第七章 内能 能量守恒定律参考资料

1．自制“动态雕塑”

（1）电路原理

“动态雕塑，，又名电子“永动”器。它是利用电能、磁场能、机械能之间互相转换而构成的一种不断摆动的装饰工艺品。在框架的下面装有一块小磁铁，装置起动时首先要用手拨动一下，使框架摆动起来，在磁铁下面即底座里面安装有一个电感线圈，当磁铁掠过线圈时，由于磁铁和线圈之间的相对运动，在线圈里就会产生感应电动势，此感应电动势经电子电路放大使线圈产生足够强的磁场，并使线圈上产生与磁铁极性相同的磁极，由于同性相斥，框架获得一个向上的推力，向上摆动。当框架摆到最高点时，在重力的作用下框架又反向摆动，框架下面的磁铁再次掠过线圈时，又重复上述过程，所以框架就能来回不停的摆动。

电子“永动”器的电路原理如图2所示，L₂和三极管VT的发射结构成闭合回路。当磁铁掠过线圈时，L₂产生感应电流，此感应电流作为VT的基极电流使VT迅速导通。集电极就有较强电流流经线圈L₁，从而使线圈产生的磁场与框架磁铁互相作用，框架就摆动起来。

（2）元器件选择

VT可用9013、8050型等硅NPN三极管，β≥100，C为CD11-10 V型电解电容器。

L₁、L₂需要自制，取废塑料笔杆，截取长约25mm一段作为线圈骨架，再找两片厚约1mm、直径为30mm的圆片用502胶粘在骨架的两端作为挡板（因线圈刷无铁芯，所以圆片上不必开孔）。L₁用直径0.15mm，L₂用直径0.1mm高强度聚脂漆包线双线并绕4000匝，绕好后将L₁的始端与L₂的末端连接起来，作为图中的2端。L₁的末端为1，L₂的始端为3。

电源G可用4节5号电池串联。S为1×1小型电源开关。

（3）制作和调试

本机电路比较简单，不必另制印刷电路板，可直接采用导线连接，底座可用大塑料盒或用塑料板自制，将线圈用502胶固定在盒盖内侧，接好电路，连同电池一同装入盒内。

框架可用直径3mm的铝丝或厚0.3mm、宽约10mm的薄铝片制作成圆环，圆环直径可大可小，应视底座大小而定。在圆环直径方向两端用直径1mm的钻头横向打两个小孔，穿入一枚缝衣针架在支架上，要求框架转动灵活。支架可用厚1～2mm、宽约15mm的塑料板制作并用502胶粘在底座上。支架高度以框架摆动时，磁铁不碰到底座但离底座愈近愈好。磁铁应采用磁性强，体积小的圆形小磁铁，也用502胶粘贴在框架下面。安装磁铁时，应尽量使磁铁磁极对准线圈的中心轴线。安装好后，可通电试验，合上开关后，用手拨动一下框架，然后框架就会不停地摆动起来。若框架不能摆动，只要将磁铁的磁极反向一下就可以了。框架摆动的幅度大小与电源电压高低、线圈匝数、框架及框架上放的装饰物总重量、框架尺寸大小以及磁铁的磁性强弱等因素有关。在不提高电源电压、增加线圈匝数的前提下，框架大小与装饰物重量不宜过大。否则可提高电源电压。

2．能的转化和能量守恒定律的建立

能的转化和能量守恒定律是建立在自然科学发展的基础上的。从16世纪到18世纪，经过伽俐略、牛顿、惠更斯、莱布尼兹以及伯努利等许多物理学家的研究，使力学得到了较大的发展。机械能的转化和守恒的初步思想，在这一时期已经萌芽。

18世纪末和19世纪初，各种自然现象之间的联系相继被发现。伦福德、戴维的摩擦生热实验否定了“热质说”，把物体的内能的变化与机械运动联系起来。1800年发明伏打电池之后不久，又发现了电流的热效应、磁效应和其他一些电磁现象。这个时期，电流的化学效应也被发现，并被用来进行电镀。在生物学界，证明了动物维持体温和进行机械活动的能量与它摄取的食物的化学能有关。自然科学的这些成就为建立能的转化和能量守恒定律作了必要的准备。

能的转化和能量守恒定律的最后确定，是在19世纪中叶由迈尔、焦耳和亥姆霍兹等人完成的。

英国物理学家焦耳一生致力于实验研究。从1840年到1878年的将近40年的时间里，他研究了电流的热效应，压缩空气的温度升高以及电、化学和机械作用之间的联系。他做了400多次实验，用各种方法测定了热功当量的值，为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础。

德国医生迈尔是从生理学开始对能量进行研究的，他观察到生活在热带的人比生活在温带的人静脉血颜色更红。他由此想到食物中含有的化学能，可以像机械能一样转化为热。在热带高温的情况下，机体只需要较少的热量，所以机体中食物的氧化过程减弱了，静脉血中留下了较多的氧。1842年，他从“无不生有，有不变无”的哲学观念出发，表达了能的转化和守恒的思想。他分析了25种能的转化和守恒的现象，用已知的气体比热容数据推算了热功当量的值，迈尔成为世界上首先阐述能的转化和守恒思想的人。

在1847年，当焦耳宣布他的能量观点的时候，德国学者亥姆霍兹在柏林也宣读了同样课题的论文，这篇论文的题目是《论力的守恒》，在这篇文章中，他分析了化学、机械、电磁、光等不同形式的能的转化和守恒，并且把这个结果与永动机不可能制造成功联系起来。他认为不可能无中生有地创造一个永久的推动力，任何机器都不能提供多于能源供给的能量。当能源用尽时，机器将停止工作。机器只能转化能量，不能创造能量和消灭能量。亥姆霍兹在论文里对能的转化和能量守恒定律做了清晰、全面而且概括的论述，使这一定律为人们广泛接受。

在19世纪中叶，还有一些人也致力于能量守恒的研究，他们也和焦耳、迈尔和亥姆霍兹一样，是在前人成就的基础上工作的。他们从不同的角度出发，彼此独立地进行研究，却几乎同时发现了这一伟大的定律。因此，能的转化和能量守恒定律的发现是科学发展的必然结果。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本定律”，他认为它是19世纪自然科学的三大发现（即能的转化和能量守恒定律、细胞学说、达尔文的生物进化论）之一。

（摘自人民教育出版社1987年4月出版高级中学课本《物理（上册）》P254～P256）

3．费曼话“守恒”

费曼在他那本著名的《物理学讲义》里编造了如下一个故事：

一个孩子有28块积木，这些积木完全一样，而且不可破坏。每天早晨妈妈将这孩子和他全部的积木关在一间房子里，晚上她回来后总仔细地把积木的数目点过。不错，多少天来一直是28块。一天积木只剩下27块，她在室内细心地寻找后，发现有一块积木在小地毯下面。又有一天积木剩下26块，室内遍寻不着，然而窗子开着，她探头向外张望，发现两块积木在外边。再有一天，她惊愕地发现积木变成30块。后来她才知道，是一个小朋友带着他同样的积木来玩过，多出来的积木是这孩子留下来的。她处置了多余的积木后，把窗子关起来，再不让别的孩子进来。于是在相当一段时间里情况正常，直到有一天她只能找到25块积木为止。这孩子有个玩具箱，妈妈想打开这箱子找积木，孩子尖叫起来，不让她开箱。妈妈只好称一下这箱子的重。她以前知道，每块积木重3盎司（1盎司＝28.35g），28块积木全在时箱子的重为16盎司，她计算一下得到：

眼前的积木数25＋（箱重－16盎司）/3盎司 ＝常数28

于是她确信，缺失的积木被锁在玩具箱里。这箱子没再打开过，可是积木又少了许多。仔细调查发现，澡盆里脏水的水位升高了。显然，孩子把一些积木丢进了澡盆，但是水太浑浊，妈妈无法看清，然而她知道，澡盆里的水原来有6英寸（1英寸＝25.4mm）深，每块积木使水位升高14 英寸，于是她的计算公式里又添了一项：

眼前的积木数＋（箱重－16盎司）/3盎司 ＋（澡盆的水位－6英寸）/ 1/4 英寸 ＝常数28

随着事态一步步地复杂化，越来越多的积木跑到她无法看到的地方。可是她找到一系列附加项，需要添加到她的计算公式里，以代表那些找不到的积木块数。这个复杂的公式保持着28那个数目不变。

[摘自《费恩曼物理学讲义（第1卷）》]

4．太阳辐射到地球上的能量方向图

5．我国太阳能资源分布情况

按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区。

一类地区

全年日照时数为3200～3300h，辐射量在670×10⁴～837×10⁴kJ/（cm•a）。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部部分地区。

二类地区

全年日照时数为3000～3200 h，辐射量在586×10⁴～670×10⁴kJ/（cm•a）。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部其他地区。

三类地区

全年日照时数为2200～3000h，辐射量在502×10⁴～586×10⁴kJ/（cm2•a）。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。

四类地区

全年日照时数为1400～2200h，辐射量在419×10⁴～502×10⁴kJ/（cm2•a）。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的部分地区。

五类地区

全年日照时数约1000～1400h，辐射量在335×10⁴～419×10⁴kJ/（cm2•a）。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的其余地区。

一、二、三类地区是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3 以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

6．目前典型的太阳能热发电系统

太阳能热发电是太阳能热利用的重要方面。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚集系统、塔式系统和碟式系统。

① 槽式线聚集系统

该系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，将管内传热介质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电，如图4所示。

② 塔式系统

塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，如图5所示。

③碟式系统

抛物面反射镜（斯特林系统）由许多镜子组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热介质被加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。

7．“太阳塔”（演示实验）

“太阳塔”（图6，图太模糊，请参见课本）下部为用黑塑料片制成的扁平圆盘状集热器，在太阳的照射下，集热器的中部形成一个温室，由于对流效应，热气流沿着“太阳塔”以一定的速度上升，推动“太阳塔”上部的纸质风扇转动，模拟风力发电机的转动发电。

（1）将“太阳塔”置于太阳光下，冬天5min之内，夏天2min之内，可观察到纸质风扇转动，转速一般可大于120r/min。

（2）如无太阳光，则可用60～100W白炽灯在离圆盘状集热器0.5m的范围内对准集热器照射，可观察到风扇转动。

（3）用热毛巾盖在集热器上，也可观察到风扇转动。

【制作材料及方法】

（1）厚3mm以下的黑色塑料，粘合围成直径400mm的圆盘状集热器，圆盘中央固定直径不超过30mm的透明有机玻璃管，管长不小于400mm。

（2）在管内安放可自由转动的纸质风扇轮。

（上海市嘉定区第二中学供稿）

发布时间：2010/8/30 上午8:34:17  阅读次数：6022