“愛因思維”社團9月份活動報道
形形色色的永動機
活動目標：知道永動機夢想的破滅，理解高一必修二中的“能量轉(zhuǎn)化和守恒定律”
活動形式：師生研討
課前準備：
??? 自制課件、準備永動機科普視頻
活動過程：
永動機是什么
永動機是指違反熱力學基本定律的永不停止運動的發(fā)動機。
不可能存在的原因
歷史上有不少人希望設計一種機器，這種不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功。這種機器被稱為永動機。歷史上，人們提出了很多種永動機的制作方案。雖然人們經(jīng)過多種嘗試，做了多種努力，但永動機無一例外的歸于失敗。人們把這種不消耗能量的機器叫第一類永動機。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到：任何一部機器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有的制造能量，因此第一類永動機是不可能造出來的。
能不能制造完全將不同種形式互相轉(zhuǎn)化而無損失的熱機呢？這種熱機無冷凝器，只有單一的熱源，它從這個單一的熱源吸收的熱量，可以全部用來做功，而不引起其他變化。不能！人們把這種想象中的熱機稱為第二類永動機。它雖然不違反能量守恒定律，但因為機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，它也不可能實現(xiàn)。
想法起源
永動機的想法起源于印度，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，早期最著名的一個永動機設計方案是十三世紀時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去，并且?guī)訖C器轉(zhuǎn)動。這個設計被不少人以不同的形式復制出來，但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。仔細分析一下就會發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停下來。
達·芬奇的永動機
后來，文藝復興時期意大利的達·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，但實驗結(jié)果卻是否定的。達·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不可能實現(xiàn)的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個數(shù)卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當?shù)奈恢?，使左右兩?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，使輪子達到平衡而靜止下來。
斯特爾的永動機
16世紀70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個永動機的設計方案。他在設計時認為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動，水輪在帶動水磨轉(zhuǎn)動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉(zhuǎn)下去，并有效地對外做功。實際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進了下面的蓄水池，水輪機也就停止了轉(zhuǎn)動。浮力也是設計永動機的一個好幫手。是一個著名的浮力永動機設計方案。一連串的球，繞在上下兩個輪子上，可以像鏈條那樣轉(zhuǎn)動。右邊的一些球放在一個盛滿水的容器里。設計者認為，右邊如果沒有那個盛水的容器，左右兩邊的球數(shù)相等，鏈條是會平衡的。但是，現(xiàn)在右邊這些球浸在水里，受到了水的浮力，就會被水推著向上移動，也就帶動整串球繞上下兩個輪子轉(zhuǎn)動。上面有一個球露出水面。下面就有一個球穿過容器底，補充進來。這樣的永動機也沒有制成，是不是因為要下面的球能夠通過容器底，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計的原理上。當下面的球穿過容器底的時候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因為在水的最下部，所以它受到的壓力很大。這個向下的壓力，就會抵消上面幾個球所受的浮力，這個水動機也就無法永動了。
其它設計方案
此外，人們還提出過利用輪子的慣性，細管子的毛細作用，電磁力等獲得有效動力的種種永動機設計方案，但都無一例外地失敗了。其實，在所有的永動機設計中，我們總可以找出一個平衡位置來，在這個位置上，各個力恰好相互抵消掉，不再有任何推動力使它運動。所有永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，變成不動機。從哥特時代起，這類設計方案越來越多。17世紀和18世紀時期，人們又提出過各種永動機設計方案，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)明來掙錢的方案設計師。有學識的和無學識的人都相信永動機是可能的。這一任務像海市蜃樓一樣吸引著研究者們，但是，所有這些方案都無一例外的以失敗告終。他們長年累月地在原地打轉(zhuǎn)，創(chuàng)造不出任何成果。通過不斷的實踐和嘗試，人們逐漸認識到：任何機器對外界做功，都要消耗能量。不消耗能量，機器是無法做功的。這時的一些著名科學家斯臺文、惠更斯等都開始認識到了用力學方法不可能制成永動機。
永動機夢想的破滅
啟示
失敗的探索過程，它從反面給人類以啟迪，一些科學家從這一否定的結(jié)論中開始思考，提出這樣一個問題：永動機不可能制成，是不是說明自然界存在著一條法則，它使我們不可能無中生有地獲得能量？也就是說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。德國著名物理學家和生理學家亥姆霍茲（H. Helmholtz，1821—1894）就是從永動機不可能實現(xiàn)的這個事實入手研究發(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)系來創(chuàng)造一種永恒的運動，而是問道如果永恒的運動是不可能的，在各種自然力之間應該存在著什么樣的關(guān)系？”
19世紀中葉，能量轉(zhuǎn)化和守恒原理得到了科學界的普遍承認。追尋永動機的失敗經(jīng)歷，可以給我們兩點啟示：首先，失敗的經(jīng)歷也有積極的科學研究價值，永動機的種種設計方案的失敗，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)科學規(guī)律辦事。歷史上追求永動機的人們，并不是因為他們沒有一種良好的愿望，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。在人們還沒有認識能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)律之前，對那些尋求永動機的努力遭到的失敗，我們只能感到遺憾，但是，如果在今天還有人去設計永動機，那他就是愚蠢的，是違反科學規(guī)律的，也是永遠不會成功的。人類利用自然，必須遵守自然規(guī)律，而不是去研制永遠不能實現(xiàn)的永動機。
科學規(guī)律固然是好的，但是以前的的科學家，不是在別人的質(zhì)疑與阻力下來找到發(fā)現(xiàn)偉大的科學嗎，所以我們應該對自己寬容一點，同樣，對別人也寬容一點，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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活動剪影：
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