机械师发表论文

机械师发表论文

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论文

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航空先行者塞缪尔·兰利：矢志苍穹，虽败犹荣

或许你对美国第一艘航空母舰“兰利号”有所耳闻，也经常从新闻中听到美国兰利空军基地和国家航空航天局兰利研究中心的大名，你是否有些疑惑，兰利究竟是何方神圣，为何诸多美国军事设施均以兰利命名呢？

兰利（网络图）

美国第一艘航空母舰“兰利号”（网络图）

仰望星空，好奇心成了最好的老师

1834年8月22日，塞缪尔·皮尔庞特·兰利（Samuel Pierpont Langley）出生在美国马萨诸塞州罗克斯布里一个普通的商人家庭。年幼的小兰利起初就读于波士顿拉丁文学校，小小的他对漫天的繁星广袤的银河总是充满好奇，经常抱着厚厚的天文学书籍翻来翻去。

为了纪念兰利对航空事业的卓越贡献，美国将他的头像印在了45美分的邮票上（网络图）

“太空中除了星星还有什么呢？月亮上面为什么有的地方暗有的地方亮呢？金星、水星和火星是不是也像地球一样有自己的月亮呢？……”小兰利经常拉着哥哥约翰，扑闪着大眼睛问个没完。为了满足弟弟的好奇心，让他能够更加直观地了解天河，约翰帮助小兰利制作了一架简易的天文观测仪器。在这架不起眼的仪器帮助下，小兰利利用它找到了金星的位置，看到了月亮上的陨坑和月海（注一），他还发现了木星的卫星和土星外侧美妙的行星环。天空中绚烂的景象让小兰利兴奋不已，也进一步激发了他小小的身体里求知的欲望。

从野小子到大教授

从波士顿英文高中毕业后，兰利由于经济原因而没有进入大学。尽管他很擅长制造和操作机械，但他更想从事天文学方面的工作，可对于一个高中毕业的人而言，找到这样一份工作无疑是十分困难的。后来，兰利来到了美国西部，在那里他试图从事建筑方面的工作，并向建筑师和设计师们学习了机械和绘图技巧。然而一心惦念着蓝天的兰利最终很快便厌倦了建筑工作，他毅然回到了马萨诸塞州，重新拿起了天文望远镜。始终对头顶充满未知的苍穹充满了向往的兰利，凭借顽强的毅力，通过自学获得了渊博的天文学、物理学和航空学知识。1865年，他终于获得了哈佛大学天文台的助教职位，随后调任美国海军军官学校教授。

1978年上映的讲述莱特兄弟传奇故事的电影《基蒂霍克之风》，影片也同样赞扬了兰利的先驱性贡献（网络图）

两年后，兰利出任阿勒格尼（Allegheny）天文台首任台长，同时担任西宾夕法尼亚大学（现匹兹堡大学）的天文学教授。在一位名叫威廉·肖的匹兹堡商人资助下，兰利得以对天文台的设备进行更新，并购置了新型望远镜。正是在这台望远镜的帮助下，他利用所观测的天文数据，设计出一套精确的时间标准，即著名的阿勒格尼时间系统（注二）。

阿勒格尼天文台是世界著名的天文观测机构之一，兰利在天文学上的成就多数都是在这里完成的（网络图）

要说兰利在物理学上的贡献，那就不得不提他发明的测辐射热计了。这种仪器是他为了精准测量微量的热而发明的，它的灵敏度达到十万分之一摄氏度。兰利用自己发明的仪器，对光谱可见波段和红外波段的太阳辐射强度进行了详细测定，并首次将人类对太阳光谱的认知延展到了远红外区。测辐射热计不仅为地球太阳能辐射量的测量奠定了基础，同时也可安装于高空气球上以避开大气的影响，从而进行天文观测。如今兰利早已成为了物理学中的单位，人们为了纪念他在辐射测量方面的杰出成就，将每平方厘米1卡路里的辐射单位称为1兰利。

1881年兰利发表论文公布了他所发明的测辐射热计，这幅图便是该篇著名论文中给出的测辐射热计结构图（来源于兰利的论文）

年过半百投身航空，无人飞机初获成功

兰利凭借天文学上的成就而声名鹊起，先后获得了多个天体物理学奖项，但在五十多岁时他却决然地选择了投身航空。曾有人不解地问他：“兰利先生，您是从什么时候开始对飞行感兴趣的呢？”“从我记事的那一刻起。”兰利举目天宇，斩钉截铁地回答道。他先后开展了一系列以不同速度在空气中运动时飞机升力和阻力的试验，对空气动力学原理进行了深入研究，第一次解释了鸟类在空气中滑翔的原理。兰利还总结了倾斜平板的升力规律，提出了至今仍被学界沿用的升力计算公式。

1887年，兰利建造了一个旋转臂用于模拟风洞，并研制出更为庞大的飞机模型，这种飞机模型采用了微型蒸汽机进行驱动。他将一个1磅（约0.45千克）重的铜片通过弹簧固定在旋转臂上，他发现当铜片在空中保持悬浮时，弹簧的伸长量不足1盎司（约36微米），这使他意识到持续的动力飞行是可行的。几年后，兰利总结了数年间的研究成果，写成了《空气动力学试验》一书，这本书随后成为了重要的航空基础理论著作。

如今匹兹堡大学的展厅里依旧陈列着兰利的6号无人机模型（网络图）

从天文学转向航空事业的兰利，靠着勤奋钻研的精神和顽强不懈的努力，在很短时间内便取得了同样丰硕的成果，然而这些成果都还停留在对飞行理论进行探讨的层面。兰利显然并不满足，他并不仅仅想知道人类能不能飞，他迫切地想解决人类如何飞的问题。他立刻马不停蹄地着手建造飞机，他的目标只有一个：让人可以像鸟儿一样自由地翱翔天际。经过不断的试验和改进，1896年5月6日，兰利终于在华盛顿附近的波托马克河上迎来了成功。他的5号无人飞机模型从船上弹射起飞，在空中飞行了约1200米。这次的成功飞行将以往重于空气的飞行器的飞行距离提高了十倍以上，证明了重于空气的飞行器是可以获得足够的升力并实现持续稳定的飞行的，被认为是航空史上重于空气的飞行器进行的第一次持续动力飞行。半年后，兰利的6号无人模型机更是进一步将飞行距离提高到了1500米。

1896年5月6日，兰利在波托马克河上试飞的5号无人飞机模型（网络图)

暮年折戟，终留遗憾

两年后，美国和西班牙为争夺殖民地而发起战争，美国陆军部和史密松协会开始对兰利进行资助，以期能够研制出载人飞机。最初兰利和助手查尔斯·马修·曼利（Charles Matthews Manly）只进行飞机的总体设计和建造，而内燃机部分则委托给了制造商。然而当制造商将产品交到兰利手上时，兰利却皱起眉直摇头，他略感失望地对一旁的曼利说：“这根本无法满足飞机对动力和重量的要求！”作为一名优秀的机械师，曼利自信地告诉兰利：“兰利先生，我想我可以试试。”最终，曼利果然不负所望，成功解决了内燃机的设计与制造问题。曼利所设计的内燃机功率（约36.8kW）远大于莱特兄弟首架飞机所用的内燃机功率（约8.8kW），这让兰利大为欣慰。这一动力装置性能的提升也为其后航空史上动力持续飞行的发展做出了巨大贡献。

曼利（左）和兰利（右）（网络图）

解决了最为关键的动力问题后，在兰利和曼利的反复尝试之下，他们终于制造出了载人飞机。这架飞机具有前后串置的两对机翼，并拥有可以实现俯仰和偏航控制的尾翼，通过调整机翼间的二面角，使飞机基本保持水平飞行。纵然如此，这架飞机却有着致命的缺陷，它只能在没有大风的环境下飞行，而且需要弹射器辅助其起飞。更为糟糕的是，由于没有起落架，在飞行结束后飞机只能降落在波托马克河中，这就使得飞行员的安全难以得到保证，而每完成一次飞行试验后都要对飞机进行大规模的维修。1903年，在经历了两次严重的坠机事故后，日渐年迈的兰利不得不终止了自己研制载人飞机的计划。此后的波托马克河边，人们再也看不到那个怀揣着飞行梦想的垂垂老者了，黄昏下的河水拍打着堤岸，似乎在怀念曾经不时响起的轰鸣声。

1903年的波托马克河上，兰利设计的载人飞机安装在船上的发射架上等待发射（网络图）

1903年10月7日，兰利的载人飞机刚一发射便一头栽入河中（网络图）

当得知政府花费巨资支持的项目无果而终时，批评的声浪纷至沓来。美国著名的天文学家、数学家西蒙·纽科姆（Simon Newcomb）曾说：“靠比空气重的机械飞行，即使并非绝对不可能，至少也是不现实的。”当时《纽约时报》的一篇文章对兰利的讥讽则更为尖刻，其中这样写道：“我们不希望兰利教授再耗费时间和金钱了，飞机的试验，是个伪科学。”在指责兰利将公众的钱白白扔到河里的同时，这篇文章还叫嚣，即使再过一千年，人类也飞不起来。然而讽刺的是，在这篇文章发表仅9天之后，莱特兄弟便第一次实现了载人飞行，而他们所依据的正是兰利的飞行理论。那一刻的兰利，或许也有“雪满山城鸦去尽，独留老鹤守残梅”的喟叹吧。

1914年柯蒂斯对兰利的最后一架载人飞机进行了改进，并成功飞上蓝天（网络图）

三年后兰利在南卡罗来纳州去世，他终生未娶，将宝贵的一生都奉献给了人类认知苍穹和追寻飞行的征程上。尽管兰利并未实现载人飞行的夙愿，但他提出的飞行理论是毋庸置疑的，他在飞机设计方面的探索也给后来者提供了宝贵的经验和启迪。失败者同样获得了人们的尊敬，如今兰利的名字依旧在美国国家航空航天局兰利研究中心大放异彩！

美国国家航空航天局兰利研究中心外景（来源于兰利研究中心官网）

人物小档案：

塞缪尔·皮尔庞特·兰利（1834.08.22 - 1906.02.27），美国著名天文学家、物理学家和航空领域先驱。毕业于波士顿英文高中，凭借自学获得渊博的天文学、物理学和航空学知识，先后在哈佛大学天文台、美国海军军官学校和西宾夕法尼亚大学任教。设计了著名的阿勒格尼时间系统，并发明了测辐射热计，对天体物理学做出了突出贡献。晚年投身于航空事业，第一次解释了鸟类在空气中滑翔的原理，总结了倾斜平板的升力规律，为后来人类实现动力飞行奠定了重要的理论基础。

注一：

月海，即用肉眼遥望月球时所看到的黑暗色斑块，其实是月球表面比较低洼的平原，并不含水。目前人类已经确定的月海共有22个，其中绝大多数分布在月球正对地球的一面

注二：

阿勒格尼时间系统（Allegheny Time System），兰利根据天文观测结果提出的一套精确的时间标准。这套时间标准采用了时区的概念，1868年开始由阿勒格尼天文台进行播报，最初仅在阿勒格尼城的商业和宾夕法尼亚州的铁路业试用，后来被美国和加拿大的所有铁路业采用。在此之前，北美的每条铁路都有独自的计时方式，并无统一的计时标准，在时间管理上较为混乱。

参考资料详目：

1. 《空天飞行导论》，（美）John D. Anderson著，国防工业出版社2014年版

2. 《威尔逊讲大科学家：世界著名科学家的生活和发明》，（美）Grove Wilson著，新世界出版社2011年版

历史上自学成才的名人有哪些

欧阳修（1007－1073）

1007年出生于江西吉安县。他四岁时父亲就去世了。母亲为了欧阳修长大能重振家业，对他教育很严格。母亲为节俭开支，用芦苇、木炭做笔，在沙地上写字，教欧阳修认字。两年后，他6岁就已经认识几千个字。后来他母亲没什么可教他的了，他只能自学。他借人家的书，在规定的日期内把书抄完，还给人家。书抄完后再背诵。他10岁时就能写诗了。后来有很多人都来让他教自己的孩子。他长大后对中国文学做出了出色的贡献。成为北宋时期政治家、文学家、史学家和诗人。与韩愈、柳宗元、宋王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。仁宗时，累擢知制诰、翰林学士；英宗，官至枢密副使、参知政事；神宗朝，迁兵部尚书，以太子少师致仕。卒谥文忠。其于政治和文学方面都主张革新，既是范仲淹庆历新政的支持者，也是北宋诗文革新运动的领导者。又喜奖掖后进，苏轼兄弟及曾巩、王安石皆出其门下。
他的创作实绩亦灿烂可观，诗、词、散文均为一时之冠。散文说理畅达，抒情委婉；诗风与散文近似，重气势而能流畅自然；其词深婉清丽，承袭南唐余风。在滁州时，自号醉翁。晚年自号六一居士，曰：吾《集古录》一千卷，藏书一万卷，有琴一张，有棋一局，而常置酒一壶，吾老於其间，是为六一。
欧公一代儒宗，风流自命。词章窈眇，世所矜式。乃小人或作艳曲，谬为公词。欧阳修曾与宋祁合修《新唐书》，并独撰《新五代史》。有《欧阳文忠公文集》。诗歌《踏莎行》。并著作著名的《醉翁亭记》。欧阳文忠公近体乐府：欧阳修一生著述繁富，成绩斐然。除文学外，经学研究《诗》、《易》、《春秋》,能不拘守前人之说，有独到见解；金石学为开辟之功，编辑和整理了周代至隋唐的金石器物、铭文碑刻上千，并撰写成《集古录跋尾》十卷四百多篇，简称《集古录》，是今存最早的金石学著作。

莎士比亚(1564-1616)

诞生于英国一个内地城镇艾冯河畔斯特拉福。他父亲原是个富裕的小商人，经营玉米、肉类、皮革等买卖，后来因亏本负债，境况日下，莎士比亚在青少年时代没有受过什么系统的教育。他曾经在镇上的文法学校念过书，学了一点皮毛的拉丁文和希腊文。此后他到了伦敦，先在某家剧团里干些杂活，后来参加演出，颇显才华。最后，他自己拿起笔写剧本。那些所谓“文学才子”们根本看不起这位从演员出身的剧作家，说他是“新抖起来的乌鸦”。而莎士比亚并不气馁，更加发奋，大约在他二十八岁左右，就已经取得文学创作的成功了。他几乎每年都要出一两本杰作，目前出版的他的全集中，共有三十八个剧本。作者的这种百科全书般的知识，是怎么得来的呢?
这主要是他具有丰富的生活实践和勤于学习马罗等前辈戏剧大师们的技巧以及当时的客观条件，终于使他成为人类文艺史上的一座高峰。

富兰克林(1706-1790)

十八世纪美国杰出的科学家，避雷针的发明者。他出生在一个贫寒的商人家里，自小没有正式读过书。他除了在电学方面有突出贡献之外，在热学、光学、气象、地质、海洋、声学和太阳黑子方面也有研究、贡献和发明。他的著作和发明具有一个共同的特色:确信科学应该用以改善人类生活，增进人类对环境的认识和控制。富兰克林著作甚丰，最有名的是他的自传。他是1956年世界和平理事会号召纪念的世界文化名人之一。

恩格斯(1820-1895)

马克思主义的创造人之一，全世界无产阶级的伟大导师。恩格斯的父亲是纺织厂主，1837年，恩格斯中学还没有毕业，就被父亲逼迫去经商。他只读过中学，但善于利用时间，卓有成效地学习，二十一岁时发表论文，批判同时代著名的哲学家谢林。他系统地攻读和钻研了人类所提供的广博渊深的知识，几乎涉及和研究了所有的科学部门，并在许多领域取得了惊人的成就，甚至解决了自然科学的一些领域里的难题，成为一位伟大的无产阶级哲学家、经济学家、军事家、语言学家、文学家、史学家和自然科学家。

齐奥尔科夫斯基(1857-1935)

俄国数学家和物理学家，液体燃料火箭的创始者。十四岁开始自修文学和自然科学。1880年起在卡鲁格省巴罗夫县学校里当数学教员，一面继续自修，研究天文学、生物学和化学，并且特别努力研究航空科学。1895年，他发表了人造卫星的图样，提出以人造卫星为宇宙航行的中途基地向月球和其他星球发射火箭的主张，并科学地论证了借助火箭实现宇宙飞行的可能性。1903年，他发表的重要著作《以喷气装置探测宇宙空间》，解决了关于火箭在太空中不受地心引力与介质阻力的影响而运动的问题，并创立了计算火箭速度的著名公式。

米丘林(1855-1935)

苏联著名生物学家。十六岁时，还没有读完中学，就被生活所迫，到车站做职员。二十岁时从事园艺研究工作，致力于果木移接的试验。他发现果木在一定环境条件下可以改变品质，并产生新的品种，因此可以使热带果木在寒带生长。他先后创造了三百多种优良的植物品种。他创造性地发展了达尔文主义，把生物学推向一个新的阶段——米丘林生物学。

比埃尔·居里(1859-1906) 　　

法国著名物理学家。他没有正式进过学校，由于努力自修，十八岁时便考得了巴黎大学的硕士学位，十九岁任巴黎大学助教。1889-1891年，发明了在化学分析的应用上很宝贵的“居里天平”，1895年发现了磁性和温度的关系，即有名的“居里定律”。在法国物理学家贝克勒尔发现铀的化合物具有放射性的基础上，居里夫妇继续研究，终于在1898年七月发现了钋，同年十二月发现了镭，从而他们和贝克勒尔共同获得1903年的诺贝尔物理奖金。居里夫妇的科学成果，特别是镭的发现，为人类带来了幸福。由于镭的发现，开始了镭锭治疗肿瘤，进一步又发现了镭能够自发地产生热量，从而揭开了原子能的秘密。1904年，居里被任命为巴黎大学教授，次年又当选为法国科学院院士。

易卜生(1828-1906)

近代欧洲伟大的剧作家之一。幼年因家庭破产，做过药房学徒，经刻苦自修，到二十岁从事创作活动。因写剧本讽刺当时社会，遭到攻击，1864年离开祖国，在国外流浪了二十七年至1891年才回国。易卜生写了二十二个剧本，以《社会栋梁》、《傀儡家庭》、《群鬼》、《国民公敌》等最为著名。

爱迪生(1847-1931)

美国大发明家。他出生在一个贫穷的农民家庭，六岁时就参加田野劳动，只在小学里读过三个月书，因成绩不好退学。他自小对实验特别喜欢。因生活所迫，十二岁时开始在火车上实报，十五岁后就在各城市里当电报员。业余不断研究实验，1879年，他改进制造了碳丝白热电灯。他在五十多年的辛勤劳动中，著名的发明有电报自动记录器、扩音器、活动电影机、留声机等，对科学做出了极大的贡献。

诺 贝尔 (1833-1896)

生于瑞典首都斯德哥尔摩机械师墨纽·诺

贝尔家里。诺贝尔八岁才上小学，只读了两年书便辍学了，在家靠一个家庭教师辅导数理化，此外就是跟着父亲在工厂里做些零星活儿。到十七岁那年(1850年)，诺贝尔便以工程师名义远渡重洋，来到美国，在名声显赫的艾利逊工程师的工场里实习。他勤奋学习，刻苦自修，学到了许多新知识。经过种种艰难曲折，他终于在1887年制成了无烟火药，广泛地应用于工业、国防方面。随后，他研究引燃炸药的信管，又制成了一触即发的汞雷酸盐导火管，即常说的雷管。诺贝尔一生献身科学，孜孜不倦，一生共取得三百五十五项发明制造的专利权。

罗丹 (1840-1917)

法国现实主义大雕刻家。他生于巴黎一个小职员家中。幼时非常喜欢绘画，曾因专心绘画而荒废别的功课，被普通小学开除。十七岁时投考高等美术专门学校，两次未考中。后来他受雇于雕刻家做助手，经过长期的苦学自修，终成为一大家。他的作品以形态逼真、描摩生动著名，其代表作品有《雨果半身像》、《思想者》、《黄铜时代的人》、《夏娃》等。

比尔·盖茨

比尔·盖茨，出生于美国西北角的西雅图市。比尔从小就精力过人，从小就极爱思考，一迷上某事便能全身心投入。从外祖母循循善诱的启蒙教育到父母不辞辛苦地为比尔·盖茨寻找适合他天分发展的社团与学校，无不为他天赋的发展提供了肥沃的土壤、清新的空气。
外祖母特别喜欢和聪明的小比尔一起做游戏，尤其是涉及一些智力的游戏。她教少年比尔下跳棋、玩筹码，还有打桥牌等她所喜欢玩的东西。玩游红时，外祖母总爱对小比尔说：“使劲想！使劲想！”她也常常为比尔下一步好棋、打一张好牌而拍手叫好，外祖母还常常让比尔·盖茨读书，给他讲故事，比尔·盖茨从中受益匪浅。他在外祖母的帮助与指导下，成了兴趣广泛、废寝忘食的读者——读书成了他打发精力的好方式。他十分喜欢他家附近一个图书馆举行的夏季阅读比赛，他总得男孩中的第一，偶尔也会勇夺总冠军。外祖母意识到比尔·盖茨在思维与记忆上的潜力，她总是不失时机地激活比尔这方面的潜能，有时祖孙俩到公园散步，外祖母常会与比尔·盖茨交流下棋的技术或看某篇佳作，让比尔寻找更新下法或表达更独到精辟的见解。
比尔·盖茨的父母也十分关注孩子的成长。他们在质朴的处世方式中，更多地关心孩子的成长与教育，他们在工作之余总是尽可能地与孩子们呆在一起。一家人不断地进行各种游戏，从棋类到拼图比赛，几乎所有的益智游戏。随着儿子年龄的增长，家庭中的环境已无法满足比尔·盖茨天赋的进一步发挥。小比尔有时会责备母亲智力不足呢！于是，父母把目光投向社会，积极为比尔寻找属于他的空间。在湖滨中学，比尔痴迷上令他今后倾注毕生精力的计算机。
中学毕业后，比尔·盖茨很想到哈佛大学去读书，这也正是父母们最大的心愿。幸好，比尔·盖茨的父母并没有像其他父母那样把孩子看做自己的私产，必须让孩子们来完成父母喜欢的事。经过冷静思考后，父母放弃了让儿子当律师的想法，让比尔·盖茨在大学领域里自由发展。这一点帮了比尔·盖茨的大忙。但一年后，更大的难题摆在了比尔·盖茨的父母面前：比尔·盖茨要离开哈佛，放弃锦秀学业，与别人一起创办计算机公司！

比尔与父母多次交谈，平静地表达了自己的想法。了解儿子秉性和志向的父母又能说什么呢！或许儿子的天赋与计算机事业是最佳的切合点吧！比尔·盖茨便毅然离开了令亿万学子向往的哈佛大学，开始在软件领域大展鸿图。
很显然，比尔·盖茨的成功是个人天赋与家庭教育共同作用的结果。比尔的事例告诉我们：其一，我们应不断激活孩子的天赋，注重对孩子天赋的培养与保护。其二，培养孩子的专注能力十分重要。

数学家 华罗庚

1910年，华罗庚出生在江苏省的一个小县城——金坛。他小时候，家中清贫，父亲在小镇上开了个小杂货铺，代人收购蚕丝，一家人过着半饥不饱的生活。华罗庚上初中时，对数学产生了特殊的兴趣，他的老师王维克很器重这个聪明机灵的少年，常常单独辅导他，给他出一些难题做，这使少年华罗庚得益匪浅。华罗庚在金坛中学念完初中后，因家里无力再供他上学，只得辍学到父亲的小杂货店里帮助料理店务。可这位酷爱数学的年青人，人虽然守在柜台前，心里经常琢磨的还是数学。王维克老师借给他几本数学教材：一本大代数，一本解析几何，一本微积分。华罗庚便跟着这几位不会说话的老师步入了高等数学的大门。
华罗庚18岁那年，在王维克老师的帮助下，到金坛中学当了一名会计兼管学校事务工作。他曾回忆当时艰难的生活：“除了学校里繁重的事务外，早晚还要帮助料理小店的事务。每天晚上大约8点钟才能回家。清理好小店的帐目之后，才能钻研数学，常常到深夜。”　不久，金坛县流行伤寒，华罗庚不幸染病，卧床半年。后来病慢慢好了，可是左脚却弯曲变形，落了个跛足的终身残疾。　华罗庚在贫病之中刻苦自学，不但读了许多书，而且还勤于独立思考，敢于向权威挑战。19岁那年，他发觉一位大学教授的论文写错了。便把自己的看法写成一篇文章，题目叫《苏家驹之代数的五次方程式解不能成立之理由》，于次年发表在上海的《科学》杂志上。随后，华罗庚又连续发表了几篇数学论文，署名“金坛人”。
这个在数学论坛上崭露头角的“金坛人”，引起了清华大学数学系主任熊庆来教授的注意。当他打听到这个数学奇才原来是个只读过初中的小青年时，深为震惊，便写信邀华罗庚来当时北平的清华大学数学系当管理员。
到清华后，华罗庚的进步更快了。他自学了英语、德语。24岁时，已能用英文写作数学论文。25岁时，他的论文已引起国外数学界的注意。28岁时，他当上了西南联大教授。后来，他又被熊庆来教授推荐到英国剑桥大学去深造。
在走过坎坷的自学之路后，他成了世界著名的数学大师，国外数学界这样评价他：“华罗庚教授的研究著作范围之广，足可使他堪称为世界上名列前茅的数学家之一”。40年代后期，华罗庚应美国伊利诺斯大学之聘，在那里当教授。　　1950年的一天，这位已担任了中国科学院数学研究所所长的著名教授，在填写户口簿时，在“文化程度”一栏里写了“初中毕业”4个字。这虽然使许多人惊讶不已，却是事实：他的的确确只有一张初中毕业证书。这位数学大师的数学知识，几乎都是通过自学获得的！
1983年10月，华罗庚重游美国，接受了美国科学院外籍院士的荣誉称号。这是美国科学院120年历史上第一次把这个荣誉称号授予一位中国科学家。美国科学院院长在向华罗庚致赞词的时候说：“他是一个自学出身的人，但他教育了千百万的人们。”

赫胥黎 （1825～1895） , 英国博物学家，

赫胥黎曾任英国科学促进协会主席，
伦敦大学校长。终身从事自然科学研究， 积极宣传和扞卫达尔文的进化论学说，是第一个提出人类起源问题的学者。他生於英国伦敦西部的伊林， 8
岁时开始上学读书。由于家境贫寒，赫胥黎只读了两年书就停学了。但是他爱好学习，每天坚持自学， 在他自己制订的教育课程表上，
只留下了一个项目：阅读。赫胥黎读书非常刻苦， 每天天不亮就起床读书。因为家里穷， 没钱买书桌，
赫胥黎就点起一支蜡烛，将毛毯披在肩上，然后坐在床上读书。赫胥黎学习兴趣相当广泛， 对什么都感兴趣。开始时想学土木工程， 又想搞桥梁建筑；
后来又转到了医学方面，跟父亲的一个朋友专门学医。由于他聪明好学，很快就掌握了一些医学知识。但是当他想进外科学院进修深造时，
因为年龄小，未能如愿。赫胥黎求知欲非常旺盛， 学习上永不满足， 他在工作之余，又自学了法、德、意、拉丁和希腊等语言，成为一个自学成才的伟大学者。

在赫胥黎21岁时，
他以海军军医的身份作了他一生中最有意义的第一次冒险远航，根据远航的见闻和研究成果，他发表了论文－－《关於水母的解剖学》，
受到了科学界的高度赞扬， 并获得了皇家奖章，
被选为皇家学会会员。从此以后，赫胥黎迈开了更大的步伐。接着发表了一系列专着和论文，很快成为当时英国的一个最年轻、最有希望的科学家。在达尔文发表《物种起源》一书后，他竭力支持和宣传进化学说。为了保卫达尔文的学说，
赫胥黎在以后的30年间， 改变了自己的学术研究方向， 转而研究脊椎动物化石

达尔文的“自学”：向大自然学习

1809年2月12日，达尔文出生在英国塞文河畔的希鲁兹伯里小镇上。他的父亲罗伯特.达尔文是当地名医。他的祖父伊拉兹马列斯.达尔文也是位名医，对于生物学的研究极有兴趣，并且还是个提倡生物进化观念的先驱者。
达尔文可能受他祖父的影响，从小爱好自然。他在很小的时候就想知道各种树木的名称，从10岁开始又搜集各种昆虫、贝壳、鸟蛋和矿石。他对学校里教条式的课程几乎不感兴趣，就和哥哥一起做化学实验，读课外书。有一本名为《世界奇观》的书，描述了古代七大奇观，深深地吸引了他，使他做梦都想到那遥远的地方去亲眼看一看古代的奇迹，以及现有的珍贵植物。
16岁那年，达尔文和他哥哥一起进爱丁堡大学学习医学．但是，他对医学毫无兴趣，只读了两年就转学了．在两年里，他自己研究动植物学，和几个志同道合的青年经常去潮水退落的沙滩上拣取动物，有时候就一起进行解剖。在暑假里，达尔文和朋友们去旅行和打猎，使他进一步学会了观察和搜集动植物的本领。
达尔文父亲不理解自己的儿子，认为他不好好学医却终日游手好闲，不求上进，将来一事无成，会给家里丢脸，就让他进了剑桥大学基督学院，使他戴上了神学的枷锁。可是，达尔文没有沿着神学的道路走到底。在剑桥大学期间，他巧遇“伯乐”——有名的植物学教授亨斯洛。亨斯洛精通植物学、昆虫学、化学、矿物学和地质学，长期不断地观察和研究自然。达尔文正是由于他的帮助和指导，才成为一个真正的自然科学家。
在剑桥大学的最后一年里，有两件事大大地影响了年轻的达尔文。一是他读了两部书：德国自然科学家洪堡著的《南美旅行记》，以及英国天文学家约翰·赫歇耳著的《自然哲学人门》。这两部著作激起了达尔文火一般的热情，他很希望自己能在自然科学的宏大建筑上添加一砖一瓦。另一件事是，亨斯洛教授因势利导，鼓励达尔文努力钻研地质学。达尔文听从他的意见，读了好几本地质学著作，并且在短时期内考察了家乡附近的地质情况，绘制了一套彩色地图。
达尔文快毕业时，亨斯洛介绍他跟随剑桥大学地质学教授塞奇威克去北威尔士旅行，考察了那里的古岩层地质。在这次旅行考察中，达尔文学会了发掘和鉴定化石，学会了整理和分析科学调查的材料，并且总结出一条十分有益的经验：某些现象如不注意观察，即使有显著的特征也极容易被忽略掉。后来的事实证明，物种的起源和进化，就是一个显著而历来被人们所忽略的现象。
达尔文的成才走的是一条独特的道路。他虽然受过正规的大学教育，但是他“所学到的任何有价值的东西都是从自学中得来的。”这里所说的自学，首先的和主要的就是向大自然学习。

国学大师梁漱溟

与同在19世纪90年代出生的文化大师们，如陈寅恪、胡适、赵元任、顾颉刚、冯友兰、金岳霖、傅斯年、朱光潜等人比较起来，梁漱溟的成才之路较为独特。陈寅恪、胡适等人皆受过大学教育，且多有留学经历，而梁漱溟的最高学历仅为中学。他自己评价说："像我这样，以一个中学生而后来任大学讲席者，固然多半出于自学。"（《梁漱溟自传》，江苏文艺出版社）"所有今日的我，皆由自学得来。"（同上书）从19世纪末到今天，天资聪颖，入北大、清华等名校深造，受名师指点数载的莘莘学子不知有多少，但能够成为文化大师者，大约难及百分之一；而天资平平（梁漱溟6岁时还不会穿有背带的裤子，读小学时的课业成绩一直在中等以下）的梁漱溟竟能凭借自学而成为出入乎百家，在哲学、佛学、政治学、经济学诸多领域皆有建树的著名学者，实属奇迹。那么，梁漱溟的自学有没有值得今天志于学的人学习借鉴的地方呢？

其一是持之以恒。很早就听过一个传说，古希腊那位最有智慧、为追求真理而死的圣人苏格拉底曾开馆授徒。开学第一天，他对所有的学生说：今天只学一件最简单最容易的事，每人将胳膊尽量往前甩，再尽量往后甩，直到300次，以后每天也要这样做。当时学生们都笑了，都甩了至少300次。一个月后，苏格拉底问，有多少人在做甩胳膊300次的动作？90％的学生都举起了手；半年后，苏格拉底又问，有50％的学生举起了手；一年后，苏格拉底再问，则只有一个人举起了手--这个人就是古希腊历史上与乃师齐名的柏拉图。甩胳膊人人都会，每天甩300次胳膊也是一件极容易的事情，但难就难在坚持下去。柏拉图坚持甩胳膊的传说，无非是说明坚持、执着对于成功的重要性。梁漱溟的自学也同样印证了这个道理。他从八九岁开始自学，直至九十五岁高龄辞世，近90年间，一直以书籍为友，以报刊为伴，特别是在奠定其学问基础的青少年时期，梁漱溟生更是孜孜矻矻于自学，无一日间断。当时，他读书看报已经成瘾，以至于"每日不看报，则无异于未曾吃饭饮水。"（同上书）读书读到有这种感受，岂有不坚持下去之理？而一旦坚持下去，离王国维先生所言的"众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处"的境界，也就不会太远了。

其二是为解决问题而学习。梁漱溟曾多次申明：自己不是学问中人，而是问题中人；自己在哲学、佛学、政治学、经济学等方面的知识，是由于问题逼出来的。否认自己是学问家，那是梁漱溟的谦虚或偏好；但梁漱溟说自己的知识（在我们眼里就是高深的学问）源于问题，却是实实在在的。梁漱溟自小就长于思考，一思考就发现许许多多的人生、社会问题。他又是一个处世极其认真之人，凡是在其心目中成为问题的，他都不会忽略过去，总是极力找寻问题的答案。为了找到令自己满意的关于人生、社会问题的答案，梁漱溟就大量地阅读哲学、佛学、政治学、经济学等方面的书刊，参考别人的意见，琢磨出自己的思想。

其三是博采众家之长。在文化领域，能够被誉为大师的人物，其思想观点必有一定的深度和独特性，泛泛而谈，与他人唱同一个调子者，成不了大师。而大师们深刻、独特的见解不是坐在屋里凭空想出来的，他们的思想火花需要前人、他人观点的启发、碰撞，一般而言，在创造文化成果时，大师们都像蜜蜂采花、酿蜜一样，采得许多朵鲜花，才能酿出一小滴甘甜的蜜。梁漱溟的自学成才也不例外。据梁漱溟自己回忆，他中学时每天必读的报刊有好几种，其中既有中国人主办的，也有外国人主办的；既有拥护改良的文字，也有鼓吹革命的篇章；读书时，无论是佛家的经书还是儒家的典籍，也无论是经济类的读本还是政治类的著述，只要认为和自己所思考的人生、社会诸多问题相关，他都尽可能地去研读，并于研读中进行比较、借鉴，然后，再得出自己关于人生、社会问题的结论。于是，他的《究元决疑论》、《东西文化及其哲学》、《中国文化要义》、《人心与人生》等著作相继问世，他的文化大师的地位，也因此而确立。

地球上的能量是怎样守恒的!!

(1)热力学第一定律产生的历史背景
1.蒸汽机的早期发展

瓦特蒸汽机示意图
1—锅炉 2—汽缸 3—活塞
4—双向进、排气管 5—废气冷凝器
6—排汽抽气泵 7—冰水池 8—摇杆
热力学第一定律就是能量守恒与转化定律。它的诞生是以一定的社会物质生产条件为前提的 。蒸汽机的诞生与改进以及广泛地应用，对蒸汽机中能量转换问题的探讨，是人们能向量守 恒原理的重要桥梁之一。
很早以前，人们就知道了热和蒸汽能产生动力，在我国古代和古希腊曾出现过把热能转化为 机械能的小型装置。我国流传至今的“走马灯”也是古代的创造发明。
到了16、17世纪，已是资本主义的萌芽时期，煤作为廉价、高效的热粒被广泛地应用、
促进了煤矿业的发展，为了解决矿业中的排水问题，提出了蒸气动力要求。
到1690年，法国人丹尼斯•巴本(1647—1712)在德国制成了第一个有活塞和汽缸的
实验性蒸 汽机。这部机器是在莱布尼兹思想的启发下设计出来的，可以说它是近代蒸汽机的雏形。
1696年英国的工程师托马斯•萨弗里(1650—1715)提出一种被称为“矿工之友”的蒸汽水泵
，用于矿井抽水。
1705年，英国的纽可门(1663—1729)，综合了巴本和萨弗里发明的优点，创造了大气压力式
蒸汽机，并于1712年开始在全国的煤矿和金属矿中得到应用。
对蒸汽机改进做出量大贡献的是英国的詹姆斯•瓦特(1736—1819)。瓦特在他父亲的熏陶下 逐步具备了机器制造的才能。后来瓦特在格拉斯哥大学开设的一间修理店当了一名修理技工 。他修理了许多纽可门蒸汽机，由此对蒸汽动力产生了浓厚的兴趣。他于1759年开始进行一 系列有关蒸汽力量的实验。1763年他在布莱克教授的帮助下，发现纽可门蒸汽机有相当大的 热量浪费，原因是活塞每次冲击后被冷却时，汽缸和活塞也同时被冷却了，然后为了下一次 的冲击，它们还必须重新被加热。他根据布莱克教授的“比热”和潜热理论计算了各个引擎 的耗热量。在布莱克的启发下，瓦特开始寻找一个克服这个缺陷的办法。瓦特经历多次失败 后，终于在1769年制成了一台“单动式”蒸汽机。它比功率相同的纽可门机省煤四分之三左 右。1872年，瓦特又制成了双向作用的蒸汽机。后来瓦特利用一种特殊形式的齿轮传动机构，把活塞的直线运动转变为旋转运动，使这种动力机有了广泛的用途。
1784年蒸汽机进入大规模的生产时代。蒸汽技术的成就，为热能转化为机械运动做出了令人信服的证明，从古代发现的摩擦生热开始到蒸汽机的出现，热与机械运动的转化完成了一个循环。因此，蒸汽机的发明和应用，为能量守恒原理的确立提供了一个重要前提。
2.永动机的失败
各种机械装置的成功设计吸引了一大批人，许多人花费大量的心血去研究永动机。而永动机之不可能实现，是认识能量守恒原理的另一条途径。

亨内考“永动机”

所谓“永动机”是一种理想的机器，即不断自动做功，而不需任何动力或燃料及其他供给品 。在这种幻想指导下，曾经有许多人提出了多种多样的所谓永动机的设计，如早期最著名的 一个永动机方案，是十三世纪一个名叫亨内考的法国人提出的，后来意大利的列奥纳多•达 •芬奇也创造了一个类似的装置。到16世纪70年代意大利的一位机械师斯托利达•斯特尔 又 提出了一个永动机设计方案。
此外人们还提出过用轮子的惯性、水的浮力、细管子的毛细作用等,
获得有效动力的种种永动 机方案，但都无一例外地失败了。在1775年法国科学院不得不作出决议，
声明“本科学院以 后不再审查有关永动机的一切方案”。这说明当时的科学界已经认识到永动机是不可能制造成的。

列奥纳多•达•芬奇的装置
造永动机的失败，从反面显示出自然界存在着某种制约着人们的普遍规律想不付出代价而从 自然界中取出可供利用的有效动力是不可能的，人们只能根据各种自然力相互转化的具体条件，付出一定代价而有效地利用自然界提供的各种能源。德国的著名物理学家和生物学家赫尔姆霍兹，就是从永动机不可能实现的事实入手，研究并发现了能量守恒原理的。
3.有关知识的准备
热力学第一定律得需要的基本概念，在很早以前就逐步形成。1686年莱布尼兹根据落体定律 ，在机械运动范围内引

斯特尔“永动机”
1—水槽 2—水轮 3—蓄水池
4—螺旋汲水器 5—带动工具机
进了“活力”概念，把mv2看作是运动的量度，即现在所 说的动能。能量的概念是托马斯•杨在1807年发表的著作《自然哲学讲义》中第一次提出的。伽利略所用“力矩”的概念，常含有力和路程乘积的意义。1829年彭塞利(1788—1867)在《技术力学引言》一书中，坚决支持“功”这一术语；瓦特进行了马的能力和机器的比较而定出了功率的单位。1834年—1835年间，英国的哈密顿在《论动力学的一般方法》一文中，提出了哈密顿原理，引了新的“力函数”，以表示只与相互作用着的粒子的位置有关的力 ，在保守力场中
的哈密顿函数正是系统的总机械能。1828年格林建立了“位函数”的数学关系线，
并应用于静电学和静磁学问题。到了19世纪40年代，高斯的工作使位函数得到了普遍
应用，这样热力学第一定律所需要的基本概念在19世纪40年代以前已经齐备了。
关于能量守恒的思想还能追溯到很早以前。1633年出版的伽利略的《关于力学和
局部运动的两门新科学的讨论和数学证明》的论文中，通过萨尔蒂等三人的谈话，对
匀加速运动进行了定量的研究，其中包括自由落体和物体在斜面上的运动，记载有“物体在人落过程中所达到的速度，能使它跳回到原来的高度，但不会更高。”
惠更斯1673年发表的题为《摆式时钟或关于用在时钟上摆的运动的几何证明》一书中讨论了摆的运动规律，写道：“在重力作用下物体不能上升到高于它自由落下的高度，这已包含了重力场中机械能守恒的思想。”1669年惠更斯通过完全弹性碰撞的研究，认识到各个物体的质量与速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变，这实际上是发现了完全弹性碰撞中的动能守恒定律。
莱布尼兹在1695年，作出了能量守恒原理的表述：力和路程的乘积等于“活力”的增加。
约翰•伯努利(1667—1748)也一再谈到“活力守恒”。他说“活力消失时做功的本领并不消失，只是转变为其他形式”。而丹尼尔•伯努利(1770—1782)实际上把“活力守恒”原理应 用于流体的运动，得到著名的“伯努利”方程。
欧拉也已经知道，如果一个质点在有心力作用下运动，当质点和吸引中心达到个确定的距离时，其活力都是相同的。到了1800年人们已有下述命题：在一个彼此以有心力作用的系统内，活力仅仅取决于系统的位形和取决于位形的力函数。
1829年，彭塞利也提出了在力学过程中的能量守恒原理：“功的代数和的两倍等于活力的和，在任何时候不能从无中产生功和活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成为无。”
当然，上述这些论断还不能算作是对机械能守恒定律的明确表述，但从中包含能量守恒的意义，也为“定律的最后建立奠定了基础。
4.联系和转化的新发现
在18世纪，对各种物理现象进行了分门别类的研究，促进了各分支的发展，但没有注意它们之间相互联系。到18世纪末19世纪初，自然科学取得了一系列重大发现，日益揭示出各自然现象之间的普遍联系已成为这一时期的明显特点。这可以从下面几个方面来说明。
(1)机械运动和热运动之间的联系
18世纪最后两年伦福德和戴维所做的摩擦生热实验，热功当量的粗略测定，表明了机械运动向热的转化。热力机的发明和改进又把热能转化为机械能，从而使这一转化过程完成了循环 。卡诺关于热机效率的研究也触及到了“热功当量”的问题。
(2)热和电之间的转化
1821年德国物理学家托马斯•塞贝克(1770—1831)发现，在两种不同金属的一个接点处加热，就会产生电动热；如果电路是闭合的，就会有电流通过，这就是温差电现象。焦耳和楞次分别在1840和1842年发现了电流的热效应，这就是今天所说的焦耳—楞次定律。
(3)电与磁之间的相互联系和转化
1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第找到了它的逆效应即电磁感应现象。揭示了电与磁的内在关系，完成了二者之间相互转化的循环。
(4)化学和生物方面的研究
拉瓦锡和拉普拉斯早已了解到化学反应的热效应的重要性。他们证明了反应过程放出的热量等于它的逆反应所吸收的热量。在18世纪末伏打发明了电池，又用它去电解水和硫酸铜，了解了电和化学的关系。德国的化学家李比希(1803—1873)则设想运动的体热和它的机械活动能量，可能来自食物的化学能。1840年彼得堡科学院的黑斯得到化学反应中释放的热量的黑斯定律，已接触到了化学反应过程中的能量守恒原理。
此外，在1801年，德国的李特尔发现了太阳光线中的紫外线之后，研究了紫外线的化学作用；1839年法国的E•A•贝克勒尔发现光照射稀酸液中的金属极，能够改变由电池的电动势；1845年法拉第发现强磁场使光的偏振面发生偏转。这些现象从各个侧面表现出不同运动形式 之间的联系和转化。
由于各种自然现象之间的普遍联系得到了广泛的研究，所以这一时期的科学家是从“自然力之统一”这一观点出发来看待各种能量相互转化的整个网络的。正是在这种自然科学观影响 下，西欧的四五个国家，从事七八种专业的多位科学家分别用不同的实验和方法各自独立地 计算和测定了热功当量，发现了能量守恒与转化定律。
(2)几个科学家的工作
在物理学史上，正式发表论文，提出能量守恒与转化定律是从1842年开始的，主要是由迈尔 、焦耳和赫尔姆霍兹等人提出的。
1.迈尔的工作
伯特•迈尔(1814—1878)是德国医生，他出生在一个药剂师的家庭，中学毕业后，进图比亨 大学主攻化学。结识了数学家、物理学家巴乌尔，由他介绍，了解到拉瓦锡的燃烧理论。1840年，迈尔在一艘从荷兰驶往东印度的船上当医生。在船驶到爪哇附近时，他在给生病的欧 洲船员放血时发现静脉血不像生活在温带人的血那样颜色发暗，而像动脉血那样鲜红。别的医生告诉他这是热带的普遍现象。他还听船员说，在下大暴雨时海水比较热，这些现象引起了迈尔的思考。在拉尔锡燃烧理论的启示下，他想到人体的体热是由于人所吃进的食物和血液中的氧化合而释放出来的。在热带高温情况下，肌体只需吸收食物中较少的热量，所以肌体中含食物的氧化过程减弱了，因此流回心脏的静脉血留下了较多的氧，这使静脉血呈鲜红的颜色。雨滴在降落中获得活力，也产生热，所以暴风雨降落时，海面上反而燥热一些。这些现象都表现出各种自然力之间的相互转化。
在1841年航行结束后，他写出了论文《论力的量和质的测定》，但由于缺少精确的实验根据，以及在数学和物理知识上的缺陷，论文有严重不足之处而未能发表。这激励迈尔发奋自学了数学和物理，并重新撰写了论文《论无机界的力》，在1842年寄了德国的生物化学家李比希主编的《化学和药物》杂志，因李对自然力的统一十分注意，故发表了迈尔的文章，因此 迈尔成为第一个发表能量转化和守恒定律的人。在此文中迈尔从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的哲学观点出发得出了“力就是不灭的，能够转化的，无重量的客体”的结论。他所说的“力”就是“能量”的意思，他把这个思想运用到“落体力”(势能)、运动的“力”(动能)和热的转化与守恒，并根据当时气体的比热的测定数据，第一个得出了热的机械当量，即物体从365米高处下落，相当于把同等重量的水从0℃加热到1℃。
1845年，迈尔自费出版了《论有机运动和新陈代谢》一书，他首先说明“力”的守恒与转化定律，认为它是支配宇宙的普遍规律。接着提出几种形式的“力”，即“运动的力”、降落 力、热、电、磁和化学力，并揭示了各种力之间的相互转化。例如，下落的力转化为运动的力，运动的力通过碰撞变成热，在热机中热又变成运动的力，通过伽伐尼电池化学力变为电等。迈尔把他所考察的全部力画成一个表，描绘了运动转化的25种情况，并作出了否定热质 和其他无重量的流质存在的结论。文章还讨论了动植物机体中的能量问题，认为机体中机械 的和热的效应来源，是由吸收食物和氧时所进行的化学过程，这样就指出了有机界和无机界“力”的统一性。
1848年，迈尔在出版的《天体动力学》一文中讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石的发光是由于它们在大气中损失了动能。
1851年他又写了《论热的机械当量》一文，详细阐述了热功当量的计算。从而回答了对他的攻击，保护了自己的优先权，但是就在这一年秋天迈尔得了脑炎，直到1862年才恢复科学工作。
2.焦耳的工作
詹姆斯•普雷斯特科•焦耳(1818—1889)是曼彻斯特一个酿酒师的儿子，他是个业余科学家 ，很早就关心物理学，对电、磁的研究很有兴趣。他做了大量有关电流热效应和热功当量方面的实验，并把它总结成几篇文章发表。例如，1840—1841年间写成的《论伏打电所产生的 热》和《电解时在金属导体和电池组中放出的热》两篇文章，1843年写了《论磁电的热效应及热的机械作用》，1845年发表《论空气的扩散和压缩所引起的温度变化》，1849年通过法 拉第送交皇家学会的文章《论热的机械当量》，以及1867年发表的《由电流的热效应测定热功当时》和1878年发表的《热功当量的新测定》两篇文章。
从上述文章中可以看出焦耳对热当量的思想发展过程：他首先研究了电流通过导体所生成的热，得到电流热的定量关系，即导体中一定时间所生成的热量，与导体的电阻和电流平方的乘积成正比——这就是焦耳定律。焦耳认为这个实验还不能对热本质做出判断。1843年焦耳 又提出了一个想法，磁电机所形成感生电流与来自其他电源的电流一样地产生热效应。他使一个线圈在电磁体的两极间转动，线圈放在量热器内，实验证明产生的热和用来产生它的机械动力之间存在恒定的比例。由于电路是完全封闭的，水温的升高完全是由于机械能转化为电，电又转化为热的结果。这就排除了热质是从外界输入的可能。焦耳之所以能想出这样的实验，是因为他认为：“当我们不把热看作一种实物，而是看做是一种振动状态时，没有理由认为，为什么它不能由一种单纯的机械性质的作用所引起，例如像一个线圈在一个永磁体极间转动的那种作用。”这个实验得出了如下的结果：使一磅水增加1oF的热量等于把838磅 物提高1英尺的机械功。用工程单位制，这个值约为460千克•米/千卡。后来焦耳又重复扩展了这些实验，以证实自然界的“力”是不能毁灭的，凡是消耗了机械力的地方，总能得到相当的热。这样，热就被证实是能量变化的一种形式。但是，一些大物理学家对焦耳的结论表示怀疑和不信任，焦耳的论文被皇家学会婉言谢绝了。
焦耳没有灰心，决心以更多的实验证明他的结论。后来他用新的测量方法得到的热的机械当量数值分别为426/千克•米/千卡和438千克•米/千卡。1847年焦耳申请在英国学术协会上宣读论文，协会只让他简要介绍一下实验(即大家所熟悉的那个搅拌实验)，在他介绍之后，原来不准备讨论，只是由于学术权威W•汤姆孙感兴趣地提出质询，才引起人们对焦耳的实验的重视，但许多人仍持怀疑态度。
1849年，焦耳在皇家学会宣谈论文《论热的机械当量》，并宣布了他著名的实验结果：要产生使一磅水在真空中(测量温度在55～60oF)之间升高1oF的热量，需要花费相当于722磅重 物下降1英尺所做的机械功。(此数值为424.3千克•米/千卡)这个实验结果同 (1879年)由 美国物理学家罗兰的测量结果相比，误差仅为6。由此看出焦耳实验的精确性。此后焦耳还 继续进行他的实验测量，一直到1878年。
他前后用了近40年时间，做了400多次实验，确定了热功当量的精确值，为能量守恒原理的建立提供了可靠的实验根据。焦耳最后得到的热功当量的值为423.85千克•米/千卡。
1850年焦耳当选为皇家学会会员，他的研究成果终于得到科学界的承认。
值得注意的是焦耳的工作不只限于实验，他还阐明了对热本质和能量守恒与转化问题的看法。焦耳与迈尔从不同的方面探索了能量守恒与转化定律，因此他们都作出了重大贡献。
3.赫尔姆霍兹等人的工作
赫尔姆霍兹(1821—1894)是德国的医生、生理学家，出生于中学教师家庭，1838年进入医学 院外科学院，对生物学很感兴趣，他对生命力的本质问题进行了探讨。1845年参加物理学会，并参与了学会办的《物理学成就》刊物的编辑工作。前后发表的主要文章有：《论力的守 恒》(1847)、《论在肌肉的作用中对于物理的需要》(1845)、《生理的热现象》(1846)、《 生理的热现象理论方面的小结》(1847)。
从文章中可以看出，赫尔姆霍兹是从研究生命力的本质入手，对当时生命力的本质的看法提出疑问而开始考虑能量转化和守恒定律的。他在70寿辰的庆祝会上回忆道：“在那时的大多数生理学家承认斯塔尔的观点，即认为在活的有机体中有机物质的物理力和化学力发生作用 ，但同时又有生命的灵魂，或者说活力存在着；活力在物体活着比在死后更自由地调节着物理力和化学力的表现，在死后不为任何东西所调节的物理力和化学力的表现引起产生腐烂。 ……我怀疑这种解释中有某种反自然的东西，但是这得把我把大量的劳动用于使这种疑惑形 成为准确的问题这种形式。”
当时赫尔姆霍兹已知道永动机的不可能性，于是他问道：“如果承认根本不可能有永动机存 在，地么自然界各种力之间应当有什么样的相互关系?所有这些关系存在吗?”他还问道：“ 活的机体如果除了从饮食取得的能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那么它们就会是永动机。”
赫尔姆霍兹在《论力的守恒》一书中，论证了能量守恒定律，并建立了这个定律的数学公式，即 mgh= mv2
然而该论文的命运开始并不好，大多数科学并不接受他的观点。这篇论文遭到拒绝以后，赫尔姆霍兹以小册子的形式在柏林单独出版。
赫尔姆霍兹还研究了能量守恒在其他物理过程中的应用，把它扩大到光、热、电磁现象、化学运动以及生物体内进行的过程中。赫尔姆霍兹所确定的纲领，事实上成为以后物理学发展 的基本内容，而他自己的科学活动，也是把这个纲领现实化，他的研究和论著，给了那个时代整个物理学界以强有力的影响，他创立了物理学和生物学的一个国际学派。
通过以上3人工作的介绍，读者一定会问为什么发现能量守恒定律的不是正宗的物理学家、而是医生、业余科学家和生物学家呢?这中间可能有两个原因，一是他们所从事的工作与热 的转化问题打交道较多，二是他们受到“正统的”物理学的热质学说的影响较少，由于这些原因，使他们先得出了能量守恒及转化定律。
(3)能量守恒与转化定律的确立及其意义
1.能量守恒定律的确认
我们看到，迈尔、赫尔姆霍兹、焦耳等人的非常有意义的研究工作，并不是一帆风顺的，都受到不同程度的压抑和排斥。但是，社会实践和科学实验的发展，总要推动科学认识的进步。1851年，威廉•汤姆孙在《论热的动力学当量》中，开始接受焦耳的学说，把能量守恒和转化定律在热运动和机械运动方面的具体表现，称为热力学第一定律。大约到1860年左右，能量原理才得到普遍的承认，而且很快成为全部物理学和自然科学的重要基石。正如劳厄 所说：“从此以后，特别是物理学中，每一种新的理论首先要检查它是否符合能量守恒定律 。”
任何真理向前多走一步就会变为谬误。在19世纪末，以著名化学家、物理学家奥斯瓦尔德(1 853—1932)为代表的“唯能论”，试图把一切都归之于能量，从能量原理推导出所有其他物理规律，这显然是错误的。
2.能量守恒原理的确切描述
“能量”这个概念，是托马斯•杨提出来的，但是当时它并没有被科学界所采用。事实上，在那些对于建立能量守恒原理作出贡献的科学家中，没有一个人直接使用能量这个概念，而常用的还是有多重意义的“力”这个模糊的述语表述他们的重要发现。只是到了1853年，威廉•汤姆孙才给予能量概念一个确切的定义，即“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定的状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零状态时，在系统外所产 生的用机械功的单位来量度的各种作用的总和。”这样人们才逐渐把“力的守恒”改述为“ 能量的守恒”。
但是这一原理的发现者们，虽然都是从能量形式的转化中看到能量在量上是不变的，而在表 述这一定律时，大都是从量的角度强调能量的“守恒”，全面准确地称为“能量转化与守恒 ”定律则是恩格斯。恩格斯首先指出了如前所表述的不完善性，他在《自然辩证法》旧序中说：“运动的不变不能仅仅从量上把握，而且必须从质上去理解。”1885年他指出：“如果 说新发现的伟大运动基本定律，十年前还仅仅概括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不 灭这种表述，就是说仅仅从量的方面概括它，那么，这种狭隘的消极的表述日益被那种关于能的转化的积极表述所代替。这里过程质的内容第一次获得了自己权利……”这样就使此原理有了全面的普遍性质，这也是恩格斯以科学的重大贡献。
3.功、热量和热力学第一定律的数学表达式
做功这个词在物理学中有明确的意义，它表示在物质上作用一个力使物体沿着力的方向移动 。做功过程的重要特征是：它必然伴随着运动形式的转化，即伴随着能量从一种形式转化为另一种形式。所以说功的本质意义就在于它一般是作为能量从一种形式转化为另一种形式的数量的量度而被使用的。各种能量的转化都因为可以选择功作为共同量度而作出统一的定量的表述。
“热量”这个词表示系统之间不发生客观位移，而只是由于温度差的存在而发生的能量的传 递。
大量实验表明，要使一个系统的热运动状态发生变化，既可以通过做功的方式也可以通过加 热的方式。这就是说自然界有着两类基本热力学过程，即做功和热量传递这两个不同的过程 ，虽然它们产生的条件和机制是不同的，但是这两种过程都可以使系统的热力学状态发生变化。如果要使系统的状态分别在这两种不同的过程中发和相同的变化，则所作的功相传递的 热量之间总是存在着确定当量关系。这表明作为能量转换和传递的两种形式的功和热量，是具有等效性的。所谓“热功当量”就是表征这种等效性的数量关系。
一般说来，实际发生的热力学过程是上述两种过程的综合，即系统发生宏观位移而做功，又由于存在温度差而与外界交换热量。
若以A表示外界对系统做功，以Q表示系统从外界吸收的热量，系统的内能由量E1变为量E2，则实验表明系统内能的改变可由下式决定，即 E2-E1＝A＋Q
该式即为热力学第一定律的数学表达式。它表明，当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的改变等于在这个过程中所做功和所传递热量的总和。这个定律也说明，在任何热力学过程中，热运动既不能创生也不能消灭，只能发生转化或转移。
4.能量守恒与转化定律的意义
实际上热力学第一定律中的E不仅仅表示系统的内能，如果用它表示系统所含的一切形式的能量，功A表示的是各种运动形式的功，那么就可以将第一定律理解为普遍的能量守恒与转化定律。
能量守恒定律的确立，一方面找到了各种自然现象的公共量度——能量，说明了不同运动形式在相互转化中有量的共同性，从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来；另一方面这个定律的确立，同时也说明了运动形式相互转化的能力也是不灭的，是物质本身所固有的性质。这样，这个定律就第一次在极其广阔的领域里把自然界各种联系了起来。
能量守恒与转化定律的确立，在实践上对创造第一类永动机的不可能实现从科学上作了最后判决，彻底地否定了永动机的幻想，使经典物理学发展成一系列完整的理论科学。
当然，应该指出，任何一个重要的科学原理的具体形式，都有它的相对性，对能量守恒与转化定律来说，能量及其转化也有各种具体形式。随着社会实践，特别是科学实验的发展，人们对能量形式的认识也是不断丰富的。因此，我们不能说已经认识了所有的能量形式的转化过程。随着科学实验的发展，人们完全可能发现一些新的能量形式，认识一些新的转化机理 ，甚至探索到一些难以想象的效应。那时，这原理也会崭新的面貌呈现在人类面前。

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