浅谈物理在生活中的应用与思考

杜景浩然 杜文举

摘   要：物理研究起源于人类对生活现象的探究，物理存在于人们生活的方方面面。本文利用物理知识中的转动惯量和角动量守恒原理，简要分析和讨论了花样滑冰的转体动作要领;通过分析制冷机的物理学应用，讨论了空调制冷作用工作原理;以及分析了静电屏蔽作用机制，阐述了其在高压屏蔽服中的作用。为激发学生物理学习兴趣和培养其独立思考能力提供了方向。

关键词：转动惯量  角动量守恒  空调制冷  静电屏蔽

中图分类号：G64                                    文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0206-02

在人们的日常生活中，有些问题无法用简单的基本计算来解决，于是有了物理学这门对客观存在现象进行研究并找出事物背后客观规律的学科。很多人在学习物理学时觉得枯燥乏味、学习难度大、容易失去学习的兴趣，从而导致物理科学理论的学习成为了以考试分数为目的的应试教育。本文认为，在物理科学的学习和探索上，不仅需要我们去关注理论知识本身，更应该对生活中常见的物理学现象进行展开观察和分析。通过对日常生活现象的观察与思考，能够激发学生探求科学规律和事物本质兴趣，从而形成一种自发、自主的学习习惯和思维方式。因此，本文将物理学知识引入到日常生活常见的现象中，并对其进行了一定的分析和讨论，为学生对物理的学习时激发对物理的兴趣和培养独立思考的能力提供了方向。

1  刚体转动惯量和角动量守恒在花样滑冰中的应用

作为冬奥会的比赛项目，花样滑冰要求运动员穿着脚底带有冰刀的冰鞋，在冰面上做出各种复杂并具有观赏性的动作，因其困难度较大，且运动员的动作优美，赢得了不少人的喜爱。无论是在单人还是双人的花样滑冰中，运动员的快速转体是最博人眼球的动作，该动作主要是由运动员单脚或者双脚站在冰面上，进行定轴的快速转动，且转动的速度可以由运动员自主的进行调控，下面将对运动员在冰面上的定轴转动所包含的物理知识进行讨论。

1.1 刚体定轴转动时的转动惯量

当运动员在定轴转动时，总是要摆出一定的动作并保持那个动作进行连续转动，细心点的同学会发现，当运动员伸出手臂后他转动的速度会变慢，而当他收回手臂或者抱着手臂后，他转动的速度会明显变快。这个现象是一个常见的物理现象，基于对此现象的思考，需要先从转动惯量这个物理概念开始讨论。当运动员的身体动作保持不变时，他的身体可以被视为刚体，由刚体转动力学的基本原理可知，刚体的转动惯量公式表示如下：

（1）

式中：M—转动惯量;mi—物体第i部分的质量;ri—物体第i部分距转轴的距离。

根据公式（1），可以分析出，运动员的转动惯量可以分为两部分，一部分是除了四肢以外的部分的转动惯量，这部分的大小几乎是不可改变的，另外的部分就是四肢的转动惯量，这部分是很容易改变的。若运动员做定点转动表演，当运动员伸出手臂时，手臂距定轴（即身体的中心）的距离增加，导致转动惯量增大;收回手臂时，手臂距定轴的距离减小，导致转动惯量减小[1]。所以，运动员不断地伸开、收回手臂，不仅是为了动作的观赏性，也是为了改变身体的转动惯量。

1.2 刚体定轴转动时的角动量守恒定理

当运动员在冰面上定轴转动时，由于冰面非常光滑，可以被近似看成一个理想的光滑平面，运动员在上面表演时不受摩擦力，也就满足了角动量守恒定理，角动量表达式为：

L=Jω                                                                       （2）

式中：J—剛体的转动惯量;ω—刚体转动时的角速度。

由公式（2）可知，当角动量保持不变时，若增大转动惯量，转动时的角速度就会减小，反之，减小转动惯量，转动时的角速度就会增大[2]。而满足角动量守恒的一个典型的例子就是茹科夫斯基椅，实验人员坐在一个可以旋转且摩擦力非常小的椅子上，双手拿着哑铃，双臂向外伸直。当由地面上的另外一个实验人员推动椅子，使椅子转动起来，然后椅子上的人将双臂向内回收，地面上的人员可以明显的发现椅子上的实验人员和椅子的速度增大。当椅子上的实验人员再将手臂伸出后，人和椅子的速度会明显变慢。

对于在冰面上的运动员表演连续转动时的物理原理、过程分析与茹科夫斯基椅的原理和分析是一样的，当运动员由伸出手臂到收回手臂这个过程，运动员转动的速度（即角速度）会变小，而当他再将手臂伸出后，他转动的速度又会增大。可见，经此分析出的结果，与实际表演时的结果是相符的。

2  热力学原理在空调制冷中的应用

作为我们日常生活中最常用的家用电器，空调正在逐渐成为人们生活所需的必需品。现在的空调有许多功能，而其中最重要的功能是空调的制冷和制热功能，下面将对空调的制冷原理进行简要分析。

2.1 制冷机原理

制冷机从低温热源吸收热量后，其内部气体会因吸热而膨胀，之后需要外界对其做功，使气体将热量传递给高温热源，然后气体因损失热量而被压缩，大致过程如图1所示。

如果外界能不断地为制冷机提供动力W，那么制冷机就能够一直从低温热源吸收热量并释放给高温热源，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝→膨脹→蒸发的制冷循环。

Q1——传递给高温热源的热量;

Q2——制冷机从低温热源吸收的热量;

W——外界对它做的功。

2.2 空调制冷所应用的热力学知识

空调在制冷时就是个典型的制冷机。常见的空调一般为两部分，即在室内的部分，简称为室内机，在室外称为室外机。当空调的制冷功能开始工作后，室内就相当于一个低温热源，而室外则是一个高温热源[3]。对于空调的室内机和室外机的作用，下面将用大学物理的相关知识进行浅要分析。

当空调制冷时，吸收室内的热量的工作是由室内机进行的。空调能够制冷的关键是用一个低温物体（液体、固体、气体均可）和室内的高温物体接触并进行热量交换，从而使室内空气的温度降低。当室内的热空气进入室内机后，由于室内机内含有制冷剂（一般为液体），当它们互相接触后，会发生热量传递，即会有一部分能量（即Q2）从室内的热空气传递给制冷剂，然后再经由室内机吹出，也就是凉爽的空气。而制冷剂在和热空气进行能量交换的过程中会气化，所以室内机相当于一个蒸发器。被气化的制冷剂经由管道，到达室外机的压缩机内进行压缩，于是成为高温高压的气体，然后再排到散热器（相当于一个冷凝器）中进行液化。其中，压缩机是做功的器件，当其通电后，就能不断的压缩气化的冷凝剂，即对气体做功，也就是原理图中的W。散热器中是用水或者空气来做冷凝物质，使高温高压的冷凝剂液化并输送到室内机继续做为制冷剂降低室内温度。在生活中经常能够发现，当室内的人使用空调的制冷功能时，在室外的室外机会吹出热风，反之则吹冷风，这其实和室外机的散热器有关。由上面的分析可知，当室内机制冷时，室外机的散热器会不断地用冷却物质水或者空气吸收热量，吸收热量后的冷却物质会变成高温空气并被排放到室外的大气中，所以室外机会不断地向外吹出热风。用类似的原理及分析方法，当室内机制热时，室外机会向外吹出冷风，具体过程这里不再过多分析。

3  静电屏蔽在高压屏蔽服中的应用

高压输电塔时常需要维护，而维修工们在带有高压电的高塔上能平安无事的工作，这都归咎于他们所穿的衣服——高压屏蔽服，这是一种特殊作业的衣服，下面将用相关的物理学知识进行简要的分析。

3.1 静电屏蔽原理

静电屏蔽是指在静电场中，存在一个壳状导体，其内部不会受到外界电场的影响，并且若其内部有电场也不会影响到外界电场，这就是静电屏蔽。如果想要了解静电屏蔽是如何实现的，那么我们首先要理解一个重要的现象——静电平衡。

若电场中存在一个壳状导体，导体上的自由电子会发生定向移动，其移动方向与电场方向相反，会形成正电荷存在导体的一侧，负电荷在导体的另外一侧，成为一个与外界电场方向相反的激发电场。当导体上形成这样与外界电场方向相反的一个激发电场后，对于导体内部而言，因原电场与激发电场的方向相反，当两个电场的大小相等时会相互抵消，导体内部的电场强度也就为0，从而使导体上的电子停止移动，于是就形成了一个被称作为静电平衡的稳定状态[4]。

如果一个壳状导体在电场内达到了静电平衡状态，因其内部电场强度为0，则壳状导体内的区域相当于一个被保护的区域，由于壳状导体屏蔽了外界电场对其内部的影响，所以叫做静电屏蔽。而法拉第笼是静电屏蔽中的一个最典型的例子，其本身是一个金属笼子，笼子需要和地面进行接触，然后在外面用带高压电的放电杆靠近笼子，最终我们会发现，外界高压电产生的电场不能对笼子内的物体产生影响。

3.2 静电屏蔽在高压屏蔽服上的应用

对于需要在通有高压电的高塔上进行检修的人员，对高压塔进行断电后再维护是不现实的，于是就有了高压屏蔽服，其主要原理就是静电屏蔽。因屏蔽服是用金属丝制成的，屏蔽服就成了一个导体壳，就相当于把检修人员放在了壳状导体内部。由静电屏蔽原理可知，当其处于电场中时，能够保护壳内的检修人员不受外电场的影响，保证了人员的安全。因此，检修人员身着用金属丝制成的屏蔽服在高压电塔上工作也不会有危险。

4  结语

通过上述分析可知，物理学来源于人类对自然和生活现象的思考，并不是简单的公式、枯燥无味的书本文字，物理学无时不刻存在于我们周边的环境之中，需要我们不断地发现和探索。在学习和应用物理学知识的过程中，应当善于将日常生活现象与科学理论相结合，摒弃传统的应试教育模式，培养自己勤于思考和发现的精神，不断地提升学生对物理科学的兴趣，形成良好的学习习惯和思维方式。

参考文献

[1] 东南大学等七所工科院校，马文蔚，周雨青，解希顺.物理学：上册[M].北京：高等教育出版社，2014.

[2] 东南大学等七所工科院，马文蔚，周雨青， 解希顺.物理学：下册[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3] 王文琪.浅析空调制冷的物理学原理[J].中学物理教学参考，2018，47（24）：32-33.

[4] 李奕池.静电屏蔽物理原理分析与解读[J].物理通报，2019（5）：117-118.