雪國列車荒誕的永動機分析
雪國列車荒誕的永動機分析
我們知道，永動機有兩類：不消耗能量而能永遠(yuǎn)對外做功的機器，它違反了能量守恒定律，故稱為“第一類永動機”。這就是雪國列車?yán)锍霈F(xiàn)的永動機。下面是學(xué)習(xí)啦小編為您整理的荒誕的永動機分析，希望對您有所幫助!
荒誕的永動機分析
一、重力“永動機”
例1 文藝復(fù)興時期，意大利的達(dá)芬奇設(shè)計了如圖1所示的裝置。他設(shè)計時認(rèn)為，在輪子轉(zhuǎn)動過程中，右邊的小球總比左邊的小球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不平衡的力矩作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，而且可以不斷地向外輸出能量。但實驗結(jié)果卻是否定的。達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不可能實現(xiàn)的。下列有關(guān)該裝置的說法中正確的是( )
A.如果沒有摩擦力和空氣阻力，該裝置就能永不停息地轉(zhuǎn)動，并在不消耗能量的同時不斷地對外做功.
B.如果沒有摩擦力和空氣阻力，忽略碰撞中的能量損耗，給它一個初速度，它能永不停息地轉(zhuǎn)動，但在不消耗能量的同時，并不能對外做功.
C.右邊所有小球施加于輪子的動力矩并不大于左邊所有小球施于輪子的阻力矩，所以不可能在不消耗能量的同時，不斷地對外做功.
D.在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的今天，這種裝置可以永不停息地轉(zhuǎn)動，在不消耗其它能量的基礎(chǔ)上，還能源源不斷地對外做功.
解析：該設(shè)計中，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，雖然右邊的小球總比左邊的小球離輪心更遠(yuǎn)些，但是右邊小球的個數(shù)總比左邊的少，實際上右邊所有小球施加于輪子的動力矩等于左邊所有小球施于輪子的阻力矩，輪子在不受到外力作用時將保持平衡狀態(tài).如果沒有摩擦力和空氣阻力，且忽略碰撞中的能量損耗，給輪子一個初速度，輪子就能依靠慣性永不停息地轉(zhuǎn)動。故正確答案為BC。
二、風(fēng)力“永動機”
例2 利用牛頓第三定律，有人設(shè)計了一種交通工具，如圖2所示，在平板車上裝了一個電風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時吹出的風(fēng)全部打到豎直固定在小車中間的風(fēng)帆上，靠風(fēng)帆受力而向前運動，對這種設(shè)計，下列分析中正確的是( )
A.根據(jù)牛頓第二定律，這種設(shè)計能使小車運行
B.根據(jù)牛頓第三定律，這種設(shè)計能使小車運行
C.這種設(shè)計不能使小車運行，因為它違反了牛頓第二定律
D.這種設(shè)計不能使小車運行，因為它違反了牛頓第三定律
解析：風(fēng)扇吹出的風(fēng)對風(fēng)帆有向前的作用力，風(fēng)又給風(fēng)扇一個向后的作用力，因此對于整個裝置而言，作用力和反作用力都是內(nèi)力，小車不會運動，故選D.
三、磁力“永動機”
例4 17世紀(jì)70年代，英國捷斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計了一種磁力永動機，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，在斜面頂端放一塊強磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔P、Q，斜面下有一個連接兩個小孔的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運動，當(dāng)球運動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度可以對外做功。然后又在磁鐵的吸引下回到上端，到P處又漏下，對于這個設(shè)計，下列判斷中正確的是( )
A.滿足能量守恒定律，所以可行
B.不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行
C.不滿足機械能守恒定律，所以不可行
D.不滿足能量守恒定律，所以不可行
解析：在這個實驗中，如果把上面的磁鐵取走，則小球第一次從上面的P孔掉下來，對外做功后，小球就不能再回到P孔，小球之所以能對外做功，是依靠磁鐵不斷對小球做功，所以這個設(shè)計違背了能量守恒定律，所以是不可行的，選項D正確。
四、放射性永動機
例6 如圖9所示的裝置是一位物理學(xué)家設(shè)計的一種使用放射性元素釷的“永動機”。它是在密閉的玻璃球殼1中，放入玻璃管2，將具有放射性的釷鹽3密封在玻璃管中，4是兩片彼此緊靠的金屬箔，5是貼在玻璃球殼內(nèi)側(cè)的金屬板，金屬板接地。這個裝置之所以稱為“永動機”，是當(dāng)兩片金屬箔吸收到放射線而帶同種電荷時將不停地排斥，每次排斥時向左右張開，觸到金屬板的內(nèi)壁，立即收回，如此往復(fù)，形成金屬箔的“永動”。下列說法中正確的是( )
A.金屬箔是由于吸收到α射線而張開的
B.金屬箔是由于吸收到β射線而張開的
C.此裝置可看作是第一類永動機
D.此裝置可看作是第二類永動機
解析：放射性元素釷具有β放射性，出射的粒子──電子被金屬箔所吸收，金屬箔帶上同種電荷，互相排斥，金屬箔張開。隨著放射性元素釷不斷地進(jìn)行β衰變，它所提供的出射粒子──電子的數(shù)量將不斷減少，所以這種裝置并非“永動機”，故正確答案為B。
永動機的起源
永動機的想法起源于印度，公元1200
永動機年前后，這種思想從印度傳到了 伊斯蘭教世界，并從這里傳到了西方。在歐洲，早期最著名的一個永動機設(shè)計方案是十三世紀(jì)時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離 軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)動 力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去，并且?guī)訖C器轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。仔細(xì)分析一下就會發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個球產(chǎn)生的 力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外 做功，只會擺動幾下，便停下來。
后來， 文藝復(fù)興時期意大利的 達(dá)·芬奇(Leonardo da V inci，1452-1519)也造了一個類似的裝置，他設(shè)計時認(rèn)為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，但實驗結(jié)果卻是否定的。
達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不可能實現(xiàn)的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設(shè)計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個數(shù)卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當(dāng)?shù)奈恢?，使左右兩?cè)重物施加于輪子的相反方向的 旋轉(zhuǎn)作用( 力矩)恰好相等，互相抵消，使輪子達(dá)到平衡而靜止下來。
16世紀(jì)70年代，意大利的一位機械師 斯特爾又提出了一個永動機的設(shè)計方案。斯特爾在設(shè)計時認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動，水輪在帶動水磨轉(zhuǎn)動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉(zhuǎn)下去，并有效地對外做功。實際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進(jìn)了下面的蓄水池，水輪機也就停止了轉(zhuǎn)動。浮力也是設(shè)計永動機的一個好幫手。是一個著名的浮力永動機設(shè)計方案。一連串的球，繞在上下兩個輪子上，可以像鏈條那樣轉(zhuǎn)動。右邊的一些球放在一個盛滿水的容器里。設(shè)計者認(rèn)為，右邊如果沒有那個盛水的容器，左右兩邊的球數(shù)相等，鏈條是會平衡的。但是，右邊這些球浸在水里，受到了水的浮力，就會被水推著向上移動，也就帶動整串球繞上下兩個輪子轉(zhuǎn)動。上面有一個球露出水面。下面就有一個球穿過容器底，補充進(jìn)來。這樣的永 動機也沒有制成，是不是因為要下面的球能夠通過容器底，而又不能讓水漏出來，制造起來技術(shù)上有困難呢?技術(shù)上的困難并不是主要問題，主要問題還是出在設(shè)計的原理上。當(dāng)下面的球穿過容器底的時候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因為在水的最下部，所以它受到的壓力很大。這個向下的壓力，就會抵消上面幾個球所受的浮力，這個水動機也就無法永動了。
永動機的故事
19世紀(jì)中葉，一系列科學(xué)工作者為正確認(rèn)識熱功能轉(zhuǎn)化和其它物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化關(guān)系做出了巨大貢獻(xiàn)，不久后偉大的 能量守恒和轉(zhuǎn)化定律被發(fā)現(xiàn)了。人們認(rèn)識到：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞的過程中能量的總和保持不變。能量守恒的轉(zhuǎn)化定律為辯證唯物主義提供了更精確、更豐富的科學(xué)基礎(chǔ)。有力地打擊了那些認(rèn)為物質(zhì)運動可以隨意創(chuàng)造和消滅的 唯心主義觀點，它使永動機幻夢被徹底的打破了。在制造第一類永動機的一切嘗試失敗之后，一些人又夢想著制造另一種永動機，希望它不違反 熱力學(xué)第一定律，而且既經(jīng)濟(jì)又方便。比如，這種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變?yōu)?機械功。由于海洋和大氣的能量是取之不盡的，因而這種熱機可永不停息地運轉(zhuǎn)做功，也是一種永動機。然而，在大量實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，英國物理學(xué)家 開爾文于1851年提出了一條新的普遍原理：物質(zhì)不可能從單一的熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響。這樣，第二類永動機的想法也破滅了。層出不窮的永動機設(shè)計方案，都在科學(xué)的嚴(yán)格審查和實踐的無情檢驗下一一失敗了。1775年，法國科學(xué)院宣布"本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動機的一切設(shè)計"。這說明在當(dāng)時科學(xué)界，已經(jīng)從長期所積累的經(jīng)驗中，認(rèn)識到制造永動機的企圖是沒有成功的希望的。永動機的想法在人類歷史上持續(xù)了幾百年，這個想法被駁倒，不僅有利于人們正確的認(rèn)識科學(xué)，也有利于人們正確的認(rèn)識世界。能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總和不變，這就是 能量守恒定律了。所以第一類永動機是不能做出來的。而能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向的，就像熱量可以自發(fā)的由熱的物體轉(zhuǎn)移到冷的物體，但不能自發(fā)的由冷的物體轉(zhuǎn)移到熱的物體，而不引起其他的變化，所以第二類永動機也是不能做出來的。還有人認(rèn)為，根據(jù)牛頓第一定律，物體在不受力的作用的前提下，可以依靠 慣性無休止的做 勻速直線運動，于是想要在外太空實驗。但是當(dāng)時的科技并不允許這么做，而且牛頓還提出了萬有引力定律，即自然界中任何兩個物體都互相吸引。所以這個物體在運動很久之后——或者只有幾分鐘——就會停下來，也不能永遠(yuǎn)運動。
雖然經(jīng)過許多人的辛勞，但事實證明他們無一例外地都?xì)w于失敗。 永動機是一種幻想，永遠(yuǎn)不可能成功，因為它違反了自然界最普遍的一個規(guī)律，這就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。著名科學(xué)家達(dá)·芬奇早在15世紀(jì)就提出過永動機不可能的思想，他曾設(shè)計過一種轉(zhuǎn)輪，如圖所示，在轉(zhuǎn)輪邊沿安裝一系列的容器，容器中充了一些水銀，他想水銀在容器中移動有可能使轉(zhuǎn)輪永遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)動，但是經(jīng)過仔細(xì)研究之后，得出了否定的結(jié)論。他從許多類似的設(shè)計方案中認(rèn)識到永動機的嘗試是注定要失敗的。他寫道：“永恒運動的幻想家們!你們的探索何等徒勞無功!還是 去做淘金者吧!” 然而，15世紀(jì)以后的好幾百年里面，制造永動機的活動卻從未停止過。
例如：17世紀(jì)，英國有一個被關(guān)在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺可以轉(zhuǎn)動的“ 永動機”，如圖所示。轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)4.3米，有40個各重23千克的鋼球沿轉(zhuǎn)輪輻翼外側(cè)運動，使力矩加大，待轉(zhuǎn)到高處時，鋼球會自動地滾向中心。據(jù)說，他曾向英國國王 查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實這臺機器是靠慣性來維持短時運動的。
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