从永动机看能量守恒

分析常见几种有趣的“永动机”我们知道，永动机有两类：不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了能量守恒定律，故称为“第一类永动机”。在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，它违反了热力学第二定律，故称为“第二类永动机”。在人类科学发展史上曾出现过无数的学者进行开发“永动机”，其中不乏很多科学家，下面列举几种有趣不可实现的永动机。一、重力“永动机”例 1 文艺复兴时期，意大利的达芬奇设计了如图 1 所示的装置。他设计时认为，在轮子转动过程中，右边的小球总比左边的小球离轮心更远些，在两边不平衡的力矩作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，而且可以不断地向外输出能量。但实验结果却是否定的。达·芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。下列有关该装置的说法中正确的是（ ）A如果没有摩擦力和空气阻力，该装置就能永不停息地转动，并在不消耗能量的同时不断地对外做功B如果没有摩擦力和空气阻力，忽略碰撞中的能量损耗，给它一个初速度，它能永不停息地转动，但在不消耗能量的同时，并不能对外做功C右边所有小球施加于轮子的动力矩并不大于左边所有小球施于轮子的阻力矩，所以不可能在不消耗能量的同时，不断地对外做功D在现代科学技术比较发达的今天，这种装置可以永不停息地转动，在不消耗其它能量的基础上，还能源源不断地对外做功解析：该设计中，当轮子转动时，虽然右边的小球总比左边的小球离轮心更远些，但是右边小球的个数总比左边的少，实际上右边所有小球施加于轮子的动力矩等于左边所有小球施于轮子的阻力矩，轮子在不受到外力作用时将保持平衡状态如果没有摩擦力和空气阻力，且忽略碰撞中的能量损耗，给轮子一个初速度，轮子就能依靠惯性永不停息地转动。故正确答案为 BC。二、风力“永动机”例 2 利用牛顿第三定律，有人设计了一种交通工具，如图 2 所示，在平板车上装了一个电风扇，风扇转动时吹出的风全部打到竖直固定在小车中间的风帆上，靠风帆受力而向前运动，对这种设计，下列分析中正确的是（ ）A根据牛顿第二定律，这种设计能使小车运行B根据牛顿第三定律，这种设计能使小车运行C这种设计不能使小车运行，因为它违反了牛顿第二定律D这种设计不能使小车运行，因为它违反了牛顿第三定律解析：风扇吹出的风对风帆有向前的作用力，风又给风扇一个向后的作用力，因此对于整个装置而言，作用力和反作用力都是内力，小车不会运动，故选 D三、浮力“永动机”例 3 有人设计了如图 3 所示的“浮力永动机”。永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等，并为光滑配合。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要升出管道，其下的一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。找一只塑料瓶，把瓶底去掉，倒置。再取 3 至 4 只乒乓球，用一根线从它们的直径穿过，均匀地分布于线上，并用胶水粘牢。按图 4 所示把线的上、下端固定，在容器中注满水，然后把线的下端剪断，看看这些球是否能在浮力的作用下向上运动？正确分析和解释你所见到的现象，这种永动机的荒谬之处也就揭露出来了。解析：这种浮力永动机像所有的“永动机”一样是不可能工作的。浮力是依靠上下压力差形成的，如图 5 所示，设小球体积为 ，球 1、球 2 所受的浮力为 ，而球 3 呢？它的上压强为 ，它的下压强 。故：圆柱即等于以小球中心截面为底的，以 h3为高的圆柱所排开的水受的重力很显然，F 1 F2不会大于 F3，整个系统将向下运动，直到容器中的水流完为止。四、磁力“永动机”例 4 17 世纪 70 年代，英国捷斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力永动机，其结构如图 6 所示，在斜面顶端放一块强磁铁 M，斜面上、下端各有一个小孔 P、Q，斜面下有一个连接两个小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到 P 孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到 Q，由于这时球具有速度可以对外做功。然后又在磁铁的吸引下回到上端，到 P处又漏下，对于这个设计，下列判断中正确的是（ ）A满足能量守恒定律，所以可行B不满足热力学第二定律，所以不可行C不满足机械能守恒定律，所以不可行D不满足能量守恒定律，所以不可行解析：在这个实验中，如果把上面的磁铁取走，则小球第一次从上面的 P 孔掉下来，对外做功后，小球就不能再回到 P 孔，小球之所以能对外做功，是依靠磁铁不断对小球做功，所以这个设计违背了能量守恒定律，所以是不可行的，选项 D 正确。五、电场“永动机”例 5 有人设计了一种如图 7 所示的机器：两根相互垂直的刚性绝缘细杆，相交于杆的中点，位于竖直平面内，杆的端点上各有一带正电的小球 a，b，c，d。一水平的固定转轴PP通过两杆的交点与两杆固定连接。转轴的一端有一皮带轮，通过皮带可带动别的机器转动，两杆与其端点的带电小球处在一方向与 x 轴平行的静电场中，电场的场强大小随 y而改变，可表示为 E 。在 y0 处，场强 E0；在 y0 的区域，场强沿 x 轴正方向，其大小随 y 的增大而增大；在 y0 的区域，场强沿 x 轴负方向，场强的大小随|y|的增大而增大。由于杆端的带电小球受到静电场的作用，相互垂直的杆将绕固定轴转动，与轴连接的皮带轮通过皮带就能带动其它机器运转。设计者断言他可以实现一种不需要提供能量又能不断对外做功的永动机你认为这种机器可能实现吗？为什么？如认为不能实现，则指出其设计中存在何种错误，并说明理由。解析：根据能量守恒定律，任何一部机器，可以使能量从一种形式转化为另一种形式，但不能无中生有地创造能量，所以想要实现一种不需要向它提供能量但又能不断地对外做功的永动机是不可能的。题中设计方案的错误之处在于设想的静电场是不可能存在的。理由如下：假设空间中存在这样的电场，即该电场的电场线平行，但相邻电场线的距离不等，如图 8 所示根据等势面与电场线垂直，可在该电场中找到两个等势面，图中的 与，则 与 平行，距离设为 d，由题意知：；间电势差 ；间电势差 ；由此得到 ；显然这样的静电场是不存在的。六、放射性永动机例 6 如图 9 所示的装置是一位物理学家设计的一种使用放射性元素钍的“永动机”。它是在密闭的玻璃球壳 1 中，放入玻璃管 2，将具有放射性的钍盐 3 密封在玻璃管中，4 是两片彼此紧靠的金属箔，5 是贴在玻璃球壳内侧的金属板，金属板接地。这个装置之所以称为“永动机”，是当两片金属箔吸收到放射线而带同种电荷时将不停地排斥，每次排斥时向左右张开，触到金属板的内壁，立即收回，如此往复，形成金属箔的“永动”。下列说法中正确的是（ ）A金属箔是由于吸收到 射线而张开的B金属箔是由于吸收到 射线而张开的C此装置可看作是第一类永动机D此装置可看作是第二类永动机解析：放射性元素钍具有 放射性，出射的粒子电子被金属箔所吸收，金属箔带上同种电荷，互相排斥，金属箔张开。随着放射性元素钍不断地进行 衰变，它所提供的出射粒子电子的数量将不断减少，所以这种装置并非“永动机”，故正确答案为 B。结语：科学在不断进步，永动机的研究却从来没有停止。中国乃至世界不知有多少民间科学家甚至专家，学者，教授，花费了大量宝贵的时间、金钱、心血来坚持不懈地寻找这样一种不存在的事物，不能不令人扼腕。他们之中当然也不乏别有用心的骗子，常见的手法是出售或转让他的“永动机图纸”、“ 永动机技术”等等。其实，只要一些最最基本的物理学常识，就可以识破这种骗术。