杜景浩然 杜文舉

摘? ?要：物理研究起源于人類對生活現(xiàn)象的探究，物理存在于人們生活的方方面面。本文利用物理知識中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體動作要領(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)動慣量? 角動量守恒? 空調(diào)制冷? 靜電屏蔽

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)算來解決，于是有了物理學(xué)這門對客觀存在現(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)注理論知識本身，更應(yīng)該對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)知識引入到日常生活常見的現(xiàn)象中，并對其進(jìn)行了一定的分析和討論，為學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)時激發(fā)對物理的興趣和培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力提供了方向。

1? 剛體轉(zhuǎn)動慣量和角動量守恒在花樣滑冰中的應(yīng)用

作為冬奧會的比賽項(xiàng)目，花樣滑冰要求運(yùn)動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作，因其困難度較大，且運(yùn)動員的動作優(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)動員的快速轉(zhuǎn)體是最博人眼球的動作，該動作主要是由運(yùn)動員單腳或者雙腳站在冰面上，進(jìn)行定軸的快速轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動的速度可以由運(yùn)動員自主的進(jìn)行調(diào)控，下面將對運(yùn)動員在冰面上的定軸轉(zhuǎn)動所包含的物理知識進(jìn)行討論。

1.1 剛體定軸轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量

當(dāng)運(yùn)動員在定軸轉(zhuǎn)動時，總是要擺出一定的動作并保持那個動作進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動，細(xì)心點(diǎn)的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)動員伸出手臂后他轉(zhuǎn)動的速度會變慢，而當(dāng)他收回手臂或者抱著手臂后，他轉(zhuǎn)動的速度會明顯變快。這個現(xiàn)象是一個常見的物理現(xiàn)象，基于對此現(xiàn)象的思考，需要先從轉(zhuǎn)動慣量這個物理概念開始討論。當(dāng)運(yùn)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(zhuǎn)動力學(xué)的基本原理可知，剛體的轉(zhuǎn)動慣量公式表示如下：

（1）

式中：M—轉(zhuǎn)動慣量;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)動員的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量，這部分是很容易改變的。若運(yùn)動員做定點(diǎn)轉(zhuǎn)動表演，當(dāng)運(yùn)動員伸出手臂時，手臂距定軸（即身體的中心）的距離增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量增大;收回手臂時，手臂距定軸的距離減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量減小[1]。所以，運(yùn)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(zhuǎn)動慣量。

1.2 剛體定軸轉(zhuǎn)動時的角動量守恒定理

當(dāng)運(yùn)動員在冰面上定軸轉(zhuǎn)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(yùn)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(dá)式為：

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

式中：J—剛體的轉(zhuǎn)動慣量;ω—剛體轉(zhuǎn)動時的角速度。

由公式（2）可知，當(dāng)角動量保持不變時，若增大轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)動時的角速度就會減小，反之，減小轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)人員坐在一個可以旋轉(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實(shí)驗(yàn)人員推動椅子，使椅子轉(zhuǎn)動起來，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，人和椅子的速度會明顯變慢。

對于在冰面上的運(yùn)動員表演連續(xù)轉(zhuǎn)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(dāng)運(yùn)動員由伸出手臂到收回手臂這個過程，運(yùn)動員轉(zhuǎn)動的速度（即角速度）會變小，而當(dāng)他再將手臂伸出后，他轉(zhuǎn)動的速度又會增大?？梢?，經(jīng)此分析出的結(jié)果，與實(shí)際表演時的結(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玫募矣秒娖鳎照{(diào)正在逐漸成為人們生活所需的必需品?，F(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?，其?nèi)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?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)嵩矗瑸橹评溲h(huán)提供動力，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——外界對它做的功。

2.2 空調(diào)制冷所應(yīng)用的熱力學(xué)知識

空調(diào)在制冷時就是個典型的制冷機(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)于一個低溫?zé)嵩矗彝鈩t是一個高溫?zé)嵩碵3]。對于空調(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)知識進(jìn)行淺要分析。

當(dāng)空調(diào)制冷時，吸收室內(nèi)的熱量的工作是由室內(nèi)機(jī)進(jìn)行的。空調(diào)能夠制冷的關(guān)鍵是用一個低溫物體（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，會發(fā)生熱量傳遞，即會有一部分能量（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氣化，所以室內(nèi)機(jī)相當(dāng)于一個蒸發(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，在室外的室外機(jī)會吹出熱風(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，室外機(jī)的散熱器會不斷地用冷卻物質(zhì)水或者空氣吸收熱量，吸收熱量后的冷卻物質(zhì)會變成高溫空氣并被排放到室外的大氣中，所以室外機(jī)會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，室外機(jī)會向外吹出冷風(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

高壓輸電塔時常需要維護(hù)，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?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，存在一個殼狀導(dǎo)體，其內(nèi)部不會受到外界電場的影響，并且若其內(nèi)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(shí)現(xiàn)的，那么我們首先要理解一個重要的現(xiàn)象——靜電平衡。

若電場中存在一個殼狀導(dǎo)體，導(dǎo)體上的自由電子會發(fā)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(dǎo)體的一側(cè)，負(fù)電荷在導(dǎo)體的另外一側(cè)，成為一個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激發(fā)電場后，對于導(dǎo)體內(nèi)部而言，因原電場與激發(fā)電場的方向相反，當(dāng)兩個電場的大小相等時會相互抵消，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，于是就形成了一個被稱作為靜電平衡的穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

如果一個殼狀導(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)于一個被保護(hù)的區(qū)域，由于殼狀導(dǎo)體屏蔽了外界電場對其內(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最典型的例子，其本身是一個金屬籠子，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，最終我們會發(fā)現(xiàn)，外界高壓電產(chǎn)生的電場不能對籠子內(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

對于需要在通有高壓電的高塔上進(jìn)行檢修的人員，對高壓塔進(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，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有危險。

4? 結(jié)語

通過上述分析可知，物理學(xué)來源于人類對自然和生活現(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[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[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3] 王文琪.淺析空調(diào)制冷的物理學(xué)原理[J].中學(xué)物理教學(xué)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.