能量和能量守恒定律 世界是由运动的物质组成的.物质的运动形式多种多样.并区不断相互转化.正是在研究运动形式转化的过程中.人们逐渐建立起了功和能的概念.能是物质运动的普遍量度.而功是能量变化的量度. 这种说法概括了功和能的本质.但哲学味道浓了一些.在物理学中.从19世纪中叶产生的能量定义:“能量是物体做功的本领 .一直延用至今.但近年来不论在国外还是国内.物理教育界却对这个定义是否妥当展开过争论.于是许多物理教材.例如现行的中学教材.都不给出能量的一般定义.而是根据上述定义的思想.即物体在某一状态下的能量.是物体由这个状态出发.尽其所能做出的功来给出各种具体的能量形式的操作定义. 能量概念的形成和早期发展.始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相关的.由于对机械能.内能.电能.化学能.生物能等具体能量形式认识的发展.以及它们之间都能以一定的数量关系相互转化的逐渐被发现.才使能量守恒定律得以建立.这是一段以百年计的漫长历史过程.随着科学的发展.许多重大的新物理现象.如物质的放射性.核结构与核能.各种基本粒子等被发现.都只是给证明这一伟大定律的正确性提供了更丰富的事实.尽管有些现象在发现的当时似乎形成了对这一定律的冲击.但最后仍以这一定律的完全胜利而告终. 能量守恒定律的发现告诉我们.尽管物质世界千变万化.但这种变化决不是没有约束的.最基本的约束就是守恒律.也就是说.一切运动变化无论属于什么样的物质形式.反映什么样的物质特性.服从什么样的特定规律.都要满足一定的守恒律.物理学中的能量.动量和角动量守恒.就是物理运动所必须服从的最基本的规律.与之相较.牛顿运动定律.麦克斯韦方程组等都低了一个层次. 【查看更多】

 

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焦耳

  焦耳(James Prescort Joule,1818~1889)英国杰出的物理学家。1818年12月24日生于曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个富有的啤酒厂厂主。焦耳从小就跟父亲参加酿酒劳动,学习酿酒技术,没上过正规学校。16岁时和兄弟一起在著名化学家道尔顿门下学习,然而由于老师有病,学习时间并不长,但是道尔顿对他的影响极大,使他对科学研究产生了强烈的兴趣。1838年他拿出一间住房开始了自己的实验研究。他经常利用酿酒后的业余时间,亲手设计制作实验仪器,进行实验。焦耳一生都在从事实验研究工作,在电磁学、热学、气体分子动理论等方面均作出了卓越的贡献。他是靠自学成为物理学家的。

  焦耳是从磁效应和电动机效率的测定开始实验研究的。他曾以为电磁铁将会成为机械功的无穷无尽的源泉,很快他发现蒸汽机的效率要比刚发明不久的电动机效率高得多。正是这些实验探索导致了他对热功转换的定量研究。

  从1840年起,焦耳开始研究电流的热效应,写成了《论伏打电所生的热》、《电解时在金属导体和电池组中放出的热》等论文,指出:导体中一定时间内所生成的热量与导体的电流的二次方和电阻之积成正比。此后不久的1842年,俄国著名物理学家楞次也独立地发现了同样的规律,所以被称为焦耳-楞次定律。这一发现为揭示电能、化学能、热能的等价性打下了基础,敲开了通向能量守恒定律的大门。焦耳也注意探讨各种生热的自然“力”之间存在的定量关系。他做了许多实验。例如,他把带铁芯的线圈放入封闭的水容器中,将线圈与灵敏电流计相连,线圈可在强电磁铁的磁场间旋转。电磁铁由蓄电池供电。实验时电磁铁交替通断电流各15分钟,线圈转速达每分钟600次。这样,就可将摩擦生热与电流生热两种情况进行比较,焦耳由此证明热量与电流二次方成正比,他还用手摇、砝码下落等共13种方法进行实验,最后得出:“使1磅水升高1°F的热量,等于且可能转化为把838磅重物举高1英尺的机械力(功)”(合460千克重米每千卡)。总结这些结果,他写出《论磁电的热效应及热的机械值》论文,并在1843年8月21日英国科学协会数理组会议上宣读。他强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的,哪里消耗了机械能或电磁能,总在某些地方能得到相当的热。这对于热的动力说是极好的证明与支持。因此引起轰动和热烈的争议。

  为了进一步说服那些受热质说影响的科学家,他表示:“我打算利用更有效和更精确的装置重做这些实验。”以后他改变测量方法,例如,将压缩一定量空气所需的功与压缩产生的热量作比较确定热功当量;利用水通过细管运动放出的热量来确定热功当量;其中特别著名的也是今天仍可认为是最准确的桨叶轮实验。通过下降重物带动量热器中的叶片旋转,叶片与水的摩擦所生的热量由水的温升可准确测出。他还用其他液体(如鲸油、水银)代替水。不同的方法和材料得出的热功当量都是423.9千克重·米每千卡或趋近于423.85千克重·米每千卡。

  在1840~1879年焦耳用了近40年的时间,不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验,得出结论:热功当量是一个普适常量,与做功方式无关。他自己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重·米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数,为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。

  1847年,当29岁的焦耳在牛津召开的英国科学协会会议上再次报告他的成果时,本来想听完后起来反驳的开尔文勋爵竟然也被焦耳完全说服了,后来两人合作得很好,共同进行了多孔塞实验(1852),发现气体经多孔塞膨胀后温度下降,称为焦耳-汤姆孙效应,这个效应在低温技术和气体液化方面有广泛的应用。焦耳的这些实验结果,在1850年总结在他出版的《论热功当量》的重要著作中。他的实验,经多人从不同角度不同方法重复得出的结论是相同的。1850年焦耳被选为英国皇家学会会员。此后他仍不断改进自己的实验。恩格斯把“由热的机械当量的发现(迈尔、焦耳和柯尔丁)所导致的能量转化的证明”列为19世纪下半叶自然科学三大发现的第一项。

选自:《物理教师手册》

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永 动 机

  人们在长期的生活和生产中认识到,人类的生存和发展离不开能源.人们是多么渴望生产一种不需要耗用任何能量而能永远不停工作的机器--永动机.下图所示的是一个永动机的设计方案:轮子中有一个转动轴,轮子边缘安装着12个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球.方案的设计者认为右边的球与左边的球离轴远些,因此,右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大.这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去,并且带动机器转动.但事实上并未实现不停息的转动.仔细分析一下就会发现,虽然右边每个球产生的力矩大,但是球的个数少,左边每个球产生的力矩小,但是球的个数多.于是,轮子不会持续转动下去而对外做功,只会摆动几下,便停在图中所画的位置上.

  17~18世纪,永动机最为流行,人们曾提出各种永动机设计方案,有采用“螺旋汲水”,有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的,也有利用同性磁极之间排斥作用的.18世纪末,不少科学家开始怀疑制造永动机的可能性.1775年,法国科学院决议不再受理永动机的设计方案.这些事实,使人们逐步悟出一个道理:永动机不可能实现是由于某一普遍定律的限制,而这条定律至今还没发现.因此,它启示人们不再为设计永动机而煞费苦心,转而致力于这一未发规定律的挖掘工作.

  17~18世纪,经典力学中已蕴涵着机械能的转化和守恒的初步思想.伦福德等人对摩擦生热的研究,否定了热质说,提示了机械能与物体内能变化的关系.1800年发明了电池,不久又发现了电流的热效应、磁效应、化学效应及电磁感应,科学家们进一步展示出了自然界不同现象的相互联系、相互转化的图景.在其他方面,如生物学发现了动物的体温和进行机械活动的能量跟它摄取的食物的化学能有关.这一切,都为能量守恒发现做了必要的准备.19世纪40年代,不同国家的十几位科学家以不同的方式,各自独立地提出了能量守恒定律.人们认识到:能量既不会消灭,也不会凭空产生,能量有各种不同的形式,可从一种形式转化为另一种形式,从一个物体转移到另一个物体,在转化和转移的过程中能量的总量保持不变.能量守恒定律使永动机幻梦被彻底地打破.

  在制造上面所说的第一类永动机的这一尝试失败之后,一些人又梦想着制造另一种永动机,希望它不违反能量守恒定律,而且既经济又方便.例如,这种可直接从海洋或大气中吸取热量使之转化为机械功.由于海洋和大气的能量是取之不尽的,因而这种热可永不停息地运转做功,也是一种永动机.然而,在大量实践经验的基础上,英国物理学家开尔文于1851年提出一条新的普遍原理:物质不可能从单一的热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响.看来永动机只是人们的美好愿望,永远也不可能实现.

(1)人类梦想制造的永动机有哪几类?为什么都没有实现?

(2)下图是两位发明家自制的永动机模型.你能否和其他同学讨论一下,它们能“永动”吗?

    

(3)人们为什么热衷于发明与制造永动机?

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