简论守恒量

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  守恒是自然界赐予我们的最基本的思想。其中在物理的力学中成立的最广泛的有三个:能量守恒、动量守恒和角动量守恒,另外电学中有电荷守恒(电荷守恒是连相对论效应都没有的守恒)。因为这四个物理量:能量、动量、角动量、电荷量,无论是在经典物理学中还是现代物理学中都严格成立,是宇宙中成立的最好的定律。
  中学阶段,学生们接触到的守恒量相当多,其实大部分物理量的守恒是有条件限制的。下面简单地总结一下
  如学生们理解比较早的质量守恒,初中阶段因不提相对论中速度对质量的影响,因而学生们就可能不自觉地建立起质量永恒不变的思想,直到学习狭义相对论才领悟到质量是可变的。其实质量的不变,在化学中应用的也相对早一些,最早的化学反应都是强调质量守恒的。这也不能怪罪化学教师,因为在化学反应中虽然伴随能量转化,但也都是在原子重组过程中化学键的更换上,相对引起的质量变化微乎其微。到高中学生们学习爱因斯坦的质能方程后,就知道质量和能量是息息相关、密不可分的,当一个物体的能量发生变化时,质量也就有相应的变化了,使认识提高了。
  体积的守恒,更多地被小学生认可,中学生学习过冰与水的转换,从密度的角度即可知道,体积的守恒多么不可靠。其实气体的体积的轻易可变,也应该早被认识到。即便都是液体,水和酒精混合后的总体积小于原体积之和,也说明体积不守恒的普遍性。
  摩尔数守恒,学生们也可能认为,既然摩尔数代表粒子个数,当然是守恒的。应该说在化学反应中,原子个数的确是守恒的,但分子个数则不然,如2molH2与1molO2燃烧,其生成物是2molH2O,即由反应前的总分子数为3mol,变成了反应后的2mol,不守恒何其明显。
  学习过核反应后,学生们知道了质量数守恒和电荷数守恒。其中质量数代表核子个数,无一例外地守恒。而电荷数守恒也是自然界成立的最好的守恒之一。如果有人将电荷数守恒说成是核电荷数守恒,这是否成立呢?不成立,因为部分核反应中存在中子与质子间的转换,而产生的电子(要满足电荷数守恒,即发生β衰变)会离开发生衰变的原子核,从而使原核中的质子数增加一个,即对原子核来说,其内部电荷数改变了,因此说成核电荷数守恒是不准确的。
  综上,教学中对守恒不要讲的过死,通常需要留有余地,否则随着学生知识水平的增加,眼界越来越开阔,学生回过头来就会说原来老师都讲错了。
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