物理小故事[1]

11 1 公元 2 世纪 C 托勒密提出了一个完整的 地心说 这一学说认为地球在宇宙的中央安 然不动 月亮 太阳和诸 行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着 地球旋转 为了说明行星运动的不均匀性 他还认为行星在本轮上绕其中心转动 而本轮中心则沿 均轮绕地球转动 地心说曾在 欧洲流传了 1000 多年 1543 年 N 哥白尼提出科学的 日心说 认为太阳位于宇宙中心 而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星 到 16 世纪哥白尼建立日心说后才普遍认识到 地球是绕太阳公转的行星之一 而包括 地球在内的 八大行星则构成了一个围绕太阳旋转的行星系 太阳系的主要成员 1609 年 J 开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转 发展了哥白尼的 日心说 同年 伽利略 伽利雷则率先用望远镜观测天空 用大量观测事实证实了日 心说的正确性 1687 年 I 牛顿提出了万有引力定律 深刻揭示了行星绕太阳运动 的力学原因 使日心说有了牢固的力学基础 在这以后 人们逐渐建立起了科学的 太阳系概念 11 2 曹冲称象的故事 在距离现在一千七百多年前 中国是处于魏 蜀 吴三强鼎立的三国时 代 有一天 吴国的孙权送给魏国领袖曹操一只大象 长久居住在中原的曹操从来没有看过这 种庞然大物 好奇地想知道这个大怪物的体重到底有多重 于是 他对着臣子们说 谁有 办法把这只大象称一称 在场的人七嘴八舌地讨论着 有人回家搬出特制的秤 但大象实 在太大了 一站上去 就把秤踩扁了 有人提议把大象一块一块地切下分开秤 再算算看 加起来有多重 可是在场的人觉得太残忍了 而且曹操喜欢大象可爱模样 不希望为了秤 重失去它 就在大家束手无策正想要放弃的时候 曹操 7 岁的儿子曹冲 突然开口说 我 知道怎么秤了 他请大家把大象赶到一艘船上 看船身沉入多少 在船身上做了一个记号 然后又请大家把大象赶回岸上 把一筐筐的石头搬上船去 直到船下沈到刚刚画的那一条 线上为止 接着 他请大家把在船上的石头逐一称过 全部加起来就是大象的重量了 小 朋友 曹冲是不是很聪明 在一千七百多年前的时代 曹冲的方法的确很聪明 可是 现 代的工具非常发达 我们发明出许多的工具来称重的东西 不须要再大费周章地一筐筐地 搬石头 小朋友 请你和爸爸妈妈一起讨论 一只小狗 一袋砂石 一颗苹果 一卡车的木头 一台货柜车 分别要用什么工具来称重最适当 11 3 死海为什么淹不死人 相传公元 70 年罗马军东征统帅狄杜处决几个被俘的奴隶 命令将其投入死海中淹死 但 这些被投到湖中的人不下沉 如此反复数次 以为有神灵保佑 故赦免之 实际上是因为死海的盐含量很大 使海水的密度大于人的密度 于是人就浮在水面上了 11 4 水的密度竟然大于冰 你现在就去冰箱里拿一些冰块 把它丢在半杯水中 看看冰块是 浮着呢 还是沉下 物质的密度会受温度的影响而改变 一般而言 物质的质量不受温 度影响 但是体积会热胀冷缩 所以温度上升时体积膨胀 密度相对就变小了 相反的 物质在温度下降时体积缩小 密度会变大 不过水是例外 因为水的密度在4 时最 大 水温只要从 4 上升或下降 密度都会变小 也就是说4 的水 体积在受热时 也膨胀 冷却时也膨胀 所以水总是由表面开始结冰 密度最大的4 的水会沉入最 底层 这个性质非常重要 在严寒的冬天 虽然水的表面已结冰 但在湖泊的底层仍维 持 4 左右 使水中的生物可安然度过冬天 11 5 密度知识在生活中的作用 鉴别物质 新鲜鸡蛋的密度 指它的平均密度 比水的密度稍大 买回的鸡蛋是否新鲜 放到水里时 就可鉴别出来 陈旧的由于水份散失 蛋内空隙增大 它的平均密度就变小了 放入水中 就会漂浮 而新鲜鸡蛋是要沉没在水中的 如果遇到火灾 室内的空气的密度是不相同的 被加热了的空气密度变小而上浮 而这 部分空气不但能烫伤人 而且有毒成份也多 你要逃生 当然要尽可能地处在低处 趴下 匍匐最为合适 12 1 刻舟求剑 汉语成语词典 中是这样解释的 据说从前楚国有一个人过江时把剑掉 在水里 他在船沿上剑掉下去的地方刻了记号 等船停下后 他便从刻有记号的地方下水 找剑 结果没有找到 见 吕氏春秋 察今 比喻拘泥固执 不知道随着情势的变化 而变化 从物理学的角度来分析 此人错选了参照物 因船相对剑是运动的 则船和剑的 相对位置在不断地发生变化 则确定剑的位置应选择与剑的相对位置不变的物体为参照物 如岸上的石头 树木 花草等 11 2 活动人行道 有一种设备 是根据这种相对运动的原理建造的 就是所谓 活动人行道 不过这种设备直到目前为止 也还只有在展览会里可以看到 这种设备的构造 有五条环形的人行道 一条挨着一条套在一起 它们各有单独的机械来 开动 速度各不相同 最外圈的那一条走得相当慢 速度只有每小时 5 公里 等于平常步 行的速度 要走上这样慢慢爬行的人行道 显然并不困难 在这条里侧 同它并行的第二 条人行道 速度是每小时 10 公里 如果从不动的街道直接跳上第二条人行道 当然是危险 的 可是从第一条跨到这一条就不算什么了 事实上 对速度每小时 5 公里的第一条人行 道来说 速度每小时 10 公里的第二条人行道也不过是在做每小时 5 公里的运动 这就是说 从第一条跨到第二条 是和从地面跨到第一条一样容易的 第三条已经是用每小时 15 公里 的速度前进了 可是从第二条跨上去 当然也不困难 从第三条跨到用每小时 20 公里的速 度前进的第四条 以及最后从第四条跨到用每小时 25 公里的速度奔驰的第五条 也都一样 容易 这第五条人行道就可以把旅客送到要去的地方 到了目的地 旅客又可以一条条地 往外跨 他就可以走到不动的地面上 11 3 地球半径是如何估算的 图 3 中 圆 C 代表地球 C 是地球中心 R 是地球半径 L 是塞恩城观测点与亚历山大城观 测点之间的距离 弧长 S 点代表塞恩观测点 A 代表亚历山大城观测点 O 代表太阳 则 OAZ 代表亚历山大城太阳影子与旗杆的交角 由于地球的半径大小与地球和太阳之间的 距离相比可以忽略不计 所以 OAZ SCA 于是 L 2 R r 2 即 L 弧长度与地球周 长之比等于夹角 r 与圆周角 2 之比 所以 R L r 即通过 L r 就可算出 R 12 4 看到滑水运动员在水面上乘风破浪快速滑行时 你有没有想过 为什么滑水运动员站在滑 板上不会沉下去呢 原因就在这块小小的滑板上 你看 滑水运动员在滑水时 总是身体向后倾斜 双脚向前 用力蹬滑板 使滑板和水面有一个夹角 当前面的游艇通过牵绳拖着运动员时 运动员就 通过滑板对水面施加了一个斜向下的力 而且 游艇对运动员的牵引力越大 运动员对水 面施加的这个力也越大 因为水不易被压缩 根据牛顿第三定律 作用力与反作用力定律 水面就会通过滑板反过来对运动员产生一个斜向上的反作用力 这个反作用力在竖直方 向的分力等于运动员的重力时 运动员就不会下沉 因此 滑水运动员只要依靠技巧 控 制好脚下滑板的倾斜角度 就能在水面上快速滑行 12 5 牛顿 1642 1727 是一位英格兰物理学家 数学家 天文学家 自然哲学家 他在 1687 年发表的论文 自然哲学的数学原理 里 对万有引力和三大运动定律进行了描述 这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点 并成为了现代工程学的基础 他通 过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性 展示了地面物体与天体的运动都 遵循着相同的自然定律 从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑 并推动了科学革命 在力学和天文学方面 有伽利略 开普勒 胡克 惠更斯等人的努力 牛顿有可以用 已经准备好的材料 建立起一座宏伟壮丽的力学大厦 正象他自己所说的那样 如果说我看 得远 那是因为我站在巨人的肩上 牛顿在临终前对自己的生活道路是这样总结的 我不知道在别人看来 我是什么样的 人 但在我自己看来 我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩 为不时发现比寻常更为光滑 的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜 而对于展现在我面前的浩瀚的真理 的海洋 却全然没有发现 这显示出牛顿的谦逊精神 12 6 为什么自行车在运动中容易保持平衡 而在停下时却无法保持平衡 原因之一是车轮的陀螺效应 当车轮围绕着轴快速动时 会阻碍轴心的移动 因此 运动中的车轮会对自行车的倾倒形成阻力 当在桌子上转动硬币时 可以观察到同样的效 果 运动中的硬币可以保持平衡 另外 如果观察我们在一条直线上的运动时会发现 我们一会儿往左 一会儿往右地 拐小弯 正是因为这些小弯 我们才能保持平衡 当我们倒向一侧时 自行车会往这一侧 转小弯 这样 当我们拐小弯时产生的离心力会使自行车纠正倾斜的程度 从而保持平衡 13 1 弹力的应用 利用弹力可进行一系列社会生产生活活动 力有大小 方向 作用点 如高大的建筑需 要打牢基础 桥梁设计需要精确计算各部分的受力大小 拔河需要用粗大一些绳子 防止 拉力过大导致断裂 高压线的中心要加一根较粗的钢丝 才能支撑较大的架设跨度 运动 员在瞬间产生的爆发力等等 可见 物理力学知识生产和生活实际中是很有用的 从宇宙天体到微观的分子 原子 处处存在着各种各样的力 教师只要将课本知识与生产生活实际有机地结合起来 就能极 大地激发学生的学习兴趣 从而培养他们树立崇尚科学 研究科学 应用科学精神 13 2 重力的应用 我们生活在地球上 重力无处不在 如工人师傅在砌墙时 常常利用重锤线来检验墙身是 否竖直 这是充分利用重力的方向是竖直向下这一原理 羽毛球的下端做得重一些 这是 利用降低重心使球在下落过程中保护羽毛 汽车驾驶员在下坡时关闭发动机还能继续滑行 这是利用重力的作用而节省能源 在农业生产中的抛秧技术也是利用重力的方向竖直向下 假如没有重力 世界不可想象 水不能倒进嘴里 人们起跳后无法落回地面 飞舞的尘土 会永远漂浮在空中 整个自然界将是一片混浊 在讲授重力时 要让学生展开热烈的讨论 充分挖掘学生的想象力 知道重力与我们的生产生活实际密切相关 13 3 摩擦力的应用 摩擦力是一个重要的力 它在社会生产生活实际中应用非常广泛 如人们行走时 在光滑 的地面上行走十分困难 这是因为接触面摩擦太小的缘故 汽车上坡打滑时 在路面上撒 些粗石子或垫上稻草 汽车就能顺利前进 这是靠增大粗糙程度而增大摩擦力 鞋底做成 各种花纹也是增大接触面的粗糙程度而增大摩擦 滑冰运动员穿的滑冰鞋安装滚珠是变滑 动摩擦为滚动摩擦 从而减少摩擦而增大滑行速度 各类机器中加润滑油是为了减小齿轮 间的摩擦 保证机器的良好运行 可见 人类的生产生活实际都与摩擦力有关 有益的摩 擦要充分利用 有害的摩擦要尽量减少 13 4 阿基米德在 论平面图形的平衡 一书中最早提出了杠杆原理 阿基米德曾讲 给我一个 立足点和一根足够长的杠杆 我就可以撬动地球 他首先把杠杆实际应用中的一些经验知 识当作 不证自明的公理 然后从这些公理出发 运用几何学通过严密的逻辑论证 得出 了杠杆原理 这些公理是 1 在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重 量 它们将平衡 2 在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量 重 的一端将下倾 3 在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量 距离远的 一端将下倾 4 一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替 只要重心 的位置保持不变 正是从这些公理出发 在 重心 理论的基础上 阿基米德发现了杠杆原 理 即 二重物平衡时 它们离支点的距离与重量成反比 阿基米德对杠杆的研究不仅仅停 留在理论方面 而且据此原理还进行了一系列的发明创造 据说 他曾经借助杠杆和滑轮 组 使停放在沙滩上的桅般顺利下水 在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中 阿基米 德利用杠杆原理制造了远 近距离的投石器 利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人 曾把 罗马人阻于叙拉古城外达 3 年之久 13 5 机械钟表 发条玩具都是靠上紧发条带动的 当发条被上紧时 发条产生弯曲形变 存储 一定的弹性势能 释放后 弹性势能转变为动能 通过传动装置带动时 分 秒针或轮子 转动 在许多玩具枪中都装有弹簧 弹簧被压缩后具有势能 扣动扳机 弹簧释放 势能 转变为动能 撞击小球沿枪管射出 田径比赛用的发令枪和军用枪支也是利用弹簧被释放 后弹性势能转变为动能撞击发令纸或子弹的引信完成发令或发火任务的 14 1 全世界每年大约发生 1 万次鸟撞飞机事件 国际航空联合会已把鸟害升级为 A 类航空灾 难 那么 飞机为何 害怕 小鸟呢 当鸟与飞机相对飞行时 虽然鸟的飞行速度不是很大 但是飞机的飞行速度却很大 这样对于飞机来说 鸟的飞行速度就十分大了 速度越大 撞击的力量就会越强 比如一 只 0 45 公斤的鸟撞在速度为每小时 960 千米的飞机上 就会产生 21 8 万牛顿的力 如果 是一只 1 8 公斤的鸟撞在速度为每小时 700 千米的飞机上 产生的冲击力比炮弹的冲击力 还要大 所以一只小小的鸟也能变成击落飞机的 炮弹 鸟与飞机的碰撞大多发生在飞 机起飞和着陆阶段 自从人类发明飞机以来 鸟撞飞机的事故就频频发生 并且随着航空 事业的迅速发展 尤其是宽体客机等大型喷气式飞机的广泛使用 再加上飞机场大多建在 城市郊外的苇塘 农田 草地 湿地等鸟类栖息地 取食地的附近 所以鸟撞飞机事件成 为世界各国航空界面临的一个共同难题 为了避免或减少鸟撞飞机事故对人类所造成的损 失 航空界除了采用原始的单纯靠人工驱赶 鸣枪示警 设立拦鸟网或围墙等驱散鸟类的 办法之外 还发明了从鸟类的视觉 听觉 食性等方面人手的各种先进设备 但是目前 航空界尚未找到一种能够真正有效地防止鸟撞飞机的灵丹妙药 14 2 为什么江河大提与水库大坝都修成上窄下宽 无论是江河大堤 还是水库大坝都修成上窄下宽 其目的主要是为了 三防 1 防水压 根据液体内部压强公式 可知 堤坝内的水越靠近堤坝底 水深 越大 水 产生的压强也越大 堤坝下面宽能承受较大的水压 确保堤坝的安全 2 防渗漏 堤坝下面部分受水的压强大 水容易渗进坝体 把下部修得宽些 就可以延长堤坝内 水的渗透路径 增大渗透阻力 从而提高堤坝的防渗透性能 3 防滑动 堤坝内水的压力总有将大堤向外水平推动和将大坝推向下游的运动趋势 堤坝基底需 要有与之抗衡的静摩擦力 才能保持堤坝平衡 将堤坝下部修宽既可增大坝体的重力 也 可增大迎水面 挡水面 上水对坝体竖直向下的压力 因此 可以增强坝体与坝基间的最 大静摩擦力 达到防止堤坝滑动的目的 14 3 当你收听无线电台的天气形势广播时 常听到 高气压 低气压 高压脊 低压槽 等词 这些词都是指的大气压在某一区域的分布类型 那么为什么大气压与天气预报有如此密切 的关系呢 地球表面上的风 云 雨 雪 万千气象 都跟大气运动有关系 而造成大气运动的 动力就是大气压分布的不平衡和气压分布的经常变化 由于地球表面各处在太阳照射下受 热情况不同 各地的空气温度就有较大差别 温度高的地方 空气膨胀上升 空气变得稀 薄 气压就低 温度低的地方 空气收缩下沉 密度增大 气压就高 另外 大气流动也 是造成气压不平衡和经常变化的重要因素 这样在地理情况千差万别的地球表面上空 就 形成各种各样的气压分布类型 多种气压类型的组合就构成了一定的天气形势 而决定着 未来的风云变幻 14 4 静脉输液中的物理知识 静脉输液时 要求在输液过程中 保持滴点的速度几乎不变 通 过观察封闭式静脉输液用的部分装置 结合气体压强 液体压强的知识我们不难说明其道 理 输液时 医生先将葡萄糖液瓶倒挂 然后将通气管上的通气针插入 这时通气管与葡 萄糖液瓶内部连通 葡萄糖液有一部分进入通气管内 但我们注意到进入的量并不多 通 气管内的液面远比葡萄糖液瓶内的液面要低 接着医生就把点滴玻璃管和输液管连好 然 后将输液管通过针头与葡萄糖液瓶内部相连 调节橡皮管上的夹子 葡萄糖水就开始均匀 地一滴一滴在点滴玻璃管内下落了 我们来分析输液时葡萄糖液瓶内的压强情况 我们知道 液体压强是随深度增加而增 大的 液体越深压强越大 这样液流速度就越快 在输液开始后 葡萄糖液瓶内的液面持 续下降 瓶内空气压强减小 因而通气管内的液体由于受到外界稳定的大气压强的作用 很快被压回到葡萄糖液瓶内 在整个输液过程中 通气管针头顶端开口处的小液片受到的向下的压强基本保持在一个 大气压强的水平 不会因瓶内液面的下降而变化 由于图中通气管针头顶端所处水平面液 体的压强基本保持不变 因而在它下面一定距离的点滴玻璃管上端口液体的压强也基本保 持不变 这样 就对稳定滴点速度起到了积极作用 14 5 1 吨木头和 1 吨铁 哪一个重 1 吨木头和 1 吨铁 哪一个重 这还不知道 一样重 可是 如果有人回答说 1 吨木头重 你一定会大笑起来 然而 严格地讲 这个答案才是 正确的 因为平常我们说的 1 吨铁和 1 吨木头 是指铁和木头在空气里称起来的重量 假若有 一架很大的天平 我们把这堆铁和这堆木头分别放在天平的两盘上 那么 它们在空气里 称得的结果是正好平衡的 但是 我们都有知道 任何物体放在空气里都要受到浮力的作用 因此一个物体的真正 重量 应该是它在真空里称出来的重量 可是我们平常所指的重量 都是在空气里称出来 的 既然是在空气里称的 就要受到空气的浮力作用 所以它的重量就要减小 根据阿基 米得原理 物体在空气里所受的浮力 等于这个物体所排开的空气的重量 也就是说 在 空气中称得的重量 等到于物体的真实重量减去物体所受的浮力 此题中 木头的体积比铁的体积大 所以木头所受的浮力大于铁的浮力 因此 木头 的真正重量 应该等于 1 吨重加上木头所受的浮力 而铁的真正重量 应该等于 1 吨重加 上铁所受的浮力 1 吨铁大约占八分之一立方米的体积 1 吨木头约占 2 立方米 它们的浮力相差约 2 3 千克力 所以 1 吨木头的真正重量 就比 1 吨铁的真正重量约重 2 3 千克 14 6 为什么肥皂泡总先上升后下降 日常生活中 我们常看到一些小朋友吹肥皂泡 一个个小 肥皂泡从吸管中飞出 在阳光的照耀下 发出美丽的色彩 此时 小朋友们沉浸在欢乐和 幸福之中 我们大人也常希望肥皂泡能飘浮于空中 形成一道美丽的风景 但我们常常是 看到肥皂泡开始时上升 随后便下降 这是为什么呢 这个过程和现象 我们只要留心想一下 就会发现 它其中包含着丰富的物理知识 在开始的时候 肥皂泡里是从嘴里吹出的热空气 肥皂膜把它与外界隔开 形成里外两个 区域 里面的热空气温度大于外部空气的温度 此时 肥皂泡内气体的密度小于外部空气 的密度 根据阿基米德原理可知 此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力 因此它会上 升 这个过程就跟热气球的原理是一样的 随着上升过程的开始和时间的推移 肥皂泡内 外气体发生热交换 内部气体温度下 降 因热胀冷缩 肥皂泡体积逐步减小 它受到的外界空气的浮力也会逐步变小 而其受 到的重力不变 这样 当重力大于浮力时 肥皂泡就会下降 15 1 4 足球比赛是很多人喜欢的运动之一 不知你在欣赏比赛时 除了为自己喜爱的球队 球星呐喊助威和每一个进球激情狂欢外 还有没有想过用物理的眼光来欣赏它 实际上 这项运动包含了很多物理知识 现在我们透过足球场上常见的几种现象来看一下 1 球越滚越慢 在球场上踢出的球越滚越慢 最终停下来 这是因为踢出的足球由于 惯性要保持原来的运动状态 沿原来的运动方向继续滚动 而在运动方向上只受到了滚动 摩擦力的作用 这个阻力改变了足球的运动状态 阻碍足球滚动 使球越滚越慢 所以球 最终停止运动 2 球在下落后 每次上升的高度都比上一次低 可以用能量的观点来分析 球在下落时 由于球和空气之间克服摩擦 要损失一部分机械能 同时球在碰撞地面时 也要损失一部 分机械能 这样球的机械能就逐渐减少 所以球上升的高度将越来越小 3 守门员接球 当队员大脚射门时 球速可以高达 100 千米 小时 如果守门员用胸部 停球 那么胸部所受到的冲力将高达 1500 牛 如果用手接球 冲力要减少到 500 牛 这是 因为通过手臂的运动可使球的制动距离延长 3 倍的缘故 4 守门员扑点球 守门员扑点球时 扑住的成功率一般只与守门员的判断反应能力有 关 为什么呢 因为点球的位置距球门只有 9 15 米 射门时球速可以高达 100 千米 小时 这样球到球门的时间大约是 0 32 秒 而人脑的反映时间大约是 0 6 秒 这样足球到球门的 时间就会远远小于人脑的反映时间 所以守门员根本没有时间调整自己的意识 因此点球 的扑住与否跟守门员对进球方向的预先判断直接有关 正是由于这种原因我们在看点球大 战时 球明明向球门左边飞去而守门员却扑向右边就不足为奇了 5 运动员绊倒时前倾 快速奔跑的运动员被对方运动员的脚或身体绊住时 都是向前 倾倒 出现这种情况的原因是 人的下半身由于被绊住而停止了运动 上身却由于惯性仍 保持原来的运动状态继续向前运动 于是奔跑的运动员绊倒时向前倾倒 6 喷雾疗伤 在足球比赛中 运动员相互碰撞跌倒后 常看到运动员双手抱腿 在地上 翻滚 这时 队医就会迅速进场 从药箱中取出一只瓶子 对着球员的伤痛处喷出一股白 雾 一会 伤员疼痛消失 就可以重新入场比赛了 实际上这是因为瓶中装的是 冷气雾 镇痛 它是由氟氯甲烷配一些镇痛治伤药组成 这种药液从喷嘴喷到伤处时 迅速汽化 成雾状 由于汽化要吸收大量的热量 运动员受伤处温度将急剧下降 血管收缩 神经麻 痹 于是痛感就很快消失 7 弧线球的形成 我们在看球时 经常听到解说员说 球在空中划着美丽的弧线 直挂 球门死角 那么球为什么在空中划着美丽的弧线呢 那是因为运动员在踢球时 用脚的内侧 或外侧摩擦球使球在空中水平方向运动 这样就造成了球的水平两侧的气流速度大小不一 样 根据气体流速与压强的关系 空气对球在水平方向上的力的大小也就不一样 所以球 在前进的同时 还在与球前进方向垂直的水平方向上发生弯曲 从而造成了 美丽的弧线 当然 在足球比赛中还有很多物理知识 只要用心还会发现很多有趣的物理现象 大家 在看球时 不妨从不同的角度去观察 这样将会其乐无穷 15 5 19 世纪中叶 一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化 关系做出了巨大贡献 不久后伟大的能量守恒和转化定律被发现了 人们认识到 自然 界的一切物质都具有能量 能量有各种不同的形式 可从一种形式转化为另一种形式 从一个物体传递给另一个物体 在转化和传递的过程中能量的总和保持不变 能量守恒 的转化定律为辩证唯物主义提供了更精确 更丰富的科学基础 有力地打击了那些认为 物质运动可以随意创造和消灭的唯心主义观点 它使永动机幻梦被彻底的打破了 在制 造第一类永动机的一切尝试失败之后 一些人又梦想着制造另一种永动机 希望它不违 反热力学第一定律 而且既经济又方便 比如 这种热机可直接从海洋或大气中吸取热 量使之完全变为 机械功 由于海洋和大气的能量是取之不尽的 因而这种热机可永不 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 年提出了一条新的普遍原理 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它影响 这样 第二类永动机的想法也破产了 层出不穷的 永动机设计方案 都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了 1775 的 法国科学院宣布 本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计 这说明在当时科学 界 已经从长期所积累的经验中 认识到制造永动机的企图是没有成功的希望的 永动机的想法在人类历史上持续了几百年 这个神话的被驳倒 不仅有利于人们正确的 认识科学 也有利于人们正确的认识世界 能量既不能凭空产生 也不能凭空消失 只能从一种形式转化成另一种形式 或者从一个物体转移到另一个物体 在转化和转 移过程中 能量的总和不变 这就是能量守恒定律了 所以第一类永动机是不能做出来 的 而能量的转化和转移是有方向的 就像热量可以自发的由热的物体转移到冷的物体 但不能自发的由冷的物体转移到热的物体 而不引起其他的变化 所以第二类永动机也 是不能做出来的 16 1 为什么说 响水不开 开水不响 我们知道 水中能溶有少量空气 容器壁的表面小空穴中也吸附着空气 这些小气泡起气 化核的作用 水对空气的溶解度及器壁对空气的吸附量随温度的升高而减少 当水被加 热时 气泡首先在受热面的器壁上生成 气泡生成之后 由于水继续被加热 在受热面附近形成过热水层 它将不断地向小气 泡内蒸发水蒸汽 使泡内的压强 空气压与蒸汽压之和 不断增大 结果使气泡的体积不 断膨胀 气泡所受的浮力也随之增大 当气泡所受的浮力大于气泡与壁间的附着力时 气 泡便离开器壁开始上浮 在沸腾前 窗口里各水层的温度不同 受热面附近水层的温度较高 水面附近的温度 较低 气泡在上升过程中不仅泡内空气压强P 随水温的降低而降低 泡内有一部分水蒸 汽凝结成饱和蒸汽 压强亦在减小 而外界压强基本不变 此时 泡外压强大于内压强 于是 上浮的气泡在上升过程中体积将缩小 当水温接近沸点时 有大量的气泡涌现 接 连不断地上升 并迅速地由大变小 使水剧烈振荡 产生 嗡 嗡 的响声 这就是 响水 不开 的道理 对水继续加热 由于对流和气泡不断地将热能带至中 上层 使整个溶器的水温趋于 一致 此时 气泡脱离器壁上浮 其内部的饱和水蒸汽将不会凝结 饱和蒸汽压趋于一个 稳定值 气泡在上浮过程中 液体对气泡的静压强随着水的深度变小而减小 因此气泡 壁所受的外压强与其内压强相比也在逐渐减小 气泡液 气分界面上的力学平衡遭破坏 气泡迅速膨胀 加速上浮 直至水面释出蒸汽和空气 水开始沸腾了 也就是人们常说的 水开了 由于此时气泡上升至水面破裂 对水的振荡减弱 几乎听不到 嗡嗡声 这 就是 开水不响 的原因 16 2 考古学家证明 人类早在几百万年前开始学会用火来加热物体 火的利用和 控制 使人类第一次支配了自然 使人类文明大大前进了一步 同时 它也是古人对热现 象认识的开端 我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址 说明大约 180 万年前人类已经开始 使用火 温度计还没有发明以前 古人在冶炼金属的实践中 创造了通过观察火候和火色 来判别温度高低的方法 据 考工记 记载 在铸铜与锡时 随温度的升高 火焰的颜色 先后变为暗红色 橙色 黄色 白色 青色 然后才可以浇铸 这种方法同样也应用于制 陶工业 从现代科学分析 不同物质有不同的汽化点 因此从火焰的颜色可以判断所汽化 的物质 从而判断温度的高低 对同一种物质 随着温度的升高 其颜色也先后有所变化 火候 包括火色 成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念 可见 火的利用在 人类征服自然的过程中 发挥了巨大作用 16 3 1798 年 英国学者伦福德在从事枪炮制造时 发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温 度 用水来冷却时 甚至可以使水沸腾 他怀疑金属屑具有极高温度是不是比热容降低造 成的伦福德在他的笔记中写道 由摩擦所生的热 来源似乎是无穷无尽的 要用热质说解 释释摩擦生热现象 钻下的金属屑的比热容要改变很多才行 于是他设计并做了一系列实 验 发现钻下的金属屑的热比容在摩擦时并没有降低 根据实验结果 伦福德断言热质说 不足为信 应当把热看成是一种运动形式 热质说的统治地位开始动摇了 16 4 詹姆斯 瓦特是英国著名的发明家 是工业革命时期的重要人物 英国皇家学 会会员和法兰西科学院外籍院士 他对当时已出现的 蒸汽机原始雏形作了一系列的重 大改进 发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机 提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性 对当时社会生产力的发展作出了杰出贡献 他改良了蒸汽机 发明了气压表 汽 动锤 后人为了纪念他 将制中功率和辐射通量的计量单位称为瓦特 常用符号 W 表示 瓦特 1736 年 1 月 19 日生于英国 格拉斯哥 童年时代的瓦特曾在文法学校念过 书 然而没有受过系统教育 瓦特在父亲做工的工厂里学到许多机械制造知识 以后他 到伦敦的一家钟表店当学徒 1763 年瓦特到格拉斯大学工作 修理教学仪器 在大学 里他经常和教授讨论理论和技术问题 1781 年瓦特制造了从两边推动活塞的双动蒸 汽机 1785 年 他也因蒸汽机改进的重大贡献 被选为皇家学会会员 1819 年 8 月 25 日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世 16 5 能量守恒和能量转化定律与细胞学说 进化论合称19 世纪自然科学的三大发现 而 其中能量守恒和转化定律的发现 却是和一个 疯子 医生联系起来的 这个被称为 疯子 的医生名叫迈尔 1814 1878 德国汉堡人 1840 年开始 在汉堡独立行医 他对万事总要问个为什么 而且必亲自观察 研究 实验 1840 年 2 月 22 日 他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚 一日 船队在加尔 各达登陆 船员因水土不服都生起病来 于是迈尔依老办法给船员们放血治疗 在德国 医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针 就会放出一股黑红的血来 可是在这里 从静脉里流出的仍然是鲜红的血 于是 迈尔开始思考 人的血液所以是红的是因为 里面含有氧 氧在人体内燃烧产生热量 维持人的体温 这里天气炎热 人要维持体温 不需要燃烧那么多氧了 所以静脉里的血仍然是鲜红的 那么 人身上的热量到底是从 哪来的 顶多 500 克的心脏 它的运动根本无法产生如此多的热 无法光靠它维持人 的体温 那体温是靠全身血肉维持的了 而这又靠人吃的食物而来 不论吃肉吃菜 都 一定是由植物而来 植物是靠太阳的光热而生长的 太阳的光热呢 太阳如果是一块煤 那么它能烧 4600 年 这当然不可能 那一定是别的原因了 是我们未知的能量了 他大胆地推出 太阳中心约 2750 万度 现在我们知道是 1500 万度 迈尔越想越 多 最后归结到一点 能量如何转化 转移 他一回到汉堡就写了一篇 论无机界的力 并用自己的方法测得热功当量 为 365 千克米 千卡 他将论文投到 物理年鉴 却得不到发表 只好发表在一本 名不见经传的医学杂志上 他到处演说 你们看 太阳挥洒着光与热 地球上的植物 吸收了它们 并生出化学物质 可是即使物理学家们也无法相信他的话 很不尊敬 地称他为 疯子 而迈尔的家人也怀疑他疯了 竟要请医生来医治他 他因不被人理解 终于跳楼自杀了 17 1 怎样解决人类即将面临的能源危机一直以来都是世界各国苦苦思索的问题 目前全球蕴藏 的煤和油气等资源仅够人类今后数十年之用 一旦其消耗殆尽 我们能用什么来作为替代 能源 是核能还是太阳能 或是其它什么类型的能源 中国科学院广州能源所专家樊栓狮告诉记者 天然气水合物是水和天然气 主要成分 为甲烷 在中高压和低温条件下混合时产生的晶体物质 外貌极似冰雪 点火即可燃烧 故又称之为 可燃冰 或者 气冰 固体瓦斯 它在自然界分布非常广泛 海底以 下 0 到 1500 米深的大陆架或北极等地的永久冻土带都有可能存在 世界上有 79 个国家和 地区都发现了天然气水合物气藏 从能源的角度看 可燃冰 可视为被高度压缩的天然气资源 每立方米能分解释放 出 160 180 标准立方米的天然气 迄今为止 在世界各地的海洋及大陆地层中 已探明的 可燃冰 储量已相当于全球传统化石能源 煤 石油 天然气 油页岩等 储量的两倍 以上 17 2我国的核武器 核物理资料 1964 年 10 月 16 日在罗布泊马兰核试验基地 我国第一枚原子弹爆炸成功 1966 年 10 月 27 日在酒泉卫星发射场 我国第一枚导弹核武器试验 1967 年 6 月 17 日在马兰核试验基地我国第一枚氢弹试验成功 1969 年 9 月 23 日在马兰基地我国第一次地下爆炸试验成功 1980 年我国建成高通量工程试验堆 1988 年 10 月 16 日我国自行设计建造的第一台高能加速器 北京正负电子对撞机对 撞成功 1988 年 12 月 12 日我国最大的重离子加速器在兰州建成 我国已建成两座核电站 浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站 17 3 太阳核聚变 尽显威力 我们每天迎接太阳 太阳给予我们光和热 它是取之不尽 用之不竭的巨大能源宝库 太阳中含有极其丰富的氢 在中心高温下发生氢核聚变反应 从而释放出巨大的光能 和热能 通称为太阳核聚变能 地球接受到太阳核聚变能的功率 平均为每平方米 1353 千 瓦 这就是人们常说的 太阳常数 尽管地球接受到的仅仅是 太阳核聚变 中很少的 一部分 但是 每秒照射到地球上的能量 也有 500 万吨煤当量 这些能量 比目前全 世界人类的能耗量大 3 5 万倍 人类采用各种先进技术 可以使太阳核聚变产生的能量转 换为电能 这一过程的两条基本途径证实 太阳发生氢核聚变反应所发出的光和热 都可 以转换成电能供给人类使用 从茫茫宇宙人射到地球表面的太阳热能是广泛而分散的 要充分收集并使之发挥热能 效益 现在主要采用两种方法 一种方法是采用细长的太阳聚集管 将管中流动的液体用 太阳热集中加热 转换成为高温水蒸气 以蒸汽涡轮机变换为电 另一种方法是采用抛物 面型的聚光镜将太阳热集中 使用计算机让聚光镜追随太阳转动 后者的热效率很高 今 后随着技术的不断进步 发展前景令人瞩目 目前 在利用太阳热发电方面 各国都已开 始行动 除了发达国家之外 发展中国家也不示弱 在世界范围内 以色列的技术最为先 进 此外 巴西 印度 摩洛哥也都在进行设备的建设 为了鼓励和支持这种有利于人类 进步的行动 世界银行已开始提供资金给开发中的国家 据报道 通过对美国利用各种能 源发电成本的分析比较 专家认为 认为在 2000 年以前 利用太阳热发电的成本比天然气 和煤炭要高 但是 到了 2000 年以后 就能够逐渐接近采用天然气和煤炭发电的成本 以 至更低 17 4 人们常常提到的绿色能源 如太阳能 氢能 风能等 但另一类绿色能源 就是绿 色植物给我们提供的燃料 我们就管它叫做绿色能源 又叫生物能源或物质能源 其实 绿色能源是一