制作风筝的步骤

风筝的力学原理及其制作……………………………………………1

二、扁担的作用及其力学原理……………………………………………5

三、对“弯道问题”的思考………………………………………………6

四、运动场上的物理学……………………………………………………8

五、自行车载重或气不足时骑着比较费力………………………………10

一、人体物理………………………………………………………………12

二、次声波及其应用………………………………………………………13

三、噪声的防治与利用……………………………………………………16

四、物理肥料………………………………………………………………20

一、水的反膨胀与墙根的损坏……………………………………………24

二、冬季生活中的物理知识………………………………………………25

三、云形成的热学过程……………………………………………………28

四、五彩缤纷的物理现象…………………………………………………31

一、家用电器中的物理知识………………………………………………38

二、关于电能表的几个问题………………………………………………44

三、空调器的输出功率……………………………………………………47

四、间歇性家用电器的耗电分析…………………………………………48

五、电气火灾的成因及其扑救……………………………………………52

六、雷电趣话………………………………………………………………54

七、超导磁悬浮列车………………………………………………………58

电磁学篇

热学篇

声学篇

八、小小手机关乎国家安全………………………………………………61

九、磁卡和IC卡…………………………………………………………63

十、地磁场——地球生命的保护伞………………………………………65

一、天空为何有那么多的颜色……………………………………………68

二、城市亮化与光污染……………………………………………………71

三、红外线与我们的生活…………………………………………………73

四、氢能：新能源中的一颗明珠…………………………………………77

生活与物理

2005年8月

力学篇

一、风筝的力学原理及制作

风筝是我国最古老的一种民间艺术，放风筝是一项集休闲、健身及学习科学

知识于一体的高雅娱乐活动，深受人民群众的喜爱，许多学校把“风筝的力学原

光学和近代物理学篇

理及制作”选为高中学生研究性学习的课题是非常恰当的。

让我们从形状最基本的风筝说起。最简单的应是平板状的方形风筝了，这种

风筝一般用两根长度不同的提线固定在风筝中轴上下适当的位置，使风筝在空中

与风向成一定的迎角，下方装有两根一定长度和宽度的尾条，如图1所示。让我

们来分析风筝是如何上升以及保持姿态稳定的。

一、风筝的上升

图2是平板状的方形风筝在空中稳定时的受力示意图。风吹在风筝表面上，

产生一个垂直于风筝面的压力F，这个力可以分解为水平方向的分力F

2

和竖直

方向的分力F

1

。F

2

的作用是使风筝远离，F

1

的作用是使风筝上升，同理，风筝

线的拉力T也可以分解为水平和竖直两个分力T

1

、T

2

。G为风筝的重力。当风

速较大时，压力F较大，竖直方向满足F

1

＞T

2

+G即F

1

-T

2

-G＞0风筝上升。此时

应该将风筝线放出，使水平方向满足F

2

＞T

1

，风筝远离。风筝上升到一定高度和

距离，风筝线重力大大增加，使得拉力T大大增加，而且风筝和竖直方向的角

度减小，使得分力T

2

大大增加，当达到F

1

-T

2

-G＝0时风筝就不再上升，而是稳

定在空中。风筝刚放飞时，地面附近风速常常较小，往往需要人为助跑来加大风

的压力F以满足上升的条件，这里应用了相对运动的原理。

二、风筝姿态的稳定

图1所示的风筝如果没有尾条，在空中的姿态是很不稳定的，风筝面会以拉

线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆，若提线位置系得不合适，使得

风筝的重心落在转动轴的上方，风筝还会头朝下颠倒过来，迅速栽向地面上。给

平板状风筝加上适当重量、适当长度的尾条是使风筝状态达到稳定的有效方法。

当风筝的

身子转过一个角度时，尾条的方向由

于所受重力和风力的方向不变而保持

不变，从而产生使风筝回复原来位置

的力矩，图3为顺着拉线方向正视风

筝时的示意图，F

1

、F

2

为重力和风产

生的拉力的合力在风筝平面内的两个

分力；L

1

、L

2

为二力到转动轴O点的

力臂，产生的回复力矩为:

M=M

1

+M

2

=F

1

×L

1

+F

2

×L

2

，可以看出，当风筝的身子偏转的角度在0。—90。范围

内时，力臂L

1

、L

2

随偏转角的增大而增大，从而保证了风筝姿态的稳定。

保持风筝姿态稳定除了加尾条的方法外，还有利用类似于飞机垂直尾翼的原

理，增加与风筝平面垂直方向的

投影面积的方法，其做法一般都采取使

风筝面翘起成孤形，如图4所示，S

1

为

风筝有效的迎风面积，S

2

为等效的垂直

尾翼面积。对飞机来说，当气流方向和

机身长度方向一致时，垂直尾翼的迎风

面积为零，不产生回复力矩；当机身由于不稳定因素而产生以通过质心的竖直轴

线为轴的偏转时，垂直于尾翼的迎风面积就不为零，气流将产生垂直于尾翼面的

压力，形成回复力矩，使机身回到原来位置。同理，当风筝面以拉线方向为转动

轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆时，两侧空气将通过等效垂直尾翼面积产生对

摇摆运动的阻力，同时迎面气流也将产生对垂直尾翼面积的压力，前者使摇摆减

缓，后者产生回复力矩。当风筝在放飞时受到风力后风筝面会弯曲成弧形，称为

软翅风筝；也有一些风筝在制作时，用线将风筝面事先拉成弧形，都是利用上述

原理使风筝姿态稳定。

三、风筝制作实例

下面介绍风筝制作的几个典型实例，供同学们制作时参考。

1、十字风筝

这种风筝用横竖两根竹条做骨架，横竹条长约45cm，宽厚均匀3mm，两头

可稍薄；竖竹条长约62cm，宽厚均匀为3.5mm。蒙面材料可采用皮纸、塑料薄

膜、尼龙绸等，若用纸质材料，应用细线包边，防止撕裂。在尾部粘上用蒙面材

料做成的宽4cm，长约2.4m的长尾条，再将横竹条背面用细线拉紧，使风筝面

变成弧形，

以增加飞行的稳定性。这种风筝姿

态的稳定主要靠长长的尾条。提线

用两根，大致位置见图5(a)。

2、王字风筝

这种风筝以用四根竹条扎成王

字形而得名，基本结构如图5(b)

所示；三根横向竹条长54.99cm（下方的一根也可略短），竖向竹条长50cm，4

根竹条宽厚均为3.5mm左右，蒙面及两根尾巴的材料同十字风筝。风筝的飞行

稳定依靠两根长长的尾巴，可以将尾条尾端粘在一起，使在空中象只书包。提线

用两根，位置如图示。

3、三角风筝

这种风筝设计巧妙上，飞行状态象伞翼机，主要是靠风筝面向上拱起成弧形

达到姿态稳定的［见图6（c）］。该种风筝用宽厚各3.5mm的三根竹条做骨架，

另用一根粗细相仿的弹性竹条做背面的撑杆，一般用尼龙绸做蒙面。其设计巧妙

之处，一是用布面代替提线，增大了等效垂直尾翼面积，增加了稳定性［图6(a)］；

二是背面的弹性竹条可以随风力大小改变弯曲程度，从而改变风筝向拱起的程

度，风力大时，需要较高的稳定性，弹性竹条就弯得厉害，风筝向上拱起的程度

增大［图6(b)］，这种风筝的缺点是风力太大时背面撑杆会弯过头，使迎风面积

大幅度减小，升力骤减，风筝会调头向下坠落，解决的办法是将背面撑杆改为稍

短的无弹性硬杆，两端固定牢。风筝的尺寸为：等腰三角形两根腰杆长85cm，

中线杆长60cm，背面撑杆长度可试验决定，等腰三角形的底边靠尼龙绸自身的

强度，也可加上几根短尾条作装饰。

做一做:

制作风筝，同学之间进行比较，探究各自风筝的优点和改进方法。

二、扁担的作用及其力学原理

扁担具有杠杆的作用，不仅为我们提供方便，更重要的是省力。不妨我们分

析扁担挑重物时和用手提重物时的受力情况。以扁担挑重物为例，如图1所示，

以扁担和重物为研究对象，人所施加的力为F，由平面力系得知F=2G，以人提

重物为研究对象，如图2所示，由于手提两重物不可能让重心叠加在一起，必须

分开，分开角度与重物重心距边缘最近的距离有关，这时人施力除了F=2G外，

还必须提供两重物分开的一对平衡力N，才能保证重物提起。人施加的力F，=N+F

一定大于用扁担挑重物时的力，在现实中，同样重的重物两人不用手提而用扁担

抬和这是一个道理，用扁担能挑方便。

若将扁担做成“扁”的和“软”的都能起到增大受力面积，减小对人体压强

的作用。“扁”扁担大家都知道能减小压强，而“软”扁担为什么能减小压强呢？

人们用软扁担挑重物时，由于软担发生的弹性形变明显大于硬扁担，这和人坐沙

发比坐硬板凳子舒服是同样的道理。软扁担不光增大受力面积，更重要的是能够

上下颤动，这样，使人受到交变载荷，使人感到轻松。这是由于人走路时对每一

步都是以地面为圆心，人腿为半径向前迈进，如图3所示，这样人的肩膀

就会一高一低的上下运动。硬扁担会

把这上下运动传给人体，使人感到较

大交变载荷，同时重物随人体上升使

人要作额外的功。而软扁担的人体高

时马上发生弹性变形，这时重物不会

马上随人体的增高而增高，而通过软扁担减少上下运动，使人肩受到较小的向上

加速度，从而使向上受力较小于硬扁担，而扁担形变所贮存的弹性势能又会减少

对重物上升而作的额外功。故人体感到舒服。上述的道理同人挑东西小跑时，步

幅小，上下运动小，感到轻，而步幅大，上下运动大，感到重，是同样道理，上

述可以以下实验验证。用扁担挑着重物不动和上下颤动。不动时，人体不受交变

载荷；上下运动时，受交变载荷，人是这样的，机器也是一样，受交变载荷的承

载能力远远小于不受交变载荷的承载能力。

三、对“弯道问题”的思考

目前，国际性田径比赛使用的是周长有400米圆式跑道的田径运动场。跑

道通常设有8条分道，各宽1.22—1.25m，弯道半径（内道）37.898m(下取37.90m)，

两圆中心距为80m。200m、400m等项目的竞赛都涉及到弯道途中跑。由于弯道

占全程的约2/3，弯道技术常成为致胜的关键。

设运动员以恒定速率v在半径为R的弯曲跑道上赛跑。由于运动方向不断

变化，这实质上是一种变速运动，运动员的整个身体要向内（加速度方向）倾斜。

为了使人体不倾倒，地面给运动员脚的反作用力F必须通过人体质心C，这样可

保证对质心的力矩为零。F与重力mg的合力即运动员作曲线运动的向心力，方

向指向圆心，大小为mv2/R。事实上，这里所说的地面给运动员的力F实际上就

是支持力N与静摩擦力f之和。竖直方向的重力mg与支持力N的合力为零，与

作圆周运动无关；水平方向平行于地面的静摩擦力提供了运动员在弯道上的向心

力。由图1可知：mgtgθ=mv2/R,即：tgθ=v2/Rg。可见，速度越快、半径越小，

所需要的向心力越大。对不同道次上的运动员而言，跑道半径R不同。即使速

率相同，人体的倾斜角度θ并不相同。假设某

一运动员在弯道上的速率v为10m/s，

则从最内侧跑道到最外侧跑道所需要

的向心力。倾斜角θ见下表

弯道半径(m)37.9039.1540.4041.5642.9044.1545.4046.65

向心力(R为

37.90m时取1)

10.970.940.910.880.860.830.81

倾斜角θ(度)15.0714.6114.1813.7713.3813.0112.6712.34

弯道半径小，向心力（摩擦力）大，人体的倾斜角度大，对弯道技术要求高，

此时运动员对地面沿半径方向的蹬踏作用也随之增大，这在一定程度上增加了运

动员的额外负担。相同速率下，运动员在最内侧跑道与最外侧跑道上比赛时，向

心力相差约19％，人体的倾斜角相差3。，这正是运动员重视比赛道次安排的重

要原因。

能否如图2所示将跑道表面设计

成像火车弯道那样向内倾斜，以支持

力与重力的合力提供向心力，从而减

少摩擦力，以求得各道次的公平竞赛？

诚然，跑道设计成图2所示形状，可

使摩擦力减少，如果速率适当，摩擦

力甚至可以为零。若将不同半径的跑道设计成不同倾角，在减少摩擦力这一点上

可达到相对公平。但此时的支持力N在数值上为重力与惯性离心力之和，大于

人的重力mg，运动员就好像背上了“额外重物”在平直跑道上沿直线赛跑。显

然，不同道次上运动员所背的“额外重物”并不同，弯道半径越小，“额外重物”

越重。倾斜跑道增加了设计、施工的难度，却难以达到“公平竞赛”的要求。

四、运动场上的物理学

一、钉鞋

田径比赛时，短跑运动员往往要穿上钉鞋，而长跑运动员如果也穿上钉鞋的

话，那就会闹笑话了。那为何短跑运动员要穿上钉鞋，而长跑运动员不能穿呢？

同样都是钉鞋，为何跑步时穿的钉鞋只有前脚掌有钉子，而跳高时穿的钉鞋前后

脚掌都有钉子呢？

原来短跑时无论起跑还是途中跑，运动员都要竭尽全力地向后蹬地，靠地面

对人的反作用力而迅速向前运动，如果穿上一般的运动鞋，由于鞋底和跑道之间

的最大静摩擦力会小于运动员的后蹬力，运动员就会因打滑而向后移动（一般将

这种现象称为滑蹭），若在短跑中运动员每跑一步都向后滑蹭一点，势必会影响

运动员的成绩。而穿上钉鞋后，由于钉子能扎入跑道，因而可以有效地防止滑蹭，

所以短跑运动员穿上钉鞋是为了增大摩擦力。

那长跑运动员跑步时为何不穿上钉鞋呢？原来滑蹭虽然会使运动员多跑一

些距离，但由于滑蹭也会延缓脚与地面间作用的时间，减小了地面对人的反作用

力，缓冲了对关节的冲击，可减轻运动员的疲劳程度，提高总成绩。另一方面，

长跑比的是耐力，不需要那么大的后冲力，因而滑蹭相对也小些。再来说说跳高

时穿的钉鞋为何前后脚掌都要有钉子。原来跑步时只是前脚掌着地，而跳高时先

是后脚掌着地，然后是前脚掌着地，因为跳高是利用助跑获得水平速度，再利用

制动性起跳，将水平速度转化为向上的速度，钉鞋的后跟也有钉子就是为了产生

制动作用。

二、跳高姿势

校运会上跳高运动员一般都采用跨越式跳高,而少数采用背越式的运动员

往往是成绩比较好的运动员，并且在世界大赛上，根本就看不到跨越式跳高，这

又是什么原因呢？

设想将人的头和脚连起来成一圆环（图1），则其重心大约在圆心O附近，

也就是重心下移了。所以当背越式跳高时，运动员总是背对横杆，将身体做成弓

形，象拱桥一样（图2），这样做的目的是为了使其重心O′下移。而跨越式跳高

则如图3所示，二脚尽可能分开先后跨越横杆，这时人的重心O″是上移了。因

而跳高时采用背越式和跨越式的区别是：越过横杆时，人的重心分别在横杆的下

方和上方，对某一运动员而言，他能将自己的重心提高的高度是一定的，因而对

他来说跳高时，采用背越式肯定比采有跨越式跳得高些。当然身体的柔软韧性越

强，将身体弯曲的越厉害，重心就下移得越多，成绩就会越好，这就是跳高时背

越式胜过跨越式的奥秘。

当然，有时在世界大赛中也能看到俯卧式跳高，运动员也是将身体做成弓形，

只不过是脸朝横杆，也是将重心下移，原理与背越相似。不过这种方法较背越式

难为运动员掌握，因而采用的人较少。

三、滑冰

不知你是否注意到滑冰运动员冰鞋滑过的地方总会留下一道的“白线”，过

一段时间“白线”又消失了，这是什么原因呢？

原来冰鞋下面的冰刀和冰面的接触面积很小，人穿冰鞋在冰面上时对冰的压

强很大，压强大时会使冰熔点下降，再加上摩擦生热，就会使冰刀下面所接触到

的冰在较低的温度下熔化成水，因此你所看到的“白线”实际上是冰化成的水，

当冰刀滑过后由于压强又变小，因而水又会结成冰，这时“白线”自然就消失，

这种现象在物理上被称为复冰现象。所以冰上运动实际上是由于有了水做润滑

剂，大大减小了冰刀和冰面的摩擦，才能确保运动员在冰上得以高速运动。

讨论与交流：

体育课上你还遇到那些运动项目涉及到物理知识？

五、自行车载重或气不足时

骑着比较费力

我们平时骑自行车时都有这样的经历：自行车载重时比空车骑着费力；气不

足时比气足时骑着费力。对前者有人解释为载重时自行车对地面压力大，地面对

自行车的摩擦力大，因而骑着费力；而对后者的解释却并不容易，因为气足与不

足并不影响轮胎与地面的材料、粗糙程度及正压力，有人因此认为：气不足时轮

胎与地面的接触面大，因而摩擦力大；还有人解释说：气不足时轮胎的弹性小，

摩擦因数大，摩擦力大因而骑着费力。以上各种解释似乎都有点道理，其实都是

不正确的。

首先，自行车与地面之间存在的是滚动摩擦（可认为轮胎与地面之间没有相

对运动），而不是滑动摩擦，用滑动摩擦的知识来解释当然不合适（对后者的解

释存在科学性错误）。其次，自行车后轮（主动轮）与地面的摩擦力对自行车起

到的是动力作用，而不是阻力，认为地面对自行车的摩擦力是导致骑车费力原因

的说法是欠妥的。下面我们从力矩的角度对上述现象作出解释。

对从动轮而言，当空车或气足时，地面和轮胎形变较小，轮胎与地面的接触

面较小。如图1所示，此时地面对车轮的支持力F的作用线与车轴

的距离很小（严格说并不经过车轴，而是稍前，支持力相对车轴的力矩几乎为零，

因而当轮受到轴对它向前的推力和地面对它向后的摩擦力时，就会向前滚动（此

时车轮受到的滚动摩擦力偶矩较小）。当载重或气不足时，地面和轮胎形变较大，

轮胎与地面的接触面较大，如图2所示；此时地面对车轮的支持力F的作用线前

移，离车轴距离变大［有关说明见附（一）］，

支持力F对车轴的力矩变大，该力矩与车轮滚动方向相反，阻碍车轮向前滚动（此

时车轮受到的滚动摩擦力偶矩较大）。

对主动轮面言，链条（或其它传动装置）提供车轮向前转动的力矩（如图3

的所示），地面对它向前的摩擦力阻碍车轮的转动，同时轮通过轴对支架产生向

前的推力。空车或载重时及气足或气不足时，地面对主动轮的支持力及其力矩（滚

动摩擦力偶矩）对车轮转动起到的作用与从动轮相同，在此不作详细分析。

由以上分析可知：载重或气不足时，地面对车的支持力产生的阻碍车轮向前

转动的力矩（滚动摩擦力矩）增大，从而造成自行车载重时比空车骑着费力，气

不足时比气足时骑着费力。而地面对轮胎的摩擦力（静摩擦力）在此过程中并不

是费力的主要原因。

附：（一）圆柱体在滚动摩擦与

滚动摩擦力：当圆柱体在粗糙水平

面上滚动时，要受滚动摩擦的作用，

它是由于圆柱体与地面接触处的形

变而引起的。因为圆柱体和地面都

不是绝对刚性的，圆柱体由于重量而陷入地面，同时本身也受压缩。当它向前滚

动时，由于地面的隆起，地面的竖直反作用力N并不通过质心，而是偏于质心

的前方，因而产生一个反抗圆柱体滚动的力矩，如图4所示。这个力矩就是滚动

摩擦力矩，又叫滚动摩擦。

（二）滚动摩擦力是圆柱体滚动时，在地面与圆柱体之间产生的阻碍二者相

对滑动的力，当圆柱体只有滚动没有滑动时，该力属于静摩擦力。

说明：滚动摩擦表现为力偶矩的作用，是力矩；滚动摩擦力属于静摩擦力，

是力。二者在量纲上不同，效果上不具备可比性。

声学篇

一、人体物理

1、饭后打嗝

食物进入胃内时，被胃挤压，使得食物中空隙间混有的气体积聚，当积聚的

气体压强大于食物与大气压强之和时，这些气体将从胃内经食物的空隙向上冲并

从嘴里跑出来。发出的响声可能不大，但若此种气体冲过关闭的声带就会发出较

响的声音，这即是打嗝。喝啤酒或吃萝卜常打嗝，就是这个原因。

2、坐机吃糖

咽鼓管在说话、吞咽时开放，时间不超过1秒钟。这时它能使鼓膜内外两侧

气压平衡，保证听音。如飞机突降，大气压升高，咽鼓为受压后不能开入，空气

不能进入中耳，将发生航空性中耳炎。吃糖果时不断吞咽，能使咽鼓管不断开闭，

内外气压平衡，保护耳朵不受伤害。

3、纹的作用

人拿东西靠的是手和物体间的摩擦力，而手纹则是为了增大在拿东西时手与

物体之间的摩擦力。脚纹则是为了增大脚与鞋之间的摩擦。这些摩擦是必不可少

的，是有益的。

4、木棍听音

人体通过空气传导和骨传导产生听觉。声波入耳后引起鼓膜和听小骨振动，

经内耳剌激听神经传到大脑，听觉就形成了。但声波通过颅骨的振动，也能剌激

听神经。音乐家贝多芬耳聋以后，以牙咬住细棍的一端，另一端置于钢琴上，琴

声振动颅骨后就能感受到音乐。

思考与交流

你还知道那些人体物理现象吗？

二、次声波及其应用

常言道：“未见其人，先闻其声”。但自然界有与其恰恰相反的现象。如蜜

蜂采密时有嗡嗡的声音，而蝴蝶在花丛中飞舞时，却很难听到声音，这是什么原

因？自然界有许多我们听不到的声音，次声波就是其中之一。

一、何谓次声波

次声波又称为亚声波，是一种人耳听不到的声波，频率范围为10-4Hz——

20Hz。在大自然的许多生活中，我们都可以感觉到它的存在。人类可闻声波的

频率范围为20Hz——20000Hz，可是现代声学研究的声波频率范围不断向高端和

低端扩展。2×104Hz——5×108Hz的声波称为超声波，5×108Hz——1010Hz的

声波称为特超声波，而1012Hz——1014Hz则是分子热运动的范围。目前，整个

声学研究的频率范围跨越1016H

Z

，是物理学各分支里少有的。

二、次声波的产生

本文开头提到的蝴蝶飞舞时，由于翅膀振动的频率很低，发出的就是次声

波。在自然现象中，地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、陨石落地、大气湍流

等都会产生次声波。人类的活动，如核爆炸、人工爆破、火箭起飞、飞机起降、

奔驰车辆的振动等也会产生相当强的次声波。另外，还可以人为制造声源——次

声发生器。这种发生器的工作原理很像风琴管，可以具有较大的功率。

三、次声波的特点

和声波一样，次声波的传播遵循声波传播的一般规律，但由于它的频率很

低，在传播时也有自己的特殊性。

次声波在20℃的大气中的传播速度为334m/s。如振动频率f=10-2Hz的次声

波，其波长为λ=v/f=3.34×104m。由于次声波的频率低，波长长，容易发生衍射，

在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡，经常会一绕而过，在有些情况下，那是巨

大的山峦也无法阻挡它的传播。

另一方面，声波在传播过程中，频率越高，衰减越大。次声波由于频率很

低，在传播过程中衰减很小。当次声波在大气中传播几千千米时，空气对其吸收

还不到万分之几分贝。因此，次声波可以在空气、地面等介质中传播得很远。例

如一包5kg的炸药爆炸时，几千米以外就听不到爆炸声了，但由爆炸引起的次声

波却能传到80km远处。1883年8月27日，印度尼西亚的喀托火山突然大爆发，

产生了强爆炸波，发生了巨响。同时产生的次声波则传播得很远，居然绕地球转

了3圈，历时108小时。1961年，前苏联在北极闭幕式内新地岛进行核试验激

起的次声波绕地球转了5圈。

次声波还有一个特点就是穿透能力强，可以穿透建筑物、掩体、坦克和潜

艇等障碍物。如7000Hz的声波用一张纸即可隔挡，而7Hz的次声波可以穿透十

几米厚的钢筋混凝土。地震或核爆炸所产生的次声波可以能将高大的建筑物摧

毁；海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏；高空中大气湍流产生的次声波能折

断万吨巨轮上的桅杆。

四、次声波的应用

由于次声波具有远距离传播的等突出优点，它的应用已受到越来越多的关

注。我们应充分利用其特点为人类服务，但同时也要防止它所带来的危害。

1、科学监测方面的应用

利用次声波通过大气所引起的压力波动效应，可以测量次声波。次声波的

测量表明，次声波是平面波。它沿着与地球表面平行的方向传播。在强烈地震时，

沿地面传播的地震波有三种：纵向波、横向波和表面波，它们所激发的次声波的

强度各不相同。接收这三种不同的次声波，可以推算出地震波的垂直幅度、方向

和水平速度。

另外，根据接收到的次声波，可以探知几千千米外的核武器试验和导弹发

射。1986年1月29日0时38分（北京时间），美国航天飞机“挑战者”号爆炸，

经过12小时53分钟后，它的次声波传到中国科学院声学研究所的北京监测站所

在地北京香山，其间的路程达14300千米。所以，利用次声波的资料能够预报破

坏性很大的海啸、台风，以便人们及早做好预防工作。

2、次声波对人体的危害

很强的次声波对人体和动物都是有害的。人体的各个器官都有自己的固有

频率。例如，人体内脏的固有频率在10Hz以下。人耳听不见的次声波，如果与

人的某个器官的固有频率相同，会引起共振。因此，次声波对人的心脏、听觉、

视力、语言会产生影响，强大的次声波会导致人的死亡。当次声波和人脑固有频

率（8Hz--12Hz）接近时，会引起共振，剌激人的大脑，对人的心理和意识产生

一定的影响，轻者感觉不适，注意力无法集中，情绪上恐惧不安，还会引起头痛、

恶心、晕眩；严重时使人神经错乱，癫狂不止，休克昏厥，丧失思维能力。

3、动物对次声波的感知

用一些动物做实验发现，强次声波能使狗呼吸困难，使老鼠的耳膜振破，

甚至使一些动物心脏破裂而死亡。动物的听觉范围与人的不同，人耳听不到的次

声波，某些动物却可以听到。因此，大地震前由于前震产生的次声波能使狗等动

物听见，而产生烦躁不安等异常现象，从而可以预测大地震将要来临。

4、次声波在军事上的应用

由于次声波在介质中传播衰减较少，在水中传播速度很快可达1600m/s，在

军用侦探方面效果很好。次声波在传播过程中，无声无光，不易被敌方觉察，因

而制成的次声武器隐蔽性好，再加上它有很强的穿透能力，坦克、装甲车内的驾

驶员、指挥员也难以逃脱厄运。根据次声波对人体神经系统和器官的危害，可以

把次声武器分为“神经性”次声武器和“器官型”次声武器等类型。由于次声武

器只伤害人员，而不会破坏自然物质，也不会造成环境污染，所以世界各国都加

强这方面的研制工作。可以预见，次声武器必将成为未来兵器家族中新的出色成

员。

次声波在声学范围内还是一个比较新的领域，它不仅用于探测气象、地震、

预报台风、海啸，而且也用于军事侦察。所以，对次声波的产生、传播、接收、

影响和应用的研究，已导致现代声学的一个新分支的形成，这就是次声学。有人

预计，近代声学不断深入到人的思维和大脑活动，么有可能声学是人类最先突破

人脑活动禁区的学科。

三、噪声的防治与利用

我们每一个人都生活在噪声之中，噪声与我们休戚相关。随着现代社会的发

展，噪声的防治与利用将越来越引起人们的关注。

一、噪声的强弱

各种频率和声强的声音杂乱地组合在一起，构成了我们生活中的噪声。噪声

源主要有空气动力性噪声、机械性噪声和电磁性噪声三种。当气体中产生涡流，

可发生压力突变，引起气体扰动，就会产生空气动力性噪声，如通风器、鼓风机

和喷气式飞机等所产生的噪声即属于此类。织布机、车床及锤打物体等，由于固

体振动，产生的是机械性噪声。电磁性噪声是由于电磁性振动而发出的声音，如

发电机和变压器等发出的嗡嗡声。

噪声的强弱如何区分呢？这还得从声压说起。声波引起空气质点振动因此使

大气压强增加，这个新增加的压强，就叫做声压（p）。它是以单位面积上所受的

力来计算的。在国际单位制中，声压的单位是P

a

（N/m2），为了方便，人们常用

微巴做单位,1P

a

=10μbar，1bar=106μbar。人正常讲话时,离开嘴唇0.5m处的声

压大约是1μbar。

人耳能听到的声压范围是从0.0002μbar到200μbar，这相当于从微风吹动

树时的飒飒声到喷气式飞机发动机的声音，其间声压相差约100万倍。在这样宽

广的范围内，用声压的绝对值来表达声波的强弱是很不方便的。况且人耳分辨能

力，不但与声压的大小有关，而且与声压的相对值有关。于是人们采用简化的计

算方法来表示声波的强弱，即按每增加10倍作为一级的对数方式划分声波强弱

的等级，从1到106按10倍等级划分，便有1，10，100，1000……1000000七

个等级，再分别取10为底的对数，便得到0，1，2，3，4，5和6七个级别。根

据实际需要，人们又把每一级分得细一点而乘上10，于是原一个级别便成为10

个“分级”。人们把这“分级”取保为分贝（dB）。

由于声音能量的变化与声压的平方值（p2）成比例，于是两个声压p和p

0

的

级差可表示为

L

P

=10log

10

(

0

p

p

)2=20log

10

0

p

p

。

通常人们把耳朵听闻低限作为零分贝声压，所以有

L

P

=20log

100002.0

p

（dB）。

因此人耳能听到的声压范围，用声压级表示应为

20log

10

1（dB）至20log

100002.0

200

（dB）。

即0dB至120dB。通常我们把噪声强弱划分为120个等级。

二、噪声的危害

噪声对人的影响是由频率和音量两个因素决定的。人耳可以感觉到的声音频

率是20Hz至2×104Hz，但对其中1kHz至4kHz的声音最敏感。研究表明,音量

经常保持在35dB，就会危害人的健康。因此我国规定，居民区的环境噪声白天

不能超过50dB，夜晚不能超过40dB。通常人们讲话声为50——60dB，收音机

和电视机开响可达80dB左右。

一般噪声会分散人们注意力，影响工作效率，妨碍休息，较强的噪声，会引

起人们心血管和消化系统疾病，还会造成耳聋。医学专家研究表明，若在80dB

以上噪声环境中生活，造成耳聋者可达50％，还会发生眼痛、眼花和视力下降。

另外还会使人唾液分秘减少，胃酸下降、食欲不振。噪声对青少年影响更大。有

调查表明，在吵闹环境中生活的青少年，其智力发育要比安静环境中低20％。

噪声使人体中维生素和氨基酸等营养物质消耗增加，不利于青少年生长发育。日

本科学家曾对1000名初生婴儿进行检查，发现吵闹环境中生活的婴儿体重普遍

较轻。极强的噪声，还会引起人和动物死亡。

三、噪声的防治

既然噪声的危害不容忽视，那么怎样防治噪声呢？最根本的办法是从声源上

控制它，将发声体改成不发声体。如用无声的焊接代替铆接，用无声的液压代替

锤打等。但是由于技术或经济上的原因，很多情况不能从声源上控制噪声，人们

通常采取吸声、消声和隔声等办法来防治噪声。

在高噪声房间里悬挂空间吸声体，或者把吸声材料粘贴在房间内表面上，可

以显著降低哭声吸声材料如玻璃棉、泡沫塑料、毛毡、木丝板和甘庶板等，有许

多小孔，当声波进入孔隙，由于摩探和粘滞阻力，材料细小纤维的振动使许多声

能转化为内能，从而减少了噪声。对于低频率的噪声，吸声材料效果不显著，人

们采用共振

吸声结构装置吸声，图1是一种共振

吸声结构装置。当我们适当选取穿孔

率（穿孔面积与该表面积之比），孔径

d、颈长l、空腔深D，就可以在某一

频段得到最大吸声效果。

对于空气动力性噪声，常采用消声

器防治噪声。消声器主要分为阻性消声

器、抗性消声器和阻抗复合消声器三种。

把吸声材料固定在气流管道内壁，就构成了阻性消声器，它对高、中频率噪声特

别有效，但对低频率噪声效果欠佳。防治低频率噪声，要用抗性消声器。抗性消

图1

声器是根据声学滤波原理设计的。声波通过适当的声阻、声顺和声质量（可类比

于电阻、电容和电感）组合空间，可以显著降低某些频段噪声。如共振腔型消声

器、扩张室式消声器和干涉消声器等都属于抗性消声器。如果空气动力性噪声具

有很宽的频率范围，单靠阻性或抗性消声器难以解决问题，于是人们又设计了阻

抗复合消声器。它集中了阻性抗性的优点，降低噪声效果更显著。图2是一种阻

抗消声器结构示意图。其中消声元件如图3所示，吸声材料为阻性，穿孔板为抗

性，发挥了阻性和抗性的优势。

随着现代信息技术发展，根据波形相同，位相相反的波叠加可以相互抵消的

原理人们利用电子计算机设计出新颖的反噪声器，反噪声器利用麦克风探测噪声

源，将噪声信号送入电脑，产生与之反相的声波，在电脑的指挥下，反相波与来

犯噪声波叠加，从而抵消噪声。英国南安普顿大学声学与振动研究所科技人员艾

略特，利用这种“主动噪声控制”技术，研制成功复杂的电子控制装置，试用于

波音748飞机中，效果显著。美国康涅狄格州消音工业公司，研制出反噪声立体

耳机，很受人们青睐。

我们还可以用封闭方法，把发声体隔离在某一空间，这叫做隔离法。如密封

的隔离罩和隔声间等。一般选用质量大的材料如砖墙、钢板和木板隔离，还可以

在隔离腔内表面粘贴吸声材料，效果更好。居住区广植草木树降低环境噪声也有

显著效果。在较强噪声环境下工作，应该采取个人防护措施，如佩戴耳塞、耳罩

和防声头盔等，保护身心健康。

四、噪声的利用

噪声可以危害我们的身体，但是人类如果完全脱离噪声，生活在死一般寂静

的环境里，对身心健康也会不利。有些声场合,人们还要巧妙地利用噪声,所以

如何控制噪声,利用噪声,是现代社会一大课题。例如现代开放式办公室,许多人

集中在面积很大的空产内办公,为了避免相互干扰，就必须人为地在空间产生一

个50至60dB的均匀噪声场,掩盖邻近传来的声音.人们到旅游胜地,脱离喧嚣的

城市，乐于倾听阵阵松涛之声，感到心旷神怡，这说明适度噪声是有益于身心健

康的。

目前各国科学家都在努力研究开发利用噪声的技术，使噪声造福于人类。英

国科技人员设计出一种鼓膜式声波接受器，它把接受到的声能传到电转换器中，

声能立即转变成电能，这就是利用噪声发电。美国研究人员发现，高能量噪声可

以使尘粒相聚一团下沉，由此产生的噪声除尘技术将使人类受益匪浅。美国科学

家还设计出一种利用噪声制冷的冰箱。这种冰箱不用化学制冷剂氟里昂和压缩

机，不仅不耗电，而且不会污染环境。美国加利福尼亚斯克利普斯海洋地理研究

所的科学家，利用波段为8kHz——80kHz的水下自然噪声，显示海底情况，实

验获得了成功。前苏联科学家发现，受到电磁辐射，人体分子原子热运动会发出

人耳听不见的噪声，可以用电子仪器测量，并且人体部位温度越高，噪声越强。

根据这一原理他们研制成功电子声学诊断仪，利用人体噪声确定病灶位置。美国

科技人员用噪声干燥食品，其吸水能力为传统干燥技术的4至10倍，并且不会

损坏食品营养成分，深受人们欢迎。科学家们通过实验证实，农作物受到高能量

噪声剌激后，气孔会张大，可以更多地吸收二氧化碳和其他营养成分，显著增产。

例如西红柿在生长期中经过30次100dB的尖锐笛声剌激后，产量可以提高两倍

以上。科技员还发现，不同植物对不同波段的噪音，有不同的敏感度，噪音可以

控制植物提前或推迟发芽，可以在农作物生长前施药除草，促进作物丰产。总之，

随着科学技术的发展，人类在防治和利用噪声方面将创造出更丰硕的成果。

思考与交流

噪声与乐声有何区别？噪声需要彻底消除吗？

四、物理肥料

在人口不断增加，耕地面积不断缩小的条件下，为了满足人们生活提高的需

要，农业科研人员，孜孜不倦地研究提高农作物产量。诸多实验表明，化学肥料

虽然比有机肥料效力大，但是，长期使用将导致土壤变性，造成环境污染。研究

开发物理肥料，那是提高农作物产量的一条好途径。

一、电肥

地球是一个巨大的带电体，它表面空间有一个巨大的电场，一切生物都在这

个电场中生长。生物体的每一个细胞又是一个特殊的电池，因此，整株植物不断

有微弱电流通过。如果给作物外加一个电场，或者说，使植物体与大气间的电压

增大，光合作用就会加强，作物的生命过程就会加速，果实就会更丰硕。

美国一位植物生理学家做过一个实验，在植物的上方布满铁丝网，将高压直

流电源的正极接在铁丝上，电源负极接在地上，把黄瓜、南瓜、西红柿、萝卜、

白菜和豆类放在这个高压正静电场中，这些蔬菜与不加电场的比较，它的成熟期

缩短了一半，重量分别增加了3—5倍。如果在这个电场中种植棉花，产量增加

50％，棉花纤维质量显著提高。

有的研究员向稻田通电，认为提高稻田电位差，产量增加50％，灌溉用水

降低到原来的1/6。用雷击法可使蘑菇增产20％。将西瓜种子浸泡在75V电压的

稀盐酸溶液中，西瓜含糖量增加40％，产量提高10％。

二、光肥

有的农业科学家认为，使作物丰收的关键，不是土壤，而是吸收太阳光的能

力，即作物利用太阳光进行光合作用，把光能转化为化学能的能力。如何提高作

物吸收阳光的能力？农业科学家经过长期的观察发现，在上午10点钟到下午2

点钟，由于大气干燥炎热且紫外线强，小麦的叶片气孔关闭，光合作用处于低谷，

为了增加光合作用的时间，人工创造条件，用薄膜遮盖，挡住紫外线的伤害；使

空气湿润，并降低气温。结果，光合作用速率显著增大，小麦的穗重和粒重显著

增加，产量大幅度提高。

经过反复实验，人们还发现：并不是所有色光对作物的作用都相同，只有特

殊波长的光才能对植物产生特定的刺激，产生积极的作用。实验表明，波长390

—410nm紫光可活跃叶绿体运动；波长600—700nm红光，可增强叶绿素的光合

作用；波长500—650nm绿光，会被叶绿体反射和透射，使光合作用下降。农业

科学家还发现，作物吸收阳光具有选择性，有的喜欢这种色光，有的喜欢那种色

光。用红色激光照射豆角，豆角基因发生变化，变成新的品种，它果实长大，八

个豆角重0.5公斤，亩产可达3000公斤，营养成分高于其它豆角，果肉肥嫩，

春夏秋三季均可种植。用红橙色光照射黄瓜和西红柿，果实成熟期可提早二个月，

产量增加二倍，果实中的糖分、维生素和某些微量元素有明显提高。用黄光照射

芹菜，茎粗叶大，品质优良，还大大减少纤维含量，增产25％—28％。用粉红

色光照射草莓、西红柿和辣椒，能显著增产。用紫光照射茄子，结果既多又大。

用蓝紫色光照射小麦，生长旺盛，并能提高蛋白质含量。用蓝紫色薄膜进行水稻

育秧，叶绿素、氮素和磷酸的含量都可增加，还可防止秧苗黄化。这种秧苗移载

后，分蘖数提高20％，对于寒冷地区，可起到稳定高产的作用。绿色光能帮助

消灭杂草，银色光能防治蔬菜瓜果的病虫。

三、磁肥

地球上的一切作物都生长在磁场中，一旦离开磁场，作物就会枯萎死亡。研

究人员发现，如果给农作物外加一个一定强度的磁场，能够增强作物的光合作用，

促进作物生长。灌溉水经过0.3T的磁场处理，由于洛伦磁力的作用，大的水分

子团变为小分子团，易于作物吸收，磁化水能使作物获得高产。如果将煤渣磨细，

经过磁场处理后，再施到农田里，以磁代肥，也可以加快作物生长，获得高产。

在农作物根部施用掺于永磁微粉的化肥磁化水，茄果蔬菜产量可提高25％—

30％。我国“禾和”牌生物磁肥，以火电厂煤灰粉为载体，添加微量元素、生物

活性物质，植物营养调节剂进行配方。该产品全国销售，还出口日本和澳大利亚

等国，收到很好的环境效益、社会效益和经济效益。

四、声肥

声波携带能量，作物吸收声波能量后能够增加细胞活力，加速细胞分裂，促

进作物生长发育。频率不同的声波对作物产生不同的剌激，优美的乐曲可以调节

作物的新陈代谢，促进作物生长；尖嘶的噪音，会抑制作物生长。印度人做过这

样一个实验：每天给凤仙花25分钟优美动听的乐曲，十五周后发现，这些凤仙

花比不听乐曲的长得的快，花朵更艳丽，花期更长。通过实验又发现，优美的乐

曲可以使水稻增产25％—60％，可以使花生增产50％，法国人给西红柿每天播

三小时的音乐，这颗西红柿重达2kg，成为世界之最。给一颗卷心菜听音乐，可

达到27kg。俄罗斯人对温室中的蔬菜每天播放两次音乐，蔬菜产量增加2—3倍。

超声波频率比乐曲高，能量大，它能使植物皮软化，细胞膜的透性增大，促

进植物细胞内部物质的氧化，还原、分解和合成，增加农作物的产量。法国人使

用超声波播放器育出的萝卜比对照的萝卜大二倍。英国人用超育出了足球大的红

薯和直径0.6m的蘑菇。我国用超声波处理小麦种子，提高了发芽率和出苗率，

缩短了生长发育周期，增产10％。

五、气肥

光合作用是植物最基本的物质代谢和能量代谢，是利用光能把无机物合成有

机物的生理作用，为植物提供有机物和能量。光合作用总的反应议程是：

CH

2

+2H

2

O→CH

2

O+H

2

O+O

2

。由此可见，二氧化碳是植物光合作用必不可少的原

料。在一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物光合作用越强。因此，二氧化碳

是农作物的气肥。美国人进行过试验研究，他们发现，在农作物生长旺盛期和成

熟期，使用二氧化碳效果最好。在这两个时期，每周喷射数次二氧化碳，蔬菜可

增产90％水稻可增产70％，大豆可增产60％，高梁可增产200％。德国人发现，

凡是有地下天然气冒出来的地方，植物生长特别茂盛。由此得到启发，他们将液

化天然气通过专门管子送入土壤，效果也很好。原因是天然气中的甲烷能帮助土

壤中的微生物繁殖，这些微生物能改善土壤结构，帮助植物吸收营料物质，是否

有其它气体也能作肥料？需要继续研究。气肥是一种发展前途很大的诱人的肥

料。

除上述五种物理肥料以外，人们还发现，用“沸石“作原料生产的一种土壤

改良剂，可以松土壤，增强保肥能力，提高土壤中阳离子的交换性能，有利于农

作物发育，使根壮，根量增多，获得增产效果。

总之，电、光、磁、声和气等物理性能量，都可以起到肥料的不同功能和作

用，因此被视为物理肥料。物理肥料无污染，能增产，受到各国植物生理学家的

密切关注和高度重视，随着科学技术的发展，物理肥料的开发和应用的前景，必

将呈现出繁荣的景象。

热学篇

一、水的反膨胀与墙根的损坏

常见的墙无论是水泥涂的外层，还是石灰涂的外层，离地面0.8m左右的墙

面都是先坏，为什么呢？这要从水的反膨胀说起。冬天下雨、下雪，墙面总要吸

水变潮，温度到了4℃以下，水就要反膨胀，温度越低，膨胀越厉害，结冰后膨

胀就更厉害。同质量的冰要比水的体积大百分之十以上。雨雪过后，离地面0.8m

左右向下的部分很难干（注：0.8m的距离是我们经过多次观察测量得到的数据）。

除上面的水往下渗透，由于毛细现象，地下水又向上渗透，就更难干，而0.8m

以上的部分容易干燥。也就是0.8m左右是干潮的分界线。一但温度达到4℃或

4℃以下，干的部分遵循热胀冷缩的规律，潮的部分由于渗透的水要反膨胀，这

样就容易损坏。上述情况，背光和不通风的墙更容易损坏。

如何克服这一难点？暂时还没有什么好的方法。但是可用一些简单比较有效

的方法。例如在墙根的水泥搅拌过程中加入适当的盐，然后涂到墙根上，就可以

降低水的凝点，使水的膨胀体积尽量小一些。若在墙离地面0.8m左右处，留一

个一厘米以上的缝，涂上沥青，使干潮部分分开，即把热胀、冷缩的区域和反膨

胀的区域分开。两样也能降低墙涂层的损坏。

如果在离地面0.25m处、0.5m处，再留下二条缝，分别涂上沥青，效果会更

好。

当然地面与墙根的交接处一定要留一条缝涂沥青，尽量减少毛细现象，使墙

根容易干燥，将反膨胀降到最低程度。

二、冬季生活中的物理知识

一、大雪后为什么很寂静

冬天，一场大雪过后，人们感到外面万籁俱静。这是怎么回事？原来，刚

下的雪是新鲜蓬松的。它的表面层有许多小气孔。当外界的声波传入这些小孔时

便要发生反射。由于气孔往往是内部大而口径小。所以，仅有少部分声波的能量

能通过口径再反射回来，而大部分的能量则被吸收掉了。从而导致自然界声音的

大部分能量均被这个表面层吸收。故出现了万籁俱静的场面。

二、多孔的冻豆腐

寒冷的冬天，一碗热乎乎的“冻豆腐，那真算得上是一种别有风味的美菜

呢！

豆腐本来是光滑细嫩的，冰冻以后，为什么会变得象泡沫塑料呢？原来，

豆腐虽然看起来是光滑细嫩的，但其内部有无数的小孔，这些小孔大小不一，有

的互相连通，有的闭合成一个个小“容器”，这些小孔里面都充满了水分。到0℃

时，水结成了冰，它的体积不是缩小而是胀大了，比常温时水的体积要大10％

左右。当豆腐的温度九到0℃以下时，里面的水分结成冰，原来的小孔便被冰撑

大了，整块豆腐就被挤压成网络形态。等到冰融化成水从豆腐里跑掉发后，就留

下了数不清的变大的孔洞，使豆腐变得象泡沫塑料一样。冻豆腐经过烹调，这些

孔洞里都灌进了汤汁，吃起来不但富有弹性，而且味道也格外鲜美可口。

三、冷致粘附

如果你接触一块冰冷的金属片，你的手指可能会粘附在金属上。这是因为

皮肤上的水分结冰而把皮肤粘在金属上，手粘附在金属上的可能性比木头上的

大，因为金属的导热率很高而使手指尖端迅速地冷却。

四、为什么不能在温度很低时做雪球

雪是靠什么聚集在一起形成一个球呢？当你把雪球抓紧和捏结实时，使出

的压力至少要把雪球的表面融化，然后表面再结冰而使雪球结合在一起。这是因

为冰雪的熔点随压强的增大而降低。所以当其温度不是很低落时，手的压力产生

的压强就可以使冰雪表面层温度达到熔点而融化；当温度很低时，手的压力产生

的压强不能使冰雪表层温度达到熔点，进而形成雪球。

五、温暖的雪毯

如果田地里的农作物上覆盖着一层好雪，那么在气候突然降温的日子里，

作物就不容易被冻坏。这是因为雪是不良导热体。由于它把地面和作物与雪上面

较冷的空气隔离开，使地面的热量不容易散失。

六、雪堆

电线杆上或树木周围的积雪肯定要比房子的向风处多得多。为什么飘着的

雪更喜欢在较狭窄的障碍物周围堆积呢？这是因为，障碍物要截住雪，必须把雪

带到它的附近处。风在大房子前面几十米或几百米处就开始散开，这样就使雪过

早地转向，而不能沉积在房子处。一个较小的障碍物，它使空气转向很少，所以

雪就能到达到它的附近。

七、雪花的对称性

雪花的六角形结构是由形成雪花的水分子有六角形结合键所决定的。一旦

原始晶体形成，水蒸气分子有就会扩散和集合到晶体的这些角上，这样，晶体开

始向外生长而形成分支。

八、冷水融化冻鱼肉比热水快

我们可以把冷水融化冻鱼肉的过程分为两个阶段；第一个阶段是：冻鱼冻

肉温度很低，低于0℃，这样就造成了冷水和冷冻食物之间的传热温差，于是冷

水降温到0℃，冷冻食物吸收了热量要升温，但是它的温度升不到0℃，而是要

比0℃略低，因为冻鱼冻肉的体内含有盐类溶质，熔点低于0℃。这样，冻鱼冻

肉体外的水温是0℃，而表层的温度略低于0℃，其内部的温度可能会更低。第

二个阶段是：0℃冷水放出大量的溶解热围绕冻鱼冻肉结成冰壳，而冻鱼冻肉吸

收了水的溶解热，逐渐酥软融化。

如果用热水化冻食物，热水变冷的过程，只能靠降温释放热量，不可能释

放大量的熔解热。需要知道的是，1克水温度降低0℃只能放出1卡的热量，而

1克0℃的水冻结成0℃的冰却能够放出80卡的热量。这样，融化过程反而比用

冷水慢。

九、池塘的冻结

由于水分子的特殊结构，使水在4℃以下不仅不收缩，反而体积膨胀。约4℃

的水密度最大。于是，当池塘里的水开始冻结时，较轻的冰浮在水面，稍暖（4℃

左右）的水则下沉，因而表面较冷和最先结冰。这样就避免了水对流传热，还避

免了水面蒸发损失的热量。阳光可以透过水层向水提供热量，冰层却如同给池塘

加了盖子，避免水中热量迅速散失。使池塘中的鱼儿受益。

十、滑雪

滑雪实际上是在一层薄水上滑行。如果雪的温度接近熔点，滑雪板与雪的

摩擦一开始就使一层薄雪融化成水而使滑雪板可以在水上滑行。运动的滑雪板提

供了为维持水层所必需的热量。制造滑雪板所用的材料种类，不论是金属还是胶

木，就开始融化而论，没有直接的关系。可是，如果滑雪板导热性能很好，例如：

金属的滑雪板，热量会损失太快而不能维持水层。胶木的滑雪板导热性能差，足

以维持水层。如果雪的温度远低于熔点，就不会有水层，为了减少摩擦力，滑雪

板必须上蜡。

三、云形成的热学过程

水汽凝成细小水滴，形成于近地面的称为雾，形成于空中的即称为云。反过

来说，云是水汽凝结而成的，是大气中的水汽凝生成水滴或冰晶，或是二者混合

组成而悬浮在空中的自然现象。因此，在形成云的过程中，大气必然存在着充分

的水汽和使水汽得凝结的条件。那么，水汽是如何凝结生成云呢？

空中的水汽凝结成云，首先要使空中的水汽达到饱和或过饱和，同时还要有

凝结核和凝华核存在。反之，如果空中的水汽未达到饱和或过饱和，即使有凝结

生成也很快被重新蒸发为水汽，而不能生成云。

1、如何使空中的水汽达到饱和

（1）降低温度，使饱和水汽压减小

达到饱和状态的水汽含量与温度有直接关系。温度越高，具有足够动能跑出

液面的分子就越多，与液体保持平衡的饱和水汽的密度就越大，它的压强也就越

大。这说明饱和水汽压随温度的升高而增大，这时单位体积的空气所容纳的水汽

增多。反之，温度越低，饱和水汽压越小，这时单位体积的空气所容纳的水汽越

少。所以说，只要降低空气中温度以降低空气的饱和水汽压，促使空中有更多的

水汽达到饱和状态。

（2）增加粉中的水汽含量

直接增加水汽，途径之一：是依靠江、河、湖、海水面直接蒸发，同时动植

物的表皮和动植物呼吸时也有水汽不断地输入空气中，而使空气中水汽增加。但

是，它们也只能使贴近水层或自身近处水汽达到饱和。途径之二：通过空中出现

一些吸湿性较强的微粒，吸引周围水汽，同时使其周围聚集着许多水汽，尽管微

粒周围的水汽能达到饱和或过饱和，但是对于整个空间来说，其水汽量并没增多，

且大部分仍旧未能得到饱和。途径之三：通过提高蒸发面的温度，以使大气中的

水汽密度增大。但是，由于水汽向远方扩散单靠增大水汽密度，还不能使局部大

气中水汽达到饱和。可见，想通过直接增加水汽使空中的水汽多数达到饱和的可

能性不大，即使加上微弱的气流以影响近地层空气，最多也只能形成雾，还不能

生成云。因此，还是必须依靠降低大气的温度，使空气的水汽达到饱和状态。

（3）在大气中常见的降温过程途径

膨胀冷却：对于理想气体的准静态绝热过程不说，当气压一定时，气体的体

积与温度成反比（TVγ-1=常数），气体膨胀，必然冷却降温。在大气中，由于气

流上升过程进行得很快，以致同外界没有显著热量交换的过程都可近视地看作绝

热过程。所以大气中膨胀降温主要是靠气流的上升过程而实现的。在大气中，高

度越高，气压越低，上升的气块由于周围气压不断下降，气块也就逐渐膨胀，从

而降温。产生膨胀冷却的另一种方式是发生在原地，即气块上空暖气流流入，使

气压骤然下降而产生。这种膨胀过程很快，凝结量也多，易于至云，是自然界中

水汽凝结最重要的过程。

辐射冷却：在晴朗无风的夜晚，由于地面辐射而冷却，接近地面的空气也随

之冷却，当冷却到露点时，空气中的水汽便达到饱和。

接触冷却：当暖气团与冷气团接触后使暖气团冷却，或者暖气团流经冷空气

上方时，接触面都会因冷空气作用而冷却。

混合冷却：温度相差较大，而且接近饱和的两个空气团相混合时，平均温度

在露点以下，在有北方冷空气南下时，或有热带暖气团北上时会发出混合冷却，

大气中的水汽很快达到饱和或过饱和，此时多阴雨天气。

2、凝结核在凝结过程中的作用

当空气中的水汽达到饱和时，水汽也未必都能凝结生成云。例如：当空气纯

净时，空中无埃尘和杂质等微粒，水汽是纯净水形成的。这时，哪怕空气中的水

汽含量达到饱和过饱和状态，也无法生成小水滴，只有空气中充满了埃尘和杂质

等微粒时，才有可能凝结志小水滴。这埃尘和杂质等微粒起着凝结核的作用。在

通常的条件下，凝结很容易发生。当这些微粒表面凝上一层液体后，便形成半径

大些的液滴，凝结就易于发生。

起凝结核作用的微粒，有一种能溶于水，称吸湿性凝结核，是最活泼的凝结

核，例如：大气中的一些无机盐土壤颗粒等。它们吸水形成溶液，使它们附近的

饱和水汽压减小。另有一种微粒不溶于水，例如：灰尘等悬浮物。灰尘虽不溶于

水，但因不附着于其上时，增大水滴的曲率半径，从而减少饱和水汽压。

带电粒子和离子也是很好的凝结核。大气中充当凝结核的离子一般有：SO

4

2+、

Ca2+、Na+、Cl—、Mg2+等，静电吸引力使水汽分子聚集在带电粒子和离子周围而

形成液滴。在大气中，放电前后就有大量离子存在。而在清洁、带电粒子又少的

晴空，即使存在当时温度下的过饱和水汽，也不易形成云。这就说明了当空气中

的水汽达到饱和时，还需要有凝结核才能生成大、小水滴。云就是由这些大、小

水滴（或许还有冰晶）构成的。当水滴足够大时，不能为上升气流所支持，便下

降成雨。

3、凝华核在凝结过程中的作用

高空中的气温很低,都在零度以下,当水汽达到饱和后，并附于便细小粉状微

粒上时，微粒便由水汽直接凝结成冰晶、冰滴，这种现象叫凝华。而水汽在转变

为冰晶时，它所依附的细小微粒称为凝华核，其实凝华核也是一种凝结核，它多

为不溶于水的粉末状物体，例如：矽粒、石英等。凝华核分为同性凝华核和异性

凝华核两种。这两种的区别：同性凝华核的化学成分与水汽或液体相同。同性凝

华核主要指冰核。它容易使过冷水汽在上面凝华。而异性凝华核的化学性质与水

不同。异性凝华核作用不如同性凝华核。只有当它的外层包有一层冰衣后，它的

作用就同于同性凝华核。

综上所述，空气中的水汽凝结形成云，首先要使空气中水汽达到饱和和局部

达到饱和，同时还要有凝结核、凝华核存在。只要有充分的凝结核、凝华核存在，

在低空中，多余水汽便凝结于凝结核而生成小水滴。这些小水滴很小，下降速度

很慢，多数是悬浮于空气中，当空中充满小水滴时，就生成人们常看到的低云、

中云。而在高空中，气温很低，水汽在凝华核的作用下，就凝华为冰晶，这些冰

晶的半径比小水滴更小，下降速度更慢，要是有微弱的上升气流存在，更是悬

浮于高空，这就是人们常看到的中云、高云。当然，云有时是由小水滴和冰晶混

合而组成的。

由此可见，使空中的水汽达到饱和状态的过程，还有水汽凝结和凝华等都是

云形成的热学过程。

四、五彩缤纷的物理现象

一、鸟儿击落飞机

我们知道，运动是相对的。当鸟儿与飞机相对而行时，虽然鸟儿的速度不

是很大，但是，飞机的飞行速度很大。这样对于飞机来说，鸟儿的速度就很大，

速度越大，撞击的力量就越大。

比如一只0.45千克的鸟，撞在速度为每小时80千米的飞机上时，就会产生

1500牛顿的力，要是撞在速度为每小时960千米的飞机上，那就要产生21.6万

牛顿的力。如果是一只1.8千克的鸟撞在速度为每小时700千米的飞机上，产生

的冲击力比炮弹的冲击力还要大。所以浑身是肉的鸟儿也是能变成击落飞机的

“炮弹”。

1962年11月，赫赫有名的“子爵号”飞机正在美国马里兰州伊利奥特市上

空平稳地飞行，突然一声巨响，飞机从高空栽了下来。事后发现酿成这场空中悲

剧的罪魁就是一只在空中慢慢飞翔的天鹅。

在我国也发生过类似的事情。1991年10月6日，海南海口市乐东机场海军

航空兵的一架“014号”飞机刚腾空而起，突然，“砰”的一声巨响，机体猛然

一颤，飞机员发现左前三角挡风玻璃完全破碎。令人庆幸的是，飞行员凭着顽强

的意志和娴熟的技术终于使飞机降落在跑道上。追究原因还是一只迎面飞来的

小鸟。

瞬间的碰撞会产生巨大冲击力的事例，不只发生人鸟与飞机之间，也可以

发生在鸡与汽车之间。

如果一只1.5千克的鸡与速度为每小时54千米的汽车相撞，所产生的力有

2800多牛顿。一次，一位汽车司机开车行驶在乡间公路上，突然，一只母鸡受

惊，猛然在车前跳起，结果冲破汽车前窗，一头撞进驾驶室，并使司机受了伤。

二、拍岸的海浪总是白色

海浪向岸边推进时，就从深水区进入浅水区。海浪底部一方面由于沙滩的

摩擦阻力，另一方面受到从岸上回流的水力的作用，其速率就减慢。但浪头却不

减慢。这样浪头就一面超前，一面受地心引力而下降，形成卷状，把空气卷在浪

头中。照射到浪头的阳光被其中的气泡全反射，就形成了白头浪。

如果在海中心看见局部小地区发生白头浪，很可能该地区有礁石而形成浅

水区；如果整个海面都有白头浪，则是由于烈风引起的。

三、走钢丝者为什么要手持长杆

试取一枝晒衣竹，模仿走钢丝，双手握着竹杆，用力摆动竹杆，使竹杆像

翘翘板一样来回摆动，有什么发现？

由实验可知，要快速摆动竹杆不是很容易的。物体不但在移动上具有惯性，

在转动上也具有惯性。直线移动的惯性单纯和物体质量成正比；而转动的惯性除

了和质量成正比，还与物体质量的分布有关，质量分布得离转轴愈远，转动惯性

就愈大。

同一枝晒衣竹，如果从中央锯为两段，并排扎在一起。虽然总质量不变，

但质量的分布变得靠近转轴（设以中心为轴），则转动惯性就减小，也就是较容

易握着中心摆动。因此，愈长愈重的物体，其转动惯性就愈大（机器的飞轮是转

动惯性的应用。飞轮的质量尽可能分布在轮缘上）。

走钢丝者紧握横杆，由于横杆具有较大的转动惯性，不容易转动，故人体

也不容易倾侧，这就容易调整身体重心而保持平衡。

四、在游自由泳时，下肢怎样获得动力？

由牛顿第三运动定律：作用力与反作用力大小相等而方向相反。

蛙泳时，双脚向后蹬水，水受到向后的作用力，则人体受到向前的反作用

力，这就是人体获得的推进力。但是，在自由泳时，下肢是上下打水，为什么却

获得向前的推进力呢？

下图表示人体作自由泳时，下肢在某一时刻的动作：右脚向下打水，左脚

向上打水。由图可见，由于双脚与水的作用面是倾斜的，故双脚所受的反作用力

P和Q是斜向前的（水所受的作用力是斜向后的）。P的分力为P

1

和P

2

，而Q的

分力为Q

1

和Q

2

。P

1

和Q

1

都是向前的分力，也就是下肢获得的推进力。

同样道理，鱼类在水中左右摆尾，却获得向前的推进力，也是由于向前的

分力所致。

五、为什么短跑起跑要采用蹲踞的姿势

在桌布竖立一段木棒，在底部轻轻水平推动，木棒可以直立移动。但如果

用力过大，木棒就会向后翻倒。

木棒被推动时，它的底部受到两个力（见下图），一是推力P，一是桌面的

托力Q。这两个力的合力为F。如果F通过木棒的重心，木棒就不会发生倾斜。

反之，如果F不通过重心，木棒就会发生倾斜而向后翻倒。

现在，左手托着木棒使它斜立，突然放手，同时，右手用力推动木棒底部。

若P力大小适合，木棒就不会向后翻倒，能够向前加速一段路程。

短跑是分秒必争的竞赛，必须争取较大的起跑加速度，也就是起跑向前推

力P要足够大。如果直立起跑，就会发生身体后仰的现象。因此，采用蹲踞的姿

势起跑，使地面（或助跑器）作用于足部的合力F通过人体的重心，人体就不会

后仰。

六、生鸡蛋还是熟鸡蛋？

怎样用物理方法，判断一只鸡蛋是生的还是熟的？

1、把鸡蛋放在桌上，用手把鸡蛋迅速扭动，离手后观察它的转动情形，如

果鸡蛋转动得很顺利，就是熟蛋，如果转动得不顺畅的，则为生蛋。

因为熟蛋被扭动时，蛋白蛋黄全部一同被扭动，故转得顺利。反之，生蛋

被扭动时，只是蛋壳受力，而蛋白和蛋黄几乎未受力。由牛顿第一定律（惯性定

律）可知，蛋白和蛋黄因惯性几乎停留不动。于是，蛋壳的转动就被蛋白拖慢了。

（2）待鸡蛋转动一段时间之后，突然瞬间按停鸡蛋，并立即缩手。如果缩

手后不再转动的，则为熟蛋；反之，缩手后能自动再转几下的，则为生蛋。

因为熟蛋被按停时，蛋壳、蛋白和蛋黄都全部停止，缩手后就继续静止。

反之，生蛋在按停时，只是蛋壳暂时停止，但蛋白和蛋黄因惯性仍然转动。故缩

手后，能带动蛋壳重新再转几下。

七、饺子或肉丸煮熟了为什么会浮起来？

饺子或肉丸在制作过程中，内部含有微量的空气和二氧化碳。当刚投入水

中时，由于饺子或肉丸的密度比水大，浮力小于重力，就沉入锅底。

当加热至煮熟后，内部的气体和肉质都同时膨胀，整个饺子或肉丸的体积

就增大许多，也就是增大了它们的排水量。根据阿基米德原理可知，饺子或肉丸

的浮力就增大了，这时浮力大于重力，就浮起来了。

八、怎样旋开玻璃瓶上太紧的铁盖？

铁的膨胀率比玻璃大。当铁盖和玻璃瓶口升高相等的温度时，铁盖的直径

增加比瓶口较大。如果把玻璃瓶倒置，以开水泡铁盖一会，趁瓶口的玻璃仍未赶

得及膨胀时，就容易把铁盖旋开。

九、下水管的“水封”（水塞子）的功能

家中洗手盆下面的下水管，必有一段弯成U形的部分，街外的污水管的下

端也有这样的弯管。这段弯着有什么作用呢？

凡下水管的最终都通到大污水管，污水管必有臭气。怎样阻止污水管的臭

气进入屋内呢？

下水管的弯曲部分，是使每次下水都能保留一些水在U形部分，这部分就

叫做“水封”。“水封”的功能就是阻止臭气进入屋内，因此，这段弯管在香港俗

称“隔气”。

污水每次流走的时候，为什么不会把“水封”中的水吸光呢？这是由于在

“水封”的下游，有一条很重要的分支管，这段支管一直通到天台与大气连通，

管内没有水。有了这支管，下水管的虹吸作用就不会发生，“水封”就不致被破

坏。因此这个分支管叫做“反虹吸管”。你曾留意过屋外的下水管是怎样连接的

吗？

十、为什么肉汤凉得比开水慢

热的传播有三种方式，即传导、对流和辐射。开水的冷却除了藉助上述三种

方式传热到外界之外，还藉助蒸发而失热。

蒸发能够导致冷却，是由于动能较大的水分子，较容易挣脱其他分子的吸引

而逃出水面。当动能较大的水分子逃离，剩下的水分子的平均动能就愈少，也就

是温度愈低。

肉汤因为有一层油盖在水面，汤中的水分子就不容易逃出，也就是不容易蒸

发散热，故肉汤的温度就不容易降低。

如果看见汤肉表面没有蒸汽，就以为温度已低至适合饮用，就会导致烫伤！

十一、为什么粥烧开了会溢出来？

水烧开时不会溢出来，为什么粥烧开了却会溢泻出来呢？

水烧开时，水蒸气泡升到水面，就立即爆破，不会积聚起来，水面的高度不

会升高太多，水就不会溢泻出来。

粥烧开时，由于米粒的淀粉和水混合变成糊状，增大粥的黏性，引致水蒸气

泡不易爆破，一直积聚在面上，愈堆愈高，就从煲盖溢泻出来。

把煲盖掀开，用筷子撑着使盖与煲离开一段距离，利用空气冷缩气泡，就可

以减轻溢出的程度。

十二、为什么刚掀开的冷冻啤酒瓶口会冒出雾气？

啤酒内溶有二氧化碳（CO

2

），而酒面上的空间也充二氧化碳。这些二氧化

碳的气压比外界大气压大。

当欣开瓶口时，瓶内的二氧化碳就突然向外膨胀，也就是对外界做功。这时，

它的内能突然减少，故温度降低。这低温的气体，就把随着出来的水蒸气凝结为

雾。

十三、火箭升空的瞬间，地面升起的庞大白色气团是什么东西？

火箭升空的景象常在电视或图片上看到。当火箭升空的瞬间，常伴着迅速扩

展的庞大白色气团。这是不是火箭喷出的废气呢？

如果是喷出的废气，那么火箭升到半空时，应该仍伴着白色的气团。但事实

上升到半空时只见火光和黑烟。

原来，白色的气团是水蒸气。我们知道，当火箭刚发射时，高温的火焰向下

喷到发射台的地面，什么东西遇到这高温的火焰都要熔化。为了保护发射台的台

底，就建了一个大水池，让火焰喷到水中，利用水的汽化来吸收庞大的热量。

水的汽化比潜热是2.26×106J/kg，只要有足量的水，就可以保护发射台的底

部了。

十四、烧开水的声音

用壶烧开水时，水要发出响声。水的响声，有大小不同的两种：一种是快要

沸腾时，水发出非常连续的响声，音调很高；另一种是沸腾时，水发出“噗噜、

噗噜“可辨的断续响声，音调远没有前者的高。

为什么水烧开时响声（音调）不高，而未烧开时的响声却高呢？

原来，水壶盛水前，壶壁上吸附着一层空气，添水后，这层空气就变成了无

数微小的气泡。因吸附力大于气泡受到的浮力，故水并不能使它们脱离壶壁。当

水温升高时，气泡周围的水在气泡内蒸发，使气泡体积增大，当温度达到七八十

摄氏度时，变大的气泡受到的浮力超过了吸附力，它们就要离开壶壁纷纷上升，

同时在壶壁上仍留下一部分空气，这部分空气会以更快的速度增加体积而上升，

上升的气泡遇到周围的凉水，气泡里的水蒸汽就要液化，使气泡迅速变小或破裂。

由于无数气泡在壶底急剧膨胀，又在上升中迅速变小，壶里的水就处于激烈的振

动状态，进而又引起了空气的振动，形成了水声。由于气泡体积大小交替变化非

常快，使水的振动频率高，水声的音调也就高。后来，由于壶里各处的水温相差

越来越小，气泡体积大小交替变化也越来越慢，进而引起的水声的音调就要逐渐

变低。沸腾时，气泡在水面上破裂，引起了水面大幅度的翻腾，由此而引起的空

气振动频率远不如前者的高，水声的音调也就低了。

这就是俗话常说的“开水不响，响水不开“的道理。

电磁学篇

一、家用电器中的物理知识

随着人们生活水平的逐渐提高，各种家用电器的使用越来越普遍，学生在使

用家用电器的过程中，对家用电器的工作原理，观察到一些现象会产生好奇心，

激起探究的欲望。教师在教学过程中，如果能把课本知识和具体实例相结合，引

导学生对这些问题进行探究，必然会激发学生学习兴趣，让他们感受到探究的乐

趣，收到较好的理论和实际效果。下面就家用电器中的有关物理知识结合具体的

问题进行分析、探究。

一、电冰箱

1、电冰箱为什么能制冷？

电动压缩机产生很大的压强，把气态的制冷剂压到电冰箱背面的冷凝器管

里，在这里气态的制冷剂被液化并放热，向空中散发，然后液态的制冷剂进入电

冰箱冷冻室的管子中，在这里迅速汽化、吸热、使电冰箱内的温度降低，生成的

蒸气又被压缩机抽走，重新压入冷凝器液化，把从电冰箱中带来的热放出。制冷

剂这样循环地流动，不断把电冰箱中的热量带出，可以使电冰箱内保持比较低的

温度。

2、如果在密闭的房间里，把电冰箱的门打开，过一段时间，房间内的温度

如何变化？

分析：有些同学认为电冰箱中温度非常低，如果把电冰箱的门打开，那么它

会吸收热量，使房间内的温度降低，也有些同学学了电冰箱的工作原理后认为，

制冷剂在电冰箱内蒸发吸热，到电冰箱外的冷凝器中被液化要放热，如果房间密

闭，电冰箱门打开，二者相互抵消，所以房间的温度不变。在学生学习了能量守

恒定律的知识后，有些学生很容易想到转化成了热能，所以整个房间的温度是要

升高的。

3、学生在使用电冰箱的过程中，发现电冰箱不是连续工作的，今测得压缩

机每次连续工作的时间为15分钟，每次工作后间歇的时间为30分钟，一台电冰

箱一天的耗电量为1.2kwh（千瓦时）。请你计算一下该电冰箱正常工作时的功率？

分析：电冰箱工作时，冷冻室内的温度逐渐降低，当温度达到设定值时，压

缩机停止工作。由于外界的温度比冷冻室内高，停机时冷冻室内的温度又逐渐升

高，达到一定温度时，压缩机又开始工作，如此循环。因此，在使用电冰箱时，

为了减少电能的损耗，应该尽量减少开门，避免外界的热量进入电冰箱内。

解：电冰箱工作时间为15分钟，间歇时间为30分钟，即每45分钟为一个

循环，一天24小时循环的次数为n=（24×60/45）=32次。所以压缩机工作时间

t=32×15=480分钟=8小时，因此，电冰箱压缩机的功率为

P=w/t=1.2/8=0.15kw=150w。

二、电灯

1、在家庭电路中常常发生：在台灯开关断开的情况下，把台灯插头插入时，

室内其它电灯全部熄灭，保险丝熔断；有时是在台灯插头插入插座时，闭合台灯

开关，室内其他电灯熄灭，保险丝熔断，引起这两种故障的最大可能性是什么？

学生动脑子想一想！

分析：分析此问题时，一定要把家庭电路中电流过大的原因与家庭电路的连

接方式及插头与插座的关系结合起来，进行推理判断，找出与故障现象相符的原

因。家庭电路中电流过大有两种情况：一是短路；二是电功率过大。现把开关断

开的台灯接入电路（台灯的功率较小），而使保险丝熔断，则故障在插头（家庭

电路中插入插座与其它用电器是全部并联的，而插头未插入插座时，保险丝未熔

断，说明插座没有问题），插头出现短路；而后者是开关闭合后出现保险丝熔断，

则故障在台灯处，以台灯外短路。

2、如图1所示，电工师傅检查电路故障时，发现开关闭合后，灯L不亮，

用测电笔测c、d两处时，发现

两处都能使氖管发光，则故障可能出

在哪里？学生动脑子想一想！

分析：此问题考查家庭电路的故障分析，

使用测电笔分析、判断家庭电路中出现的故

障，是必须学会的一种能力，具体方法与前

面相同，但更多的是利用假设故障原因去验证故障现象，逐一排除分析判断的办

法。当开关闭合后，灯L不亮，说明电路出现短路或断路。若火线、零线短路，

用测电笔测a点氖管发光，b点处氖管也应发光，现在只有a（d）点处氖管发光；

若灯L短路，用测电笔测a、b、c、d点处氖管均发光（实际上会导致保险丝熔

断），与问题中告诉的现象不符；在家庭电路中零线是接地的，根据题意，用测

电笔测a、c、d处氖管发光，说明acd这段与火线连通（灯L只起导体作用），

所以是bc之间断路。

3、今年用电比较紧张，某校组织了一个兴趣小组，探讨如何节约能源。经

过调查，他们对市场上的电子节能灯发生了兴趣，于是他们把节能灯和普通白炽

灯加以研究、比较、结果如下

名称功率

（瓦）

光通

（明流）

光效

（明流/瓦）

寿命

（时）

售价

（元）

每度电

费（元）

白炽灯

60w5509.1610001.430.52

节能灯

10w55055500031.200.52

表中功率是指用电器的额定功率，光通是指通过单位面积的光能，光效是指

光通和功率的比值。

（1）如果60w的白炽灯泡的发光效率（电能转化为光能的效率）为3％，

请根据表中的数据，分析得出节能灯的发光效率。

（2）通过计算说明，从经济角度来说，使用多少小时以上，购买节能灯更

经济。

分析：

（1）从表中看出60w的白炽电灯的光通和10w的节能灯的光通相同，即亮

度相同，而60w的白炽电灯的光效为3％，所以10w的节能灯的光效为3％×

6=18％。

（2）设使用t小时后，二者所用的费用相同，则有P

1

t

1

×0.52元/度+1.43元

=P

2

t

2

×0.52元/度+31.20元。把P

1

=60w,P

2

=10w代入求得:t=1145小时。而白炽

灯泡的寿命只有1000小时，所以上式应改为：

60w×t,×0.52元/度+1.43元×2=10w×t,×0.52元/度+31.20元，求得t,=1090小时。

也就是说，使用时间超过1090小时后，使用节能灯更经济。

4、思考与讨论

电灯在使用过程中还会出现下列情况，结合所学知识，加以解释：

（A）台灯插座旁再插入一只电炉的瞬间，台灯会变暗。

（B）白炽灯泡断丝后重新接上，再接入原电路使用，灯泡会变亮，但往往

灯泡使用的寿命很短。

（C）电灯工作时，灯丝热得发红、发光、而连接灯丝的导线却不怎么热。

（D）白炽灯的灯丝常制成螺旋状，额定功率越大的灯泡灯丝横截面积越大。

（E）用久了的白炽灯通常要比相同规格的新白炽灯暗些。

三、饮水机

饮水机是一种常见的家用电器。其工作

原理可简化为如图2所示的电路，其中S是

一个温控开关，R

1

为发热板，当饮水机处于

加热状态时，水被迅速加热。达到预定温度

时，开关S自动切换到另一个挡，饮水机便

处于保温状态。

（1）试确定温控开关S接a或b时，饮水机分别对应的工作状态。

（2）若饮水机加热时发热板的功率为550w，而保温时发热板的功率为88w，

求电阻R

2

的阻值。（不考虑温度对阻值的影响）

分析：饮水机处于加热状态，即电流通过发热板单位时间内产生的热量多，

由Q=W=Pt可知：发热板的电功率要大（饮水机工作时把电能全部转化为热能，

可用Q=W的关系）在发热板电阻一定时，由P=I2R可知要大，I也要大，而I=U/R

（此处R是指电路中的总电阻）。I要大R应该小，因为S接b时比S接a时，

电路中电阻小些，故S接b时为加热状态，S接a时为保温状态。

解答：

（1）S接a时为保温状态，S接b时为加热状态。

（2）加热时P

1

=550w。R

1

=U2/P

1

=（220）2/550=88Ω。保温时电热板的功率

P

2

=88w。通过发热板的电流I=

1

2

R

P

=

88

88

=1A。发热板R

1

两端的电压

U

1

=

12

RP=8888=88v。所以R

2

=U

2

/I

2

=

1

88220

=132Ω

在实际生活中，许多用电器：如电烙铁、电饭煲、电热毯等，都有类似的情

况，利用控温开关来改变电路的连接状况达到用电器在不同的挡位工作。

四、电吹风机

如图3所示是额定电压为220V的理发用的电吹风机的典型电路，其中电热

丝通电后可以发热，电动机通电后

可以送风，正常工作时：

（1）使用电吹风机吹头发，能使

头发干得很快，试说明其道理。

（2）要送热风，选择开关应放

在位置。（填A、B或C）

（3）已知电动机的额定功率是120w，当送冷风时，通电5分钟，电流所做

的功是多少？

（4）如果电热丝的电阻是55Ω，当送热风时，电路消耗的总功率是多少？

分析：（1）使用电吹风机能使液体蒸发加快，这是人人皆知的事实，在学习

了影响蒸发快慢的因素，即温度的高低，空气流通的快慢，表面积大小之后，学

生自然能结合实际进行分析。

（2）要送热风，即电动机和电热丝应同时选择开关接在A处，这样电动机

和电热丝组成并联电路，同时接通，同时工作，电动机吹出的就是热风了。

（3）送冷风时，应只有电动机工作，电热丝不工作，所以W=Pt=120×5×

60=3600焦。

（4）送热风时，因为电热丝和电动机是并联的，所以电动机的功率为120w。

电热丝消耗的功率为P=

55

22022



R

u

=880w。所以p总

=120+880

=1000w。

五、电风扇

电风扇是一种常用的家用电器，它是利用电流的磁效应来工作的，电风扇在

工作过程中，把电能转化为机械能，同时，电流通过电风扇时要发热，如果发热

过多，不仅电能的使用效率降低，还会影响电动机的寿命，甚至烧坏电动机。某

同学在一次探究活动中想知道电风扇中电能转化为机械能的效率。请你帮助他设

计一个方案，要求写出测量原理、需要测量的物理量，并列出关系式。

分析：由于电风扇中的电动机不是纯电阻用电器，它消耗的电能中大部分转

化为机械能，一部分转化为热能，根据能量的转化和守恒定律，电动机消耗的电

能=机械能+热能，则电动机的效率为η=W

机

/W

电

。

解析：电动机W

电

=Iut。电动机产生的热量为W

热

=I2Rt。则电动机的效率为

η=W机

/W

电

=（W

电

-W

热

）/W

电

=（IUt-I2Rt）/UIt=（U-IR）/U。根据上式，需测

量的物理量有：线路中的电压、通过线圈的电流和线圈的电阻。

二、关于电能表的几个问题

电能表是测量电能的专用仪表，通常称为电度表。它把电功率对时间的积累

起来计算。可检测出一段时间内发电量或用电量的多少，在工农业生产和日常生

活中使用极为广泛。它的拥有量是其它任何仪表所不能比拟的。但由于电能表的

种类、型号繁多，用途各不相同，且结构原理比较复杂。有关论述仅见于较专业

化的书刊中。下面对电能表的分类、结构、原理及使用等问题作一较全面的简单

介绍，以便在相关工作中参考。

一、电度表的分类

1、按接通电源的性质分类

电度表按接通电源性质可分为交流电度表和直流电度表两大类。交流电度表

又可分为单相电度表和三相电度表。而三相电度表又有三相三线电度表和三相四

线电度表之分。

2、按结构及原理分类

电度表按结构及工作原理可分为电气机械式和电子式两大类。电气机械式电

度表又可分为感应式和磁电式。其结构的共同特点是：都有一个可动体在磁场中

转动。指示部分为机械计度器，其中以感应式应用最为普遍。电动式主要用于测

量直流电能，磁电式主要用于安培小时计，电子式电度表是以模数转换技术和脉

冲数字技术为工作基础的，测量结果由计数器以数字形式显示出来，计量精确，

但由于它结构复杂，目前主要作为校验普通电度表的标准电度表。

3、按准确度等级来分类

电度表按准确度等级可分为普通级和精密级，它们是根据仪表测量相对误差

的百分值来确定的，普通级电度表用于测量电能，有0.5、1.0、2.0、3.0级之分，

精密级电度表主要作为校验普通电度表的校验基准有0.01、0.05、0.1和0.2级。

4、按用途分类

电度表可分为工业和民用电度表，标准电度表，特殊用途电度表，最高需量

电度表，损耗电度表，定量电度表及分时计量电度表等等。

二、家用电度表

目前，家庭供电路中使用的多是感应式单相有功电度表。其基本结构由铁芯、

电压线圈、电流线圈、铝盘、制动磁铁组成。它的主要工作原理是：交流电通过

线圈产生交交变磁通，交变磁通在铝质圆盘上感应出涡旋电流，涡旋与磁通相互

作用，产生力矩推动圆盘转动，圆盘转动时制动磁铁的磁通与其在圆盘上感应出

涡流相互作用产生阻力矩，在上述两种力矩的共同作用下达到平衡时，圆盘的转

速与负载的有功功率成正比。通过计度器计算圆盘转过的圈数，即可计算电能。

感应式有功电度表测量的是有功电能，负载功率因数的高低对读数影响不

大。例如设负载的有功功率为1kw当功率因数为0.5时视在功率为2kw,若将功

率因数提高为1，则线路中电流减半，视在功率为1kw。两种情况下电度表一小

时的计数都是1kw，仅误差大小稍有不同而已。

近年来，随着计算机技术的发展和集成电路成本降低，已经研制出一种新型

的全电子式IC卡智能电度表。这种电度表主要由输入回路、乘法器、电压频率

转换器、计数器、单片微机系统、IC卡插口，显示电路等部分组成。

表内无运动部件，无磨损，抗电压波动性强，计量准确，而且能够自动限制

负荷、防窃电等，此IC卡电度表的一个很突出的优点是可利用单片机的强大功

能进行电价、时段、金额及总用电量的控制，十分有利于用电管理，因而具有极

大的发展前途，相信不久的将来它会逐步取代目前大量使用的机械式电度表。

三、电度表的正确使用

要正确使用电度表，需要注意如下几点：

1、弄清电度表铭牌上各项标记的含义

（1）型号：国产电度表的型号由字母和数字组成。其意义如下，第一字母D

—电度表、第二个字母D—单相、S—三相、T—三相四线、X—无功、B—标准

表、Z—最大需量、J—直流。型号中字母后的数字代表该产品的设计定型的序号。

例如DD28表示设计定型序号为28的单相电度表。

（2）使用条件参数：使用条件参数包括电压、电流、频率等参数。以DD28

型电度表为例，其铭牌上标记为：220V、2.5（5）A—50HZ其中220V50HZ表

示额定电压和电网频率，意义明显易见，而对工作电流的标记则比较复杂。2.5

（5）A表示此表的标定电流为2.5A，额定最大电流为5A，标定电流表示电度

表计量电能时的标准计量电流。它是调整电度表误差时所选定的标准工作点，对

应电度表的最小误差工作状态，额定最大电流是指电度表正常工作时所能允许通

过的最大电流，感应式有功电度表过载能力很强，但为了保证测量精度，负载电

流应小于额定最大电流，由此可以计算出电度表的通用测量范围。例如当功率因

数为1时，DD28电度表的额定负荷为220V×2.5A=550W，它所允许的最大负

荷为220V×5A=1100W，使用时如果超出这个范围则不能保证测量精度，且有

可能损坏电度表。

（3）准确等级，电度表常数：准确等级在铭牌上用外加圆圈的数字标出，

它表示电度表在规定条件下测量时最大相对误差为百分之几，电度表常数的物理

意义是：电度表通过单位电量时，圆盘所转的圈数，单位一般是r/kwh。DD28

型电度表常数C=2400r/kwh,知道了电度表常数、用户若感到计量不准确，可通过

如下方法粗测。接上一个已知功率的负载，记下圆盘转过一定圈数所用时间，然

后与根据电度表常数所计算出的时间相比较，如果两者误差不是很大，则可认为

电度表基本正常。

2、电度表的正确安装

电度表应安装在不受震动，无日晒雨淋的墙上，或开关板上，仪表盘尽量竖

直，以保证测量准确度。此外，由于被测线路有不同的电压等级和负荷电流，只

有在电度表的电压，电流量与之相符时，才可以直接接入，否则必须配上与电度

表配套的互感器后才能接入，家用电度表都采用直接接入方式，其接线原则是电

压线圈与负载并联，电流线圈与负载串联且只能接在火线上而不得接在零线上。

有关工业和特殊用途的电度表的接线方法用相关问题，就不在此作介绍了。

三、空调器的输出功率

空调器的输出功率大于输入功率。许多中学生认为，用电器的输出功率不可

能大于输入功率，根据能量守恒的观点，这三个功率应该相等，或者略有减少，

空调器中怎么可能增加呢？然后，这又是为什么呢？

我们先来看空调器中三个引人注意的参数，一个是制冷功率，即空调处于制

冷工作状态时的输入功率，也就是所谓的空调“匹”数，包括压缩机、电扇电机

及电控部分所消耗的总功率。另一个是制冷量，是空调器处于正常制冷工作时的

输出功率，因此它的单位也是W，而且这二个量差距很大，例如海尔集团产品

KFR—35GW/HK空调，它的制冷功率是1280W（约1.5匹），制冷量是3500W。

在一般用电器中，输出功率均等于或小于输入功率，如电灯、电风扇等，这主要

是电灯的输入功率是电功率，输出功率是电灯的发热功率，对于纯电阻而言，这

二者是相等的，故电灯的输出功率等于输入功率。而对于电风扇，输入功率也是

电功率，它包括风扇转动的功率和电动机电阻发热的功率，输出功率就是风扇转

动的功率，因此输出功率小于输入功率。而在空调器中，输出功率以制冷量计，

即把多少热量从一个地方传递到另外一个地方的能力作为它的输出功率，以上述

空调为例，KFR—35GW/HK空调可以在一秒内把3500J的热量从室内传递到室

外，它所需要的能量是1280J。打个比方；我们把具有1000J势能的一块重物，

从三楼的室内搬到阳台，它所需要的能量只要500J。同样输入功率的空调，制

冷量是不一样参量的匹配等因素有关，也反映了厂家的设计技术。另一方面，制

冷量是根据室内外通常温度的前提下推算出来，室内温度落差过大，制冷量也会

有一定的差异。

明白了以上道理，我们再来计算一个实际问题。如KFR—350GW/HK家用空

调，制冷功率是1280W，制冷量是3500W。假如它的压缩机的电阻为50Ω，其

它电阻不计，那么，这台空调连续工作1分钟它消耗的能量是多少？它向外散发

的热量是多少焦耳？它的工作效率又是多少？

解析：消耗的能量为：E=P

0

t=1280×60J=76800J=7.68×104J

空调向外散发的热量有二部分，一是制冷量，Q

1

=3500×60J=2.1×105J,二是

压缩机发热量，Q

2

=I2Rt=P2Rt/U2=12802×5×60/2202=10140J,

总散发的热量为Q=Q

1

+Q

2

=2.2×105J,工作效率为η=（P-I2R）

/P=1111/1280=86.8%

对于空调来说，输入功率（制冷功率），代表耗能量，输出功率（制冷量）

代表制冷的效果，因此，要选择空调有好的制冷效果，制冷量更具有实际意义，

它可根据实际需要估算制冷量，从而选择合适的空调。

四、间歇性家用电器的耗电分析

间歇性家用电器是指具有按照实际要求自动开启或转换挡位功能的电器，日

常生活中常用的主要有冰箱、洗衣机、空调器、自动调温电饭锅、电熨斗等等，

这些家用电器开机时和实际工作时间不一定相等，就给计算它们消耗的电能带来

困难。因此以这种间歇性家用电器为题干背景的试题，问题的设置一般在于要求

正确区分和计算出开机时间和实际工作时间。从题目上看间歇性家用电器可分为

二类“一是各个间歇工作时段的功率可能不同，例如洗衣机在洗涤和脱水时、电

饭锅在煮饭和保温时等等。前者问题的解决关健在于计算出实际工作时间；而后

者不仅要计算出实际工作时间，还应注意各个不同工作时段的功率可能不同的。

1、各个间歇工作时段的功率不变，例如电冰箱、空调器、电熨斗等，开机

时消耗电能的计算。

「例1」（2003年黄冈20题）下面是HG2003家用蒸汽电熨斗铭牌。使用时

水箱中的水滴入被加热的底板气室迅速汽化产生向下的蒸汽。（1）（2）问是力学

问题，这里从略。

（3）汽熨时，水滴入汽室，由于水升温汽化带走热量。当底板温度降到190℃

时，温控开关自动闭合，当加热到220℃时又断开，如此反复。若蒸汽电熨斗大

体按图1所示程序工作，10min烫一件衣服共消耗多少电能？

额定电压220V功能汽烫、干烫

额定频率50HZ蒸汽方式滴下式

额定功率1000W质量1.3kg

底板面积160cm2放置方式自立式

蒸汽电熨斗工作顺序

加热停加热停加热停

解析：由工作程序图知，“加热－停－加热”一个工作循环，共需15s+5s=20s。

10min烫一件衣服，共进行了10×60s/(15s+5s)=30次“加热－停…”循环。每个

工作循环实际工作时间t

1

=15s,消耗电能

15S15S15S5S5S5S

W

1

＝Pt

1

=1000W×15s=1.5×104J

∴10min烫一件衣服消耗电能W=30W

1

=4.5×105J

解决本题的关键是要搞清电熨斗一个工作循环所需要的时间及实际工作时

间。电熨斗经过“加热－停－加热”每次电熨斗加热时的功率P＝1000W不变。

因此根据图示的工作程序，先计算出电熨斗一个工作循环需15s+5s=20s，减去停

机时间5s就是一个工作循环的实际工作时间15s,再根据一个工作时间计算出烫

一衣服10min进行了多少个工作循环。得用内燃机中“循环”的概念，能帮助我

们来理解电熨斗“加热－停－加热”的工作顺序。

2、各个间歇工作时段功率不同，例双桶洗衣机、电饭锅等，在开机时消耗

电能计算。

「例2」（2002年南通市）下表为某品牌双桶洗衣机所用电动机的工作参数

和该洗衣机洗涤时正转－停－反转…的时间顺序（图2），当洗涤和脱水同时，

该衣机的最大耗电功率是____W某同学使用该洗衣机洗涤14min后，又脱水

2min，在这段时间内洗衣机耗电____J.

名称额定电压频率工作电流

洗涤电动机220V50Hz0.5A

脱水电动机220V50Hz0.8A

洗衣机洗涤时的工作顺序

正转停反转停正转

解析:双桶洗衣机在工作时，洗涤和脱水可以分别进行，也可以同时进行，所

以洗涤电动机与脱水电动机是并联的。根据表中数据，可算得：当它们同时工作

时，洗涤电动机的功率P

1

=UI

1

=220V×0.5A=110W。脱水电动机的功率

P

2

=UI

2

=220V×0.8A=176W。总功率P=P

1

+P

2

=286W。

根据洗衣机洗涤工作顺序图，每个循环总共30s+5s+30s+5s=70s，停机时间

5s+5s=10s，实际工作30s+30s=60s，所以洗衣机工作14min，一共进行了14×

60s/70s=12次“正转——停——反转——停…”循环。每个循环消耗电能W

1

＝

P

1

t

1

=110W×60s=6600J，所以洗涤14min共消耗电能W=12W

1

=7.92×104J。脱水

2min消耗电能W

2

＝P

2

t

2

=176W×2×60s=7.112×104J，总消耗电能W总

=W

1

+W

2

=1.0032×105J

双桶洗衣机洗涤和脱水电动机的功率是不相同的，因此计算洗衣机时消耗的

电能需要分开计算。而计算洗衣时双桶洗衣机实际工作时间是解决本题的关键。

30S30S30S5S5S

象例1一样，利用内燃机中“循环”的概念，类比理解洗衣机洗涤顺序，能简化

分析过程，看清顺序图中的工作和停机时间，从中扣除停机的时间，算出实际工

作时间，算出实际工作时间，就能算出实际消耗的电能。

以上二例都是根据间歇时间来计算家用电器在开机时间内实际消耗的电能。

还有的题目是通过间歇性家用电器消耗的电能，计算它的间歇时间或连续工作时

间。

3、间歇性家用电器间歇时间的计算，虽题干是电学问题，但题设的主要问

题却并非求的是电学量。

「例3」（2002年北京海淀）有一种电冰箱，只有压缩机工作时才消耗电能，

将一台这样的电冰箱单独接在标有“3000r/kwh”字样的电能表上，测得电冰箱压

缩机连续工作10min电能表的表盘转了75r，求：

（1）这台电冰箱压缩机的功率多大？

（2）如果测得该电冰箱某一天耗电为1.2kwh，设压缩机每次连续工作时间都是

15min，并且每次工作后的间歇时间也都相等，那么它的间歇时间的可能值是多

少？（设电冰箱压缩机工作时功率保持不变，计算结果保留整数）

解析：（1）解答从略，不难求得电冰箱压缩机的功率P=150W

（2）由题意知，冰箱某一天耗电为W=1.2kwh,而电冰箱压缩机连续工作15min

消耗的电能W

1

=Pt

1

=150W×15×60s=1.35×105=32次。所以这一天（24h）内压

缩机启动次数n=W/W

1

=1.2×3.6×105J=32次。压缩机在这一天总工作时间t

I

=32

×15min=480min,间歇的总时间t

间

=24×60min-480min=960min

而在这一天内，因为开始记时时，压缩机可能处于停机或工作状态，使得电

冰箱停机的次数最多为n+1=33次，最少为n-1=32次。所以压缩机的最短间歇时

间为960min/33=29min,压缩机的最长时间为960min/31=31min。故压缩机的间

歇时间在29min～31min

这个例题关键是由冰箱压缩机每天总耗电W，每次连续工作时间15min消耗

的电能W

1

计算出压缩机启动次数n=W/W

1

，而压缩机停机次数不一定等于启动次

数，有±1的差别。这是由于开始记时时，压缩机所处的状态所致。因为若开始记

时时，压缩机恰好处于工作状态，则停机次数就要比启动次数多一次；若开始记

时时，压缩机恰好处于停机状态，则停机次数就要比启动次数少一次。

五、电气火灾的成因及其扑救

随着经济建设不断发展和人民生活水平日益提高，用电越来越多，如果用

电不当，电气火灾也会不断增多。发生电气火灾的主要物理因素有以下七种：

1、电气设备短路。短路时电阻突然减少，电流随之增大，瞬间放出热量很

大，产生的电火花使绝缘烧毁，金属熔化，引起周围易燃可燃物燃烧造成火灾。

2、过载。电气线路和电气设备允许连续通过而不至于使线路和电气设备过

热的电流量称为安全电流。如果导线或设备通过的电流超过安全电流，就称为过

载。过载运行会使线路、电气设备温度急剧上升，使绝缘迅速老化，设备损坏，

引起短路起火事故。

3、接触电阻过大。接触电阻是指导体连接时，如导线与导线。导线与用电

设备，在接触面上形成的电阻。接头干净、无杂质、连接紧固，其电阻值增大，

使接触部位发热，引起绝缘材料起火，甚至使金属变色熔化。现时我国东部地区

绝大部分的住宅中使用铜导线，但在中、西部地区依然有使用铝线的现象。铝线

较铜线易于起火原因不在铝线本身而在铝线的接头，铝线表面极易氧化，当大电

流通过铝线接头时，所产生的热量使膨胀系数较大的铝线易于挤压变形，断电冷

却后连接处出现空隙，又使潮气乘虚而入，铝线表面更被氧化或腐蚀，接触电阻

增大，结果极易引起火灾。

4、电气设备发热部件引燃可燃物。电气设备在运行中，有的部件、器件往

往产生热量。另外，有些电器本身就是电热器具，如对其管理不善，疏忽大意，

使发热设备和器具接触可燃物，就会引起火灾。

5、电磁感应中的涡流发热。在闭合电路中，有电场就有磁场，在密集的电

气线圈电磁场内，往往产生涡流，涡流能发热，会引起线圈被烧，造成导线或可

燃物起火。

6、电火花或电弧引燃。在配电线路发生短路，带电抢修作业或开关电器、

保险丝、插销松动等时候，都会产生电火花或电弧，这种高达3000℃的电火花

或电弧很容易引燃周围的气体或可燃物，是一种危险的火种。

7、电气设备老化。由于电气设备有一定的使用寿命，超过时限，应观察其

表面和内部，凡存在连接点不实或脱扣，绝缘层破坏、开裂、绝缘支点脱落，运

行中有异常气味等现象，说明设备已老化了，应当立即停止运行，关机检修。否

则会酿成火灾。

电气火灾与一般火灾有不同的特点：一是起火后电气设备带电，若是不注

意，可能使灭火人员触电；二是有的电气设备充有大量的油，容易引发爆炸。因

此扑救时应注意以下事项：

1、采取断电措施，防止灭火人员触电。火灾发生时，要尽快通知电力部门，

切断着火地段电源。在现场切断电源时，应就近将电源开关拉开，或使用绝缘工

具切断电源线路。

2、掌握带电灭火的安全技术要求。为了争取灭火时间，或因特殊情况不允

许断电时，则应带电灭火，以减少事故损失，但必须注意以下几点：①选择使用

不导电的灭火器具，采用二氧化碳、卤代烷、干冰灭火器，不能使用水溶液或泡

沫灭火器材。②如果用水枪灭火时，宜用喷雾水枪，其泄漏电流小。在不得已的

情况下采用直流水枪灭火时，水枪的喷头必须用软铜线接地。灭火人员应穿绝缘

靴，戴绝缘手套，以防止水柱泄漏电流人体触电。③使用不导电的灭火器材，机

体喷嘴距带电体的距离要大于0.5米；使用水枪灭火，喷头与带电体的距离不应

少于3米。○

4

架空线着火，在空中运行灭火时，人体与带电线断落接地，就立即

划定警戒区，不得靠近，需要距离8米远，防止跨步电压触电。

六、雷电趣话

过去初中物理课本中有一道习题：平均起来，一次雷电的电流强度约2×

104A，电压约109V，放电时间约千分之一秒，求平均一次雷电的电功率和电流

所做的功。计算的结果是电功率为2×1010kW，电流所做的功为5.6×103kWh。

你定会惊讶，雷电是司空见惯的自然现象，想不到竟有这么大的能量！让我们深

入讨论，从中会悟出许多道理。

一、雷雨云中的电荷是怎样产生的

闪电是一种常见的自然现象，全世界每年可发生闪电现象31亿次之多，每

秒钟可发生100次左右。闪电中心温度可高达两万摄氏度，比太阳表面温度六千

八百摄氏度高三倍，闪电长度可达九十千米。早在1752年，科学家富兰克林就

曾指出：“雷电云通

常处于带负电荷的状态，但有时也处于

带正电荷的状态。”现代科学研究表明，

雷电云带电情况如图1所示，正电荷占

据着云的上部区域，雷雨云的下部区域

积累着大量的负电荷，在云层底部的局

部区域分布着一定的正电荷。闪电就是

负电荷或正电荷在云层间或云层与地面之间的传递。通常一次闪电可以传递约

100库仑或更多电荷，但闪电持续时间只有几毫秒，所以闪电中电流强度可达到

105A。雷电云的电荷，主要是云中水滴、冰晶和霰粒（俗称雪子）在重力和强烈

上升气流共同作用下，不断发生碰撞摩擦而产生的。当冰晶和霰粒相碰时，短暂

的摩擦作用使霰粒表面局部温度上升比冰晶高，结果使霰粒表面带上负电，冰晶

带上正电。这就是所谓的温差效应。当冰晶与霰粒分开时，结果正负电荷也分离

开了。当水滴在霰粒表面冻结时，水滴里外温度也不一致，水滴外层温度低先冻

结呈正电性，里面温度高呈负电性。一旦内部水冻结时，体积迅速膨胀，外层冰

壳破裂，冰屑带着正电荷飞散出去，而留下的冻水滴上仍带着负电荷。这样正负

电荷也发生了分离，冰屑较轻，被上升气流带到云层顶部，所以雷电云上面带正

电荷。强烈上升气流也会将云中大水滴冲破，形成许多带负电的小水珠和带正电

的较大水珠。带正电的较大水珠下沉直至被上升气流支持在云层底部的局部区

域。前面所述带负电的小水珠和霰粒等逐渐扩散到雷雨云下部广大区域，形成了

如图1所示的电荷分布情形。

二、闪电种种

由于雷雨云中电荷分布情况不断变化，大气流波动也很厉害，所以闪电的形

状也是各式各样的。

常见的有线状闪电。其内道宽度约10——20cm，长度可达10km，如图2

所示，宛若树根一般。还有带状闪电，它与线状闪电相似，只是闪电宽度达十几

米，比线状闪电宽得多，像一条亮带从天而降。

图2图3

珠状闪电像一串发光的佛珠挂在云地之间，颜色还会发生变化，十分美丽动

人，如图3所示。最有趣的是球状闪电，它的形状像一只火球，直径一般为几十

厘米，呈红色或者橘红色，常以每秒几米的速度在空中飘移，有时停止不动，有

时逆风而进。它喜欢沿着物体边缘滑行，还会穿过缝隙入室，发出嘶嘶的响声。

球状闪电一般能维持几秒钟，个别长达十几分钟，消失时伴有爆炸声。长期以来，

人们认为球状闪电现象是一种幻觉，直到1837年人类才有第一份关于球状闪电

的科学记载，并逐渐认识到它是一种自然现象。但对它的形成机制，至今众说纷

纭，还是一个谜。

三、如何预防雷击

闪电通道上气温可达10000℃以上，因此水珠、冰晶都会迅速汽化，空气急

骤膨胀、振动，发出巨大声响，这就是雷声，所以闪电和雷声总是同时发生的。

由于雷电瞬间可以释放出巨大的能量，所以它的破坏力十分惊人。建筑物可以被

它击垮，高大的树木可以被雷击毁坏燃烧，人、畜更是不堪一击。世界上每年总

有成百上千的人被雷击毙命，雷电击毁的财产更是难以计数。人们常用“雷霆万

钧”来形容雷电的威力，这是毫不过分的。如何防止遭受雷击呢？

人们发现，物体形状能影响放电，电荷容易在物体尖端积累形成放电现象，

因此，科学家发明了避雷针，

如图4所示。高耸的建筑物装上避雷

针后，雷雨云来临时，地面通过避雷

针尖端与雷雨云之间放电，把大量电

荷直接引入地下，这样建筑物就安然

无恙了。

根据尖端放电原理，我们应注意雷电时不要站在空旷田野或大树下面，否

则很容易受到雷击。

雷雨时，人不要接触墙壁门窗以及一切沿墙壁门窗敷设的金属器件，如电

线和铁丝等，以免雷电高压传入室内遭受雷击。室外天线要加装避雷装置。雷雨

天不要打电话，因为电话线可能被雷击中。

球形闪电在空中飘移，容易进入室内。雷暴来临，紧闭门窗，这样可以减

少球形闪电进入室内的机会。

图4

四、雷电可以利用吗？

雷雨云的电能主要以闪电的形式释放出来，中等规模的雷雨云每分钟产生几

次闪电，输出功率与一个核动力电站相当，而且闪电输出功率大致与雷雨云尺度

的五次方成正比，云的尺度增加一倍，则输出功率约增加30倍。

能否利用雷电能造福于人类呢？有人设想用一个巨大的莱顿瓶把雷电能装

起来，有人设想利用雷电给巨大的电池充电，把雷电能储藏起来。然而人们遇到

了三方面的难题：一是雷电现象的分散性。有人统计全世界每秒钟约发生100

次雷闪，可是由于雷雨云飘忽不定，位置十分分散，一般在一二年时间里，每平

方千米地面平均有一次受到雷击的机会，这是何等渺茫啊！二是闪电的瞬时性。

普通闪电一次持续时间只有几毫秒，要在这么短的时间里收集雷电，的确困难不

小。三是经济效益。我们知道，雷雨云形成，是由于太阳强烈照射地面，使潮湿

空气急剧上升所致，所以从本质上说雷电能是由热能转变而来的，属于太阳辐射

能。它占整个太阳辐射能比重很小，而要收集它又必须克服重重困难，制造复杂

昂贵的设备，要把它作为工业能源，自然会考虑到经济效益问题。况且对雷电运

动规律，人类至今认识并不彻底。正是这些原因，所以至今人类对雷电的利用还

没有什么惊人之举。

思考与交流

1、雷电云中的电荷主要是由于产生的？避雷针是根据什么原理制成的。

2、清远一中是雷区，你如何防治？

七、超导磁悬浮列车

在学生学完“楞次定律”之后，引导学生把所学知识应用于高科技——超导

磁悬浮列车，超导是当今高科技的热点。当一块磁体靠近超导体时，超导体会产

生强大的电流，对磁体有排斥

作用，这种排斥力可使磁体悬浮于空中。

问题提出：

1、你能运用所学的物理知识

简要说明为什么会出现这种现象？

2、磁悬浮列车的原理是什么？

3、“磁悬浮”的构想是由那个国家谁最早提出的？磁悬浮列车

包含两项什么基础技术？

4、磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类，它们有什么不同？

5、简述磁悬浮列车的发展。

6、超导磁悬浮列车有什么优超性和不足之处？

7、乘座高速的磁悬浮列车安全吗？是否会受到磁辐射的伤害？

8、超导磁悬浮列车是否也像普通列车一样需要两条轨道？在架设线路上与

普通轨道有何不同？

9、你能说说我国超导磁悬浮列车的发展状况以及进程

10、超导磁悬浮列车的外观有什么特点？目前超导磁悬浮列车的车速在每小

时几百千米左右，若继续提速会遇到什么难题？

建议学生从网上检索、查阅、筛选、归纳和组合，提取有用的信息，形成自

己的观点。

资料信息

1、原理：就是利用车体两侧安装的电磁铁同地面上设置的线圈之间产生的

磁力排斥作用，使列车悬浮起来，然后靠利用直线运动推动车体前进的线性马达

（而不是靠转动）使列车向前飞奔。磁悬浮列车在列车的底部处用一般材料或超

导体材料（在一定温度下这种导体的电阻接近于零）绕制的线圈，而在轨道上安

装环形线圈。根据法拉第的电磁感应定律，当列车底部的线圈通入电流产生的磁

感线被轨道环形线圈所切割，就在环形线圈产生感应磁场，它与列车后部超导线

圈产生的磁场同性相斥，就使列车悬浮起来。由于磁悬浮列车克服了轮子和轨道

的摩擦阻力，因而使列车的速度达到或超过每小时300千米。

2、磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年HermannKemper先生就提出

了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。

悬浮的原理：列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线

圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁

场极性与列车的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存

在排斥力，从而使列车悬浮起来。

前进的原理：在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。

由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为

列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，

并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。在线圈里流动的

电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，

反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通

过电能转换器调整在线圈里的流动的交流电的频率和电压。

3、1911年，俄国托本斯克工艺学院的一位教授曾根据电磁作用原理，设计

并制成一个磁垫列车模型。该模型行驶时不与铁轨直接接触，而是利用电磁排斥

力使车辆悬浮而与铁轨脱离，并用电动机驱动车辆快速前进。

1960年美国科学家詹姆斯·鲍威尔和高登·丹提出磁悬浮列车的设计，利

用强磁场将列车提升至离轨道几十毫米，以时速300公里行驶而不与轨道发生摩

擦。遗憾的是，他们的设计没有被美国所重视，而是被日本和德国捷足先登。德

国的磁悬浮列车采用磁力吸引的原理，克劳斯·马菲公司和MBB公司于1971

年研制成常导电磁铁吸引式磁浮模型试验车。英国于1984年在伯明翰建成低速

磁力悬浮式铁路并投入使用，其磁浮列车称为“玛格莱夫”，由一台异步线性电

动机驱动，运行时高出轨道15毫米，它由两个车厢组成，每个车厢能载40名乘

客。列车上无驾驶员，由计算机自动控制。

随着超导和高温超导热的出现，推动了超导磁悬浮列车的研制。这种超导磁

悬浮列车利用超磁石使车体上浮通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力。日

本于1977年制成了ML500型超导磁浮列车的实验车，1979年宫崎县建成全长

7000米的试验铁路线，1979年12月达到了每小时517公里的高速度，证明了用

磁悬浮方式高速行驶的可能性。1987年3月，日本完成了超导体磁悬浮列车的

原型车，其外形呈流线形，车重17吨，可载44人，最高时速为420公里，车上

装备的超导体电磁铁所产生的电磁力与地面槽形导轨上的线圈所产生的电磁力

互相排斥，从而使车体上浮。槽形导轨两侧的线圈与车上电磁铁之间相互作用，

从而产生牵引使车体一边悬浮一边前进。由于是悬空行驶，因而基本上不用车轮。

但在起动时，还是需要有车轮做辅助支撑，这和飞机起降时需要轮子相似。这列

超导磁悬浮列车由于试验线路太短，未能充分展示出悬空的卓越性能。

目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音速列车。这种神奇的“行星列车”

设计最高时速为2.25万公里，是音速的20倍。它横穿美国大陆只需要21分钟，

而喷气式客机则需5小时。这项计划要求首先在地下挖出隧道，铺设两根至四根

直径为12米的管道，然后抽出管道中的空气，使其接近于真空状态，最后再用

超导方式行驶磁悬浮列车。

八、小小手机关乎国家安全

短短几年不经意间，手机“旋风”横扫全球。一机在手，漫游世界，不管你

身处何方，人们随时都能把你找到。但是，我们必须看到手机是一把双刃剑，它

在给人们的生活带来方便的同时，也给国家和安全带来了隐患。尤其在关系国家

秘密的特殊部门，手机已成为不容忽视的一大泄密隐患。

人们也许还记得，在俄罗斯的车臣战争期间，俄空军利用电子侦察手段发现

了当时车臣分裂主义头子杜达耶夫的踪迹，并轻而易举地将其消灭。那是1996

年4月22日凌晨4点钟，俄罗斯穷国运用A—50预警机，截获了杜达耶夫与同

伙们之间的手机通信，然后在全球定位系统的帮助下准确地测出了杜达耶夫所在

位置的坐标。几分钟之后，俄罗斯穷国“苏—25”飞机在距目标40公里的地方

发射了两枚“DAB—1200”反辐射导弹，导弹循着电磁波方向击中了杜达耻夫

正在通话的小楼，将其炸得血肉横飞，去年3月，恐怖分子头子本·拉登的得力

助手、“基地”组织的二号人物阿布·祖巴耶达赫也是因为使用手机暴露了藏身

之地而落网。

从手机的通信原理可以知道，手机的通信过程就是使用手机把语言信号输到

移动通信网络中，再由移动通信网络将语言信号变成电磁频谱，通过通信卫星辐

射漫游传送到受话人的电信网络中，受话人的通信设备接收到无线电磁波，转换

成语言信号接通通信网络。因此，手机通信是一个开放的电子通信系统，只要有

相应的接收设备，就能够截获任何时间、任何地点，接收任何人的通话信息。

那么如果手机不处在通话状态下，是不是不会暴露行综了呢？其实不然，因

为在不使用的待机状态，手机也要与通信网络保持不间断的信号交换。在这些过

程中产生的电磁频谱，人们很容易利用侦察监视技术发现、识别、监视和跟踪目

标，并且能对目标进行定位，从中获得有价值的情报。目前，我国市面上的移动

电话芯片基本上都是进口产品，其中一些手机具有隐藏通话功能，或以在不响铃、

也没有任何显示的情况下由待机状态转变为通话状态，从而将周围的声音发射出

去。还有些时候，有心人可通过简单的电信暗码，遥控打开处于待机状态手机的

话筒，窃听话筒有效范围内的任何谈话。

手机即使在关机状态下也不是高枕无忧的。手机在关机状态的失泄有两种情

况：一种是即使使用者关闭手机，持有特殊仪器专家，仍可遥控打开手机的话筒，

继续窃听话筒有效范围内的任何谈话，换言之，使用者只要将手机放在身边，就

毫无保密可言。另一种是在手机制造过程中就在芯片中植入接收和发送功能。因

此，这种手机虽然没有开机，但只要有电池，手机上的接收装置就能将其有效范

围内的话音接收到，并可随时发送出去。通过地球同步卫星上的中继站，将信息

传递到某处地面处理系统。

所以，唯一保密的办法就是在必要时将手机的电池取出，彻底断绝手机的电

源，不然就将手机放在远离谈话场所的地方，避免遭到窃听。因此，一些发达国

家的情报部门、军事地方和重要政府部门，都禁止在办公场所使用移动电话，即

使是关闭的手机也不许带入。

在当今时代，国家安全赖以存在的基础环境正在从原来的国土、资源、军队

等有形的东西为主，转向信息和知识等无形的东西与其共存。对信息的开发、控

制和利用已成为国家间利益争夺的重要内容。我国是一个手机用户最多的国家之

一，如果我们不能充分认识手机具有双刃剑的两面性，那么国家的安全就会存在

着严重的隐患，不但是国防信息安全非常严峻，国家经济信息、科技信息的安全

也非常严峻。

有关研究资料表明，从中国打出的电话或者从外国打到中国的电话也容易被

监听。如果这些电话通过中国自己发射的卫星传送，美国可以依赖日本北部三泽

航空基地进行监听。美国最新利用“猎户座”间谍卫星系列跟踪微波传输，通过

这种手段，就可以监听到中国内陆电话。美国安全局后来发现，利用北极上空的

卫星，在本国便可以监听到中国以及其它国家的手机信号。而监听各国最主要的

目标还是截取各国的战略情报，包括国防政策、军事战略以及战略性武器装备的

研发情况、战略资源等等。

如此看来，信息时代的国家安全不容忽视的一个问题是信息安全，而小小手

机正是关系到国家信息安全的大问题。

九、磁卡和IC卡

学生在实际生活中经常见到电话磁卡和IC卡，但与之有关的资料非常少，

下面就磁卡和IC卡的结构、原理及应用作简单的介绍。

一、磁卡

1、磁卡的结构和使用

磁卡、磁带和磁盘都是利用磁性物质记录信息的。在硬纸上或塑料卡片上，

粘上一层均匀的微粒磁性材料（标准磁卡上的磁性材料一般宽为5mm），上面再

压一层聚酯薄膜，就制成了一个磁卡。电话磁卡上有2个或3个磁轨，用于记录

信息。当用户把磁卡插入磁卡电话机时，电话机屏幕上立即显示该磁卡中的金额

数字，等待拨号，磁卡电话的通话时间是从对方摘机应答开始计算，每分钟计费

一次，通话双方只要有一方挂机，磁卡电话机就会把剩余的金额存入磁卡中，屏

幕上显示余额，磁卡自动退出。

2、磁卡数据的写入和读取

磁卡使用的过程也就是数据读取和写入的过程，磁卡数据的读取和写入主要

靠磁头完成的，磁头内部有一个由高磁导率的软磁材料制成的环形铁芯，上面绕

有线圈，铁芯上还有一条很窄的缝隙，缝隙可以与磁卡接触，当线圈中通入电流

时，由于电流的磁效应，缝隙处就会产生磁场，于是磁卡与缝隙接触部分的磁性

体就被磁化。写入数据时，给线圈中通入随数据变化的电流，同时让磁头和磁卡

发生相对运动，则当磁卡上的磁性物质通过缝隙时，便随着电流的变化而不同程

度地被磁化。而且离开缝隙后磁性也不会消失，从而达到写入和保存数据的目的。

数据读取是写入的逆过程，磁头与写好的磁卡发生相对运动时，根据电磁感应现

象，在磁头线圈中产生随磁性强弱变化的电流，对该电流进一步处理，就可读出

数据。

二、IC卡

1、IC卡的结构和分类

IC卡全称集成电路卡（IntegratedCircuitCard），又称智能卡（SmartCard），

把具有存储、加密及数据处理能力的一个或多个集成电路芯片镶嵌于塑料卡片中

就制成了IC卡。根据卡中所镶嵌的集成电路芯片的不同，IC卡可分为接触式IC

卡和非接触式IC卡两大类。高二《物理》彩图六中指出的金黄色部分（金属触

点，共八个）内部连接芯片的八个引脚，外部连接电话机的读写卡电路，为接触

式IC卡。而非接触式的IC卡没有金属触点，是通过IC卡上的微小的线圈感应

读卡器上的线圈辐射出的电磁能量作为电源，并再通过该线圈辐射出电磁信号传

送数据的，非接触式的IC卡在高速公路收费系统中有一定的应用。

2、在实际使用中，以接触式IC卡应用最多，比如电话卡和银行卡。下面以

电话卡为例来说明其工作原理。IC电话卡实质是一个带串行输出的128位的

EPROM（可擦可编程只读存器），芯片内开始的64位已经写了保护，在出厂时

已经编程而它的熔丝位已被加密了，所以是无法更改片内的数据的，因此IC卡

比磁卡更安全。而其他的后40位的计数单元是受内部逻辑控制的，在读写时卡

片内只能作减法计数，不能作加法计数（如果我们用IC电话卡打电话，卡中的

金额就会减少，用什么办法也不能使金额再加上去），直到存储单元内的预置值

减到零为止，该卡也就用完了。

三、磁卡与IC卡的比较

IC卡与磁卡相比具有故障率低、管理功能强、安全性高等优点，因此IC卡

广泛地应用于金融财务、社会保险、旅游交通等各个领域。而磁卡应用领域逐渐

被IC卡代替而减少，2003年1月1日零时起，中国电信已经停止磁卡公话服务。

随着社会的发展，越来越多的领域将采用IC卡代替磁卡。

看一看：

磁卡与IC卡

十、地磁场—地球生命的保护伞

在浩瀚的宇宙中，地球有幸成为生命的摇篮，依仗于地球生成后的宇宙环

境和地理环境，众多的物理因素构建了生命物质的存在条件。诸如地球到太阳的

距离不远不近，使地球获取太阳的总量恰到好处，地表面温度不高不低，保障了

地球表面的水经常处于液体状态，成为生命的组成部分和维持地球生命之必需；

地球的质量与体积因素，决定了地球表面有着适宜的重力加速度，也决定了大气

层的存在，它稳定着地表的温度（温室效应），为生命的诞生和延续保存了相应

的气体（如氧、二氧化碳等），还降低了外来宇宙射线的能量，养活陨石及其它

不速之客袭来的几率；地球大气层中的臭氧层大大削弱到达地面的紫外线，使地

球生命少受伤害；还有地磁场的存在，也为地球生命提供了保护伞，它有效地削

弱宇宙射线对生命的伤害，功不可没……

地磁场的起源至今仍是一个悬案，虽然它与高空中围绕地球运动的带电粒

子的活动有关系，但这种外界影响力不足1％，目前多数人仍接受物理学家埃尔

萨塞于1945年提出的假说，认为地球内部的地核中有一层液态物质，其主要成

份是铁，也有少量镍和其它元素。这层液态物质具有流动性和导电性，被称为导

电流体，它随地球自转而运动。如果起初在地核内有微弱的磁场，就会在导电流

体中激发电流。按照非常复杂的类似于自激发电机的机理，磁场和电流的相互作

用达到一定的动态平衡，就形成较稳定的地磁场。

这种地磁场好象地球地心处有一根巨大的磁棒，其N极和S极分别在地理

的南、北极附近，并经常移位置，其极性变化也呈一定的周期性，7600万年来，

磁极颠倒发生过100多次。近来我国科学家在研究云南元谋猿人发现地的地层

时，确实在158——321万年前曾经有过11次磁极颠倒事件。

地磁场的分布情况远比条形磁铁复杂，根据近年人造卫星和宇宙探测器的

资料表明：由于太阳（是从太阳外层大气向周围空间发射出的高速带电粒子流）

的影响，朝向太阳的一面的地磁场边界至地球中心的距离只有8——11个地球半

径。当太阳活动剧烈时，则被增强的太阳风压缩到5——7个地球半径。在背向

太阳的一面，地磁场可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外，形成一条长长

的磁尾，如图1所示。但是，在距地面几千千米范围内可以认为地磁场相对于地

磁轴是对称的。

除了太阳风，宇宙空间还向地

球投射着各种宇宙射线，它们是各

种高能微观粒子——主要是质子

（约占87％）其次是α粒子（约

占12％），此外还有氧、氮、铁、

钴、镍、碳、锂、钡、铍、硼等元

素的原子核，甚至还有极少量的铀

原子核以及电子、中微子和高能光子（x射线和γ射线）。宇宙线中存在能量极

高的粒子，已观测到的最高能量达1020eV以上。

宇宙射线的来源至今还没有完全弄清楚，银河系内恒星所发射的粒子只占银

河宇宙射线的一小部分，大多数宇宙射线带电粒子来源于超新星的爆发和爆发后

形成的超新星遗迹，能量高于1017eV的带电粒子则主要来自银河系外。

原始宇宙射线粒子的能量平均比光子的能量（约3ev）大很多，它们的速度

和光速相接近。虽然它们在银河系空间传播时受到星际磁场影响路径发生弯曲作

螺旋线运动，它们到达地球时的方向已不是宇宙射线的方向，然而初级宇宙线（与

地球大气层作用前的宇宙射线粒子）中的带电粒子却是不约而同地从各个方向射

向地球表面（地球成了众矢之的）。在地球大气层边缘每平方厘米的面积上，每

秒钟大约穿过一个原始宇宙线粒子。

尽管宇宙射线粒子进入地球大气层后与大气中的原子发生作用逐渐损失能

量，近而沦为次级宇宙线。但一般情况下，原始宇宙射线粒子具有的能量平均达

109ev，远高于原子弹爆炸过程中原子的能量（107ev）。总的说来，原始宇宙线给

地球带来的能量与银河系全部恒星给地球带来的能量差不多。

鉴于高能辐射线能使生物遗传基因发生改变或受到破坏，引起物种变异或

灭亡，因此，宇宙射线对地球上的生物演化和生态平衡具有重大作用。甚至有人

提出一个大胆而有趣的猜想，认为地球上恐龙的灭绝可能与超新星爆发引起的宇

宙射线突然增强所造成的影响有关……

庆幸的是，地磁场为地球上的生命展开了一把看不见的保护伞，来自太阳和

宇宙射线的高速高能带电粒子在进入地磁场后，受洛仑磁力作用而沿磁感线作螺

旋线运动（其机理可用带电粒子速度方向与磁场方向不垂直情况下的轨迹来模

拟）。它们中的大部分避开了地球被引向地球后面的磁尾，只有一小部分进入地

磁两极上空，使该处大气中的分子或原子核被激发或电离而产生辉光，这就是极

光

的成因，如图2所示。假如没有这

把保护伞，强大的太阳风和宇宙射

线将会使地球上的一切生命荡然无存。

地磁场在御敌于“国门”之外的

同时，为我们造就了极光。极光的光

谱线波长范围约为310——670nm，几

乎涵盖可见光光谱，因此其颜色五彩缤纷。其中最重要的光谱线是557.7nm的原

子氧绿线，称为极地绿线。极光常见于高磁纬度地区，在大约离磁极25°——30°

的范围内常出现极光，这个区域被称为极光区；在地磁纬度60°——45°之间的

区域称为弱极光区；地磁纬度低于45°的区域称为微极光区。极光的下边界的高

度离地面不到100km，极大发光处的高度为110km左右，正常的最高边界约为

300km左右，在极端情况下，可达1000km以上。极光的出现同磁暴、地冕、太

阳风和宇宙射线的活动程度都有关系。我国东北靠近高纬度的地区如漠河，就处

于弱极光区，因此在二千多年前，中国就开始观测极光。史料表明：自公元前2000

年到公元1751年，有关极光的记载达474次；在公元1——10世纪的180余次记

载中，有确切日期的达140次之多。在西方最早记载极光的，当数亚里士多德（公

元前384年——前322年，他称极光为“天上的裂缝”。可见，国人有关极光现象

的记载要领先于世界一千多年，这当然是值得我们自豪的。

光学和近代物理学篇

一、天空为何有那么多的颜色

天空有很多的颜色，这个现象有不少的人观察了，也有一些学生会问，但有

时老师也一时不能回答的很全面。有时学生的知识还不够，所以对这些现象的解

释也有可能听不懂，但当学生学了有关光的一些基本知识“几何光学”、“光的本

性”后，我们应该让学生利用所学的知识真正的知道和了解“为何天空有那么多

的颜色”，这不仅是学生对周围一种自然现象观察的肯定，也是培养学生善于观

察自然、热爱自然和保护自然科学精神的好途径，也进一步的说明所学科学知识

的实用性。

学生经过有意识的观察，提出了以下有代表性的问题：

（1）为何天空是蓝色的，而不是绿色或红色的？

（2）为何早晨和傍晚天空是红色的？

（3）为何落日后的天空还会在一段时间内呈现深蓝色？

（4）从月亮上看地球是什么颜色？

先让学生好好的回顾一下有关光学的知识：太阳光是一种复合光，由红、橙、

黄、绿、青、蓝、紫七种单色光复合而成的，光在同种均匀介质中是直线传播的，

当光进入不同介质时会发生反射和折射，当光碰到微粒时会发生散射现象，由光

的本性可知光又是一种波，那么有波所特有的现象——衍射现象，衍射现象的明

显程度和光的波长有关，当波长越大，在同一条件下，衍射现象越明显，而太阳

中的七色单色光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种的波长依次变短，波长最长的

是红光，最短的的是紫光。

让学生知道人只所以能看到东西或颜色，是因为有对应的光线进入人的眼

睛。天空并不是空的，它由很多很多微粒组成，其中百分之九十九不是氮气便是

氧气，其余则是别的气体微粒和微小的漂浮微粒，来源于汽车的废气，工厂的烟

雾、森林火灾或火山爆发出来的岩灰。

（1）为何天空是蓝色的，而不是绿色的？

天空中的这些微粒很小，一般只有一滴雨水的百分之一，但是它们也照样能

阻挡阳光的去路，光线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，自然也就改变了自己

的方向，太阳光中的红光和橙光的波长比较长，所以发生明显衍射现象容易，当

波长较长的红光和橙光碰到空气中的微粒时，能轻易绕过，继续传播，而蓝光和

紫光的波长比较短，所以衍射不是很明显，不能轻易绕过“绊脚石”而继续传播，

便被散得到处都是，布满整个天空。天空，就是这样被散射成了蓝色了。发现这

种散射现象的科学家叫瑞利，他是在130年前发现的，他也是诺贝尔奖获得者。

（2）为何早晨和傍晚天空是红色的？

由于早晨和傍晚的时候太阳光照射到你这个地方所经过的大气层的路比中

午时长的多，如附图所示，那么阳光在大气层中走的路长了，在传播过程中碰的

微粒也多了，蓝光和紫光的散射也多了，空中仅留下一点点使你的肉眼看得见的

红光和橙光——因为红光和橙光的波长长，能绕过微粒而继续传播，所以我们在

早晨和傍晚看到天空是红色的。

（3）为何落日后的天空

还会在一段时间内呈现深蓝

色？细心一些，你会看到落

日后的天空还会在一段时间

内呈现深蓝色，这个也曾是

科学家们关心的一件怪事，

（让学生有一种自豪感，自己发现的现象也是当初科学家所发现和注意的现象，

激发学生发现科学、热爱科学的热情）物理学家在50年前揭开了这个谜：导致

落日后的天空呈现深蓝色的原因是一种特殊的物质，这种物质在离地球表面20

至30公里的高空处聚集成一个厚厚的层面，叫做臭氧层，这种气体进入地球的

太阳光起到像颜色过滤器那样的作用，它截获太阳光中的黄光和橙光，却无法阻

拦地让蓝光通过。在日落后空中的光已很少了，这时只有少许的蓝光通过臭氧层

进入，只有当最后的少许蓝光消失时，所有的颜色才消失在黑暗的夜色中，所以

落日后的天空还会在一段时间内呈现深蓝色。臭氧层不仅导致黄昏的蓝色天空，

还吞下一种人无法看到的特殊光线：紫外线，过多的紫外线照射对所有的生物有

危险，如果它在你裸体的皮肤上照射得太久，你就会得晒斑，从而得皮肤癌。臭

氧层在大气层中都有足够的厚度能截获尽可能多的紫外线，这对于我们这个星球

上的全体生命来说，是极其重要的，可惜在今天，这个生命攸关的保护层在许多

地方都已经变薄了，在南极上空已形成了一个大的空洞，而破坏臭氧层的凶手就

是“氟里昂”——一种人们用来喷洒护发摩丝或用在冰箱和空调上的制冷物质，

这是一种对臭氧层特别有害的物质，所以许多国家已经不再使用这种“臭氧层杀

手”了，（通过这些知识的传授，也培养了学生保护自然和环保意识）

（4）从月亮上看地球是什么颜色？

学生从电视和有些书中也知道了从月亮上看地球的颜色是蓝色，但也不知道

为何是蓝色的。人能看到东西或颜色，是由于有光线进入人的眼睛，那么在宇宙

或月亮上，没有大气，也没有了大量的微粒，而当人向地球看时，我们的地球有

三分之二的面积被海水覆盖，而海水也是散发着蓝光，陆地上虽然有土地的褐色

或森林的绿色，然而上空却总是蓝色的，从宇宙中看来，整个地球都被裹着一块

轻柔的蓝色面纱，所以地球被做称为“蓝色星球”。

通过这个课题的研究，使学生对身边观察到的现象能真正用所学的知识去解

释，也培养了学生观察能力、分析问题能力。也是让学生学会发现问题、解决问

题的能力，同时也加强了学生环保意识。

二、城市亮化与光污染

近年来，由于“亮化工程”的实施，在我国许多城市的繁华街区，夜幕降

临后处处流光溢彩；大小商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目；舞厅、夜总

会彩灯流动；高大楼宇上的特色灯具发出的旋转远射强光束搅动天际，使万里洒

怅然失色……

光能照亮黑暗，带来光明，但用得不当，就和噪声等一样成了公害，光污

染带来人的健康、生态平衡等方面的严重问题，负面效应甚多。

研究发现，城市人工夜景光源并非“全光谱”照射。非全光谱会扰乱人体

的正常生理规律，使机体生物失去平衡，长期下去体内的生物和化学系统会发生

改变，体温、心跳、脉络、血压不协调。婴幼儿经常处于光照照环境下，会引发

睡眠和营养方面的问题。光污染能导致人心理健康损害。人长期受不协调的光辐

射，会带来神经紧张、情绪失控，或是出现头晕目眩、失眠、心悸等神经衰弱的

症状。另外，人体内存在有“生物钟”生理现象。过渡的亮光照射会造成褪黑激

素失衡，干扰生物钟，增加人体兴奋度。使人精神倦怠、闲晕目眩、出现恶心呕

吐等症状，并导致脑功能降低，免疫力受到不同程度的削减。有些光源和黑光灯

所产生的紫外线强度大大高于太阳光中的紫外线，长期接受这种光照射，可诱发

流鼻血、脱牙，甚至于导致白血病和其它癌变。

人造光能严重损害人的视力。科学研究表明，发光体所发出的光只有为全

色光谱，色温贴近自然光、无频闪光等，才属于“绿色照明”，否则将会给眼睛

带来损害。目前青少年近视发病率比较高，据研究，这与人造光源有很大关系。

婴幼儿和青少年眼睛视网膜上的视觉细胞的视觉功能处于发育和完善之际，如果

长期受到人造的种种强烈光束的照射，对视觉细胞往往会形成冲击性损伤，造成

眼球功能上的改变，出现眼睛调节功能失常，从而损害视觉能力。城市里高功率

泛光灯和路灯的灯光常能透过住宅窗户，使人不能在黑暗环境下安然入睡。美国

一项研究表明，人造光源与儿童近视的高发生率有一定的相关性，睡在黑暗中的

人只有10％患近视，睡在有照明灯光下的孩子有34％患近视，如果灯光过亮，

该比率上升到55％。研究者说，眼睛和焦距调节功能状况，与光明和黑暗在24

小时内所占比例有很大关系。至于成年人，如果长期在白光亮污染环境下工作和

生活，视网膜和虹膜会受到程度不同的损害，视力剧降，至老年时白内障的发病

率高达45％。

儿童接受光照太多，还会影响体内某些激素的分泌，进而减弱对性腺发育

的抑制，导向导致性器官的超前发育。这种影响性腺机能的光，既来自太阳光，

但更多的是来自于灯光。

光污染也影响到动植物。人工白昼能破坏昆虫在夜间的正常繁殖过程。人

造光源也能使长途迁徙的侯鸟迷失方向。侯鸟迁徙季节，常有许多鸟迷途误撞上

城市灯火通明的高楼而亡。光污染会扰乱植物生物钟。研究发现，在光照下绿色

植物生长速度不如在黑暗下快。

光污染无疑也是对能源的极大浪费。有统计说，美国城市中，户外灯具中

有1/3是灯光向上的。向上的灯光只能照亮天空，并无实际意义的。我国在这方

面的浪费肯定惊人。

光污染的危害是潜在的，它虽不如噪声和“三废”等污染那样直接和明显，

但这一问题已引起科学家的重视。发达国家都有过城市亮化的兴盛期，亮化之后

察觉到了危害，现已改弦易辙。2001年6月，美国纽约洲通过一项议案，规定

洲政府应逐步用光线向下而不是朝天空的灯具。

总之，医学界认为，光污染会带来公众的种种健康损害问题；天文学家认

为。笼罩在城市上空耀眼光芒使人无法看到星星，世界上已有1/5的人对银河视

而不见；环保人士认为，光污染影响生态，消耗资源……城市亮化造成的光污染

问题不能不引起我们的高度关注。

三、红外线与我们的生活

一、看不见的“光线”

1800年，英国科学家赫舍尔（SirWilliamHerschel,1738-1822）做了一个“太

阳光光谱”实验，测量各种色光的温度，当他将温度计放到红光的外测时，惊讶

地发现；温度仍在上升，而且比红光区的温度还要高呢！这种波长大于红光的不

可见光线，就是神通广大的“红外线”。

红外线是一种肉眼看不到的电磁波，波长在无线电波和可见光（0.37-0.75μ

m）之间，约为0.75-1000μm。电磁波按波长从长到短排列的顺序是：长波、中

波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等，X射线的波长

一般不超过10-3μm(即1nm)。

科学家发现，产生红外线的光源极多，自然界的任何物体，只要处在绝对零

度（即-237.15℃）以上，都会源源不断地辐射红外线。因此红外线与热的关系最

密切了，红外线实际上是由热辐产生的，比如太阳既辐射可见光，也辐射紫外线

和红外线，其中红外线部分占了太阳总辐射量的一半左右。

一般说来，物体的温度与辐射的红外线有关，物体温度越高，辐射红外线的

波长越短，红外线的辐射强度越大。考虑到红外经与热的密切关系，也有人把红

外线叫作“热线”。在工业上“高温”物体的测温，科学家早就使用“红外线测

温仪”了。

二、热是怎样“成像”的？

红外线可以用于摄像技术。由于红外线的波长比可见光要长，这不易被大气

中的微粒所散射，穿透力比较强，可以拍摄被浓雾或烟尘笼罩的景物。得用红外

线摄像机和红外线胶片，能够得到红外相片。

利用红外线扫描技术，还可以随时观察到动态的物体，一般叫做“热像仪”。

它与一般电视摄像差不多，由光学系统、红外探测器、电子信息系统和显示器组

成。景物目标发出的红外线，由探测器（一种高灵敏热传感器）转变成显示出来。

对热像仪在屏幕上显示的“热图”，可以放大，也可以缩小，还可以保存。

红外热成像技术是在20世纪60年代发展起来一门新技术，发展十分迅速，

现在正沿着两个方向努力，一个是高精度，一个是高速度。目前，高精度热像仪

可以分辨零点几度甚至零点零几度的温度变化；而高速度热成像仪则可以每秒钟

成像几十幅，多用于活动目标的连续显示。

三、红外遥感威力大

在高空设备上，可以配备各种“遥感”仪器，用来感知遥远的事物。利用可

见光进行高空摄影，这就是可见光遥感；雷达是靠微波探测目标，这可以看作是

微波遥感；红外线虽然肉眼看不见，但可用专门仪器进行遥感，就是红外遥感。

由于红外线占有很宽的频带，约为可见光的1000多倍，所以它包含着丰富的来

自目标的信息，而且“红外遥感”可以昼夜兼行，黑暗中也能大显身手，因此“红

外遥感”在遥感技术中占有重要地位。

红外遥感的分辨能力实在惊人，在几百千米的人造卫星上，可以发现地面上

一支点燃的烟头。任何伪装也逃脱不了这种“红外眼睛”的监视，在树枝和绿色

篷布掩盖下的飞机坦克，照样“原形毕露”，深藏在水下的核潜艇也会“水落石

出”；它甚至可以辨认出地面上哪些是新培的浮土和新栽的花草，从而发现对方

的地下设施。

1971年，美国就是利用这种“红外遥感”发现前苏联新建的60个洲际导弹

发射井。最近的伊拉克战争中，美英军队更是利用“红外遥感”技术侦察对方设

施，甚至地下30m的军事秘密也能“一目了然”。

四、“夜视仪”的秘密

神奇的“夜视仪”可以在黑暗中看清周围的事物，主要有两种：微光夜视仪

和红外夜视仪。

夜晚只要有点点星光，微光夜视仪就可以大显身手，仪器中的“像增管”能

够把从景物发射回来的微弱光线增强，放大能力可达100万倍，完全可以将微光

环境中的景物看得“一清二楚”。

“红外夜视仪”则可以在绝对黑暗中使用，由于任何物体都不在不断辐射着

红外线，“红外夜视仪”可以接受这些红外线，通过光电转换再加以放大，最后

将物体显现出来，这就是前面说的“热像仪”原理，这是一种被动型“红外夜视

仪”。

还有一种主动型“红外夜视仪”，它能够不断发射出红外线，再接受从物体

上反射回来的红外线信号，进行放大处理，用来区分物体的背景，不但可以看清

物体的大小形状，还可以根据“多普勒效应”，知道物体的运动方向和速度大小。

“红外夜视仪”还能在浓雾中照“看”不误，因为红外线有较强的穿透力，

能传播很远的距离。在军事侦察、公安消防和环境保护方面有特殊的作用。

五、热成像技术诊病

我们知道，任何物体可以辐射红外线，人体的体温一般保持36.5℃,所以人体

也是一个天然的生物红外辐射源，人体能量的45﹪是以红外辐射的形式发散发

到周围空间的，当人生了病，或某生理状态发生变化时，人体的热平衡就遭到破

坏，某些局部的温度就会发生变化，这就给红外线诊病提供了线索。由于红外线

热成像技术，可以显示人体的整个温度分布图，还可以得到每一个时刻体温变化

的动态全貌，并且能够拍照和内存，医生可以分析病人的全身热图，找到异温区，

进行比较，根据温区变化规律，即可以诊断疾病。比如，人类的大敌癌症诊断非

常困难，而早期发现极其重要。利用红外热成像技术可以对一些癌症作出早期诊

断，如乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等。研究表明，有癌变的部位通常要比正常部

位的温度高，往往要高1～3℃，而这种温度的差异，在“热成像仪”上可以“一

目了然”。另外对于一些血管病变，如血栓形成闭塞性动脉硬化、严重血管狭窄

等作出明确诊断。

六、红外线进入我们生活

认真观察一下，我们会发现各种“红外线技术”已经源源不断进入我们的生

活，在很多场合发挥着作用。

当你走到机场、宾馆、商场的自动门前，大门会自动缓缓打开，等你进去以

后，门又会自动关闭。自动门怎么能够“看见”你呢？原来在自动门的一侧有一

个红外线电源，发射的红外线照射到另一侧的光电管上，而红外线你是观察不到

的。当你走到大门口，身体挡住红外线，光电管接收不到红外线了，根据设计好

的指令，触发相应的开关，就把门打开了。等你进去后，光电管又可以接收红外

线，恢复原来的状态，门又会自动关闭。因此这种光电管有人叫它为“电眼”，

在许多自动控制设备中“大显身手”。

在我们家庭中，许多电子设备如彩色电视、空调、冰箱和高级音响等，都使

用各种“遥控器”，而用得最多的是“红外线遥控器”，它是利用一小巧的电子“调

制器”，“红外线发射管”和电池组成的一种装置。红外线发射管可以发射出一定

波长的红外光束，而调制器能把控制形状的低频信号“载”在红外线上，在一定

距离内（一般是10m）可以由电器中“红外线遥控接收器”感知。“红外线遥控

接收器”主要由“接收管、抗干扰电路、解调器、开关控制器”组成，根据红外

线“载”的信号控制不同的频道，使我们可以非常方便地转换电视频道或空调的

温度档次。

去年“非典”肆虐神州大地。该病主要以飞沫传播，传播速度快，另外染病

者还有一个特点就是伴有发热症状。为了迅速遏制“非典”的流行，就必须尽快

找出人群中的感染者，切断传播途径。由于这类人群的一个显著特点是发热，那

么查找工作可从此方面着手。但是在人流量很大的车站、机场、海关口岸等地方

要通过常规的办法找出发热者，不仅工作量大，而且会严重影响通行速度，甚至

会引起交叉感染。为了较好地解决此问题，国家从四月中下旬开始陆续在一些大

的车站、机场、口岸安装了红外线测温仪器。实践证明这一高新技术在战胜“非

典”方面发挥了巨大的作用。“红外线快速温度检测器”不用接触人体，只是

通过接收和检测人体红外线辐射，就能在1秒钟内显示出人体的温度，细微的温

度变化都逃不过它的“眼睛”。

七、红外测温的优点：

与接触测温相比，红外测温的优点突出，具体表现在：

（1）在远距离和非接触测量。这样不仅效率高而且能避免“非典”的交叉

感染。

（2）响应速度快。只要接受到目标的红外线辐射，即可定温。

（3）灵敏度高：可达零点几摄氏度。从电视画面上可以看到：戴着口罩的

旅客在经过热成像测温仪时，由于呼吸其鼻孔处的温度变化都能被观察到。

（4）准确度高：由于是非接触式，不影响人体的温度分布，故所测温度真

实、可靠。在抗击“非典”的过程中，中华民族“众志成城”地表现出了空前的

凝聚力，同时象红外测温等一系列高新技术的应用，使“非典”的防治更加科学、

有效。民族的凝聚力和科学的力量融合在一起，形成了一股巨大的力量，给疯狂

肆虐的“非典”以沉重的打击，并最终战胜它。

四、氢能：新能源中的一颗明珠

能源是指能够提供能量的物质，它是社会经济发展的物质动力。目前人类在

技术上比较成熟的常规能源有煤炭、石油、天然气和水能等。然而这些能源大多

数储量有限。国际能源专家预测：目前地球上的煤炭只够供开采200年左右，石

油储量将在三四十年内用完，天然气使用大约只能维持60年，水资源已经开发

利用近四分之一；按目前世界人口增长和经济发展速度，再过25年世界能源需

求量将翻一番，假如仍然以使用常规能源为主，则不仅石油和煤炭储量将迅速减

少，而且燃烧产生的二氧化碳要比现在增加70％左右，地球温室效应将更加严

重。因此各国都在开发新能源，尤其是可再生能源，即能够不断再生和得到补

充的能源，如氢能等。

一、诱人的氢

氢，不仅是最轻的气体，而且是宇宙中最古老的物质。大爆炸宇宙学指出，

宇宙发生大爆炸后哟3min，质子和中子开始合成氢原子，并且占了宇宙物质的

大部分，所以地球上的氢资源极其丰富。不过氢绝大多数存在于化合物之中，如

水，在其分子中按重量计算，氢占11％。地球上仅海水就有1.37×1018t，它的

含氢量为1.5×1010t,地球南北极还有厚厚的冰层，这些都有是丰富的“氢矿”。

据估计，全世界煤、石油、天然气总储量能发出的热量为5.55×1019kcal，若把

海水中的氢分离出来完全燃烧，可获得5.1×1023kcal，比前者大9000多倍。这

是多么巨大的能源！氢的燃烧值高，每千克氢燃烧可放出热量34000kcal，是汽

油的三倍。氢燃烧生成水，不会污染环境，还可以循环使用，所以氢能是重量轻、

热值高、无污染、储量大的理想能源。在新能源中，氢能源是一颗灿烂的明珠。

二、两大难题

使用氢燃料，要克服两大难题。第一是如何经济地从氢化物中提取氢。例如

用电解法从水里大量提取氢，用电量惊人。现在科学家正研究向水中加入催化剂，

在阳光照射下，利用光化学反应分解水分子，廉价地提取氢气。科学家还积极探

索生物制氢的方法。2000年1月，我国哈尔滨建筑大学任南琪和王宝贞教授，

承担“有机废水发酵法生物制氢技术”课题研究，利用细菌从污水中分解收集氢

气获得成功，完成了中试实验。在世界上首次实现了利用流动废水持续产生氢气,

使工业化生物制氢成为可能。更有趣的是美国航空航天局计划把一种光合细菌—

—红螺菌带上太空，用它产生的氢气作能源。第二是如何储存和运输氢气。因为

氢气是易燃易爆气体，安全成了大问题。人们想了许多办法，一是用高压容器和

管道运输。采用这种办法要有能承受高达100至200大气压的笨重容器，管道绝

不能漏气，有一定危险性。另一种办法是用降温加压的办法，把氢气变成液体后

再储运。这种办法设备复杂，费用昂贵。目前科学家发现某些材料，如稀土镍合

金和镍钛合金等材料在一定温度和压力下能吸收氢气，形成粉状氢化物。当压力

降到一定值时，氢化物又可以分解放出氢气。1999年12月，我国科学家成会明

等人独辟蹊径，采取与众不同的方法快速合成大量高质量的碳纳米纤维和单壁碳

纳米管。这种材料在常温下具有优异的储氢性能，储氢能力达到4％，至少是稀

土材料的两倍，使我国新型储氢材料研究达到世界先进水平。科学家还发现压力

增大到数百大气压时，可以把液态氢变为固态金属氢。这些新科技为氢能的储运

开辟了广阔的途径。

三、美好的前景

随着科技进步，氢能的利用展现出无限美好的前景。研究表明，把氢能用于

交通运输等动力生产中，高效率和高效益的特性非常明显。飞机使用氢能比常规

燃料效率高38％，氢气内燃机汽车效率是汽油燃料的2.5倍，氢燃料电池的效率

可达80％，在催化加热器中氢能的热效率可达100％。因此进入21世纪，许多

国家都决心投入大量人力物力开发利用氢能。前苏联在1989年已成功地将液态

氢用于重型飞机的飞行。美国研制成功以氢燃料为动力的汽车。日本也研制出实

验性的氢燃料动力汽车。2000年悉尼奥运会上，美国通用汽车公司用最新研制

成功的“氢动力1号”——用氢气作燃料的燃料电池车，为男女马拉松比赛开道，

引起轰动。几乎同时，在上海神力科技有限公司的“科技摇篮”里，诞生了与“氢

动1号”原理相同，名称相近的“氢动力1号”游览车，它首次亮相于2000年

上海工博会上，同样产生了轰动效应。目前德国正加紧研制用氢燃料驱动的“空

中客车”。外国设计的冷气机和暖气机中也使用了储氢材料。人们还设计出氢能

化的房屋和使用氢燃料的打火机。总之氢能源与人类生产、生活关系将越来越密

切。早在1874年，著名作家米尔斯·维恩就曾预言，在21世纪新能源舞台上，

氢燃料将是耀眼的明星，氢能时代可能在21世纪后期到来。