从永动机看能量守恒

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、，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，F1＋F2不会大于F3，整个系统将向下

7、运动，直到容器中的水流完为止。　　四、磁力“永动机”　　例417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

8、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