论文论物理量守恒和不守恒是关于本文可作为物理量方面的大学硕士与本科毕业论文初中物理量论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
作者简介：陈敏华,男,1962年生,浙江绍兴人,特级教师,正高,博士.
摘 要：能量、动量、电荷和熵都是广延量.广延量有守恒量和不守恒量之分.在物理教科书中,存在着对物理量的守恒和不守恒的错误表述.本文提出了纠正这些错误表述的建议.
关键词：守恒；广延量；强度量
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0001-4
1 引 言
根据吉布斯（Josiah Willard Gibbs,1839—1903）基本方程（Gibbs fundamental form）[1]
dE 等于 vdp + φdq + TdS +等,（1）
描述一个物理系统的某种性质的基本物理量是广延量和强度量.广延量和系统的体积有关,具有相应的密度,是可加的.强度量反映了系统的局域性质,是不可加的.从（1）式我们可以看出,动量p是描述物理系统所含运动多少的物理量,电荷q是描述物理系统所含电的多少的物理量,熵S是描述物理系统所含热的多少的物理量.这里特别要指出的是,所谓的运动、电和热指的是物理系统的某种性质,而不是物理系统本身.
通过对物理量的测量我们发现,对于某些广延量（如,动量、电荷和能量等）,某一系统的这些量的增加（或减少）完全是由于别的系统的这些量的减少（或增加）所引起的,这种广延量我们叫做守恒量（conserved quantity）.然而,不是所有广延量都是守恒的,例如,熵是不守恒的广延量.
显然,对于强度量来说,无所谓守恒或不守恒.
在现行物理教科书中,对物理量的守恒和不守恒的表述主要存在以下三方面的不足：
1）把守恒量当作物质；
2）不关注对不守恒定律的表述；
3）在对守恒定律的表述中有时加上关于系统的条件.
这些不足不利于学生对物理学本质的理解.本文将分别讨论教科书中出现的上述三个方面的问题,并提出相应的改进意见.
2 守恒量不是物质
一个物理实在具有多种物理性质.物理学家通常用物理量来描述物理实在的某些物理性质.从理论上讲,无论我们用多少个物理量来描述一个物理实在,我们总不能把它的所有物理性质都描述出来.因此,物理量不能等同于物理实在.
尽管物理量不是物理实在,但是,我们用物理量所描述的物理性质是同我们对物理实在的直觉联系在一起的.为了对某些物理概念有直觉的理解,我们通常将广延量想象为像实物一样可以储存和流动.
虽然我们可以把广延量想象为实物,但我们绝不能将它们误认为实物或物质.物质是客观存在的,而物理量是人们为了描述物质的某些物理性质而创造出来的.然而,在现行的物理教科书中,我们可以看到一些把守恒量当作物质的表述.现列举如下：
2.1 把能量当作物质
根据普朗克（Max Planck,1858—1947）的能量量子化理论,振动着的带电微粒是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收电磁波的,这个不可再分的最小能量hν叫做能量子.显然,电磁波是物理实在,而能量子是描述电磁波的一个物理量.
然而,在一些物理教科书中,却把能量子当作光子这种物质了[2]：“等光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,h为普朗克常量.这些能量子后来被称为光子（photon）.”
以上表述之所以是错误的,是因为光子的能量特征不能替代它的全部特征.实际上,电磁辐射是一种物质,单独用能量来描述电磁辐射是不够的.光子是电磁辐射的基本组成部分,显然,这个基本组成部分不是能量子.光子还需要用除了能量以外其他的物理量（如,动量、角动量和温度等）来描述.
因此,我们不能说“光子就是能量子,就是hν”,而应该说“一个光子的能量为hν”.
2.2 把电荷当作物质
在现行教材中,[3]对电、电荷和电荷量这三个名称的使用是很混乱的.教材中用“电”这个词来“表示琥珀经过摩擦以后具有的性质”,可后来又增加了“电荷”和“电荷量”这两个词,并指出：“电荷的多少叫电荷量”.显然,电荷量是一个物理量.那么,电荷就只能指电这种性质了,也就是说,电荷和电是同义词.然而,我们发现,现行教材给“电荷”一词赋予了多种含义：在“自然界的电荷只有两种”的表述中,把“电荷”当作一种物质,因为如果它指的是一种性质（电的别名）的话,它只有电这种性质；如果它指的是一个物理量（电荷量的别名）的话,它应该有正、负和零三种.在“电荷守恒定律”的表述中,把“电荷”又当作一个物理量,因为守恒是对物理量来说的,而不是对物质来说的；在对点电荷的定义中,又把电荷当作带电体.总之,教材作者一会儿把“电荷”当作物质,一会儿又把它当作物理量,实质上是对物理量和它所描述的物质的混淆.
出现这种错误表述是有历史原因的.在历史上,美国杰出的政治家和科学家富兰克林（Benjamin Franklin,1706—1790）曾把电荷当作物质,并提出了“电液”（electrical fluid）的概念和单流质模型（one-fluid model）.这在当时是一大进步.然而,现在看来,电不是物质,而是物质的一种性质.
我们建议,把电荷和电荷量作为同一个概念的两个不同名称,即它们都是物理量,从而把“电荷守恒定律”理解为“电荷量守恒定律”.
2.3 把磁荷当作物质
磁荷也是一个守恒量.这个物理量麦克斯韦（J. C. Maxwell,1831—1879）早就提出过,当时他把它叫做磁量（amount of magnetism）：“磁体的一个极的磁量一定等于另一个极的磁量,但符号相反.更一般地说,每一个磁体的总磁量（代数和）为零.”[4]本来,有了磁荷这个物理量,我们就可以像定义电场强度一样定义磁场强度（H等于F/qm）.然而,人们由于找不到携带净磁荷的粒子（或者说磁单极子）,并误认为磁荷就是这种物质,因而把磁荷这个重要的物理量抛弃了.这样,原本可以教给中学生的磁场强度这个物理量就被放到大学里去教了.并且,在大学教材中人们都先引入磁感应强度B,然后再根据B和磁化强度M来定义H,使得H失去了它本来应该有的直觉意义,成为一个很难懂的物理量.在中学物理教材中,在向学生解释为何不引入磁场强度时也出现不恰当的表述.例如,有教材是这样解释的[3]：“和电场强度相对应,我们本可以把描述磁场强弱的物理量叫做磁场强度.但历史上磁场强度已经用来表示另一个物理量,因此物理学中用磁感应强度（magnetic induction）来描述磁场的强弱.”“但是,N极不能单独存在,因而不可能测量N极受力的大小,也就不可能确定磁感应强度的大小了.”实际上,我们很容易测出N极在磁场中受到的力.我们只要将一根细长的磁针的一个极放入被测的磁场中,就可以测出磁极在该处受到的磁场力.更重要的是,将磁荷和电荷这两个物理量类比后,关于磁的公式和电的公式完全相同（包括磁的库仑定律）,并且电场和磁场的理论可以一直平行地发展下去.[5]反过来,如果没有磁荷概念,我们就不能定量地描述永久磁体,磁场强度就变成了一个很抽象的物理量了.
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参考文献：
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