力的本质是能量交换和趋势分析

李家壕

摘 要：力是改变物体运动状态的原因，而牛顿运动定律则阐述了力的作用的实质是受力物体与施力物体之间能量交换的过程。在自然界中，力与能量相互转换的例子很多，比如电生磁、磁生电等。力的本质是能量交换和趋势，基于此，对力的本质进行了简要分析。

关键词：力的本质；能量交换；微观粒子；能级跃迁

中图分类号：O431.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.044

牛顿在其“第一定律”中提出“力是改变物体运动状态的原因”。这句话在今天看来仍旧是正确的，而力改变物体运动状态的实质是施力物体与受力物体之间能量交换的过程，施力物体通过力对受力物体做功，从而将能量传递给受力物体；而受力物体则将能量转化为动能，在外则表现为运动状态的变化。当作用力与受力物体所受的阻力相等时，受力物体可以保持匀速直线一直运动下去，一旦失去了外来的作用力，其自身的能量就会被阻力逐渐消耗，最终恢复为静止状态。

1 机械交换作用

以最普遍的机械交换作用为例，牛顿力学“第三定律”已经证明了力是相互的。这样说来，力的作用效果自然也具有传递性，物体运动状态的改变实际上是施力者的能量传递给了受力者。以人推动重的物体进行滑动摩擦为例，首先，人需要对物体施加一个大小与滑动摩擦力f相等，但方向却相反的力F，从而物体才有运动的可能。只要力再大一点，物体就能够获得动能。因而，此时物体接受的能量可以表示为：

E=mv2+fs. （1）

式（1）中：m为质量，kg；v为速度，m/s；f为滑动摩擦力，N；s为物体在拉力方向上的位移，m。

人施加的力除了要转化为受力物体的动能之外，还要克服摩擦力做功。物体具有了机械能，而机械能是由人赋予的，也就是说，是人体的内能转化为了机械能。这是最简单的机械交换作用，力只是传递能量的一种形式。

再讨论另一种情况，如果人不与物体接触，机械交换作用是否能进行呢？答案是否定的。能量的传递必须依靠介质，对于人和物体这样一个系统而言，人的能量要想传递给物体，同样必须依靠介质，而空气不能作为人传递能量的介质。通俗的说就是人无法对空气用力。由于气体分子在不停地运动着，对着空气用力，从微观上来看，人的能量实际上传递给了气体分子，从而促进气体分子更快地运动。但是，气体分子的运动是不定向的，不能将能量传递给物体，或者说只能传递很少一部分给物体，并不能改变物体的运动状态。

2 场质趋势作用

由于物体周围存在引力场质、电场质等，因此，实物体是以漩涡运动成形为基础的。假设实物体两侧场质由于重叠而不对称或者不平衡，就会在场质趋匀平衡状态中促使物体移动，这种现象被称为“场质趋势作用”。

电子是原子、分子等破裂时释放的物质，电子的移动形成了电场，通电导线周围的电场就是由此而来的。如果电子的运动不规律，带电磁体两侧的电场就会发生变化，因此就可能导致带电磁铁自身的运动。这一点可以借助电动机的原理来说明。随着电动机电刷电极的不断改变，转子受到的电场也在不断改变，而电场给通电导线带来了力的作用，从而将电磁能转化为了机械能，转子就开始进行机械运动。发电机的运作原理则与此相反——通过改变电场的方向使电路中产生电流，从而将机械能转化为电磁能。

对于稳定的原子，在没有外力的干扰下，原子核与核外电子之间的强作用力能够使电子绕着原子核做高速运动。此时，可以将电子看作不受其他力的作用，仅仅是由强作用力提供了高速运动的向心力，能量基本处于守恒状态。而一旦原子受到了外力的干扰，比如接受了光子的能量，就可以将光子的能量传递给电子，使电子向更高的能级跃迁，甚至直接脱离原子核的束缚而溢出，这就导致原子的内部能量不再平衡，原子以离子的形式呈现，需要外界的能量来重新保持平衡，而各种离子形式则会带来场的变化，离子在场中会有获取能量以稳定自身的趋势。

3 微观粒子作用

对于微观粒子而言，其能量的计算方法与宏观粒子不同。不同类型的粒子具有不同的运动和交换方式，而微观粒子具有明显的周期性变换运动和周期性交换作用，但又不同于量子（只有平动和周期性变换运动），它比量子至少又多了自旋运动和交换作用。光子的能量可以表示为：

E=hv. （2）

式（2）中：h为普朗克常数；v为光波的频率。

光子在与其他粒子发生碰撞时会产生电磁交换，将能量传递给其他物质。以原子核外的电子能级跃迁为例，光子在碰撞原子核外的电子时，必须传递给电子h整数倍的能量，这样才能够帮助电子跨越能级，由能量较低的不活跃状态跃迁到能量较高的激发态，而在宏观上，这就体现为光谱线的分立性。总的来说，这仍旧是能量交换的一种形式。

4 结论

力的本质是能量交换和趋势，这已经是被各种物理现象证明的事实，但是对于能量交换的微观研究还在继续。相信在未来，对于能量交换的研究将更加深入和广泛，从而为人们的生产生活带来巨大的变革。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕