一道有關電學的初中物理題

2021-08-14 05:14:31 字數 4685 閱讀 6361

1樓:匿名使用者

不行。這是典型的一種第一類永動機,從根本上違反了能量守恆定律,

永動機早在公元2023年間在世界上就有人提出了,經過幾百年不斷探索與製造,各型別永動機層出不窮,但最終以失敗而告終。究竟原因是永動機的發明者們違背了自然科學規律。

幻想中設計出一種機器,不需要源源不斷地提供人力、熱力、電力、水力等等的能量,就可以自己不停地轉動。這種機器,物理學上叫做「永動機」。假如真有這種機器,用於驅動火車、汽車、輪船及發電機等等使用動力的機械,將使能源危機得以解決,然而「永動機」只是一種幻想中的機器,在現實中不可能實現,究其原因是它違背了自然法則。

「永動機」一詞出現於公元十世紀前後。對於「永動機」,亙古人類就有所向往。其源於人們在「改造」自然中,對有效工具及強大動力的渴求。

有史可考的永動機設想方案,見於公元2023年前後的印度,這種永動機的設想由印度傳入阿拉伯,又經阿拉伯傳入歐洲。在歐洲從哥特時代起,越來越多的人被這座海市蜃樓所吸引,各類設計方案層出不窮,卻無一成功。十七世紀到十八世紀初,對永動機的幻想達到了顛峰。

直至十九世紀中葉能量守恆定律和等功原理的普遍認可,永動機的夢幻被徹底打破。

功在物理學上的定義是「作用在物體上的力和物體在力的方向上移動距離的乘積叫功」。即w=f×s。

在功的定義裡,強調了移動距離應在力的方向上,是因為一靜止的物體,如果只用一個力去推它,則為這個力所指的方向,多個力推動時則為和力向量方向。由定義可知當力f或移動距離s任何一項為零時,其功w均為零。力不但有大小之分,而且還有在某一時刻內的大小之分,後者被定義為功率。

物理學上把「任何機械,若不計摩擦等因素,供給機械的功,恆等於機械做出的功」,稱作等功原理。人們利用智慧與經驗,為適應各種目的,創造出各式各樣的工具與機械,使得工作更為有效,但這些工具與機械都毫無例外地遵循等功原理,換而言之,就是工具與機械本身不能創生出功來。

能即能量,是人們對能夠使其做功力的統稱。能量有很多種形式,一般常見的大約為以下幾種:勢能、動能、熱能、化學能、生物能、電能等。

能量不但有多種形式,而且還可互相轉化。在能量轉化中遵守「能量既不能創生,也不能消失。它只能從一種形態轉變成為另一種形態,或是從一個物體傳遞到另一個物體,但在轉化時,能量既不能增多,也不能減少。

」這一基本規律,物理學上叫做「能量守恆定律」。

「能量守恆定律」究其歷史根源與「永動機」不無相干。自古以來,就有許多「發明家」嘗試去創造一種「永動機」,想象創造一種不需要任何能量或是利用某種「永持能量」,而能自動不斷做功的機器。利用了多種方法,設計了各式各樣的永動機,但是這些嘗試終歸於失敗。

人們接受了這些失敗的教訓,總結歸納出了「能量守恆定律」這一客觀真理。

永動機的型別很多,一般可分為兩大類:違背「能量守恆定律」的稱作第一類永動機,違背所屬領域力學基本定律原則稱的作第二類永動機。第二類永動機涉及專業頗深和篇幅所限,在此不作列舉。

以下就第一類永動機的典型形式,簡要介紹。

重力類最早由文藝復興時期義大利的達·芬奇提出。經過實驗,其結果是否定的。達·芬苛敏銳地由此得出結論:「永動機是不可能實現的」。

把一個輪子裡的空間分成若干格子,每個格內放置鋼球或是汞之類的大密度液體,由於分格曲面形狀特殊,在重力作用下,左邊的鋼球趨向輪軸的方向滾近,右邊的鋼球趨向輪緣的方向滾遠。設計者想象,把輪盤視做是槓桿,輪軸相當於支點,右邊的鋼球壓著輪子的距離軸較遠即力臂較長,左邊的鋼球距離則較近即力臂較短,因此輪子會沿著左邊鋼球壓輪子的方向轉動。轉動位移後,原來右方格子裡的鋼球到左方,向軸滾近,而原來左方格子裡的鋼球到右方,離軸滾遠。

這樣往復迴圈,維持永遠轉動。以提供源源不斷動能用於做功。

如果細心研究一下,可以發現它是不可能永遠地轉動。這種特殊形狀的分格板,固然使右邊的鋼球離軸遠一些,左邊的鋼球離軸近一些,但是右邊的鋼球個數總比左邊的少一些,故而輪子是不動的。在力學上也很容易求得左右兩邊各自力距之和是相等的,以證明不能維持自轉,何況做功。

由十三世紀時一個叫享內考的法國人所提出。

它是例1的一種翻版形式。

該永動機使用一個重型鏈條,右邊經過幾次彎曲穿過穩定鏈輪,由於彎曲的因素,右邊的鏈條長於左邊拉直的鏈條,也就獲得了右邊的「鏈條」,就重於左邊的「鏈條」,於是設計者認為兩邊得不到平衡,使得鏈條沿箭頭所示方向移動,便可通過輪軸向外界提供源源不斷的做功動能。從力學角度看,它不可能是永動的,因為右邊鏈條傾斜的部分,各段鏈條相互拉力是沿鏈條方向,鉛垂力中的一部分作用在鏈輪上,故而左右兩邊的合力還是處於平衡狀態,何以轉動。

以上列例還沒有涉及到機械傳遞時由於摩擦的阻力耗損功,其自身就不能維持執行。

水力類該類永動機的設計,貌似利用水或液體的特性來設計的,但在應用時卻被曲解了,其典型例為:

右方為個大容積的密閉容器,用一根管道連通到左邊的水源內,再將容器和管子都注滿水。設計者認為,在容器記憶體有足夠的水,當水從出口流出時,容器上方會形成負壓空腔,而負壓空腔則又能汲提低位水源中的水,最終達到把低位水提升到高位的目的,這在實際中不可能做到。因為虹吸是在大氣壓力與重力作用的必要條件下,對於一注滿水的管道出水口必須低於入水口的充分條件下才能形成。

它是想通過構造,一隻上部為真空的水箱,使水箱中的水沿左邊管道流下時驅動水輪機作功,水再因水箱上部的真空「吸力」而沿右邊管道返回水箱,以達到永動之目的。這種作功是不能實現的,由力學常識可知,右邊管道中的水位始 終是與水箱水位平面保持一致。

該機結構是由一連串的球體,用繩鏈把球體鏈結起來,並繞在兩個輪軸上,可以想象鏈球能夠在輪軸上轉動。左邊的球體被浸泡在注滿水的柱體容器中,並且球體在通過柱體容器底口時密閉不漏水,設計者想象左邊的球體浸泡在水中自然會受到水的浮力作用,則右邊的球體被懸置在空氣中,由阿基米德定律便可知左邊的浮力大於右邊,自然左邊的球體會在浮力作用下,按序上移,從而完成永動做功。

從力學上來分析,當下面的一個球體開始進入容器底部時,就同注水柱體容器底部形成一個同一閉合底面,也就必將承受上面水對底部的壓力,這個壓力足以抵消上部水對球體的浮力,故而也就不可能永動地轉動做功。

此方案是十六世紀七十年代,義大利的一位機械師斯特爾所提出。

為一「永動水車」,設計者的用意在於外動力轉動a輪,從井內或河中把水提升上來,再使用被提升的水衝動b輪,此時去掉外動力,則b輪會在水的衝擊下旋轉並通過轉動皮帶,帶動a輪旋轉提水,周始往復,形成永動做功。稍做動量分析,便可知,這也是一項不可能成功的設計。

在這裡,有人問「水錘泵是不是永動機?」回答很明確,不是。因為「水錘泵」遵循了「能量守恆定律」,它使用低水位大流量的水力做功,把小流量的水提升到了高水位。

且這種提升形式是脈動的,有效地利用了「水錘現象」。水錘泵實則不失為是水力能量有效利用的一個成功典範。

電磁類這類永動機是利用被片面曲解的電或磁的某些性質而設計的。

它是一種永磁永動機的構思,由外輪即定子與內輪轉子組成,在內外輪上安置有疊層的若干個永久磁鐵, 且內外輪間的磁極是相同的,並有一定的徑向傾角。構思者認為,內外輪間同性磁極相斥,即可推動內輪永遠的旋轉。

這種構思的錯誤是隻考慮到s極與s極的相斥,而忽視在該系統中,n極與n極也在相斥,且s n極之間還存在相互吸引。尤其是單個s與s間的動態斥力作用過程是由小至大再由大至小,依據力的分析由小至大的過程是逆進過程,故而在此結構下也就不可能形成永遠旋轉。

大約在2023年,由義大利的一位叫泰斯尼爾斯的教授提出。他設想a是一個磁鐵,鐵球b可以沿弧面滾下到c點,然後在磁引力下又由斜面被吸引上來,如此往復構成迴圈。在這裡且不要論磁引力與兩點間的平方成反比,就磁鐵a能夠吸引住鐵球b這一點,鐵球則不可能從弧面管道落下,其謬就已瞭然。

是用有限的電能裝置,去進行供給外界的無限的電能,這很明顯是違背了能量守恆守律。

這種設計是符合能量守恆定律的,但是忘卻了在實際中存在著能量的利用率不會達到100%,能量形式的 轉換有效利用率也做不到100%。因此,該設計也不會維持「永動」執行。

幻想固然是啟迪科技發明的前奏動力,然而,幻想之得以實現,則是建立在對自然規律的不斷探索、認識之積澱的技術創新之上。幻想中的永動機不能成功,因為它從根本上違背了自然規律。如果想象,集中精力、善於承繼、勤於研究,切實利用自然法則,開發出一些更為精妙,且能高效利用能量的動力機械,不失為是一種創造,也不失為是一種貢獻。

縱觀歷史可以看到,現代人類成功發明,無不是在承繼中發展,又在發展中承繼,再度孕育新的發展,而逐步走向成熟。今天的成熟,更是明天承繼的基礎。從漢書的「頓牟綴芥,磁石引針」到十八世紀伏打電池的誕生,才使得由對靜電的研究轉為對連續電流的研究。

再到法拉第的「導線切割磁力線產生電流」洛侖磁力的作用,楞茨定律及麥克斯韋方程組,人類歷時近兩千年來之久才為發電機的誕生做好了必不可少的理論貯備。最終發電機在十九世紀的近代工業基礎上,被愛迪生等人發明成功。從此人類迎來了電氣時代。

從活塞式水泵到高斯的蒸汽抽水,乃至巴本與萊布尼茨蒸汽推動活塞的理念,以及紐可門蒸汽推動活塞工作的抽水機與布拉克的潛熱概念,都為瓦特蒸汽機的發明,提供了必不可少的理論與技術上的貯備。如果沒有瓦特對前人的承繼,單憑蒸汽頂開水壺蓋,就能頂出一個蒸汽機時代之說,有失公允。

從羅吉爾·培根將重力歸諸於地心引力到伽利略的重力加速度乃至胡克、哈雷從向心力定律和刻卜勒第三定律,匯出維持行星軌道執行的引力和距離的平方成反比,都為萬有引力定律的誕生提供了理論貯備,奠定了思維基礎。簡而言之,是羅吉爾·培根方向上,具有伽利略加速度的偉大蘋果,在胡克、哈雷距離上,砸到了牛頓天才的腦袋,才砸出了偉大的「萬有引力」定律。

19世紀末20世紀初數學的發展,特別是邏輯數學的發展,為電子計算機的誕生,提供了前期的理論貯備。20世紀上葉電子技術的發展,則為計算機提供了物理支援。終在四十年代被祖特和馮·諾依曼發明出來,祭慰了羅素的長嘆,把「天才的頭腦從繁重的計算中解脫出來」。

隨著離散數學,固體物理及相關學科與技術的進一步發展,網路時代的到來,也是先賢們所始料不及。因此,從廣意上講,是古人類的火把點燃了熱核裂聚變。

人類社會發展史上的里程碑,之所以是里程碑,是因為它具有承前啟後的作用。做為後來者更是要腳踏實地「攝心勇猛勤精進」。

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