淺談物理在生活中的應(yīng)用與思考

杜景浩然 杜文舉

摘? ?要：物理研究起源于人類對(duì)生活現(xiàn)象的探究，物理存在于人們生活的方方面面。本文利用物理知識(shí)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角動(dòng)量守恒原理，簡要分析和討論了花樣滑冰的轉(zhuǎn)體動(dòng)作要領(lǐng);通過分析制冷機(jī)的物理學(xué)應(yīng)用，討論了空調(diào)制冷作用工作原理;以及分析了靜電屏蔽作用機(jī)制，闡述了其在高壓屏蔽服中的作用。為激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)其獨(dú)立思考能力提供了方向。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量? 角動(dòng)量守恒? 空調(diào)制冷? 靜電屏蔽

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0206-02

在人們的日常生活中，有些問題無法用簡單的基本計(jì)算來解決，于是有了物理學(xué)這門對(duì)客觀存在現(xiàn)象進(jìn)行研究并找出事物背后客觀規(guī)律的學(xué)科。很多人在學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí)覺得枯燥乏味、學(xué)習(xí)難度大、容易失去學(xué)習(xí)的興趣，從而導(dǎo)致物理科學(xué)理論的學(xué)習(xí)成為了以考試分?jǐn)?shù)為目的的應(yīng)試教育。本文認(rèn)為，在物理科學(xué)的學(xué)習(xí)和探索上，不僅需要我們?nèi)リP(guān)注理論知識(shí)本身，更應(yīng)該對(duì)生活中常見的物理學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行展開觀察和分析。通過對(duì)日常生活現(xiàn)象的觀察與思考，能夠激發(fā)學(xué)生探求科學(xué)規(guī)律和事物本質(zhì)興趣，從而形成一種自發(fā)、自主的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維方式。因此，本文將物理學(xué)知識(shí)引入到日常生活常見的現(xiàn)象中，并對(duì)其進(jìn)行了一定的分析和討論，為學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)時(shí)激發(fā)對(duì)物理的興趣和培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力提供了方向。

1? 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角動(dòng)量守恒在花樣滑冰中的應(yīng)用

作為冬奧會(huì)的比賽項(xiàng)目，花樣滑冰要求運(yùn)動(dòng)員穿著腳底帶有冰刀的冰鞋，在冰面上做出各種復(fù)雜并具有觀賞性的動(dòng)作，因其困難度較大，且運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作優(yōu)美，贏得了不少人的喜愛。無論是在單人還是雙人的花樣滑冰中，運(yùn)動(dòng)員的快速轉(zhuǎn)體是最博人眼球的動(dòng)作，該動(dòng)作主要是由運(yùn)動(dòng)員單腳或者雙腳站在冰面上，進(jìn)行定軸的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的速度可以由運(yùn)動(dòng)員自主的進(jìn)行調(diào)控，下面將對(duì)運(yùn)動(dòng)員在冰面上的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所包含的物理知識(shí)進(jìn)行討論。

1.1 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，總是要擺出一定的動(dòng)作并保持那個(gè)動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，細(xì)心點(diǎn)的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員伸出手臂后他轉(zhuǎn)動(dòng)的速度會(huì)變慢，而當(dāng)他收回手臂或者抱著手臂后，他轉(zhuǎn)動(dòng)的速度會(huì)明顯變快。這個(gè)現(xiàn)象是一個(gè)常見的物理現(xiàn)象，基于對(duì)此現(xiàn)象的思考，需要先從轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這個(gè)物理概念開始討論。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員的身體動(dòng)作保持不變時(shí)，他的身體可以被視為剛體，由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的基本原理可知，剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式表示如下：

（1）

式中：M—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;mi—物體第i部分的質(zhì)量;ri—物體第i部分距轉(zhuǎn)軸的距離。

根據(jù)公式（1），可以分析出，運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以分為兩部分，一部分是除了四肢以外的部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這部分的大小幾乎是不可改變的，另外的部分就是四肢的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這部分是很容易改變的。若運(yùn)動(dòng)員做定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)表演，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員伸出手臂時(shí)，手臂距定軸（即身體的中心）的距離增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大;收回手臂時(shí)，手臂距定軸的距離減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小[1]。所以，運(yùn)動(dòng)員不斷地伸開、收回手臂，不僅是為了動(dòng)作的觀賞性，也是為了改變身體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角動(dòng)量守恒定理

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在冰面上定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于冰面非常光滑，可以被近似看成一個(gè)理想的光滑平面，運(yùn)動(dòng)員在上面表演時(shí)不受摩擦力，也就滿足了角動(dòng)量守恒定理，角動(dòng)量表達(dá)式為：

L=Jω? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：J—?jiǎng)傮w的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω—?jiǎng)傮w轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度。

由公式（2）可知，當(dāng)角動(dòng)量保持不變時(shí)，若增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度就會(huì)減小，反之，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度就會(huì)增大[2]。而滿足角動(dòng)量守恒的一個(gè)典型的例子就是茹科夫斯基椅，實(shí)驗(yàn)人員坐在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)且摩擦力非常小的椅子上，雙手拿著啞鈴，雙臂向外伸直。當(dāng)由地面上的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員推動(dòng)椅子，使椅子轉(zhuǎn)動(dòng)起來，然后椅子上的人將雙臂向內(nèi)回收，地面上的人員可以明顯的發(fā)現(xiàn)椅子上的實(shí)驗(yàn)人員和椅子的速度增大。當(dāng)椅子上的實(shí)驗(yàn)人員再將手臂伸出后，人和椅子的速度會(huì)明顯變慢。

對(duì)于在冰面上的運(yùn)動(dòng)員表演連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的物理原理、過程分析與茹科夫斯基椅的原理和分析是一樣的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員由伸出手臂到收回手臂這個(gè)過程，運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)動(dòng)的速度（即角速度）會(huì)變小，而當(dāng)他再將手臂伸出后，他轉(zhuǎn)動(dòng)的速度又會(huì)增大。可見，經(jīng)此分析出的結(jié)果，與實(shí)際表演時(shí)的結(jié)果是相符的。

2? 熱力學(xué)原理在空調(diào)制冷中的應(yīng)用

作為我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫募矣秒娖?，空調(diào)正在逐漸成為人們生活所需的必需品。現(xiàn)在的空調(diào)有許多功能，而其中最重要的功能是空調(diào)的制冷和制熱功能，下面將對(duì)空調(diào)的制冷原理進(jìn)行簡要分析。

2.1 制冷機(jī)原理

制冷機(jī)從低溫?zé)嵩次諢崃亢螅鋬?nèi)部氣體會(huì)因吸熱而膨脹，之后需要外界對(duì)其做功，使氣體將熱量傳遞給高溫?zé)嵩?，然后氣體因損失熱量而被壓縮，大致過程如圖1所示。

如果外界能不斷地為制冷機(jī)提供動(dòng)力W，那么制冷機(jī)就能夠一直從低溫?zé)嵩次諢崃坎⑨尫沤o高溫?zé)嵩?，為制冷循環(huán)提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)壓縮→冷凝→膨脹→蒸發(fā)的制冷循環(huán)。

Q1——傳遞給高溫?zé)嵩吹臒崃?

Q2——制冷機(jī)從低溫?zé)嵩次盏臒崃?

W——外界對(duì)它做的功。

2.2 空調(diào)制冷所應(yīng)用的熱力學(xué)知識(shí)

空調(diào)在制冷時(shí)就是個(gè)典型的制冷機(jī)。常見的空調(diào)一般為兩部分，即在室內(nèi)的部分，簡稱為室內(nèi)機(jī)，在室外稱為室外機(jī)。當(dāng)空調(diào)的制冷功能開始工作后，室內(nèi)就相當(dāng)于一個(gè)低溫?zé)嵩矗彝鈩t是一個(gè)高溫?zé)嵩碵3]。對(duì)于空調(diào)的室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的作用，下面將用大學(xué)物理的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行淺要分析。

當(dāng)空調(diào)制冷時(shí)，吸收室內(nèi)的熱量的工作是由室內(nèi)機(jī)進(jìn)行的?？照{(diào)能夠制冷的關(guān)鍵是用一個(gè)低溫物體（液體、固體、氣體均可）和室內(nèi)的高溫物體接觸并進(jìn)行熱量交換，從而使室內(nèi)空氣的溫度降低。當(dāng)室內(nèi)的熱空氣進(jìn)入室內(nèi)機(jī)后，由于室內(nèi)機(jī)內(nèi)含有制冷劑（一般為液體），當(dāng)它們互相接觸后，會(huì)發(fā)生熱量傳遞，即會(huì)有一部分能量（即Q2）從室內(nèi)的熱空氣傳遞給制冷劑，然后再經(jīng)由室內(nèi)機(jī)吹出，也就是涼爽的空氣。而制冷劑在和熱空氣進(jìn)行能量交換的過程中會(huì)氣化，所以室內(nèi)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)蒸發(fā)器。被氣化的制冷劑經(jīng)由管道，到達(dá)室外機(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮，于是成為高溫高壓的氣體，然后再排到散熱器（相當(dāng)于一個(gè)冷凝器）中進(jìn)行液化。其中，壓縮機(jī)是做功的器件，當(dāng)其通電后，就能不斷的壓縮氣化的冷凝劑，即對(duì)氣體做功，也就是原理圖中的W。散熱器中是用水或者空氣來做冷凝物質(zhì)，使高溫高壓的冷凝劑液化并輸送到室內(nèi)機(jī)繼續(xù)做為制冷劑降低室內(nèi)溫度。在生活中經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)的人使用空調(diào)的制冷功能時(shí)，在室外的室外機(jī)會(huì)吹出熱風(fēng)，反之則吹冷風(fēng)，這其實(shí)和室外機(jī)的散熱器有關(guān)。由上面的分析可知，當(dāng)室內(nèi)機(jī)制冷時(shí)，室外機(jī)的散熱器會(huì)不斷地用冷卻物質(zhì)水或者空氣吸收熱量，吸收熱量后的冷卻物質(zhì)會(huì)變成高溫空氣并被排放到室外的大氣中，所以室外機(jī)會(huì)不斷地向外吹出熱風(fēng)。用類似的原理及分析方法，當(dāng)室內(nèi)機(jī)制熱時(shí)，室外機(jī)會(huì)向外吹出冷風(fēng)，具體過程這里不再過多分析。

3? 靜電屏蔽在高壓屏蔽服中的應(yīng)用

高壓輸電塔時(shí)常需要維護(hù)，而維修工們?cè)趲в懈邏弘姷母咚夏芷桨矡o事的工作，這都?xì)w咎于他們所穿的衣服——高壓屏蔽服，這是一種特殊作業(yè)的衣服，下面將用相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡要的分析。

3.1 靜電屏蔽原理

靜電屏蔽是指在靜電場中，存在一個(gè)殼狀導(dǎo)體，其內(nèi)部不會(huì)受到外界電場的影響，并且若其內(nèi)部有電場也不會(huì)影響到外界電場，這就是靜電屏蔽。如果想要了解靜電屏蔽是如何實(shí)現(xiàn)的，那么我們首先要理解一個(gè)重要的現(xiàn)象——靜電平衡。

若電場中存在一個(gè)殼狀導(dǎo)體，導(dǎo)體上的自由電子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，其移動(dòng)方向與電場方向相反，會(huì)形成正電荷存在導(dǎo)體的一側(cè)，負(fù)電荷在導(dǎo)體的另外一側(cè)，成為一個(gè)與外界電場方向相反的激發(fā)電場。當(dāng)導(dǎo)體上形成這樣與外界電場方向相反的一個(gè)激發(fā)電場后，對(duì)于導(dǎo)體內(nèi)部而言，因原電場與激發(fā)電場的方向相反，當(dāng)兩個(gè)電場的大小相等時(shí)會(huì)相互抵消，導(dǎo)體內(nèi)部的電場強(qiáng)度也就為0，從而使導(dǎo)體上的電子停止移動(dòng)，于是就形成了一個(gè)被稱作為靜電平衡的穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

如果一個(gè)殼狀導(dǎo)體在電場內(nèi)達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)，因其內(nèi)部電場強(qiáng)度為0，則殼狀導(dǎo)體內(nèi)的區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)被保護(hù)的區(qū)域，由于殼狀導(dǎo)體屏蔽了外界電場對(duì)其內(nèi)部的影響，所以叫做靜電屏蔽。而法拉第籠是靜電屏蔽中的一個(gè)最典型的例子，其本身是一個(gè)金屬籠子，籠子需要和地面進(jìn)行接觸，然后在外面用帶高壓電的放電桿靠近籠子，最終我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，外界高壓電產(chǎn)生的電場不能對(duì)籠子內(nèi)的物體產(chǎn)生影響。

3.2 靜電屏蔽在高壓屏蔽服上的應(yīng)用

對(duì)于需要在通有高壓電的高塔上進(jìn)行檢修的人員，對(duì)高壓塔進(jìn)行斷電后再維護(hù)是不現(xiàn)實(shí)的，于是就有了高壓屏蔽服，其主要原理就是靜電屏蔽。因屏蔽服是用金屬絲制成的，屏蔽服就成了一個(gè)導(dǎo)體殼，就相當(dāng)于把檢修人員放在了殼狀導(dǎo)體內(nèi)部。由靜電屏蔽原理可知，當(dāng)其處于電場中時(shí)，能夠保護(hù)殼內(nèi)的檢修人員不受外電場的影響，保證了人員的安全。因此，檢修人員身著用金屬絲制成的屏蔽服在高壓電塔上工作也不會(huì)有危險(xiǎn)。

4? 結(jié)語

通過上述分析可知，物理學(xué)來源于人類對(duì)自然和生活現(xiàn)象的思考，并不是簡單的公式、枯燥無味的書本文字，物理學(xué)無時(shí)不刻存在于我們周邊的環(huán)境之中，需要我們不斷地發(fā)現(xiàn)和探索。在學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理學(xué)知識(shí)的過程中，應(yīng)當(dāng)善于將日常生活現(xiàn)象與科學(xué)理論相結(jié)合，摒棄傳統(tǒng)的應(yīng)試教育模式，培養(yǎng)自己勤于思考和發(fā)現(xiàn)的精神，不斷地提升學(xué)生對(duì)物理科學(xué)的興趣，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 東南大學(xué)等七所工科院校，馬文蔚，周雨青，解希順.物理學(xué)：上冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[2] 東南大學(xué)等七所工科院，馬文蔚，周雨青， 解希順.物理學(xué)：下冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2014.

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[4] 李奕池.靜電屏蔽物理原理分析與解讀[J].物理通報(bào)，2019（5）：117-118.