力的本質(zhì)是能量交換和趨勢分析

李家壕

摘 要：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，而牛頓運動定律則闡述了力的作用的實質(zhì)是受力物體與施力物體之間能量交換的過程。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，基于此，對力的本質(zhì)進行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：力的本質(zhì)；能量交換；微觀粒子；能級躍遷

中圖分類號：O431.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.044

牛頓在其“第一定律”中提出“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”。這句話在今天看來仍舊是正確的，而力改變物體運動狀態(tài)的實質(zhì)是施力物體與受力物體之間能量交換的過程，施力物體通過力對受力物體做功，從而將能量傳遞給受力物體；而受力物體則將能量轉(zhuǎn)化為動能，在外則表現(xiàn)為運動狀態(tài)的變化。當(dāng)作用力與受力物體所受的阻力相等時，受力物體可以保持勻速直線一直運動下去，一旦失去了外來的作用力，其自身的能量就會被阻力逐漸消耗，最終恢復(fù)為靜止?fàn)顟B(tài)。

1 機械交換作用

以最普遍的機械交換作用為例，牛頓力學(xué)“第三定律”已經(jīng)證明了力是相互的。這樣說來，力的作用效果自然也具有傳遞性，物體運動狀態(tài)的改變實際上是施力者的能量傳遞給了受力者。以人推動重的物體進行滑動摩擦為例，首先，人需要對物體施加一個大小與滑動摩擦力f相等，但方向卻相反的力F，從而物體才有運動的可能。只要力再大一點，物體就能夠獲得動能。因而，此時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)化為受力物體的動能之外，還要克服摩擦力做功。物體具有了機械能，而機械能是由人賦予的，也就是說，是人體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為了機械能。這是最簡單的機械交換作用，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，機械交換作用是否能進行呢？答案是否定的。能量的傳遞必須依靠介質(zhì)，對于人和物體這樣一個系統(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)。通俗的說就是人無法對空氣用力。由于氣體分子在不停地運動著，對著空氣用力，從微觀上來看，人的能量實際上傳遞給了氣體分子，從而促進氣體分子更快地運動。但是，氣體分子的運動是不定向的，不能將能量傳遞給物體，或者說只能傳遞很少一部分給物體，并不能改變物體的運動狀態(tài)。

2 場質(zhì)趨勢作用

由于物體周圍存在引力場質(zhì)、電場質(zhì)等，因此，實物體是以漩渦運動成形為基礎(chǔ)的。假設(shè)實物體兩側(cè)場質(zhì)由于重疊而不對稱或者不平衡，就會在場質(zhì)趨勻平衡狀態(tài)中促使物體移動，這種現(xiàn)象被稱為“場質(zhì)趨勢作用”。

電子是原子、分子等破裂時釋放的物質(zhì)，電子的移動形成了電場，通電導(dǎo)線周圍的電場就是由此而來的。如果電子的運動不規(guī)律，帶電磁體兩側(cè)的電場就會發(fā)生變化，因此就可能導(dǎo)致帶電磁鐵自身的運動。這一點可以借助電動機的原理來說明。隨著電動機電刷電極的不斷改變，轉(zhuǎn)子受到的電場也在不斷改變，而電場給通電導(dǎo)線帶來了力的作用，從而將電磁能轉(zhuǎn)化為了機械能，轉(zhuǎn)子就開始進行機械運動。發(fā)電機的運作原理則與此相反——通過改變電場的方向使電路中產(chǎn)生電流，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電磁能。

對于穩(wěn)定的原子，在沒有外力的干擾下，原子核與核外電子之間的強作用力能夠使電子繞著原子核做高速運動。此時，可以將電子看作不受其他力的作用，僅僅是由強作用力提供了高速運動的向心力，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)，需要外界的能量來重新保持平衡，而各種離子形式則會帶來場的變化，離子在場中會有獲取能量以穩(wěn)定自身的趨勢。

3 微觀粒子作用

對于微觀粒子而言，其能量的計算方法與宏觀粒子不同。不同類型的粒子具有不同的運動和交換方式，而微觀粒子具有明顯的周期性變換運動和周期性交換作用，但又不同于量子（只有平動和周期性變換運動），它比量子至少又多了自旋運動和交換作用。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)生碰撞時會產(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躍遷為例，光子在碰撞原子核外的電子時，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，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)為光譜線的分立性?？偟膩碚f，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，這已經(jīng)是被各種物理現(xiàn)象證明的事實，但是對于能量交換的微觀研究還在繼續(xù)。相信在未來，對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)生活帶來巨大的變革。

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〔編輯：劉曉芳〕