雪国列车荒诞的永动机分析|雪国列车的永动机
时间：2020-03-06 08:30:51 来源：千叶帆 本文已影响人
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”。这就是雪国列车里出现的永动机。下面是小编为您整理的荒诞的永动机分析，希望对您有所帮助!
荒诞的永动机分析
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、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。
四、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α射线而张开的
B.金属箔是由于吸收到β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β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β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。
永动机的起源
永动机的想法起源于印度，公元1200
永动机年前后，这种思想从印度传到了 伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离 轴远些，因此，右边的球产生的 转动 力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。仔细分析一下就会发现，虽然右边每个球产生的 力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外 做功，只会摆动几下，便停下来。
后来， 文艺复兴时期意大利的 达·芬奇(Leonardo da V inci，1452-1519)也造了一个类似的装置，他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，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。事实上，由杠杆平衡原理可知，上面两个设计中，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的 旋转作用( 力矩)恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。
16世纪70年代，意大利的一位机械师 斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。斯特尔在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。实际上，流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。浮力也是设计永动机的一个好帮手。是一个著名的浮力永动机设计方案。一连串的球，绕在上下两个轮子上，可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为，右边如果没有那个盛水的容器，左右两边的球数相等，链条是会平衡的。但是，右边这些球浸在水里，受到了水的浮力，就会被水推着向上移动，也就带动整串球绕上下两个轮子转动。上面有一个球露出水面。下面就有一个球穿过容器底，补充进来。这样的永 动机也没有制成，是不是因为要下面的球能够通过容器底，而又不能让水漏出来，制造起来技术上有困难呢?技术上的困难并不是主要问题，主要问题还是出在设计的原理上。当下面的球穿过容器底的时候，它和容器底一样，要承受上面水的压力，而且是因为在水的最下部，所以它受到的压力很大。这个向下的压力，就会抵消上面几个球所受的浮力，这个水动机也就无法永动了。
永动机的故事
19世纪中叶，一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化关系做出了巨大贡献，不久后伟大的 能量守恒和转化定律被发现了。人们认识到：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递的过程中能量的总和保持不变。能量守恒的转化定律为辩证唯物主义提供了更精确、更丰富的科学基础。有力地打击了那些认为物质运动可以随意创造和消灭的 唯心主义观点，它使永动机幻梦被彻底的打破了。在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反 热力学第一定律，而且既经济又方便。比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为 机械功。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是一种永动机。然而，在大量实践经验的基础上，英国物理学家 开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理：物质不可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。这样，第二类永动机的想法也破灭了。层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了。1775年，法国科学院宣布"本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计"。这说明在当时科学界，已经从长期所积累的经验中，认识到制造永动机的企图是没有成功的希望的。永动机的想法在人类历史上持续了几百年，这个想法被驳倒，不仅有利于人们正确的认识科学，也有利于人们正确的认识世界。能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。在转化和转移过程中，能量的总和不变，这就是 能量守恒定律了。所以第一类永动机是不能做出来的。而能量的转化和转移是有方向的，就像热量可以自发的由热的物体转移到冷的物体，但不能自发的由冷的物体转移到热的物体，而不引起其他的变化，所以第二类永动机也是不能做出来的。还有人认为，根据牛顿第一定律，物体在不受力的作用的前提下，可以依靠 惯性无休止的做 匀速直线运动，于是想要在外太空实验。但是当时的科技并不允许这么做，而且牛顿还提出了万有引力定律，即自然界中任何两个物体都互相吸引。所以这个物体在运动很久之后——或者只有几分钟——就会停下来，也不能永远运动。
虽然经过许多人的辛劳，但事实证明他们无一例外地都归于失败。 永动机是一种幻想，永远不可能成功，因为它违反了自然界最普遍的一个规律，这就是能量转化与守恒定律。著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮，如图所示，在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们!你们的探索何等徒劳无功!还是 去做淘金者吧!” 然而，15世纪以后的好几百年里面，制造永动机的活动却从未停止过。
例如：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“ 永动机”，如图所示。转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王 查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
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