有關地震海嘯與核輻射的幾道物理習題

柴宏良

(衢州第一中學 浙江 衢州 324000)

2011年日本大地震和海嘯給日本人民帶來了深重的災難，雪上加霜的是，福島第一核電站的4個機組在地震中受損失控，發生了核泄漏事故．人們面對這些鮮為人知的問題，產生了恐慌心理，有的逃難，有的搶購食鹽，有的搶購碘片等．從這些現象中折射出普通民眾對相關科學知識以及基本科學素養的匱乏．高中物理教學的課程目標之一就是提高全體國民的科學素養，因此，在教學中聯系生活、普及相關科學知識是物理教師的基本責任．

1 與地震海嘯有關的物理習題

【例1】發生在印度板塊邊緣的海嘯，地殼運動使板塊運動聚集巨大的能量，當這個能量超過一定程度的時候，巖石就發生破裂，造成海底突然下沉或者隆起，就可以造成海水發生上下顛簸．地震引起海水“抖動”到海面整個水體的波動，形成了海嘯，其中所含的能量驚人．已知地震波分三種：縱波(P波)，速度vP約為8.5 km/s；橫波(S波)，速度vS約為4.5 km/s；面波(L波)，速度vL

(1)位于震源上方的某實驗室內有水平擺A與豎直振子B，如圖1(a)．地震發生時最先劇烈振動的是哪個?

(2)假如某地震觀測臺記錄到的地震曲線圖如圖1(b)所示，則由圖可知a，b，c三種波形各對應于哪種地震波？若在曲線圖上測得P波與S波的時間差為28 s，則地震臺距震源Z多遠？

(3)上題中如果地震P波沿直線傳播到地震臺時，臺內某標志物振動方向沿圖1(c)中ZT方向．測得某時刻該標志物的水平分位移x=24.1 mm，豎直分位移y=0.8 mm，試由此估算震源深度h．

圖1

解析：

(1)由于縱波傳播的最快，最先到達地表，縱波的振動方向和傳播方向在同一直線上，所以最先劇烈振動的是豎直振子B．該題考查考生對橫波和縱波的理解，須知橫波和縱波的振動方向跟傳播方向間的關系．了解發生地震時先有上下振動，接著是橫向的搖動，感受各種地震波不同的破壞情況．

(2)由圖像可知，地震觀測臺依次觀測到a，b，c三種波，根據縱波、橫波、面波的速度關系可知，a波形對應的是縱波，b波形對應的是橫波，c波形對應的是面波．假設地震臺距震源距離為s，則有

代入vP=8.5 km/s和vS=4.5 km/s，求得：s=268 km．

該題一方面考查學生對運動學知識的掌握情況，另一方面可初步了解地震觀測臺是如何運用科學方法探測出震源的位置的，激發學習興趣．

圖2

通過此題可考查學生的估算能力以及對振動位移的理解，知道位移的矢量性，體會確定震源位置的方法．

【例2】2011年3月11日下午2：46：00左右，日本東北地區宮城縣北部發生里氏9級特大地震．約5 min后，日本氣象廳對宮城等縣的太平洋沿岸地區發布大海嘯警報．地震發生時，處在距離海岸300 m的居民，如果他們接到警報，立即背離海岸奔向相對堅固的避難高地，便可不被巨浪卷走．已知海嘯波的傳播速度約720 km/h，海浪上岸后向前推進的速度是10 m/s，人們逃跑的平均速度約2 m/s，震中距宮城縣海岸130 km．則離避難高地在多大的距離范圍內人們方可死里逃生？

在知識和能力層面，此題考查學生對運動過程的分析能力，知道將海嘯波浪的運動分兩個階段來研究：在海洋中海嘯波的傳播過程和上岸后海浪的運動過程．知道建立人的運動和海浪運動之間的數學關系．在情感態度和價值觀方面，學會在海嘯到來時如何避險；體會在地震多發的沿海城市建設中海嘯預警的重要性和應該考慮的一些預防海嘯的要素．

【例3】海嘯由一系列海浪組成的，從海嘯的第一個浪頭到達岸邊到整個海嘯結束，持續時間能夠達到好幾個小時．特大海嘯發生時，浪頭高達十幾米，就像一堵“水墻”．海底地震產生的水體波動與通常海面上的海浪不同，海浪通常只在淺層水面引起波動，且這種波動衰減的很快．地震引起的波動是從海面到海底整個水層的起伏，這種波動運行在深水大洋時，波長可達幾十至幾百千米不等，起伏高度只有1～2 m，航行的船只也難于察覺出這種波動．然而，海嘯波進入大陸架后，因深度急劇變淺，能量集中，浪高驟然增大，這時可能出現10～20 m以上的浪高，以排山倒海之勢沖擊過來．

(1)正處在近岸海洋中作業的漁船接到地震海嘯警報后應該

A．立即向海岸航行，回港避險；

B．原地不動；

C．向深海方向航行；

D．沿平行海岸的方向航行．

(2)如果海嘯波的平均波長約為100 km，波速約為200 m/s．則從第一個海嘯波到岸開始，大約經過多長時間將會受到第二個海嘯波的攻擊？

(3)據保守估計，2011年日本大地震海嘯中靠近震中的宮城縣海岸區長50 km，寬2 km厚的水體被抬高了10 m，沖上岸的海水平均流速為10 m/s．重力加速度取10 m/s2，水的密度是103kg/m3．試估算攻擊宮城縣的一個海嘯波所具有的機械能？

解析：

(1)通過閱讀題目背景材料可知，在深海區海嘯波幅度很小，到了淺水區由于能量聚集而波幅變大，所以，漁船應該向深海方向航行，待整個海嘯過后再返回岸邊，選C．

(2)相鄰兩個海嘯波之間的時間就是周期

(3)一個海嘯波所具有的水體質量m=ρV=1012kg，其中，動能為

重力勢能

所以，總機械能E=Ek+Ep=1014J．

通過閱讀題目背景材料，可讓學生了解地震海嘯波的特點，學會在海面上遭遇海嘯時如何避險．利用機械波的知識解決題2，體會所學知識在生活中的應用．在題3中通過計算海嘯波的機械能，感受海嘯的巨大能量和破壞力．

2 與核輻射有關的物理習題

同時釋放出大量的γ射線，半衰期約為8天．

(1)核泄漏后，國內市場上出現了搶購防輻射服的現象，這種防輻射服是通過在衣服的表面涂上一層金屬漆或用金屬絲編織制成的，可用于屏蔽電器的電磁輻射．請問：這種防輻射服能否有效的抵御來自體外的放射線的危害？為什么？

(2)下列關于放射性碘131的說法正確的是

A．放射性碘131和穩定碘127具有不同的化學性質；

B．衰變中釋放出電子，說明碘131原子核內含有電子；

解析：

(1)不能，因為放射線中的γ射線具有很強的穿透能力，普通的防輻射服不能有效地防止來自身體外部的射線．

上述兩個問題除了考查關于放射性的有關知識外，更能使學生正確面對可能遇到的核泄漏問題，懂得如何去預防核輻射，不盲從．

圖3

解析：

如圖3，如果具有最大速度的帶電粒子沿內圓的切線方向射入磁場區域并恰好不穿越磁場，則其他粒子也不可能穿越磁場．原因有二：該粒子速度最大，軌跡半徑最大；沿切線方向射入并恰好不穿出磁場時，軌跡直徑(圓上最遠的兩點間距)恰好等于環狀磁場寬度．對該粒子有

得

在知識和能力上，該題考查帶電粒子在勻強磁場中的運動問題，要求學生會構建運動過程，能利用洛倫茲力和向心力公式構建數學模型，解決實際問題．在情感態度和價值觀方面看，通過此題可讓學生了解能源問題的重要性和開發新能源的同時應該考慮的環保因素，看到核能利用的燦爛前景，激發學習興趣和動機．

總之，在習題教學或編制習題的過程中，要充分利用習題的教育功能，不僅讓習題具有鞏固知識的作用，更要考慮習題在發展學生的能力，提高科學素養和人文素養方面的積極作用．