)致帶電磁鐵自身的運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)可以借助電動(dòng)機(jī)的原理來(lái)說(shuō)明。隨著電動(dòng)機(jī)電刷電極的不斷改變，轉(zhuǎn)子受到的電場(chǎng)也在不斷改變，而電場(chǎng)給通電導(dǎo)線(xiàn)帶來(lái)了力的作用，從而將電磁能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，轉(zhuǎn)子就開(kāi)始進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)作原理則與此相反——通過(guò)改變電場(chǎng)的方向使電路中產(chǎn)生電流，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能。

對(duì)于穩(wěn)定的原子，在沒(méi)有外力的干擾下，原子核與核外電子之間的強(qiáng)作用力能夠使電子繞著原子核做高速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，可以將電子看作不受其他力的作用，僅僅是由強(qiáng)作用力提供了高速運(yùn)動(dòng)的向心力，能量基本處于守恒狀態(tài)。而一旦原子受到了外力的干擾，比如接受了光子的能量，就可以將光子的能量傳遞給電子，使電子向更高的能級(jí)躍遷，甚至直接脫離原子核的束縛而溢出，這就導(dǎo)致原子的內(nèi)部能量不再平衡，原子以離子的形式呈現(xiàn)，需要外界的能量來(lái)重新保持平衡，而各種離子形式則會(huì)帶來(lái)場(chǎng)的變化，離子在場(chǎng)中會(huì)有獲取能量以穩(wěn)定自身的趨勢(shì)。

3 微觀粒子作用

對(duì)于微觀粒子而言，其能量的計(jì)算方法與宏觀粒子不同。不同類(lèi)型的粒子具有不同的運(yùn)動(dòng)和交換方式，而微觀粒子具有明顯的周期性變換運(yùn)動(dòng)和周期性交換作用，但又不同于量子（只有平動(dòng)和周期性變換運(yùn)動(dòng)），它比量子至少又多了自旋運(yùn)動(dòng)和交換作用。光子的能量可以表示為：

E=hv. （2）

式（2）中：h為普朗克常數(shù)；v為光波的頻率。

光子在與其他粒子發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁交換，將能量傳遞給其他物質(zhì)。以原子核外的電子能級(jí)躍遷為例，光子在碰撞原子核外的電子時(shí)，必須傳遞給電子h整數(shù)倍的能量，這樣才能夠幫助電子跨越能級(jí)，由能量較低的不活躍狀態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)，而在宏觀上，這就體現(xiàn)為光譜線(xiàn)的分立性?？偟膩?lái)說(shuō)，這仍舊是能量交換的一種形式。

4 結(jié)論

力的本質(zhì)是能量交換和趨勢(shì)，這已經(jīng)是被各種物理現(xiàn)象證明的事實(shí)，但是對(duì)于能量交換的微觀研究還在繼續(xù)。相信在未來(lái)，對(duì)于能量交換的研究將更加深入和廣泛，從而為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的變革。

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〔編輯：劉曉芳〕