能量守恒定律及其发现
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能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本规律之一。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。自然界的一切现象，无论是物理的、生物的、化学的过程，都存在能量的转化与转移，而参与能量转化与转移的物质系统的总能量则始终保持不变。这就是能量守恒定律，自然界的一切过程，都服从能量守恒定律。
“疯子”医生的发现
能量守恒和转化定律的发现，却是从一个“疯子”医生的研究与发现开始的。这个被称为“疯子”的医生名叫迈尔（），德国汉堡人，1840年开始在汉堡独立行医。他对万事喜欢问个为什么，而且必亲自观察，研究，实验。1840年2月22日，作为一名随船医生的他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，随着血液中氧的消耗，血液眼色将由红变暗。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。
焦耳与汤姆孙之争
和迈尔同时期研究能量守恒的还有一个英国人──焦耳（），他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理，他一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。1840年，他发现将通电的金属丝放入水中，水会发热，通过精密的测试，他发现：通电导体所产生的热量与电流强度的平方，导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。1841年10月，他的论文在《哲学杂志》上刊出。随后，他又发现无论化学能，电能所产生的热都相当于一定功，即460千克米/千卡。1845年，他带上自己的实验仪器及报告，参加在剑桥举行的学术会议。他当场做完实验，并宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头，连法拉第也说：“这不太可能吧。”
有一个叫威廉?汤姆孙（）的数学教授，听到一个啤酒匠在这里乱嚷一些奇怪的理论，就非常不礼貌地当场退出会场。焦耳不把人们的不理解放在心上，他回家继续做着实验，这样一直做了40年，他把热功当量精确到了423.9千克米/千卡。1847年，他带着自己新设计的实验又来到英国科学协会的会议现场。在他极力恳求下，会议主席才给他很少的时间让他只做实验，不做报告。焦耳一边当众演示他的新实验，一边解释：“你们看，机械能是可以定量地转化为热的，反之一千卡的热也可以转化为423.9千克米的功……”突然，台下有人大叫道：“胡说，热是一种物质，是热素，他与功毫无关系”这人正是汤姆孙。焦耳冷静地回答到：“热不能做功，那蒸汽机的活塞为什么会动？能量要是不守恒，永动机为什么总也造不成？”焦耳平淡的几句话顿时使全场鸦雀无声。台下的教授们不由得认真思考起来，有的对焦耳的仪器左看右看，有的就开始争论起来。汤姆孙碰了钉子后，也开始思考，他自己开始做试验，找资料，没想到竟发现了迈尔几年前发表的那篇文章，其思想与焦耳的完全一致！他带上自己的试验成果和迈尔的论文去找焦耳，他抱定负荆请罪的决心，要请焦耳共同探讨这个发现。在啤酒厂里汤姆孙见到了焦耳，看着焦耳的试验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。汤姆孙拿出迈尔的论文，说道：“焦耳先生，看来您是对的，我今天是专程来认错的。您看，我是看了这篇论文后，才感到您是对的。”焦耳看到论文，脸上顿时喜色全失：“汤姆孙教授，可惜您再也不能和他讨论问题了。这样一个天才因为不被人理解，已经跳楼自杀了，虽然没摔死，但已经神经错乱了。” 汤姆孙低下头，半天无语。一会儿，他抬起头，说道：“真的对不起，我这才知道我的罪过。过去，我们这些人给了您多大的压力呀。请您原谅，一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知的。”一切都变得光明了，两人并肩而坐，开始研究起实验来。 1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述。 能量的转化和守恒定律有三种表述：永动机不能造成，能量的转化和守恒定律及热力学第一定律。这三种表述在文献中是这样叙述的：“热力学第一定律就是能量守恒定律。”“根据能量守恒定律，……所谓永动机是一定造不成的。反过来，由永动机的造不成也可导出能量守恒定律。”这里不难看出，三种表述是完全等价的。但笔者认为，这种等价是现代人赋予它们的现代价值，若从历史发展的角度来考查就会发现，三种表述另有它连续性的一面，但还有差异性的一面。这种差异反映了人类认识定律的不同阶段。
达芬奇与永动运动机
提到达芬奇，人们总是首先想到《永恒的微笑》，其实他的才能与成就不仅仅在绘画。
十五世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师达?芬奇（Leonard?do?Vinci 1452～1519），也投入了永动机的研究工作。他曾设计过一台非常巧妙的永动机，但造出来后它并没永动下去。1475年，达?芬奇认真总结了历史上的和自己的失败教训，得出了一个重要结论：“永动机是不可能造成的。”在工作中他还认识到，机器之所以不能永动下去，应与摩擦有关。于是，他对摩擦进行了深入而有成效的研究，比如滑动摩擦力与压力的正比关系等，就是他当年的研究成果。但是，达?芬奇始终没有，也不可能对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科学解释，即他不可能意识到摩擦（机械运动）与热现象之间转化的本质联系。此后，虽然人们还是致力于永动机的研制，但也有一部分科学工作者相继得出了“永动机是不可能造成的” 结论，并把它作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学力学家斯台文（SimonStevin 1548～1620），于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析，率先引出了力的平行四边形定则。伽利略在论证惯性定律时也应用过这一原理。
惠更斯（C?Huygens1629～1695） 在他1673年出版的《摆式时钟》一书中就反映了这种观点。书中，他把伽利略关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴转动时，其质心不会上升到它下落时的高度之上。因而，他得出用力学方法不可能制成永动机的结论；但他却认为用磁石大概还是能造出永动机来的。针对这种情况，1775年，巴黎科学院不得不宣布：不再受理关于永动机的发明。历史上，运用“永动机是不可能制成”的这一原理在科研上取得最辉煌成就的是法国青年科学家卡诺（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他将该原理与热质说结合推出了著名的“卡诺定理”。定理为提高热机效率指明了方向，也为热力学第二定律的提出奠定了基础。可见，从1475年达?芬奇提出“永动机是不可能造成的”起到1824年卡诺推出“卡诺定理”止，原理只能在机械运动和“热质”流动中运用，它远不是现代意义上的能量的转化和守恒定律，它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结，是定律的原始形态。 1891年，亥姆霍兹（H?Helmloltz1821～1894）在回顾他研究力的守恒律的起因时说：“如果永动机是不可能的话，那么在自然条件下的不同的力之间应该存在什么样的关系呢？而且，这些关系实际上是否真正存在呢？”可见，“永动机是不能造成的”还很肤浅，要认识它的深刻的内涵，还须人们付出艰苦的劳动。
由“力守恒”到“能量守恒”
1798年，伦福特（C? Rumford 1753～1814）向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。1800年，戴维（D?H?Davy 1778～1829） 用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。1801年，托马斯?杨（ThomasYoung 1773～1829）在《论光和色的理论》中，称光和热有相同的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐步取代热质说。十八世纪与十九世纪之交，各种自然现象之间的相互转化又相继发现：在热向功的转化和光的化学效应发现之后，1800年发现了红外线的热效应。电池刚发明，就发现了电流的热效应和电解现象（电流的化学效应）。1820年，发现电流的磁效应，1831年发现电磁感应现象。1821年发现热电现象，1834年发现其逆现象。
把自然看成是“活力”的思想在德国发展成为“自然哲学”。这种哲学把整个宇宙视为某种根源性的力的发现而引起的历史发展的产物。由这种观点看来，一切自然力都可以看作是一种东西。当时，这种哲学思想在德国和西欧一些国家占有支配地位。这时，力的守恒原理的提出就势在必行了。历史上，最早提出热功转换的是卡诺。他认为：“热无非是一种动力，或者索性是转换形式的运动。热是一种运动。对物体的小部份来说，假如发生了动力的消灭，那么与此同时，必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量。相反地，在热消灭之处，就一定产生动力。因此可以建立这样的命题：动力的量在自然界中是不变的，更确切地说，动力的量既不能产生，也不能消灭。”同时他还给出了热功当量的粗略值。可惜，卡诺的这一思想是在他死了46年以后的1878年才被人们发现的。而这之前的1842年，德国的迈耳（J?R?Mayer 1814～1878）最先发表了比较全面的《力的守恒》的论文《论无机界的力》。文中他从“自然哲学”出发，以思辩的方式，由“原因等于结果”的因果链演释出二十五种力的转化形式。1845年，他还用定压比热容与定容比热容之差：Cp-Cv=R，计算出热功当量值为1卡等于365g?m。
1843年，英国实验物理学家焦耳（J?P?Joule 1818～1889）在《哲学杂志》上发表了他测量热功当量的实验报告。此后，他还进行了更多更细的工作，测定了更精确的当量值。1850年，他发表的结果是：“要产生一磅水（在真空中称量，其温度在55°和60°之间）增加华氏1°的热量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的机械功。”焦耳的工作，为“力的守恒”原理奠定了坚实的实验基础。 德国科学家亥姆霍兹于1847年发表了他的著作《论力的守恒》。文中，他提出了一切自然现象都应用中心力相互作用的质点的运动来解释 由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论。进面，他还讨论了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并指出了把“力的守恒”原理运用到生命机体中去的可能性。由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色，故他的影响要比迈耳和焦耳大。
将两种表述比较，可以看出：“力的守恒”比“永动机不能造成”要深刻得多。“力的守恒”涉及的是当时已认识到的物质的一切运动形式；同时，它是在一定的哲学思想指导下，在实验的基础上，用公理化结构建立起的理论。如果仍用“永动机不能造成”来表述定律的话，那已赋予它新的内涵了，即现在的机器可以是机械的，也可以是热的，电磁的、化学的，甚至可以是生物的了；同时，永动机不能永动的原因也得到揭示。
1853年，W?汤姆孙重新提出了能量的定义。他是这样说的：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。”直到这时，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家兰金（W?J?M?Rankine 1820～1872）才把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。热力学理论建立之后，很多人还是觉得不好理解，尤其是第二定律。为此，从1854年起，克劳修斯作了大量的工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这两条原理（当时还是叫原理），并多次用通俗的语言进行宣讲。这样，直到1860年左右，能量原理才被人们普遍承认。
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学年初中物理名校试题分项汇编：专题15 电与磁 信息的传递与能源（第01期）（原卷版）
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本期导读：本期收录了2015年4～7月份期间全国各省市（大部分是百强校）期中、期末、中考模拟题和联考试题等，总量达到近70套。经制作老师精挑细选，合理编排，真正凝聚了2015届中考备考之精华。
一、选择题
1．【重庆市巴蜀中学2015届九年级下学期期中考试】下列各图所示的几种电与磁的现象中，符合实际情况的是（&&& ）
2. 【山东省济南市历下区2015届九年级5月教学质量检测】如图所示的装置中，当闭合电路中的导体AB在磁场中做切割磁感线运动时，电流表指针发生偏转，说明电路中有了电流。此过程中（&&& ）
A. 电能转化成机械能，导体AB相当于电源
B．机械能转化成电能，导体AB相当于电源
C．电能转化成机械能，电流表相当于电源
D．机械能转化成电能，电流表相当于电源
3.．【山东省济南市历下区2015届九年级5月教学质量检测】下列关于科学家与其在物理学上的重大发现，对应正确的是（&&& ）
A．赫兹——电磁感应现象&& &&&&&&&B．阿基米德——惯性定律
C．伽利略——理想斜面实验&& &&&&&D．卢瑟福——-电子
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资源库-微信公众号【高考物理】电磁感应：能量转换浅析
& & & &从能的转化与守恒定律可知，能量不会平白无故产生，也不会消失。物理学电磁感应的过程也伴随着能量的转化与转移。& & & 电磁感应过程中产生感应电动势，由于回路闭合，必然产生感应电流。在磁场中，有电流的存在，切割杆件必定受到安培力的作用。根据楞次定律来分析，安培力必然是阻碍磁通量的变化，也就是阻碍运动趋势。因此，要维持感应电流的存在（也就是说维持感应电动势的存在），必须有&外力&来克服安培力做功。我们下面来分析能量的过程。& & & & 此过程中，由电动势产生电能，由于封闭回路内有电阻，电能随后转化为热能。要维持能量的转化，必然有其他形式的能量转化为电能。&外力&克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能。前面的外力挂上了引号，因为还有可能是导体棒原有动能（惯性）向电能转化的过程。& & & & 从本质上来看，安培力做功的过程，其实就是电能转化为其它形式能的过程。也就是说，在某一段时间内由电磁感应下的安培力做了多少功，就有多少电能转化为其它形式的能（一般来说是电热）。& & & & 从命题的角度来看，电磁感应问题往往跟力学问题交叉在一起。解决这类问题需要综合应用法拉第电磁感应定律楞次定律，及力学中的有关规律，具体而言，包括牛顿力学、动量守恒定律、动量定理、动能定理、能量守恒定律等等。另外，在做题的时候，大家还要注意图像的分析。因为十道电磁感应的题目有九道半都有图像。在分析电磁感应中的图象问题时，首先要看坐标轴表示什么物理量；看具体的图线，它反映了物理量的具体变化情况，要看图象在坐标轴上的斜率与截距，它反映的是一个物理量的变化情况以及坐标为零时另一物理量的意义。在分析这类问题时除了运用左、右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律外还要注意相关数学知识、几何知识的运用。& & & &从解题套路角度来分析，一般的过程是这样的：用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向；画出等效电路，求出回路中电阻消耗电功率表达式；分析导体机械能的变化，用能量守恒关系得到机械功率的改变所满足的方程。
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