“愛因思維”社團(tuán)9月份活動(dòng)報(bào)道
形形色色的永動(dòng)機(jī)
活動(dòng)目標(biāo)：知道永動(dòng)機(jī)夢(mèng)想的破滅，理解高一必修二中的“能量轉(zhuǎn)化和守恒定律”
活動(dòng)形式：師生研討
課前準(zhǔn)備：
??? 自制課件、準(zhǔn)備永動(dòng)機(jī)科普視頻
活動(dòng)過(guò)程：
永動(dòng)機(jī)是什么
永動(dòng)機(jī)是指違反熱力學(xué)基本定律的永不停止運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。
不可能存在的原因
歷史上有不少人希望設(shè)計(jì)一種機(jī)器，這種不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功。這種機(jī)器被稱為永動(dòng)機(jī)。歷史上，人們提出了很多種永動(dòng)機(jī)的制作方案。雖然人們經(jīng)過(guò)多種嘗試，做了多種努力，但永動(dòng)機(jī)無(wú)一例外的歸于失敗。人們把這種不消耗能量的機(jī)器叫第一類永動(dòng)機(jī)。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到：任何一部機(jī)器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無(wú)中生有的制造能量，因此第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造出來(lái)的。
能不能制造完全將不同種形式互相轉(zhuǎn)化而無(wú)損失的熱機(jī)呢？這種熱機(jī)無(wú)冷凝器，只有單一的熱源，它從這個(gè)單一的熱源吸收的熱量，可以全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。不能！人們把這種想象中的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。它雖然不違反能量守恒定律，但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，它也不可能實(shí)現(xiàn)。
想法起源
永動(dòng)機(jī)的想法起源于印度，公元1200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(guó)人提出來(lái)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(wú)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(lái)，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(lái)。
達(dá)·芬奇的永動(dòng)機(jī)
后來(lái)，文藝復(fù)興時(shí)期意大利的達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci，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(lái)。
斯特爾的永動(dòng)機(jī)
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。他在設(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(guò)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(lái)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，現(xiàn)在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(guò)容器底，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。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^(guò)容器底，而又不能讓水漏出來(lái)，制造起來(lái)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(guò)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(wú)法永動(dòng)了。
其它設(shè)計(jì)方案
此外，人們還提出過(guò)利用輪子的慣性，細(xì)管子的毛細(xì)作用，電磁力等獲得有效動(dòng)力的種種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都無(wú)一例外地失敗了。其實(shí)，在所有的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，我們總可以找出一個(gè)平衡位置來(lái)，在這個(gè)位置上，各個(gè)力恰好相互抵消掉，不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng)。所有永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來(lái)，變成不動(dòng)機(jī)。從哥特時(shí)代起，這類設(shè)計(jì)方案越來(lái)越多。17世紀(jì)和18世紀(jì)時(shí)期，人們又提出過(guò)各種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細(xì)作用的，也有利用同性磁極之間排斥作用的。宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來(lái)掙錢的方案設(shè)計(jì)師。有學(xué)識(shí)的和無(wú)學(xué)識(shí)的人都相信永動(dòng)機(jī)是可能的。這一任務(wù)像海市蜃樓一樣吸引著研究者們，但是，所有這些方案都無(wú)一例外的以失敗告終。他們長(zhǎng)年累月地在原地打轉(zhuǎn)，創(chuàng)造不出任何成果。通過(guò)不斷的實(shí)踐和嘗試，人們逐漸認(rèn)識(shí)到：任何機(jī)器對(duì)外界做功，都要消耗能量。不消耗能量，機(jī)器是無(wú)法做功的。這時(shí)的一些著名科學(xué)家斯臺(tái)文、惠更斯等都開始認(rèn)識(shí)到了用力學(xué)方法不可能制成永動(dòng)機(jī)。
永動(dòng)機(jī)夢(mèng)想的破滅
啟示
失敗的探索過(guò)程，它從反面給人類以啟迪，一些科學(xué)家從這一否定的結(jié)論中開始思考，提出這樣一個(gè)問題：永動(dòng)機(jī)不可能制成，是不是說(shuō)明自然界存在著一條法則，它使我們不可能無(wú)中生有地獲得能量？也就是說(shuō)自然界各種能量之間存在著一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。這方面的思考是能量轉(zhuǎn)化和守恒原理建立的線索之一。德國(guó)著名物理學(xué)家和生理學(xué)家亥姆霍茲（H. Helmholtz，1821—1894）就是從永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的這個(gè)事實(shí)入手研究發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和守恒原理的。他在論文中寫道：“鑒于前人試驗(yàn)的失敗，人們不再詢問我如何能利用各種自然力之間已知和未知的關(guān)系來(lái)創(chuàng)造一種永恒的運(yùn)動(dòng)，而是問道如果永恒的運(yùn)動(dòng)是不可能的，在各種自然力之間應(yīng)該存在著什么樣的關(guān)系？”
19世紀(jì)中葉，能量轉(zhuǎn)化和守恒原理得到了科學(xué)界的普遍承認(rèn)。追尋永動(dòng)機(jī)的失敗經(jīng)歷，可以給我們兩點(diǎn)啟示：首先，失敗的經(jīng)歷也有積極的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，永動(dòng)機(jī)的種種設(shè)計(jì)方案的失敗，引起了人們的反思，啟發(fā)了能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想，成為能量轉(zhuǎn)化和守恒原理建立的思考線索之一；其次，要依據(jù)科學(xué)規(guī)律辦事。歷史上追求永動(dòng)機(jī)的人們，并不是因?yàn)樗麄儧]有一種良好的愿望，也不是他們?nèi)狈炭嚆@研的精神，只是由于他們做的是違背客觀規(guī)律的工作。在人們還沒有認(rèn)識(shí)能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)律之前，對(duì)那些尋求永動(dòng)機(jī)的努力遭到的失敗，我們只能感到遺憾，但是，如果在今天還有人去設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)，那他就是愚蠢的，是違反科學(xué)規(guī)律的，也是永遠(yuǎn)不會(huì)成功的。人類利用自然，必須遵守自然規(guī)律，而不是去研制永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)的永動(dòng)機(jī)。
科學(xué)規(guī)律固然是好的，但是以前的的科學(xué)家，不是在別人的質(zhì)疑與阻力下來(lái)找到發(fā)現(xiàn)偉大的科學(xué)嗎，所以我們應(yīng)該對(duì)自己寬容一點(diǎn)，同樣，對(duì)別人也寬容一點(diǎn)，我們都只是井底之蛙，并未真正的了解我們共同的母親（地球）。
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活動(dòng)剪影：
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