守恆定律

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簡介

守恆定律以非常好的方式平衡了宇宙。根據支配它的守恆定律，給定的物理屬性在封閉的物理系統中通常不會隨時間改變。在經典物理學中，某些原則集合調節著能量、動量、角動量、質量和電荷。

粒子物理學中的其他守恆定律實施了在相互作用過程中保持不變的亞原子粒子屬性。無需考慮物理過程或化學反應如何展開的微觀細節，即可預測系統宏觀行為的能力是守恆定律的關鍵功能。

什麼是守恆定律？

守恆定律被認為是基本的自然法則，在物理學以及其他領域都有廣泛的應用。由於它們定義了哪些自然過程可以發生，哪些不能發生，因此守恆定律對於我們理解物理宇宙至關重要。例如，能量守恆定律指出，雖然能量的型別可能會發生變化，但其總量不會發生變化。物理過程通常不會改變該定律所涵蓋屬性的總量。大多數守恆定律是精確的或絕對的，也就是說它們適用於所有可能的程序。

守恆定律的型別是什麼？

有幾種守恆定律，可以分為精確定律和近似定律。以下是一些基本且重要的守恆定律：

能量守恆

根據能量守恆定律，通常稱為熱力學第一定律，系統中包含的能量總量必須保持恆定。能量不是憑空產生的，也不能憑空消失。但是，能量可以從一種形式轉換為另一種形式，但可以作為功、勢能或動能耗散。熱是由分子和原子的動能產生的。

我們可以藉助能量守恆定律解決許多與動力學相關的難題，它也是熱力學研究的基礎。

$$\mathrm{系統總能量 = U}$$

$$\mathrm{U=K.E.+P.E.=常數}$$

質量守恆

質量守恆定律是在 1789 年由安託萬·拉瓦錫提出的，當時他意識到在物理和化學過程中質量既不會產生也不會消失。因此，任何特定元素在反應開始時的質量將始終等於該元素在反應結束時的質量。如果我們在化學過程中包含所有反應物和產物，則在任何封閉系統中，總質量將隨時間保持恆定。拉瓦錫的發現徹底改變了科學，併為現代化學奠定了基礎。

電荷守恆

根據電荷守恆定律，封閉系統的總電荷永遠不會改變。這意味著，如果系統沒有從周圍環境接收和傳送物質或能量，則在任何兩個時刻之間，該系統將永遠不會具有不同的總電荷。如果兩個帶淨電荷為零的孤立系統中的粒子相互交換一百萬個電子，則帶有多餘電子的物體將帶負電荷，而帶有減少數量電子的物體將帶相同大小的正電荷。系統的總電荷沒有改變，也永遠不會改變。

動量守恆

動量守恆的概念指出，在沒有任何外力的情況下，孤立系統的總動量將保持不變。換句話說，動量只能透過力的作用改變，力的作用包含在牛頓運動方程中。動量不能產生或消失。動量是物體質量和速度的乘積，它也等於使物體靜止所需的總力。

$$\mathrm{m_1
u_1=m_2
u_2}$$

動量守恆在現實世界中的一個應用是涉及碰撞的問題，當動量守恆且淨外力為零時。

角動量守恆

根據角動量守恆定律，在沒有外力矩的情況下，孤立系統的總角動量在大小和方向上都保持恆定。

角動量守恆定律規定：

$$\mathrm{\omega_1I_1=\omega_2I_2}$$

如果 $\mathrm{\omega_1}$ 是角速度，而轉動慣量為 $\mathrm{I_1}$，$\mathrm{\omega_2}$ 是角速度，而轉動慣量為 $\mathrm{I_2}$。

守恆定律的特點是什麼？

守恆定律有一些重要且獨特的特徵，例如

時間齊次性

如果我們今天在某個特定位置進行實驗，並在一年後在同一位置重複該實驗，我們將獲得完全相同的結果。

空間齊次性

宇宙中沒有首選位置，因為自然規律在任何地方都具有相同的形式。

空間各向同性

守恆定律對於特定方向不是精確的，但對於宇宙中的每個方向都是相同的。

結論

正如我們在以上段落中所學到的，宇宙中任何作用的實際識別或可行性都可以根據這些守恆定律來預測。化學和生物學中反應的穩定性僅取決於電荷、質量和能量的守恆。此外，在物理世界中，所有型別的運動都受動量守恆定律支配。此外，這些守恆定律對於特定的點、位置、時間和方向都不適用，而在宇宙中，它們對於每個點都是相同的。

常見問題解答

Q1. 近似守恆定律是什麼？

答：並非所有點都完全精確的守恆定律，但是有一些限制。近似定律在特定條件下有效，例如緩慢運動的物體、微觀的單位時間等。

Q2. 守恆定律有哪些應用？

答：守恆定律在我們的日常生活中有很多應用。一些普遍的應用如下：

• 過山車

• 單擺

• 槍擊

• 電力轉化為機械運動

• 牛頓擺

• 水力發電廠

• 揚聲器將電能轉換為聲音的作用

Q3. 守恆定律的概念首次提出是在什麼時候？

答：第一個守恆定律是質量守恆定律，由安託萬·拉瓦錫在 1789 年提出。之後，在 1850 年，威廉·蘭金提出了能量守恆定律。

Q4. 為什麼我們需要守恆定律？

答：我們對自然現象和其他一些人工現象進行了大量研究，以瞭解它們的性質和穩定性。因此，為了檢查過程是否可行，我們使用守恆定律。