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高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 第6節(jié) 能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 否定永動機(jī)素材 粵教版必修2(通用)

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1、第6節(jié) 能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 否定永動機(jī) 據(jù)說永動機(jī)的概念發(fā)端于印度,在公元12世紀(jì)傳入歐洲。據(jù)記載歐洲最早、最著名的一個(gè)永動機(jī)設(shè)計(jì)方案是13世紀(jì)時(shí)由法國V·亨內(nèi)考提出來的。隨后,研究和發(fā)明永動機(jī)的人不斷涌現(xiàn),盡管有不少學(xué)者研究指出永動機(jī)是不可能的。 文藝復(fù)興時(shí)期意大利學(xué)者達(dá)·芬奇曾經(jīng)花費(fèi)不少精力研究永動機(jī),最后得到永動機(jī)不可制造的結(jié)論。同時(shí)代的J·卡丹(以最早給出求解三次方程的根而出名),也認(rèn)為永動機(jī)是不可能的。第一類永動機(jī)違背了能量守恒定律,而第二類永動機(jī)則違背了熱力學(xué)第二定律。 隨著對永動機(jī)不可能性的認(rèn)識,一些國家的專利局決定不再受理發(fā)明永動機(jī)的專利申請。 經(jīng)驗(yàn)性表述

2、13世紀(jì),人們開始萌發(fā)制造永動機(jī)的愿望。15世紀(jì),偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師達(dá)·芬奇投入了永動機(jī)的研究工作。1475年,達(dá)·芬奇認(rèn)真總結(jié)了歷史上的失敗教訓(xùn),得出一個(gè)重要結(jié)論:“永動機(jī)是不可能造成的。” 他還認(rèn)識到,機(jī)器之所以不能永動下去,與摩擦有關(guān)。于是對摩擦進(jìn)行深入而有成效的研究。但是達(dá)·芬奇始終沒有對摩擦阻礙機(jī)器運(yùn)動作出科學(xué)解釋,尚不能認(rèn)識摩擦(機(jī)械運(yùn)動)與熱現(xiàn)象之間轉(zhuǎn)化的本質(zhì)聯(lián)系。 此后有一部分學(xué)者相繼得出“永動機(jī)是不可能造成的”結(jié)論,并把其作為一條重要原理用于科學(xué)研究之中。荷蘭的數(shù)學(xué)力學(xué)家S·斯臺文,于1586年運(yùn)用這一原理通過對“斯臺文鏈”的分析,率先引出力的平行四邊形定則。伽利

3、略在論證慣性定律時(shí)也應(yīng)用過這一原理。 伽利略設(shè)計(jì)的第一類“永動機(jī)” 1673年,C·惠更斯在《擺式時(shí)鐘》一書中反映了這種觀點(diǎn)。把伽俐略關(guān)于斜面運(yùn)動的研究成果運(yùn)用于曲線運(yùn)動,從而得出結(jié)論:在重力作用下,物體繞水平軸轉(zhuǎn)動時(shí),其質(zhì)心不會上升到它下落時(shí)的高度之上。因而得出用力學(xué)方法不可能制成永動機(jī)的結(jié)論。 歷史上運(yùn)用“永動機(jī)是不可能制成”的這一原理在科研上取得輝煌成就的是法國青年科學(xué)家卡諾。 1824年卡諾推出“卡諾定理”,原理只能在機(jī)械運(yùn)動和“熱質(zhì)”流動中運(yùn)用,不是現(xiàn)代意義上的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,只是機(jī)械運(yùn)動中的能量守恒的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),是定律的原始形態(tài)。 “第一類永動機(jī)是不可能造成的”是熱力學(xué)

4、第一定律的另一種表述方式。在第一定律確立前,曾有許多人幻想制造一種不消耗能量,但可以作功的機(jī)器,稱為第一類永動機(jī)。制造這種永動機(jī)的努力的徹底失敗,從反面促進(jìn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的建立[6]??。 熱力機(jī)械 1798年,美國人C·朗福德發(fā)現(xiàn)用鏜具鉆削制造炮筒的青銅坯料時(shí),金屬坯料發(fā)燙。朗福德注意到只要鏜鉆不停止,金屬就不停地發(fā)熱。結(jié)論是鏜具的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)化為熱,因此熱是一種運(yùn)動形式,而不是以前認(rèn)為的是一種物質(zhì)。朗福德試圖計(jì)算一定量的機(jī)械能所產(chǎn)生的熱量,首次給出一個(gè)粗略的熱功當(dāng)量的數(shù)值。半個(gè)世紀(jì)后,焦耳提供了正確數(shù)值。 1712年,英國人T·紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機(jī)。這種機(jī)器具有汽缸與活塞,

5、工作時(shí)先把蒸汽導(dǎo)入汽缸, 這時(shí)汽缸停止供汽而汽缸內(nèi)進(jìn)水,蒸汽遇冷凝結(jié)為水使汽缸內(nèi)的氣壓迅速降低,可以把水吸上來。之后再把蒸汽導(dǎo)入汽缸,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。最初的這種蒸汽機(jī)約每分鐘往返十次,可以自動工作,使礦井的抽水工作大為便利。 J·瓦特在18世紀(jì)后半葉對蒸汽機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。其中最重要的改進(jìn)有兩項(xiàng),一項(xiàng)是發(fā)明了冷凝器提高了蒸汽機(jī)的效率,另一項(xiàng)是發(fā)明了離心調(diào)速器使蒸汽機(jī)速度可以自由控制。在瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)之后,工業(yè)上才得到普遍使用。 溫度計(jì)的發(fā)明 關(guān)于熱的精確理論應(yīng)當(dāng)從制造溫度計(jì)開始。17世紀(jì),G·伽利略等人開始制作溫度計(jì)。由于采用的溫標(biāo)使用不方便,后人很少使用。 1714年,實(shí)用溫標(biāo)是德國物理學(xué)家D·華倫海開始使用水銀做溫度計(jì),并且不斷改進(jìn),1717年確定了華氏溫標(biāo)。科學(xué)家正式確定華氏溫標(biāo)為:以水的沸點(diǎn)為212度,把32度定為水的冰點(diǎn)。這樣規(guī)定,是盡量使通常的溫度避免取負(fù)值。 1742年至1743,瑞典天文學(xué)家A·攝耳修斯發(fā)明了攝氏溫標(biāo),以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的結(jié)冰溫度為零度,水的沸點(diǎn)為100度。1948年攝氏溫標(biāo)被國際度量衡會議定為國際標(biāo)準(zhǔn)。

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