淺談物理在生活中的應用與思考

杜景浩然 杜文舉

摘? ?要：物理研究起源于人類對生活現象的探究，物理存在于人們生活的方方面面。本文利用物理知識中的轉動慣量和角動量守恒原理，簡要分析和討論了花樣滑冰的轉體動作要領;通過分析制冷機的物理學應用，討論了空調制冷作用工作原理;以及分析了靜電屏蔽作用機制，闡述了其在高壓屏蔽服中的作用。為激發學生物理學習興趣和培養其獨立思考能力提供了方向。

關鍵詞：轉動慣量? 角動量守恒? 空調制冷? 靜電屏蔽

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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算來解決，于是有了物理學這門對客觀存在現象進行研究并找出事物背后客觀規律的學科。很多人在學習物理學時覺得枯燥乏味、學習難度大、容易失去學習的興趣，從而導致物理科學理論的學習成為了以考試分數為目的的應試教育。本文認為，在物理科學的學習和探索上，不僅需要我們去關注理論知識本身，更應該對生活中常見的物理學現象進行展開觀察和分析。通過對日常生活現象的觀察與思考，能夠激發學生探求科學規律和事物本質興趣，從而形成一種自發、自主的學習習慣和思維方式。因此，本文將物理學知識引入到日常生活常見的現象中，并對其進行了一定的分析和討論，為學生對物理的學習時激發對物理的興趣和培養獨立思考的能力提供了方向。

1? 剛體轉動慣量和角動量守恒在花樣滑冰中的應用

作為冬奧會的比賽項目，花樣滑冰要求運動員穿著腳底帶有冰刀的冰鞋，在冰面上做出各種復雜并具有觀賞性的動作，因其困難度較大，且運動員的動作優美，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，運動員的快速轉體是最博人眼球的動作，該動作主要是由運動員單腳或者雙腳站在冰面上，進行定軸的快速轉動，且轉動的速度可以由運動員自主的進行調控，下面將對運動員在冰面上的定軸轉動所包含的物理知識進行討論。

1.1 剛體定軸轉動時的轉動慣量

當運動員在定軸轉動時，總是要擺出一定的動作并保持那個動作進行連續轉動，細心點的同學會發現，當運動員伸出手臂后他轉動的速度會變慢，而當他收回手臂或者抱著手臂后，他轉動的速度會明顯變快。這個現象是一個常見的物理現象，基于對此現象的思考，需要先從轉動慣量這個物理概念開始討論。當運動員的身體動作保持不變時，他的身體可以被視為剛體，由剛體轉動力學的基本原理可知，剛體的轉動慣量公式表示如下：

（1）

式中：M—轉動慣量;mi—物體第i部分的質量;ri—物體第i部分距轉軸的距離。

根據公式（1），可以分析出，運動員的轉動慣量可以分為兩部分，一部分是除了四肢以外的部分的轉動慣量，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動慣量，這部分是很容易改變的。若運動員做定點轉動表演，當運動員伸出手臂時，手臂距定軸（即身體的中心）的距離增加，導致轉動慣量增大;收回手臂時，手臂距定軸的距離減小，導致轉動慣量減小[1]。所以，運動員不斷地伸開、收回手臂，不僅是為了動作的觀賞性，也是為了改變身體的轉動慣量。

1.2 剛體定軸轉動時的角動量守恒定理

當運動員在冰面上定軸轉動時，由于冰面非常光滑，可以被近似看成一個理想的光滑平面，運動員在上面表演時不受摩擦力，也就滿足了角動量守恒定理，角動量表達式為：

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

式中：J—剛體的轉動慣量;ω—剛體轉動時的角速度。

由公式（2）可知，當角動量保持不變時，若增大轉動慣量，轉動時的角速度就會減小，反之，減小轉動慣量，轉動時的角速度就會增大[2]。而滿足角動量守恒的一個典型的例子就是茹科夫斯基椅，實驗人員坐在一個可以旋轉且摩擦力非常小的椅子上，雙手拿著啞鈴，雙臂向外伸直。當由地面上的另外一個實驗人員推動椅子，使椅子轉動起來，然后椅子上的人將雙臂向內回收，地面上的人員可以明顯的發現椅子上的實驗人員和椅子的速度增大。當椅子上的實驗人員再將手臂伸出后，人和椅子的速度會明顯變慢。

對于在冰面上的運動員表演連續轉動時的物理原理、過程分析與茹科夫斯基椅的原理和分析是一樣的，當運動員由伸出手臂到收回手臂這個過程，運動員轉動的速度（即角速度）會變小，而當他再將手臂伸出后，他轉動的速度又會增大。可見，經此分析出的結果，與實際表演時的結果是相符的。

2? 熱力學原理在空調制冷中的應用

作為我們日常生活中最常用的家用電器，空調正在逐漸成為人們生活所需的必需品。現在的空調有許多功能，而其中最重要的功能是空調的制冷和制熱功能，下面將對空調的制冷原理進行簡要分析。

2.1 制冷機原理

制冷機從低溫熱源吸收熱量后，其內部氣體會因吸熱而膨脹，之后需要外界對其做功，使氣體將熱量傳遞給高溫熱源，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提供動力W，那么制冷機就能夠一直從低溫熱源吸收熱量并釋放給高溫熱源，為制冷循環提供動力，從而實現壓縮→冷凝→膨脹→蒸發的制冷循環。

Q1——傳遞給高溫熱源的熱量;

Q2——制冷機從低溫熱源吸收的熱量;

W——外界對它做的功。

2.2 空調制冷所應用的熱力學知識

空調在制冷時就是個典型的制冷機。常見的空調一般為兩部分，即在室內的部分，簡稱為室內機，在室外稱為室外機。當空調的制冷功能開始工作后，室內就相當于一個低溫熱源，而室外則是一個高溫熱源[3]。對于空調的室內機和室外機的作用，下面將用大學物理的相關知識進行淺要分析。

當空調制冷時，吸收室內的熱量的工作是由室內機進行的。空調能夠制冷的關鍵是用一個低溫物體（液體、固體、氣體均可）和室內的高溫物體接觸并進行熱量交換，從而使室內空氣的溫度降低。當室內的熱空氣進入室內機后，由于室內機內含有制冷劑（一般為液體），當它們互相接觸后，會發生熱量傳遞，即會有一部分能量（即Q2）從室內的熱空氣傳遞給制冷劑，然后再經由室內機吹出，也就是涼爽的空氣。而制冷劑在和熱空氣進行能量交換的過程中會氣化，所以室內機相當于一個蒸發器。被氣化的制冷劑經由管道，到達室外機的壓縮機內進行壓縮，于是成為高溫高壓的氣體，然后再排到散熱器（相當于一個冷凝器）中進行液化。其中，壓縮機是做功的器件，當其通電后，就能不斷的壓縮氣化的冷凝劑，即對氣體做功，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，使高溫高壓的冷凝劑液化并輸送到室內機繼續做為制冷劑降低室內溫度。在生活中經常能夠發現，當室內的人使用空調的制冷功能時，在室外的室外機會吹出熱風，反之則吹冷風，這其實和室外機的散熱器有關。由上面的分析可知，當室內機制冷時，室外機的散熱器會不斷地用冷卻物質水或者空氣吸收熱量，吸收熱量后的冷卻物質會變成高溫空氣并被排放到室外的大氣中，所以室外機會不斷地向外吹出熱風。用類似的原理及分析方法，當室內機制熱時，室外機會向外吹出冷風，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用

高壓輸電塔時常需要維護，而維修工們在帶有高壓電的高塔上能平安無事的工作，這都歸咎于他們所穿的衣服——高壓屏蔽服，這是一種特殊作業的衣服，下面將用相關的物理學知識進行簡要的分析。

3.1 靜電屏蔽原理

靜電屏蔽是指在靜電場中，存在一個殼狀導體，其內部不會受到外界電場的影響，并且若其內部有電場也不會影響到外界電場，這就是靜電屏蔽。如果想要了解靜電屏蔽是如何實現的，那么我們首先要理解一個重要的現象——靜電平衡。

若電場中存在一個殼狀導體，導體上的自由電子會發生定向移動，其移動方向與電場方向相反，會形成正電荷存在導體的一側，負電荷在導體的另外一側，成為一個與外界電場方向相反的激發電場。當導體上形成這樣與外界電場方向相反的一個激發電場后，對于導體內部而言，因原電場與激發電場的方向相反，當兩個電場的大小相等時會相互抵消，導體內部的電場強度也就為0，從而使導體上的電子停止移動，于是就形成了一個被稱作為靜電平衡的穩定狀態[4]。

如果一個殼狀導體在電場內達到了靜電平衡狀態，因其內部電場強度為0，則殼狀導體內的區域相當于一個被保護的區域，由于殼狀導體屏蔽了外界電場對其內部的影響，所以叫做靜電屏蔽。而法拉第籠是靜電屏蔽中的一個最典型的例子，其本身是一個金屬籠子，籠子需要和地面進行接觸，然后在外面用帶高壓電的放電桿靠近籠子，最終我們會發現，外界高壓電產生的電場不能對籠子內的物體產生影響。

3.2 靜電屏蔽在高壓屏蔽服上的應用

對于需要在通有高壓電的高塔上進行檢修的人員，對高壓塔進行斷電后再維護是不現實的，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，屏蔽服就成了一個導體殼，就相當于把檢修人員放在了殼狀導體內部。由靜電屏蔽原理可知，當其處于電場中時，能夠保護殼內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有危險。

4? 結語

通過上述分析可知，物理學來源于人類對自然和生活現象的思考，并不是簡單的公式、枯燥無味的書本文字，物理學無時不刻存在于我們周邊的環境之中，需要我們不斷地發現和探索。在學習和應用物理學知識的過程中，應當善于將日常生活現象與科學理論相結合，摒棄傳統的應試教育模式，培養自己勤于思考和發現的精神，不斷地提升學生對物理科學的興趣，形成良好的學習習慣和思維方式。

參考文獻

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

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

[3] 王文琪.淺析空調制冷的物理學原理[J].中學物理教學參考，2018，47（24）：32-33.

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