书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第31章 有趣的热学(5)

【物理碰碰车】

好奇+探索=创造

瓦特用水壶烧水,看到水烧开后壶盖会被水蒸气推动而上上下下地跳动。这原本是一件非常平常的事情,但是,他却对这个平常的自然现象产生了浓厚的兴趣,一直都不曾忘记,在很小的时候就在心中种下了发明创造的种子。成为蒸汽机之父之后,他曾经说过自己的成就来源于一个公式:“好奇+探索=创造”。相信这个公式对我们做小创作和小发明时也很有启发吧?

机器脚踏车的诞生

日常生活中,摩托车是我们经常使用的交通工具,有着自行车的苗条身材和汽车的澎湃动力,让我们来了解一下世界上第一辆摩托车是怎么诞生的。

德国人戴姆勒由于家境贫寒,10岁那年,他就到一家机床厂去干活。他非常开心,因为他有机会接触机器了。虽然只是干些粗活,但他从不埋怨。工作中,戴姆勒深深感动自己的文化水平太低,他想到学校去学习基础知识。23岁那年,他如愿以偿地考入斯图加特工业学校。在学校里,他如饥似渴地学习课内外的文化知识,同时也为他以后走上发明之路打下了良好基础。

毕业后,戴姆勒便在一家机械制造公司找到一份工作。他并不满足于工厂里安排的简单重复性的劳动。他认为,人生最大的快乐在于发明创造,他寻找目标要为机械发展史上写下精彩的一笔。

戴姆勒注意到当时的一个现象:当时街上行驶的汽车都是采用瓦特发明的蒸汽机,以煤炭为燃料。这种汽车行驶时烟雾弥漫、速度缓慢。他想,要是能改变一下汽车的“心脏”——动力装置,那就太有意义了。

不久,他经人介绍,在他之前,早就有一位名叫奥托的人开始这方面的研究,并研制出了压缩式内燃机。戴姆勒听后,兴奋不已。他向别人打听到奥托的住址后,便直奔而去。

见到他后,戴姆勒把自己的想法告诉了他,两个年轻人只恨相见太晚,谈得十分投入。他邀戴姆勒加入到自己的研究队伍,并请戴姆勒担任德意志煤气内燃机制造厂的技术指导。

戴姆勒欣然接受了邀请,两个年轻人的手紧紧地握在一起。

1876年,奥托研制出了四冲程内燃机,在当时,它“出尽了风头”。然而,戴姆勒心里明白,这种内燃机还无法在实际中应用,因为它的效率很低。为了集中精力研制内燃机,戴姆勒离开了德意志煤气内燃机制造厂,自己组织了一个专门研究内燃机的机构。有志者事竟成,1883年,戴姆勒发明了一种热管点火式汽油内燃机。同年12月16日,这种内燃机获得了专利。在此基础上,戴姆勒于1885年制成了直立式汽油内燃机。

戴姆勒的儿子鲍尔·戴姆勒是一位自行车骑手,他有一辆心爱的木制自行车。看到父亲研制出体积小、效率高的内燃机,便向父亲建议道:“爸,您那‘宝贝’可以装到我的车上吗?”“行啊,我想没问题。”父亲回答道。

于是,戴姆勒就将直立汽油内燃机装在自行车上,并装上两挡变速器。世界上第一辆摩托车就这样诞生了。不过,当时并不叫摩托车,而是叫“机器脚踏车”。

【物理碰碰车】

摩托车的发展史

1876年德国人奥托发明了汽油机,为摩托车的发展提供了动力源。戴姆勒在其基础上进行了改进。1885年,他把经过改进的汽油机装在两轮车上,便制成了世界上第一辆用汽油机驱动的摩托车,取名为“单轨道号”,时速为12km/h。并于同年获得专利,取得发明优先权。

19世纪末到20世纪初,是摩托车工业崛起的青春时期。第二次世界大战以后,摩托车又在日本得到了更迅速的发展。本田、铃木、雅马哈、川崎四大摩托车公司,就是战后发展起来的,称为“世界摩托车之冠”。

风能水能统统变电能

前面我们已经说过,地球上的能源是有限的,这是因为埋藏在底下的生物骨骼是有限的。而且石油燃料是一种不可再生的资源,只会越用越少,知道最后被彻底用完。那么,地球上有没有不会枯竭的能源呢?

当然有。事实上,地球上有一种能源和不可再生能源不同,它的能量永远不会枯竭。人们把这样的能源称为可替代能源,水、风等就属于此列。

哗哗流动的水,也能当能源吗?当然,听过水力发电吗?一大股水流从高处冲向低处时,会产生巨大的力量,这个力量能让一个发电机转动起来,从而顺利发电。这就是水力发电的原理。水力发电优点多多,最常被提到的就是成本低、可持续再生、无污染等。目前世界上的工业发达国家都很重视水电的开发利用。有些发展中国家为了节省能源,也大力开发水电。世界上水能比较丰富,煤和石油资源比较少的国家,像是瑞士、瑞典等国家,水发的电占全国电力的60%以上。水能少、煤炭资源丰富的国家也对水资源尽量加以利用,目前德国、英国的水资源,已经开发占可开发的80%左右。水、煤、石油都很贫乏的国家,如法国、意大利,开发程度更高,已经超过90%。

除了水能之外,风,也是个威力无穷的能源!荷兰被称为“风车王国”,不过这风车可不仅仅用来看的,它们更重要的责任是用来发电的。除了荷兰,丹麦现在也成了一个名符其实的“风车大国”。看起来十分壮观的一眼望不到头的风车,其实就是丹麦的风力发电场。借助于随风而动的巨大风车,丹麦成了世界上最厉害的风力发电王国之一。如果你想要去玩这个大风车,靠近之前一定要用铁块把自己固定住啊,否则可能真的会被大风吹跑哦!

【物理碰碰车】中国最大的风力发电站

中国最大的水电站是三峡水电站,那么你知道中国最大的风力发电站是哪个吗?它就是位于新疆的达坂城风力发电站。在这长约80公里,宽约20公里的戈壁滩上,上百多架银白色风机迎风而立,蔚为壮观。新疆是中国风力资源最丰富的地区之一,达坂城风电厂是中国第一个大型风电厂,同时也是亚洲最大的风力发电站。目前装有200台风车,年发电量为1800万瓦,风力发电将成为新疆未来重要的替代能源。

发现能量守恒的两个“疯子”

能量守恒定律是自然科学中非常重要的基本理论之一,发现这个定律的竟然是两个“疯子”!

第一个“疯子”叫迈尔,是个德国医生。1840年,他发现了一个奇怪现象:印度人的血是鲜红色的,而德国人的血是黑红色的。这太奇怪了?人的血液颜色怎会不一样?迈尔决心查个清楚。最终,他发现了能量的转化链条:人体的热量来源于食物,食物中的热量来源于太阳,而太阳的热量,来源自它自身的燃烧。这说明,能量是不会消失的,它只会在不同种类的能量间相互转化。

这原本是个突破性的发现,但当时却得不到人们的理解,大家认为迈尔是个“疯子”。就连他的家人也不理解他,还将他送到了精神病院。当然,在精神病院呆了8年后,他才彻底洗刷了“疯子”的嫌疑,获得了该有的荣誉。

另一个“疯子”是焦耳。跟迈尔一样,焦耳经过无数次实验和论证,也证实了能量是守恒的,但同样没人相信这一点。人们也把他当做疯子,并嘲笑谩骂。当然,最终,他也得到了世人的理解和称赞。

大家总是喜欢把那些发表怪异言论的人当做“疯子”,但实际上,有时正是这些“疯子”,推动了人类社会的进步!

【物理碰碰车】能量守恒定律

能量守恒定律是这样描述的:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,其总量不变。比如,物体从高空中落下的时候,它所具有的重力势能最终转化为动能和内能;火箭升空的时候,火箭燃料的内能转化为火箭的动能、火箭的势能以及火箭的内能。

虽然那能量守恒定律看起来很简单,但是总结它的过程却很复杂。它是由5个国家、各种不同职业的10余位科学家从不同角度独立发现的。其中迈尔、焦耳是最重要的贡献者。

能量是个“变脸王”

根据前面提到的能量守恒定律,大到宇宙中的天体,小到原子核内部,只要存在能量转化,就都服从这个规律。对地球上的人而言,从人们的日常生活,到科学研究、工程技术,这个规律也都发挥着重要作用。可以说,人类对各种能量,如煤、石油等燃料及水能、风能等的利用,都离不开能量守恒定律。那么,各种各样的能量之间是如何转化的呢?能量是如何从这张脸变成那张脸的?

要了解能量,首先要知道做功的概念。做功,就是能量由一种形式转化为另一种的形式的过程。专业的定义是:当一个力作用在物体上,并且使物体在力的方向上通过了一段距离,就说这个力对物体做了功。也就是说,能量具有可以做功的本领,一旦一个物体做功了,那么它就具有了能量。

你一定知道大力水手吧?吃完菠菜的大力水手,变得力大无穷,能举起很重的物品。这恰好可以说明能量跟做功的关系:做功就像一个大力水手举起了重物。如果你还是不太明白,那么我们选择一个很常见的行为来分析一下吧!这个动作就是捡起瓶子。当你捡起瓶子的时候,

你就对瓶子施加了一个力,然后瓶子沿着这个力的方向通过了一段距离,此时我们的手就做功了!这就是我们的能量在发挥作用!此时你消耗了身体的能量,但是此时瓶子由于距离地面有了一定距离,具有重力势能,也就是说你身体内的能量转化成了瓶子的重力势能。

当然,生活中很多物体都具有做功的本领,也就是具有能量。例如,从高处落下而做功的物体,具有的能量叫做势能;运动的物体在做功,具有的是动能;高温的水蒸气做功,具有的是热能;而煤炭或石油等燃料具有化学能,等等。总之,能量无时无刻不在改变自己的面容,但是它永远也不会消失。

【物理碰碰车】“躺着也中枪”中的能量分析

电影中经常有这样的场景:举行重大庆典时,人们会向着天空鸣礼炮。其实,这里也存在能量转化。出膛的子弹在上升的过程中,动能会慢慢变成势能,当它开始往下落的时候,势能又会开始转化成动能。虽然空气的阻力会让子弹的速度减慢,但是如果你被掉下来的子弹击中,还是会受伤甚至死亡的。因为空气中阻力并不足以消耗掉子弹所具有的能量,只要它具有能量,子弹就有伤人的可能。所以朝天鸣枪也是很危险的行为,很可能躺着也中枪哦!