雪國列車荒誕的永動(dòng)機(jī)分析
雪國列車荒誕的永動(dòng)機(jī)分析
我們知道，永動(dòng)機(jī)有兩類：不消耗能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器，它違反了能量守恒定律，故稱為“第一類永動(dòng)機(jī)”。這就是雪國列車?yán)锍霈F(xiàn)的永動(dòng)機(jī)。下面是學(xué)習(xí)啦小編為您整理的荒誕的永動(dòng)機(jī)分析，希望對(duì)您有所幫助!
荒誕的永動(dòng)機(jī)分析
一、重力“永動(dòng)機(jī)”
例1 文藝復(fù)興時(shí)期，意大利的達(dá)芬奇設(shè)計(jì)了如圖1所示的裝置。他設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，在輪子轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，而且可以不斷地向外輸出能量。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)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(dòng)，并在不消耗能量的同時(shí)不斷地對(duì)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(gè)初速度，它能永不停息地轉(zhuǎn)動(dòng)，但在不消耗能量的同時(shí)，并不能對(duì)外做功.
C.右邊所有小球施加于輪子的動(dòng)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(shí)，不斷地對(duì)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(dòng)，在不消耗其它能量的基礎(chǔ)上，還能源源不斷地對(duì)外做功.
解析：該設(shè)計(jì)中，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)數(shù)總比左邊的少，實(shí)際上右邊所有小球施加于輪子的動(dòng)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(shí)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(gè)初速度，輪子就能依靠慣性永不停息地轉(zhuǎn)動(dòng)。故正確答案為BC。
二、風(fēng)力“永動(dòng)機(jī)”
例2 利用牛頓第三定律，有人設(shè)計(jì)了一種交通工具，如圖2所示，在平板車上裝了一個(gè)電風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)，對(duì)這種設(shè)計(jì)，下列分析中正確的是( )
A.根據(jù)牛頓第二定律，這種設(shè)計(jì)能使小車運(yùn)行
B.根據(jù)牛頓第三定律，這種設(shè)計(jì)能使小車運(yùn)行
C.這種設(shè)計(jì)不能使小車運(yùn)行，因?yàn)樗`反了牛頓第二定律
D.這種設(shè)計(jì)不能使小車運(yùn)行，因?yàn)樗`反了牛頓第三定律
解析：風(fēng)扇吹出的風(fēng)對(duì)風(fēng)帆有向前的作用力，風(fēng)又給風(fēng)扇一個(gè)向后的作用力，因此對(duì)于整個(gè)裝置而言，作用力和反作用力都是內(nèi)力，小車不會(huì)運(yùn)動(dòng)，故選D.
三、磁力“永動(dòng)機(jī)”
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(jì)了一種磁力永動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，在斜面頂端放一塊強(qiáng)磁鐵M，斜面上、下端各有一個(gè)小孔P、Q，斜面下有一個(gè)連接兩個(gè)小孔的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個(gè)鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會(huì)沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)球運(yùn)動(dòng)到P孔時(shí)，它會(huì)漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時(shí)球具有速度可以對(duì)外做功。然后又在磁鐵的吸引下回到上端，到P處又漏下，對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，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(jī)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)外做功后，小球就不能再回到P孔，小球之所以能對(duì)外做功，是依靠磁鐵不斷對(duì)小球做功，所以這個(gè)設(shè)計(jì)違背了能量守恒定律，所以是不可行的，選項(xiàng)D正確。
四、放射性永動(dòng)機(jī)
例6 如圖9所示的裝置是一位物理學(xué)家設(shè)計(jì)的一種使用放射性元素釷的“永動(dòng)機(jī)”。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(gè)裝置之所以稱為“永動(dòng)機(jī)”，是當(dāng)兩片金屬箔吸收到放射線而帶同種電荷時(shí)將不停地排斥，每次排斥時(shí)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(dòng)”。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(dòng)機(jī)
D.此裝置可看作是第二類永動(dòng)機(jī)
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(dòng)機(jī)”，故正確答案為B。
永動(dòng)機(jī)的起源
永動(dòng)機(jī)的想法起源于印度，公元1200
永動(dòng)機(jī)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(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案是十三世紀(jì)時(shí)一個(gè)叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，輪子邊緣安裝著12個(gè)可活動(dòng)的短桿，每個(gè)短桿的一端裝有一個(gè)鐵球。方案的設(shè)計(jì)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(dòng) 力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大。這樣輪子就會(huì)永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動(dòng)下去，并且?guī)?dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實(shí)現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動(dòng)。仔細(xì)分析一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個(gè)球產(chǎn)生的 力矩大，但是球的個(gè)數(shù)少，左邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個(gè)數(shù)多。于是，輪子不會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去而對(duì)外 做功，只會(huì)擺動(dòng)幾下，便停下來。
后來， 文藝復(fù)興時(shí)期意大利的 達(dá)·芬奇(Leonardo da V inci，1452-1519)也造了一個(gè)類似的裝置，他設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。
達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個(gè)設(shè)計(jì)中，右邊每個(gè)重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢茫棺笥覂蓚?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(jī)械師 斯特爾又提出了一個(gè)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。斯特爾在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪在帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過一組齒輪帶動(dòng)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(gè)裝置可以這樣不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，并有效地對(duì)外做功。實(shí)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(jī)也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。浮力也是設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)的一個(gè)好幫手。是一個(gè)著名的浮力永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。一連串的球，繞在上下兩個(gè)輪子上，可以像鏈條那樣轉(zhuǎn)動(dòng)。右邊的一些球放在一個(gè)盛滿水的容器里。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊如果沒有那個(gè)盛水的容器，左右兩邊的球數(shù)相等，鏈條是會(huì)平衡的。但是，右邊這些球浸在水里，受到了水的浮力，就會(huì)被水推著向上移動(dòng)，也就帶動(dòng)整串球繞上下兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。上面有一個(gè)球露出水面。下面就有一個(gè)球穿過容器底，補(bǔ)充進(jìn)來。這樣的永 動(dòng)機(jī)也沒有制成，是不是因?yàn)橐旅娴那蚰軌蛲ㄟ^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(jì)的原理上。當(dāng)下面的球穿過容器底的時(shí)候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因?yàn)樵谒淖钕虏?，所以它受到的壓力很大。這個(gè)向下的壓力，就會(huì)抵消上面幾個(gè)球所受的浮力，這個(gè)水動(dòng)機(jī)也就無法永動(dòng)了。
永動(dòng)機(jī)的故事
19世紀(jì)中葉，一系列科學(xué)工作者為正確認(rèn)識(shí)熱功能轉(zhuǎn)化和其它物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)物體傳遞給另一個(gè)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(yùn)動(dòng)可以隨意創(chuàng)造和消滅的 唯心主義觀點(diǎn)，它使永動(dòng)機(jī)幻夢(mèng)被徹底的打破了。在制造第一類永動(dòng)機(jī)的一切嘗試失敗之后，一些人又夢(mèng)想著制造另一種永動(dòng)機(jī)，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(jī)可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變?yōu)?機(jī)械功。由于海洋和大氣的能量是取之不盡的，因而這種熱機(jī)可永不停息地運(yùn)轉(zhuǎn)做功，也是一種永動(dòng)機(jī)。然而，在大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(dòng)機(jī)的想法也破滅了。層出不窮的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，都在科學(xué)的嚴(yán)格審查和實(shí)踐的無情檢驗(yàn)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(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)"。這說明在當(dāng)時(shí)科學(xué)界，已經(jīng)從長期所積累的經(jīng)驗(yàn)中，認(rèn)識(shí)到制造永動(dòng)機(jī)的企圖是沒有成功的希望的。永動(dòng)機(jī)的想法在人類歷史上持續(xù)了幾百年，這個(gè)想法被駁倒，不僅有利于人們正確的認(rèn)識(shí)科學(xué)，也有利于人們正確的認(rèn)識(shí)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)，于是想要在外太空實(shí)驗(yàn)。但是當(dāng)時(shí)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(gè)物體都互相吸引。所以這個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)很久之后——或者只有幾分鐘——就會(huì)停下來，也不能永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)。
雖然經(jīng)過許多人的辛勞，但事實(shí)證明他們無一例外地都?xì)w于失敗?！∮绖?dòng)機(jī)是一種幻想，永遠(yuǎn)不可能成功，因?yàn)樗`反了自然界最普遍的一個(gè)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(dòng)機(jī)不可能的思想，他曾設(shè)計(jì)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(dòng)有可能使轉(zhuǎn)輪永遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)方案中認(rèn)識(shí)到永動(dòng)機(jī)的嘗試是注定要失敗的。他寫道：“永恒運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的活動(dòng)卻從未停止過。
例如：17世紀(jì)，英國有一個(gè)被關(guān)在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的“ 永動(dòng)機(jī)”，如圖所示。轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)4.3米，有40個(gè)各重23千克的鋼球沿轉(zhuǎn)輪輻翼外側(cè)運(yùn)動(dòng)，使力矩加大，待轉(zhuǎn)到高處時(shí)，鋼球會(huì)自動(dòng)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(shí)這臺(tái)機(jī)器是靠慣性來維持短時(shí)運(yùn)動(dòng)的。
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