物理-能量守恒定律（磁场力做功分析与永动机不可能性）
考点：科学推理 / 物理-能量守恒定律（磁场力做功分析与永动机不可能性）
问法模型：‘关于这种机器，下列说法正确的是’的装置评价型问法 → 对装置一个完整循环中各力做功情况做能量守恒分析，逐项排除违背守恒或归因错误的选项
推理链
- 第1步：提取题干装置原理——‘在强磁力作用下向上滚，滚到C时从小孔下落沿N回到B，开始往复运动’，即小球依靠立柱顶端磁铁A的引力沿M上升、经C沿N回落并循环
- 第2步：选定分析方法——能量守恒定律，计算小球一个循环内磁场力做功的代数和
- 第3步：小球沿M上升时向着磁铁A运动，磁场力做正功，机械能增加；小球沿N下滑时仍处在磁铁A的引力范围内，磁场力做负功（这正是题干’下槽N弯曲’紧贴立柱的物理意义）
- 第4步：上升段的正功与下滑段的负功相互抵消，一个循环内磁场力做功代数和为零，装置没有任何净能量来源
- 第5步：再计入摩擦损耗，小球机械能逐循环减少，最终停在B、C之间某处，‘永恒的运动’不可能实现
- 第6步：逐项对照——A’永动机可以制造’、B’源源不断地对外做功’凭空创造能量，违背能量守恒，排除；D把不能永动归因于’摩擦阻力太大’，但即使无摩擦、循环净功为零也不能永动，未抓住本质，排除
- 第7步：C项’如果小球能从静止加速上升到C的话，它就不可能从C加速下滑到B，并再次从B回到C’，正体现了’磁力一正一负抵消、循环净功为零’的守恒结论，故选C
最快解法：⚡ 能量守恒口诀法+排除法：见’永动机/永恒运动’先判定’不能永动’，锁定C、D；再辨失败原因——本质是违背能量守恒而非’摩擦阻力太大’（即使无摩擦也不能永动），排除D，秒选C
易错点
- ⚠ 误以为小球沿N下滑时磁力继续做正功、可补偿循环损耗；实际小球在N段仍受磁铁引力，磁场力做负功
- ⚠ 误选D：把不能永动归因于’摩擦阻力太大’，忽略即使完全无摩擦，磁场力循环净功为零仍不能永动，本质是违背能量守恒
- ⚠ 被’强力磁铁”强磁力’的字眼迷惑，误认为磁力可源源不断提供能量而错选A或B
母题抽象
🧩 当题干出现’永动机/永恒运动/往复循环装置’特征时，用能量守恒定律计算一个循环内各力做功的代数和：净功为零或为负则机器必然停下，且不能永动的原因应归于违背能量守恒，而非摩擦等次要因素
同类特征：强力磁铁A、小球沿槽M向上滚、小孔C下落、沿弯曲槽N回到B、往复运动/永恒的运动、永动机可行性判断
相关题
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题干
如图所示为某人设计的一种机器，原理是这样的：在立柱上放一个强力磁铁A，两槽M和N靠在立柱旁。上槽M上端有一个小孔C，下槽N弯曲。如果在B处放一小铁球，它就会在强磁力作用下向上滚，滚到C时从小孔下落沿N回到B，开始往复运动，从而进行“永恒的运动”。关于这种机器，下列说法正确的是（ ）。
选项
- A. 这种机器可以永恒运动，说明了永动机可以制造
- B. 这种机器是可以制造的，并且小球在下滑时能源源不断地对外做功
- C. 这种机器不能永恒运动，如果小球能从静止加速上升到C的话，它就不可能从C加速下滑到B，并再次从B回到C ✅
- D. 这种机器不能永恒运动，关键是因为摩擦阻力太大，要消耗能量
官方解析
本题中，因为小球上升过程磁场力做正功，使小球机械能增加，但小球下滑过程磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，故不可能源源不断地向外提供能量。 逐项分析： A、B两项，这种机器违背了能量守恒定律，是不可能制造成功的，故A项错误，B项错误； C项，这种机器不能永恒运动，如果小球能从静止加速上升到C的话，它就不可能从C加速下滑到B，并再次从B回到C，故C项正确。 D项，这种机器不能永恒运动的关键是违背了“能量守恒定律”而不是摩擦力，故D项错误。 故正确答案为C。
给定材料
（无）