搜狗做题网一道有关电学的初中物理题
来源：学生作业帮 编辑：搜狗做题网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/04/30 08:42:36
一道有关电学的初中物理题
某同学用这样的一个装置来发电在距离地面h高出修建一个大水池,让水池的水通过导水渠冲向地面,利用水渠中的流水带动发电机发电,发电机发出的电能一部分用来照明,另一部分用来将流下的水全部抽回水池,这样就永远有供照明的点了.
你认为它可行吗?为什么?
某同学用这样的一个装置来发电在距离地面h高出修建一个大水池,让水池的水通过导水渠冲向地面,利用水渠中的流水带动发电机发电,发电机发出的电能一部分用来照明,另一部分用来将流下的水全部抽回水池,这样就永远有供照明的点了.
你认为它可行吗?为什么?
不行.
这是典型的一种第一类永动机,从根本上违反了能量守恒定律,
永动机早在公元1200年间在世界上就有人提出了,经过几百年不断探索与制造,各类型永动机层出不穷,但最终以失败而告终.究竟原因是永动机的发明者们违背了自然科学规律.
幻想中设计出一种机器,不需要源源不断地提供人力、热力、电力、水力等等的能量,就可以自己不停地转动.这种机器,物理学上叫做“永动机”.假如真有这种机器,用于驱动火车、汽车、轮船及发电机等等使用动力的机械,将使能源危机得以解决,然而“永动机”只是一种幻想中的机器,在现实中不可能实现,究其原因是它违背了自然法则.
“永动机”一词出现于公元十世纪前后.对于“永动机”,亘古人类就有所向往.其源于人们在“改造”自然中,对有效工具及强大动力的渴求.有史可考的永动机设想方案,见于公元1200年前后的印度,这种永动机的设想由印度传入阿拉伯,又经阿拉伯传入欧洲.在欧洲从哥特时代起,越来越多的人被这座海市蜃楼所吸引,各类设计方案层出不穷,却无一成功.十七世纪到十八世纪初,对永动机的幻想达到了颠峰.直至十九世纪中叶能量守恒定律和等功原理的普遍认可,永动机的梦幻被彻底打破.
功在物理学上的定义是“作用在物体上的力和物体在力的方向上移动距离的乘积叫功”.即W=F×S.
在功的定义里,强调了移动距离应在力的方向上,是因为一静止的物体,如果只用一个力去推它,则为这个力所指的方向,多个力推动时则为和力矢量方向.由定义可知当力F或移动距离S任何一项为零时,其功W均为零.力不但有大小之分,而且还有在某一时刻内的大小之分,后者被定义为功率.
物理学上把“任何机械,若不计摩擦等因素,供给机械的功,恒等于机械做出的功”,称作等功原理.人们利用智慧与经验,为适应各种目的,创造出各式各样的工具与机械,使得工作更为有效,但这些工具与机械都毫无例外地遵循等功原理,换而言之,就是工具与机械本身不能创生出功来.
能即能量,是人们对能够使其做功力的统称.能量有很多种形式,一般常见的大约为以下几种：势能、动能、热能、化学能、生物能、电能等.
能量不但有多种形式,而且还可互相转化.在能量转化中遵守“能量既不能创生,也不能消失.它只能从一种形态转变成为另一种形态,或是从一个物体传递到另一个物体,但在转化时,能量既不能增多,也不能减少.”这一基本规律,物理学上叫做“能量守恒定律”.
“能量守恒定律”究其历史根源与“永动机”不无相干.自古以来,就有许多“发明家”尝试去创造一种“永动机”,想象创造一种不需要任何能量或是利用某种“永持能量”,而能自动不断做功的机器.利用了多种方法,设计了各式各样的永动机,但是这些尝试终归于失败.人们接受了这些失败的教训,总结归纳出了“能量守恒定律”这一客观真理.
永动机的类型很多,一般可分为两大类：违背“能量守恒定律”的称作第一类永动机,违背所属领域力学基本定律原则称的作第二类永动机.第二类永动机涉及专业颇深和篇幅所限,在此不作列举.以下就第一类永动机的典型形式,简要介绍.
重力类
最早由文艺复兴时期意大利的达·芬奇提出.经过实验,其结果是否定的.达·芬苛敏锐地由此得出结论：“永动机是不可能实现的”.
把一个轮子里的空间分成若干格子,每个格内放置钢球或是汞之类的大密度液体,由于分格曲面形状特殊,在重力作用下,左边的钢球趋向轮轴的方向滚近,右边的钢球趋向轮缘的方向滚远.设计者想象,把轮盘视做是杠杆,轮轴相当于支点,右边的钢球压着轮子的距离轴较远即力臂较长,左边的钢球距离则较近即力臂较短,因此轮子会沿着左边钢球压轮子的方向转动.转动位移后,原来右方格子里的钢球到左方,向轴滚近,而原来左方格子里的钢球到右方,离轴滚远.这样往复循环,维持永远转动.以提供源源不断动能用于做功.
如果细心研究一下,可以发现它是不可能永远地转动.这种特殊形状的分格板,固然使右边的钢球离轴远一些,左边的钢球离轴近一些,但是右边的钢球个数总比左边的少一些,故而轮子是不动的.在力学上也很容易求得左右两边各自力距之和是相等的,以证明不能维持自转,何况做功.
由十三世纪时一个叫享内考的法国人所提出.
它是例1的一种翻版形式.
该永动机使用一个重型链条,右边经过几次弯曲穿过稳定链轮,由于弯曲的因素,右边的链条长于左边拉直的链条,也就获得了右边的“链条”,就重于左边的“链条”,于是设计者认为两边得不到平衡,使得链条沿箭头所示方向移动,便可通过轮轴向外界提供源源不断的做功动能.从力学角度看,它不可能是永动的,因为右边链条倾斜的部分,各段链条相互拉力是沿链条方向,铅垂力中的一部分作用在链轮上,故而左右两边的合力还是处于平衡状态,何以转动.
以上列例还没有涉及到机械传递时由于摩擦的阻力耗损功,其自身就不能维持运行.
水力类
该类永动机的设计,貌似利用水或液体的特性来设计的,但在应用时却被曲解了,其典型例为：
右方为个大容积的密闭容器,用一根管道连通到左边的水源内,再将容器和管子都注满水.设计者认为,在容器内存有足够的水,当水从出口流出时,容器上方会形成负压空腔,而负压空腔则又能汲提低位水源中的水,最终达到把低位水提升到高位的目的,这在实际中不可能做到.因为虹吸是在大气压力与重力作用的必要条件下,对于一注满水的管道出水口必须低于入水口的充分条件下才能形成.
它是想通过构造,一只上部为真空的水箱,使水箱中的水沿左边管道流下时驱动水轮机作功,水再因水箱上部的真空“吸力”而沿右边管道返回水箱,以达到永动之目的.这种作功是不能实现的,由力学常识可知,右边管道中的水位始 终是与水箱水位平面保持一致.
该机结构是由一连串的球体,用绳链把球体链结起来,并绕在两个轮轴上,可以想象链球能够在轮轴上转动.左边的球体被浸泡在注满水的柱体容器中,并且球体在通过柱体容器底口时密闭不漏水,设计者想象左边的球体浸泡在水中自然会受到水的浮力作用,则右边的球体被悬置在空气中,由阿基米德定律便可知左边的浮力大于右边,自然左边的球体会在浮力作用下,按序上移,从而完成永动做功.
从力学上来分析,当下面的一个球体开始进入容器底部时,就同注水柱体容器底部形成一个同一闭合底面,也就必将承受上面水对底部的压力,这个压力足以抵消上部水对球体的浮力,故而也就不可能永动地转动做功.
此方案是十六世纪七十年代,意大利的一位机械师斯特尔所提出.
为一“永动水车”,设计者的用意在于外动力转动A轮,从井内或河中把水提升上来,再使用被提升的水冲动B轮,此时去掉外动力,则B轮会在水的冲击下旋转并通过转动皮带,带动A轮旋转提水,周始往复,形成永动做功.稍做动量分析,便可知,这也是一项不可能成功的设计.
在这里,有人问“水锤泵是不是永动机?”回答很明确,不是.因为“水锤泵”遵循了“能量守恒定律”,它使用低水位大流量的水力做功,把小流量的水提升到了高水位.且这种提升形式是脉动的,有效地利用了“水锤现象”.水锤泵实则不失为是水力能量有效利用的一个成功典范.
电磁类
这类永动机是利用被片面曲解的电或磁的某些性质而设计的.
它是一种永磁永动机的构思,由外轮即定子与内轮转子组成,在内外轮上安置有叠层的若干个永久磁铁, 且内外轮间的磁极是相同的,并有一定的径向倾角.构思者认为,内外轮间同性磁极相斥,即可推动内轮永远的旋转.
这种构思的错误是只考虑到S极与S极的相斥,而忽视在该系统中,N极与N极也在相斥,且S N极之间还存在相互吸引.尤其是单个S与S间的动态斥力作用过程是由小至大再由大至小,依据力的分析由小至大的过程是逆进过程,故而在此结构下也就不可能形成永远旋转.
大约在1570年,由意大利的一位叫泰斯尼尔斯的教授提出.他设想A是一个磁铁,铁球B可以沿弧面滚下到C点,然后在磁引力下又由斜面被吸引上来,如此往复构成循环.在这里且不要论磁引力与两点间的平方成反比,就磁铁A能够吸引住铁球B这一点,铁球则不可能从弧面管道落下,其谬就已了然.
是用有限的电能设备,去进行供给外界的无限的电能,这很明显是违背了能量守恒守律.
这种设计是符合能量守恒定律的,但是忘却了在实际中存在着能量的利用率不会达到100%,能量形式的 转换有效利用率也做不到100%.因此,该设计也不会维持“永动”运行.
幻想固然是启迪科技发明的前奏动力,然而,幻想之得以实现,则是建立在对自然规律的不断探索、认识之积淀的技术创新之上.幻想中的永动机不能成功,因为它从根本上违背了自然规律.如果展开想象,集中精力、善于承继、勤于研究,切实利用自然法则,开发出一些更为精妙,且能高效利用能量的动力机械,不失为是一种创造,也不失为是一种贡献.
纵观历史可以看到,现代人类成功发明,无不是在承继中发展,又在发展中承继,再度孕育新的发展,而逐步走向成熟.今天的成熟,更是明天承继的基础.从汉书的“顿牟缀芥,磁石引针”到十八世纪伏打电池的诞生,才使得由对静电的研究转为对连续电流的研究.再到法拉第的“导线切割磁力线产生电流”洛仑磁力的作用,楞茨定律及麦克斯韦方程组,人类历时近两千年来之久才为发电机的诞生做好了必不可少的理论贮备.最终发电机在十九世纪的近代工业基础上,被爱迪生等人发明成功.从此人类迎来了电气时代.
从活塞式水泵到高斯的蒸汽抽水,乃至巴本与莱布尼茨蒸汽推动活塞的理念,以及纽可门蒸汽推动活塞工作的抽水机与布拉克的潜热概念,都为瓦特蒸汽机的发明,提供了必不可少的理论与技术上的贮备.如果没有瓦特对前人的承继,单凭蒸汽顶开水壶盖,就能顶出一个蒸汽机时代之说,有失公允.
从罗吉尔·培根将重力归诸于地心引力到伽利略的重力加速度乃至胡克、哈雷从向心力定律和刻卜勒第三定律,导出维持行星轨道运行的引力和距离的平方成反比,都为万有引力定律的诞生提供了理论贮备,奠定了思维基础.简而言之,是罗吉尔·培根方向上,具有伽利略加速度的伟大苹果,在胡克、哈雷距离上,砸到了牛顿天才的脑袋,才砸出了伟大的“万有引力”定律.
19世纪末20世纪初数学的发展,特别是逻辑数学的发展,为电子计算机的诞生,提供了前期的理论贮备.20世纪上叶电子技术的发展,则为计算机提供了物理支持.终在四十年代被祖特和冯·诺依曼发明出来,祭慰了罗素的长叹,把“天才的头脑从繁重的计算中解脱出来”.随着离散数学,固体物理及相关学科与技术的进一步发展,网络时代的到来,也是先贤们所始料不及.因此,从广意上讲,是古人类的火把点燃了热核裂聚变.
人类社会发展史上的里程碑,之所以是里程碑,是因为它具有承前启后的作用.做为后来者更是要脚踏实地“摄心勇猛勤精进”.
这是典型的一种第一类永动机,从根本上违反了能量守恒定律,
永动机早在公元1200年间在世界上就有人提出了,经过几百年不断探索与制造,各类型永动机层出不穷,但最终以失败而告终.究竟原因是永动机的发明者们违背了自然科学规律.
幻想中设计出一种机器,不需要源源不断地提供人力、热力、电力、水力等等的能量,就可以自己不停地转动.这种机器,物理学上叫做“永动机”.假如真有这种机器,用于驱动火车、汽车、轮船及发电机等等使用动力的机械,将使能源危机得以解决,然而“永动机”只是一种幻想中的机器,在现实中不可能实现,究其原因是它违背了自然法则.
“永动机”一词出现于公元十世纪前后.对于“永动机”,亘古人类就有所向往.其源于人们在“改造”自然中,对有效工具及强大动力的渴求.有史可考的永动机设想方案,见于公元1200年前后的印度,这种永动机的设想由印度传入阿拉伯,又经阿拉伯传入欧洲.在欧洲从哥特时代起,越来越多的人被这座海市蜃楼所吸引,各类设计方案层出不穷,却无一成功.十七世纪到十八世纪初,对永动机的幻想达到了颠峰.直至十九世纪中叶能量守恒定律和等功原理的普遍认可,永动机的梦幻被彻底打破.
功在物理学上的定义是“作用在物体上的力和物体在力的方向上移动距离的乘积叫功”.即W=F×S.
在功的定义里,强调了移动距离应在力的方向上,是因为一静止的物体,如果只用一个力去推它,则为这个力所指的方向,多个力推动时则为和力矢量方向.由定义可知当力F或移动距离S任何一项为零时,其功W均为零.力不但有大小之分,而且还有在某一时刻内的大小之分,后者被定义为功率.
物理学上把“任何机械,若不计摩擦等因素,供给机械的功,恒等于机械做出的功”,称作等功原理.人们利用智慧与经验,为适应各种目的,创造出各式各样的工具与机械,使得工作更为有效,但这些工具与机械都毫无例外地遵循等功原理,换而言之,就是工具与机械本身不能创生出功来.
能即能量,是人们对能够使其做功力的统称.能量有很多种形式,一般常见的大约为以下几种：势能、动能、热能、化学能、生物能、电能等.
能量不但有多种形式,而且还可互相转化.在能量转化中遵守“能量既不能创生,也不能消失.它只能从一种形态转变成为另一种形态,或是从一个物体传递到另一个物体,但在转化时,能量既不能增多,也不能减少.”这一基本规律,物理学上叫做“能量守恒定律”.
“能量守恒定律”究其历史根源与“永动机”不无相干.自古以来,就有许多“发明家”尝试去创造一种“永动机”,想象创造一种不需要任何能量或是利用某种“永持能量”,而能自动不断做功的机器.利用了多种方法,设计了各式各样的永动机,但是这些尝试终归于失败.人们接受了这些失败的教训,总结归纳出了“能量守恒定律”这一客观真理.
永动机的类型很多,一般可分为两大类：违背“能量守恒定律”的称作第一类永动机,违背所属领域力学基本定律原则称的作第二类永动机.第二类永动机涉及专业颇深和篇幅所限,在此不作列举.以下就第一类永动机的典型形式,简要介绍.
重力类
最早由文艺复兴时期意大利的达·芬奇提出.经过实验,其结果是否定的.达·芬苛敏锐地由此得出结论：“永动机是不可能实现的”.
把一个轮子里的空间分成若干格子,每个格内放置钢球或是汞之类的大密度液体,由于分格曲面形状特殊,在重力作用下,左边的钢球趋向轮轴的方向滚近,右边的钢球趋向轮缘的方向滚远.设计者想象,把轮盘视做是杠杆,轮轴相当于支点,右边的钢球压着轮子的距离轴较远即力臂较长,左边的钢球距离则较近即力臂较短,因此轮子会沿着左边钢球压轮子的方向转动.转动位移后,原来右方格子里的钢球到左方,向轴滚近,而原来左方格子里的钢球到右方,离轴滚远.这样往复循环,维持永远转动.以提供源源不断动能用于做功.
如果细心研究一下,可以发现它是不可能永远地转动.这种特殊形状的分格板,固然使右边的钢球离轴远一些,左边的钢球离轴近一些,但是右边的钢球个数总比左边的少一些,故而轮子是不动的.在力学上也很容易求得左右两边各自力距之和是相等的,以证明不能维持自转,何况做功.
由十三世纪时一个叫享内考的法国人所提出.
它是例1的一种翻版形式.
该永动机使用一个重型链条,右边经过几次弯曲穿过稳定链轮,由于弯曲的因素,右边的链条长于左边拉直的链条,也就获得了右边的“链条”,就重于左边的“链条”,于是设计者认为两边得不到平衡,使得链条沿箭头所示方向移动,便可通过轮轴向外界提供源源不断的做功动能.从力学角度看,它不可能是永动的,因为右边链条倾斜的部分,各段链条相互拉力是沿链条方向,铅垂力中的一部分作用在链轮上,故而左右两边的合力还是处于平衡状态,何以转动.
以上列例还没有涉及到机械传递时由于摩擦的阻力耗损功,其自身就不能维持运行.
水力类
该类永动机的设计,貌似利用水或液体的特性来设计的,但在应用时却被曲解了,其典型例为：
右方为个大容积的密闭容器,用一根管道连通到左边的水源内,再将容器和管子都注满水.设计者认为,在容器内存有足够的水,当水从出口流出时,容器上方会形成负压空腔,而负压空腔则又能汲提低位水源中的水,最终达到把低位水提升到高位的目的,这在实际中不可能做到.因为虹吸是在大气压力与重力作用的必要条件下,对于一注满水的管道出水口必须低于入水口的充分条件下才能形成.
它是想通过构造,一只上部为真空的水箱,使水箱中的水沿左边管道流下时驱动水轮机作功,水再因水箱上部的真空“吸力”而沿右边管道返回水箱,以达到永动之目的.这种作功是不能实现的,由力学常识可知,右边管道中的水位始 终是与水箱水位平面保持一致.
该机结构是由一连串的球体,用绳链把球体链结起来,并绕在两个轮轴上,可以想象链球能够在轮轴上转动.左边的球体被浸泡在注满水的柱体容器中,并且球体在通过柱体容器底口时密闭不漏水,设计者想象左边的球体浸泡在水中自然会受到水的浮力作用,则右边的球体被悬置在空气中,由阿基米德定律便可知左边的浮力大于右边,自然左边的球体会在浮力作用下,按序上移,从而完成永动做功.
从力学上来分析,当下面的一个球体开始进入容器底部时,就同注水柱体容器底部形成一个同一闭合底面,也就必将承受上面水对底部的压力,这个压力足以抵消上部水对球体的浮力,故而也就不可能永动地转动做功.
此方案是十六世纪七十年代,意大利的一位机械师斯特尔所提出.
为一“永动水车”,设计者的用意在于外动力转动A轮,从井内或河中把水提升上来,再使用被提升的水冲动B轮,此时去掉外动力,则B轮会在水的冲击下旋转并通过转动皮带,带动A轮旋转提水,周始往复,形成永动做功.稍做动量分析,便可知,这也是一项不可能成功的设计.
在这里,有人问“水锤泵是不是永动机?”回答很明确,不是.因为“水锤泵”遵循了“能量守恒定律”,它使用低水位大流量的水力做功,把小流量的水提升到了高水位.且这种提升形式是脉动的,有效地利用了“水锤现象”.水锤泵实则不失为是水力能量有效利用的一个成功典范.
电磁类
这类永动机是利用被片面曲解的电或磁的某些性质而设计的.
它是一种永磁永动机的构思,由外轮即定子与内轮转子组成,在内外轮上安置有叠层的若干个永久磁铁, 且内外轮间的磁极是相同的,并有一定的径向倾角.构思者认为,内外轮间同性磁极相斥,即可推动内轮永远的旋转.
这种构思的错误是只考虑到S极与S极的相斥,而忽视在该系统中,N极与N极也在相斥,且S N极之间还存在相互吸引.尤其是单个S与S间的动态斥力作用过程是由小至大再由大至小,依据力的分析由小至大的过程是逆进过程,故而在此结构下也就不可能形成永远旋转.
大约在1570年,由意大利的一位叫泰斯尼尔斯的教授提出.他设想A是一个磁铁,铁球B可以沿弧面滚下到C点,然后在磁引力下又由斜面被吸引上来,如此往复构成循环.在这里且不要论磁引力与两点间的平方成反比,就磁铁A能够吸引住铁球B这一点,铁球则不可能从弧面管道落下,其谬就已了然.
是用有限的电能设备,去进行供给外界的无限的电能,这很明显是违背了能量守恒守律.
这种设计是符合能量守恒定律的,但是忘却了在实际中存在着能量的利用率不会达到100%,能量形式的 转换有效利用率也做不到100%.因此,该设计也不会维持“永动”运行.
幻想固然是启迪科技发明的前奏动力,然而,幻想之得以实现,则是建立在对自然规律的不断探索、认识之积淀的技术创新之上.幻想中的永动机不能成功,因为它从根本上违背了自然规律.如果展开想象,集中精力、善于承继、勤于研究,切实利用自然法则,开发出一些更为精妙,且能高效利用能量的动力机械,不失为是一种创造,也不失为是一种贡献.
纵观历史可以看到,现代人类成功发明,无不是在承继中发展,又在发展中承继,再度孕育新的发展,而逐步走向成熟.今天的成熟,更是明天承继的基础.从汉书的“顿牟缀芥,磁石引针”到十八世纪伏打电池的诞生,才使得由对静电的研究转为对连续电流的研究.再到法拉第的“导线切割磁力线产生电流”洛仑磁力的作用,楞茨定律及麦克斯韦方程组,人类历时近两千年来之久才为发电机的诞生做好了必不可少的理论贮备.最终发电机在十九世纪的近代工业基础上,被爱迪生等人发明成功.从此人类迎来了电气时代.
从活塞式水泵到高斯的蒸汽抽水,乃至巴本与莱布尼茨蒸汽推动活塞的理念,以及纽可门蒸汽推动活塞工作的抽水机与布拉克的潜热概念,都为瓦特蒸汽机的发明,提供了必不可少的理论与技术上的贮备.如果没有瓦特对前人的承继,单凭蒸汽顶开水壶盖,就能顶出一个蒸汽机时代之说,有失公允.
从罗吉尔·培根将重力归诸于地心引力到伽利略的重力加速度乃至胡克、哈雷从向心力定律和刻卜勒第三定律,导出维持行星轨道运行的引力和距离的平方成反比,都为万有引力定律的诞生提供了理论贮备,奠定了思维基础.简而言之,是罗吉尔·培根方向上,具有伽利略加速度的伟大苹果,在胡克、哈雷距离上,砸到了牛顿天才的脑袋,才砸出了伟大的“万有引力”定律.
19世纪末20世纪初数学的发展,特别是逻辑数学的发展,为电子计算机的诞生,提供了前期的理论贮备.20世纪上叶电子技术的发展,则为计算机提供了物理支持.终在四十年代被祖特和冯·诺依曼发明出来,祭慰了罗素的长叹,把“天才的头脑从繁重的计算中解脱出来”.随着离散数学,固体物理及相关学科与技术的进一步发展,网络时代的到来,也是先贤们所始料不及.因此,从广意上讲,是古人类的火把点燃了热核裂聚变.
人类社会发展史上的里程碑,之所以是里程碑,是因为它具有承前启后的作用.做为后来者更是要脚踏实地“摄心勇猛勤精进”.