物理学在工程技术中的应用.ppt

1. 摩擦力抵千钧,若有一艘2000吨的船正在水下，沿着坡度为1/20的光滑轨道有静止缓缓向下滑。突然由于紧急原因，需要制止船在轨道上滑动，这就要求用,的力拉住船，这是任何大力士也无法胜任的。但是，如果系船的绳索迅速在坡道边的固定桩子上绕几圈（如绕5圈），再用手去拉绳索另一端，这样一个人就轻而易举地拉住了正在下滑的船。这是为什么？,如图设桩是圆柱形。 绳索绕圆柱上，绳绕圆柱张角为 ，绳与圆柱间的静摩擦因数为 ， 绳两端的张力 和 间关系 .（绳的质量忽略）,解 取一小段绕圆柱上的绳,以地面为参考系, 取坐标如图所示的直角坐标系,两端的张力 ，,的张角,圆柱对 的摩擦力 圆柱对 的支持力,若,将,代入上式，得,2.车辆的运动问题,车辆行驶在地面，受到重力P作用,车辆通过轮子或履带对地面有压力F,地面对轮子或履带有支持力,因车辆可静止于地面,根据牛顿第二定律：,通常情况下：,故：,压力和支持力互为作用力与反作用力,根据牛顿第三定律：,压强的概念,故：,在实际计算中S为轮胎或履带接触地面的面积,3. 汽车的驱动与制动,汽车为什么能启动？有人说，这是由于汽车发动机产生的驱动力使汽车启动。,然而从牛顿力学知道，静止的物体需要有外力作用，使其产生加速度，才能运动起来。,汽车发动机的力是内力，内力不会使物体产生加速度。那么，汽车依靠什么外力驱动呢？,一、汽车的驱动,汽车发动机内的燃气压力推动气缸内的活塞，经过一套传动机构传到后轮上，对后轮作用一个驱动力矩。该力矩是后轮作顺时针转动，从而是轮子与地面的接触点有向后滑动的趋势，结果地面对后轮作用一个向前的摩擦力，这个力就是使汽车启动的外力，所以汽车的驱动力是地面给汽车的摩擦力。,汽车的前轮是被动轮，它与地面相接处的点又向前滑动的趋势，使得地面对前轮作用一个向后的摩擦力。,轮式车辆的驱动和制动,物体机械运动的描述,质心的平动+绕质心的转动,质心平动的描述和规律：,位置：,速度：,加速度：,牛顿第二定律：,绕质心转动的描述,绕轴的转动+轴的运动,角位置：绕轴的转动,轴的方向不变叫着定轴转动,引起转动的物理作用就是力矩,二、汽车的打滑,(1),(2),(3),(4),(5),解上述方程组，得,后轮不打滑的条件为,即,(4),(5),三、翻车,(4),(5),加速度增大，后面的支持力增大，而前面的支持力减小。,轮式车辆的极限加速度和极限速度,4. 共振现象及其应用,五 共振的防止,四 共振的利用,三 共振的危害,二 共振的条件,一 共振的现象,唐朝时，洛阳有个和尚喜欢弹拨乐器，他的房间里放着一种乐器磬.奇怪的是，静静的磬经常自鸣自响，无缘无故地发出嗡嗡的声音.,和尚的心病,一 共振的现象,磬无故而鸣，使和尚大为惊奇，渐渐由惊而疑，由疑而怯，一听到磬发出声音，就坐卧不安，心惊肉跳，以为是妖孽作怪，结果忧虑成疾，病倒在床.,一天，和尚向前来探望他的朋友诉说了内心的忧虑.正在说话时，寺院里的钟声响了，说来奇怪，磬也发出了嗡嗡的响声.,和尚的朋友明白了原由，悄悄用钢锉在磬上锉了几处. 从此之后，磬再也不会无故发声了. 和尚以为妖怪已被赶走，心事顿消，病也不治而愈.,磬为什么会不敲自鸣呢？这是共振引起的一种现象. 当一物体的振动频率与另一物体的固有频率一致时，前者的振动能引发后者的振动. 磬的频率偶然地和钟的频率一样，因此每当钟响时, 磬也因共振而发出嗡嗡之声.,显然，和尚的朋友深通物理知识，他不仅知道这是一种共振现象，而且知道如何消除这种现象.他巧妙地在磬上锉了几下，这就改变了磬的固有频率，使磬与钟的频率不再一样，也就引 不起共鸣了.,秋千是个摆，有它的固有频率.轻推一下使秋千微微摆动起来以后，只要按它的固有频率周期性地施加推力，每当它往前摆时轻轻推它一下，尽管每次的推力都很小，经过一段时间，秋千也会荡得很高，即发生了共振.,荡秋千,木马的摆动也是如此. 每当它往下摆时轻轻压它一下，尽管每次的压力都很小，经过一段时间，木马也会摆得很高., 骑木马,系统在周期性外力(强迫力)作用下发生受迫振动.在受迫振动时，如果外力的频率跟系统的固有振动频率接近或相等时，受迫振动达极大值，这种现象叫做共振.,二 共振的条件,条件,A 振幅共振,受迫振动位移 振幅达极大值.,条件：,分类,O,受迫振动速度振幅达极大值.,B 速度共振,条件：,O,周期性的驱动力跟振动“合拍”时，每次驱动力都跟物体的速度方向一致，驱动力做的都是正功，故振幅越来越大，能量也越来越大.当驱动力不与振动“合拍”时，它做的一部分是负功，振动系统所得能量要少，引不起共振.,原因,三 共振的危害,桥梁倒塌,雪 崩,机器损坏,翻 船,共振危害 案例,200年前，拿破仑率领法军入侵西班牙.有一天，法国一队威武的士兵迈着整齐的步伐通过一座铁链悬桥.没想到，行到桥中间时，突然惊天动地一声巨响，铁桥从中断裂，掉落河中，士兵们也纷纷坠入急流.,桥梁倒塌,1906年的一天，一队俄国骑兵齐步通过彼得堡封塔克河上的爱纪毕特桥，突然大桥断裂.原来是士兵们整步走的频率与桥的频率一致，引起了桥的共振.,三 共振的危害,自从揭示了毁桥的原因后，各国军队规定，过桥时不用整齐的步伐走，而用不整齐的碎步走，以避免共振的发生.,在冰山雪峰间，动物的吼叫声引起空气的振动,当频率等于雪层中某一部分的固有振动频率时,会发生共振,形成雪崩,因此,登山队员严禁高声说话.,雪 崩,翻 船,轮船在航行时，会受到周期性的波浪冲击而左右摇摆.,如果波浪冲击力的频率与轮船的固有频率相同，就会发生共振，摆幅增大，甚至可以使船倾覆.,这时可以改变船的航向和速度，使波浪冲击的频率远离船的固有频率.,机器在工作时由于零部件的运动(如活塞轴的转动),也会产生周期性的策动力，使机器 因共振而受到损坏.,机器损坏,为了避免共振，设计时要注意机器的转速，使机器的 固有频率不与策动 力的频率接近.,在厂房、桥梁等建筑物的设计时，也要考虑到共振的因素而尽量设法避免共振.,共振现象具有两重性.我们既要防止共振给工农业生产和人民生活带来危害又要利用共振现象为人类造福.,四 共振的利用,乐器的共鸣箱,电磁 共振,共振法打桩,共振利用 案例,共振武器,四 共振的利用,钢琴提琴二胡等乐器的木制琴身,就是利用了共振现象使其成为一共鸣箱(盒),将优美悦耳的音乐发送出去,以提高音响效果.,乐器的共鸣箱,四 共振的利用,电磁共振在生活与生产中都有很多的应用，特别是在无线电技术中. 收音机的调谐装置就是利用了电磁共振现象，以接受某一 频率的电台广播.,电磁共振,四 共振的利用,LC调谐电路,谐振频率,四 共振的利用,在修建桥梁时需要把管柱插入江底作为基础,如果使打桩机打击管柱的频率跟管柱的固有频率一致,管柱就会发生共振而激烈振动,使周围的泥沙松动,管柱就较容易克服泥沙的阻力,下插到江底.,共振法打桩,四 共振的利用,国外正在研制一种武器,它不用子弹、炮弹,也不用激光, 而是以声波作“子弹”来杀伤敌人,这就是次声武器.,共振武器,四 共振的利用,当次声武器发出的次声波频率同人体肌肉、内脏器官的固有振荡频率吻合时,能引起肌肉及内脏器官的共振,使人的五脏六腑破裂,导致死亡.,四 共振的利用,破坏外力的周期性,改变物体的固有频率,改变外力的频率,增大系统的阻尼,基本方法:,五 共振的防止,在需要利用共振的时候，应该使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率.在需要防止共振危害的时候，要想办法使驱动力的频率和固有频率不相等，而且相差的越多越好.,五 共振的防止,例如，播音室对隔音要求很高，常用加厚地板、墙壁的办法，使它的固有频率和声音的频率相差很多，从而使声音的振动不会引起墙壁和地板的共振.,五 共振的防止,又如，电动机要安装在水泥浇注的地基上，与大地牢牢相连，或要安装在很重的底盘上，为的是改变基础部分的固有频率，以增大与电机的振动频率(策动力频率)之差来防止基础的振动.,五 共振的防止,还可以从控制策动力的频率大小来防止共振.如造电动机、风扇时，都尽量使之质量分布均匀，尽量使 其重心落在轴心上，以减小 共振带来的危害.,五 共振的防止,汽车的减振系统示意图,五 共振的防止,活塞,气垫台的减振原理图,气体,地面,平 台,五 共振的防止,弹簧减振器,五 共振的防止,多普勒效应及其应用 不知同学们是否注意过这样的现象，当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“i”，离开的时候就唱音符“ 7”了,1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释人们把这种现象叫做多普勒效应,为了了解多普勒效应，可以做这样一个模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过（图甲）这种情况下的“过人频率”是9人秒如果观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）,甲,乙,丙,对于声波和其他波动，情况相似：当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目是一定的，观察到的频率等于波源振动的频率；当波源和观察者相向运动时，1S内通过观察者的波峰（或密部）的数目增加，观察到的频率增加；反之，当波源和观察者互相远离时，观察到的频率变小,多普勒效应在科学技术中有广泛的应用交通警车向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上,宇宙中的星球都在不停地运动测量星球上某些元素发出的光波的频率，然后跟地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度,医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度这种方法俗称“彩超”，可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变,多普勒效应最常见的实例： 当火车通过时汽笛声的变化.,一 波源不动,观察者相对介质以速度 运动, 观察者向着波源运动时,波速: , 内波传播的距离:,如图,一观察者在点 P 向着波源S运动, 速度为 , 则 时间内观察者移动的距离为,在 距离内的波都被观察者所接收 又 为介质中的波长：,即, 观察者远离波源运动时,当观察者向着静止波源运动时，观察者接收到的声波频率 高于 .,设观察者在点 P 远离波源S运动, 速度仍为 ,则 时间内观察者移动的距离为,观察者接收到了在 距离内的波 又 即,当观察者远离静止波源运动时，观察者接收到的声波频率 低于 .,二 观察者不动, 波源相对介质以速度 运动, 波源向着观察者A运动时,波速： 波长：,波源向A运动速度 ，一周期T内波源移动,被观察者接收到的介质中的波长为：,当波源向着静止的观察者运动时，观察者接收到的声波频率高于波源的频率.,介质中的频率为：, 波源远离观察者运动时,如果波源远离观察者运动，观察者接收到的声波频率低于波源的频率.,A,u,所以，两者同时相对介质运动时,三 波源和观察者同时相对介质运动,已知：波源静止，观察者运动,观察者静止，波源运动,注：正负号的取舍与前面相同,这个圆锥面上，波的能量已被高度集中，容易 造成巨大的破坏，这种波称为冲击波或激波.,应用之一：多普勒声纳,舰艇、油轮、货船行驶在浩瀚无垠的大海上，如何准确的沿着既定的目标前进呢？ 多普勒声纳可以提供这种帮助. 多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种利用水下声波来测速和计程的精密仪器.,多普勒声纳一般安装在船体底部，由一个发射器和一个接收器组成，如图中 O 点.,此时，船上接收器接收到的频率为：,多普勒声纳原理简介,一般还在同一位置安装一对向后的发射器和接收器，此时它收到的频率为：,由此可得： 当,应用之二：多普勒超声诊断,我们以心脏病中的二尖瓣狭窄为例，说明其诊断原理.利用超声波的多普勒效应可以测定血流的速度，如果发现明显的血流异常，则可以诊断二尖瓣狭窄，确定异常血流的深度.,光也存在多普勒效应，但是涉及狭义相对论的相对性原理和光速不变原理，较复杂.在此我们仅作简单介绍.由相对论可得：,注意：以上两公式对电磁波同样适用。,波源背离观测者运动，有 波源朝着观测者运动，有 其中 为波源的速度,1848年，法国物理学家斐索指出，注意谱线的位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果.因此，人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应.,应用之三：光谱线的红移宇宙膨胀学说的理论基础,多普勒-斐索效应,应用之四：监测车辆的速度 （电磁波的多普勒效应）,公路上用于监测车辆速度的监测器，由微波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成.,可以设想，当监测雷达发射频率为 的微波被速度 向其运动的车辆所接收后，微波频率变化为 ，即,然后，微波从运动的汽车上被反射回去.从监测器处所测得的反射波的频率为 ，即,所以，频率差为,如根据交通管理条例对汽车最高速率限制为 ，那么拍频的最大值 是：,应用之五：预测天气的雷达多普勒雷达 、 尼克斯雷达 （电磁波的多普勒效应）,尼克斯雷达是采用多普勒效应对风、雨、雪进行探测的一种新型雷达.,因为，雨滴和雪花运动方式不同，雷达 反射回的波频率也不同.根据雷达接收反射回来的无线电波的频率，就可以分析出风、雨、雪花的运动情况.利用多普勒效应，可以确定风暴是不是向这个方向刮来，并且能判定速度的大小.,END,五花八门的磁现象及磁应用,信鸽归巢之谜,趋磁细菌的发现,生物磁的测量,生物磁的来源,磁的副作用,核磁共振技术,动植物与磁,磁疗法,其它磁应用,主要参考文献,信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞到数百公里以外，它们还会自动归巢.鸽子为什么有这么好的认家本领呢？,信鸽归巢之谜,鸽子是怎么认识归家之路的?,是鸽子眼神好、记忆力惊人吗？不是。倘若是把鸽子装在严密遮挡的笼子里运到一个陌生的地方放飞，它们依然能轻而易举地飞回家。 有人说，鸽子是利用地球磁场导航的，按照此论，当地球磁场畸形时鸽子就不认识路了。 果真如此吗？,若在鸽子头顶和脖子上绕几匝线圈，以小电池供电，鸽子头部就产生一个均匀的附加磁场。当电流顺时针方向流动时，在阴天放飞的鸽子向四面八方乱飞，这表明：地球磁场是鸽子的导航罗盘。那么鸽子是怎样按照地球磁场来确定飞行方向的呢？,有人把鸽子看作有1000欧姆电阻的半导体，它在地球磁场中振翅飞行时，切割磁感线，因而在两翅之间产生感应电动势。鸽子按不同方向飞行，因为切割磁感线方向不同，所以感应电动势也各不相同。鸽子体内的感受器官根据感应电动势就可以判别飞行的方向。,上面的讨论是阴天放飞的情况，那么晴天放飞时又如何呢？试验表明，附加磁场对它没有影响，依然能定向飞行，这一事实说明：地球磁场并不是它唯一的导航罗盘。原来，鸽子能检测偏振光，在晴天它能根据太阳的位置选取择特定的飞行方向，并由体内生物钟对太阳的移动进行相应的较正。,必须说明：当电流逆时针方向流动时，不管是晴天还是阴天外地飞行，鸽子都能飞回家。,除鸽子外，能检测地球磁场的还有甲虫、蜜蜂、苍蝇、鱼、白蚁、蜗牛等。,原来，其头颅内存在磁性细粒(磁性细胞)，起罗盘定向作用.它们可以利用地磁找到自己的家.,信鸽归巢之谜,如果在鸽子的头部绑上一块磁铁，鸽子就会迷航.如果鸽子飞过无线电发射塔，强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向.,候鸟(如燕鸥)作季节性往返迁徙而不迷途,其大脑组织中含有比鸽子更丰富的磁性成分.,信鸽归巢之谜,20世纪70年代，Blakemore 在研究生存在海底淤泥的厌氧细菌时发现，这种细菌能自动沿磁场方向游动，于是把它叫做趋磁细菌.,趋磁细菌的发现,趋磁细菌体内有由大小约50 nm的主要由Fe3O4组成的几十个小颗粒构成的长链.正是由于细菌自身的小磁石链，使它能借助 鞭毛的挥动而沿磁 场方向运动.,因为厌氧细菌总要避开富氧的上层而游向养料丰富的水底淤泥，因而在北半球（磁场线斜向下）就沿地磁方向游向下方.,趋磁细菌的发现,（1）生物电流产生的磁 主要由生物体内大分子活动期间生物电流引起.,生物磁的来源,（2）生物体内微量强磁性物质产生的磁,人体心脏在收缩和舒张时产生的生物电流导致的心磁场约为10-1110-10 T,人体脑神经活动产生的脑(神经)磁场约为10-1310-12 T,美国心脏学会的研究表明：心脏磁场的产生和人的心理状态喜怒哀乐等密切相关.,人体内的生物磁,心磁图、脑磁图等能提供生物体内生理和病理状态的信息.,近几年来，人类实现了测量人体和生物体的极微弱磁场,发展了核磁共振成像诊断技术.从而实现了利用磁探病、治病.,生物磁的测量,利用核磁共振成像技术可以诊断人体异常组织，判断疾病.,核磁共振技术,原子核带有正电，并进行自旋运动.通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡.,如果此时核自旋系统受到外界作用，一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应.,核磁共振技术,在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，形成射电信号，把该信号检出，进行空间分辨，就能得到运动中原子核分布图像.,核磁共振技术,核磁共振成像的特点是流动液体不产生信号,称为流动效应或流动空白效应.因此血管是灰白色管状结构，而血液为无信号的黑色.这样使血管很容易与软组织分开.,核磁共振技术,正常脊髓周围有脑脊液包围，脑脊液为黑色的，并有白色的硬膜为脂肪所衬托，使脊髓显示为白色的强信号结构.,核磁共振成像技术已用于全身各系统的成像诊断. 效果最佳的是颅脑及脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等.,核磁共振技术,核磁共振技术,核磁共振全身成像图,应用核磁共振成像技术,对心血管疾病不但可以观察各腔室、大血管及瓣膜的解剖变化, 而且可作心室分析, 进行定性及半定量的诊断,可作多个切面图,空间分辨率高,显示心脏及病变全貌及其与周围结构的关系,优于其它X线成像、二维超声、核素及CT检查.,核磁共振技术,磁不仅可以诊断，而且能够帮助治疗疾病.,磁石是古老中医的一味药材. 2 000多年前的战国时期，扁鹊就用磁石给人治病.,磁疗法,明代李时珍在本草纲目中，列举了用磁石治疗肾虚、耳聋、眼花、大肠脱肛等病症.,11世纪，古希腊和阿拉伯等国家也有用磁石治疗腹泻、脾脏和肝病等.,磁疗法,磁疗对急性扭伤、肩周炎、腰肌劳损、神经性头痛等疗效显著；用磁场镇痛（磁麻）代替药物麻醉.,磁场对人体的作用主要体现在磁生物效应、细胞效应、组织效应、器官效应等.,磁疗法,现在，人们利用血液中不同成分的磁性差别来分离红细胞和白细胞.,利用磁场与人体经络的相互作用，在治疗多种疾病方面有独到的作用，已经有磁疗枕、磁疗腰带等应用.,磁化水：可治疗肾结石、胆结石、尿道结石等，有溶石、降石、排石作用，对高血压、糖尿病等也有一定疗效.,磁疗法,癌症每年夺去世界上700万人的生命,我国现在平均每5个死亡者中就有1人死于癌症.,广州军区武汉总医院肿瘤科用脉冲磁场治疗仪进行临床试验取得较好的效果.,磁疗法,磁场能影响癌细胞的代谢，使癌细胞的恶性程度降低，抑制癌细胞的分裂，提高细胞的免疫功能.,高压输电线附近居民,受低频电磁波影响,有情绪易激动、易疲劳、工作效率低等症状.,磁的副作用,在地球上,地磁强度低的地区,肾癌发病率较高,易出现磁暴的地区,青光眼发病率较高.,在高强度磁场下长期工作和生活，会影响人体生态平衡，出现食欲下降、头痛失眠、血压失常、烦躁、生育畸形和导致癌变等.,磁的副作用,在0.5 T环境中，每年累计不得超过30天.,约3%5%的人对磁有副作用，表现为心悸、恶心、头昏、乏力等.,将地磁环境下生活的老鼠置于磁屏蔽中，其寿命大大缩短，置于人工强磁场中，会立即死亡. 强磁场中,细菌的繁殖将受到抑制.,动植物与磁,把果蝇饲养在0.30.4 T的磁场中,其形态畸变显著增大.,值得注意的是：关于磁生物现象和效应的作用机理尚未搞清，有待进一步研究.,动植物与磁,农业中的磁应用,环保中的磁应用,北极光与磁,太阳黑子与磁,地质勘探中的磁应用,军事中的磁应用,畜牧业中的磁应用,其它磁应用,用磁化水（在10-210-1 T下磁化）浸种、育苗或浇灌，可提高种子发芽率，促进生长.,磁场影响植物生长,通过对磁场强弱的调节,可促进植物生长,也可抑制其发育.,农业中的磁应用,用磁化水浸种后收获的大米，含的粗蛋白和赖氨基酸成分增多.,用磁化水浇灌的黄瓜香脆多水，辣椒肉厚籽少.,农业中的磁应用,以磁化水作为饮用水，猪、鸡、牛、羊等家畜少病、生长快、毛质提高.,畜牧业中的磁应用,磁分离法可将煤中的硫除去，能将废水中的油污、杂质等分离.,磁化水可以防止锅炉结垢,环保中的磁应用,用磁铁作成的除铁器可以去除面粉等中可能存在的铁末.,由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起形成矿床，就必然对附近区域的地磁场产生干扰，使地磁场出现异常.,地磁的变化可以用来勘探矿床.,地质勘探中的磁应用,根据这一点，可以在陆地、海洋或者空中测量大地的磁性，获得地磁图，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往往可以发现未知的矿藏或特殊的地质构造.,地质勘探中的磁应用,很多矿藏资源都是共生的，也就是说好几种矿物质混合的一起，它们具有不同的磁性.利用这个特点，人们开发了磁选机.,地质勘探中的磁应用,磁选机利用不同成分矿物质的不同磁性以及磁性强弱的差别，用磁铁吸引这些物质，那么它们所受到的吸引力就有所区别，结果可以将混在一起的不同磁性的矿物质分开，实现了磁性选矿.,地质勘探中的磁应用,普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸,因此作用有限.如果在水雷或地雷上安装磁性传感器,由于坦克或者军舰等都是钢铁制造的,在它们接近(无须接触)目标时,传感器就可 探测到磁场的变化使水雷 或地雷爆炸,提高了杀伤力.,军事中的磁应用,在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，可以吸收雷达发射的电磁波，使之很少反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，从而使飞机达到隐身的目的.,军事中的磁应用,北极光是太阳风中的粒子和地磁场相互作用的结果. 太阳风是太阳发出的高能带电粒子流.,北极光与磁,当太阳发出的高能带电粒子流到达地球时，与地磁场发生相互作用，就好象带电的导线在磁场中受力一样，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光.,北极光与磁,太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域.太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响，例如使得无线电通信暂时中断等.因此，研究太阳黑子对我们有重要意义.,太阳黑子与磁,静电的防治及应用,一 静电及其效应,二 静电的防护,三 静电的利用,目 录,1 静电的种类, 摩擦电,两物体经相互摩擦分开时，通常电容率大的材料带正电，电容率小的材料带负电.,科茵定则:,一 静电及其效应,导体的静电感应, 感应电,+,雷击与避雷针,静电感应 电晕放电 可靠接地,带电云,2 静电电位的高低,在橡胶工业中，合成橡胶从苯槽中出来时，静电位可达 250 kV；,在印刷和造纸工业中，纸离开辊筒时， 静电位可达 10 20 kV；,在塑料工业中，塑料制品表面经摩擦, 其电位可达 1 kV 以上，赛璐璐互相摩擦时带电电位高达 40 kV.,在汽车运输业中，轮胎在一般车速下可充电15 50 kV，传递皮带上带电 30 40 kV，最高达 80 kV.,人在绝缘良好的地毯上行走，可带上 3 5kV 的静电.,摩擦起电 感应起电 传导起电, 人体带电方式,3 人体的静电效应,人体带电实验, 静电电击人体的生理效应,1 接地法,二 静电的防护,2 给湿法,3 抗静电剂法,4 导电材料法,5 静电消除器法,6 静电屏蔽法,防静电服,1 接地法, 用良导体把易生静电的导体部件接地.,接地链, 对绝缘体，可包上金属物. 油管、油槽车、油船体等,相对湿度70%，可防止静电电荷积累.,油罐车装卸汽油时: 湿度35% 40%时，静电电位为1 100 V; 湿度50%时，500 600V; 湿度72%，静电电位基本消失.,2 给湿法,为表面活性剂，由亲水和疏水两基团构成，主要以油脂为原料，其作用是使表面吸附水分，形成水膜，减少电阻率，能赋予塑料或化纤制品等以吸湿性 （亲水性）和电离性，增强导 电性能.,3 抗静电剂法, 易生静电部件用导体材料.,4 导电材料法, 用导电橡胶、涂导电漆或添加石墨、 碳黑、 金属粉末., 不同纤维混纺，用导电纤维制防静电服等., 静电刷,5 静电消除器法, 喷“离子风” 高压离子流，产生与静 电电性相反的离子来中和., 用放射性元素辐射 (X射线、射线等),静电刷,6 静电屏蔽法,屏蔽盒,屏蔽车间,屏蔽线,1 静电除尘,四 静电的利用,kV,静电除尘动画,2 静电分离,沙里“逃”金,油水分离技术示意图,油颗粒,油水混合物,3 静电喷漆,静电喷漆动画,5 静电种植,4 静电复印,静电复印动画,高压静电种子处理技术,高压,对水稻、小麦等种子处理后，其产量可提高5% 10%,数据来源: 物理 Vol.29,550-552, 2000,大颗粒 100 kVm-1 20 min,种子 场强 时间,小颗粒 30 kVm-1 5 min,人工静电场设置技术,数据来源: 物理 Vol.29,550 552, 2000, 蔬 菜,场强 65 kVm-1， 4 h/d,芹菜油菜韭菜,处理方法:,效果比较:,芹菜 产量提高36% 时间缩短8% 油菜 产量提高31% 时间缩短17% 韭菜 产量提高98% 时间缩短36%,花 卉,4 h/d,场强,120 150 kVm-1,提前或滞后开花8 16 d (正电场提前,负电场滞后),处理方法:,效果:,目前静电已经有多种应用，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等,设法使油漆微粒带电，油漆微粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆的工作这就是静电喷涂,使绒毛带电，可以使绒毛植在涂有粘着剂的纺织物上，形成像刺绣似的纺织品这就是静电植绒,静电复印可以迅速、方便地把图书、资料、文件复印下来静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓半导体硒有特殊的光电性质：没有光照射时是很好的绝缘体，能保持电荷；受到光的照射立即变成导体，将所带的电荷导走,复印每一页材料都要经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的,充电: 由电源使硒鼓表面带正电荷曝光: 利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上（图2）硒鼓上字迹的像，是没有光照射的地方，保持着正电荷其他地方受到了光线的照射，正电荷被导走这样，在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像”这个像我们看不到，所以称为潜像,显影: 带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引，并吸附在“静电潜像”上 （图3），显出墨粉组成的字迹,转印: 带正电的转印电极（图4） 使输纸机构送来的白纸带正电带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸到白纸上 此后，吸附了墨粉的纸送入定影区，墨粉在高温下熔化，浸入纸中，形成牢固的字迹硒鼓则经过清除表面残留的墨粉和电荷，准备复印下一页材料(图5 )表示复印的全过程,以煤作燃料的工厂、电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重地污染环境利用静电除尘可以消除烟气中的煤粉(图1)是静电除尘器的原理示意图除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接到高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，场强越大B附近的空气分子被强电场电离，成为电子和正离子正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘,人们还利用反射和吸收的原理来征服自然界，让它为人类服务。我国西北部有座祁连山，山上盖满了厚厚的冰雪。可是，因为山很高，上面很冷，就是炎热的夏天，强烈的阳光和辐射热照上去，也都被那白色耀眼的冰雪给反射回去了，所以积雪没法融化。结果山下大片的田地，都因缺水而荒芜了。解放后，党领导人民向大自然进军，为了叫祁连山交出水来，政府派了工作队，用飞机把碳黑撒到祁连山的积雪上，乌黑的碳黑拼命地吸收着光和热，使粘有碳黑的积雪融化了，祁连山终于献出了滔滔的雪水。,1.“爬云梯”的梯子短一些是否更安全？,一个正在表演“爬云梯”的体格健壮的演员，他用双肩顶着一架足有五、六米高的梯子，另外五个演员陆续爬到梯子的顶端，进行各表演。,观众们无不为此提心吊胆：梯子头重脚轻是多么容易翻倒呀！可是，梯子尽管有一些摇摆，到底还是稳住了。这是为什么呢？,在此节目中，肩膀上顶梯子的演员，凭着他敏捷感觉，把梯子的基底位置随时加以灵活调整。当梯子向前倾时，他的肩膀立即向前挺；当梯子向后倒时，他的肩膀也随即向后退。这样，使重力作用始终通过基底，梯子就倒不下来。,那么梯子作短一些不是更安全吗？为了回答这个问题，让我们先比较一下顶一支铅笔和顶一根二、三米的竹杆的情形。,竖直放置的竹杆或铅笔，只要一松手，都会失去平衡而倾倒，竹杆的重心较高，稳定性不及铅笔，它更难维持平衡。但是，另一方面，正因为竹杆重心高，因此从开始倾斜至倾倒在地，所需时间却比铅笔倒下的时间长得多。而且，竹杆倒下时的速度还与倾倒的角度有关：倾角越大，重心越低。这样，竹杆就有更多的势能转化为动能，倾倒时的速度也就越大。,对一支长16cm的铅笔来说，当顶端有1cm的偏离时，它的倾角约为3度25分，其顶端就要下降0.28cm.但对一根长三米的竹杆而言,它的顶端偏离平衡位置1cm时,倾角只有11分,杠顶下降0.003cm,重心只降低0.0015cm.可见,在偏离平衡的距离相同的情况下,竹杆越高,从离开平衡位置到某一偏离位置需要的时间越长.,. 这样,尽管杠杆长,重心高对稳定性不利但是由于它开始倾倒时的速度很慢,因而在基底可以移到的情况下,就有充分的时间来调整竹杆的平衡,就能变不利为有利,杠子越长反而越容易保持平衡.所以说,顶长竹杆比顶铅笔要容易. 由此可见,演员在梯顶时正是梯子重心位置最高、梯子倒得最慢的时候，顶梯子的演员有足够的时间来调整梯子的基底位置。所以，这个看上去好象是最紧张的场面实际上倒并非是最难表演的。,演员们上梯下梯，大家往往认为是杂技表演的开始和终了时而不十分注意，其实却是最难表演的场面。这时，重心位置不固定，有时甚至降得很低。这两种情况，对顶梯子的演员来说，调整较为困难。为此，要求演员动作敏锐，有节奏，每个动作完成后必须有一定的间隙。,2.如何减少烟尘对大气的污染,如果从早到晚对烟囱进行观察,就会发现:早晨容易看到扇形烟或斜抛烟,接着看到熏地烟或俘获烟，再往后就可看到环形烟；下午较晚时，所有烟都呈锥形；而傍晚，烟又开始重新变为扇形烟或斜抛烟。在一天之内，烟的形状为什么会发生这样的变化呢？,烟团有两种基本类型：一种是烟团由于初始的冲力向上喷烟；另一类是飘烟，根据其温度与空气温度的相对关系上长或者下沉，在无风的天气，这两种烟团都呈竖直的逐渐扩散的锥形上升。,如果烟团比同一高度上空气的温度高，即呈飘浮状态。由于大气压力随高度减小，烟团上升过程中就会绝热膨胀，烟的分子动能就有一部分用来作膨胀功，因此温度下降。反之，如果烟团中的小团气体被迫下沉，则在外部空气的作用下发生绝热收缩，烟团的温度随之升高。,上升烟团所受的浮力，同周围空气的温度随高度变化的快慢有关。例如，上升的烟气虽然绝热降温，但仍比周围空气温度高，则将会继续漂浮并加速上升；反之，如果上升烟气变得比周围空气温度低，即停止上升并紧接着下降，如果两者温度不相上下，则烟团以常速上升。,当烟气开始下沉时，它会绝热增温，如果烟气比空气温度低，则继续加速下沉；如果两者温度相等，则以常速下降；如果烟气比空气温度高，则停止下沉，然后上升。,干烟与湿烟在上升过程中温度降低的快慢是不一样的，湿烟冷却时，它相对湿度增大，在达到100%的湿度后，进一步冷却会使一些水蒸汽凝结成小水滴。液化时所释放的能量使得上升烟团不能以原来的速度冷却。这就是说，气体膨胀时所需要的能量不是全部来自分子动能，有一部分可由液化能提供。,在平稳的微风吹拂下，飘烟的上升、下降，向上或向下散开，保持细流或呈环状取决于烟团所受的浮力同绝热冷却或加热速度之间的相互关系，也取决于大气温度随高度变化的情况，此外还与这个区域内湍流的情况有关。,例如，当空气温度随高度下降的速度稍低于烟绝热降温度时，被微风吹弯的烟团上升都会会受到限制。上升会使烟气绝热冷却，最后停止上升；而下沉又会使烟气绝热增温，从而停止下沉。但是气温随高度变化快慢与绝热降温速度很接近，所以扩散效应可使烟团逐渐散开，即产生锥形烟。如烟团很热，则一团团热气向上冲，中心部分的上冲运动最强，在外围则有较弱的向下运动。,在天气温暖，气压较高的日子里，云量较少，大量的太阳热量很快被地面吸收而引起空气对流。当气温随高度的变化快慢比干烟绝热降温速度大得多时，空气对流所产生的足够大的热涡流将烟团卷进去，使它呈环形上下起伏。在下雪天或者刮风时，是绝对看不到环形烟的。,当气温随高度上升时，烟团的升降会很快遇到障碍物而形成一股很细的烟流即扇形烟。,傍晚时地面和接近地面的大气开始冷却，烟囱顶部附近的大气则仍然较热，这就限制了烟团下沉，故这时烟呈斜抛烟。,早晨，地面和接近地面的大气开始变热，而上方的气温随高度而上升。烟团的上升受到了阻碍，地面变热而产生的湍使烟团沉降到地面，这时即发生熏地烟.,如果温度随高度变化与熏地烟情况相似，而地面附近降温速度不那快，烟团向地面扩散情况相似，而地面附近降温速度不那么快，烟团向地面扩散时没有被热地面产生的大规模湍流所混合，即形成俘获烟。,知道了烟的各种形状的成因，就可有效地与烟害作斗争，例如，某些地区常常存在气温随高度上升的温度逆转层，设计烟囱时就应使它排放的烟气具有足够大的动量，在烟团转为水平方向之前就能穿透逆转层，这样就可以大减少对地面的污染。,3、从力学角度分析“气功”,解：设铁锤击石块后与石块一起运动。则由动量守恒（为什么）,设大石块质量为 ，铁锤质量为 ，从 高度落下击石块，求石块所获得的能量为多大。,则石块获得动能,近似估计,通常人的肋骨平均能承受5000N的力，如果将肋骨压下0.02m，肋骨就要断裂，因此欲使肋骨断裂的所需能量为:,注意：,如果把石块换成钢板，那么 减小，使 比值增大，同时锤与钢板弹性碰撞，因此使钢板获得的值 增大，问题就变得严重得多了,警告：没有经过训练的人，切勿去尝试，以免造成伤害！,1.旋转的乒乓球,小小乒乓球,曾为我国的外交事业做出了突出贡献,也为我国带来了很多的荣誉,被誉为“国球“.其打法变化多端,如横拍打法,弧圈球打法等.其中弧圈球的运动规律并不都是一样:有的降落弧度大，有的入台后几乎平行台面而冲出。这里面包含很多物理原理。,弧圈球的弧度比一般球的高，而且上旋较为强烈。乒乓球的重量仅为2.5g,直径3.8cm,要使它旋转,必须施加一个力矩.为了使球产生强烈的旋转,首先应加强使球旋转的力.这个力的大小,与球拍擦击速度及时间有关:擦击速度越大、时间越短,则作用力就越大,出球旋转越快；这个使球旋转的力,还与球拍表面的结构有关:球拍摩擦系数越大，对球的牵引力也越大；用表面光滑的木板击球，无论怎样使劲想让球产生强烈的旋转，结果总是徒劳的。而用一块粘性较大的反胶皮海棉拍去擦击乒乓球，即使稍稍用力，球也会明显旋转。,使球产生强烈旋转的另一途径尽量加大力臂。作用力的方向与球正切时，力臂最长，等于球的半径。所以打球时，总是要求尽量使力臂接近半径的长度（当然，过于接近球的半径，给予球的作用力反而变得最小，以致于不能使球旋转，甚至连网也过不去）,乒乓球的旋转，还与作用力的方向有关。弧圈球所受的使其旋转向上的力越大，球的上旋性就越强，飞行的弧度也就越高。上弧球入台后，球与台产生了水平向后的摩擦力，它与球自身的重力合成为对球台的向后下方的力，而球台也相应对球产生等值的反向的作用力，因而球入台后，跳得低而且远。但过强的前冲力将使乒乓球入台后几乎平行于球台的平面而冲出。,2.服装的颜色,“冬不穿白，夏不穿黑。”这是人们从生活实践中总结出来的经验，你知道它包含的科学道理吗？,我们生活的自然环境，五光十色，美丽动人，有红色的花，绿色的草，蓝色的天空，白色的云朵各种物体都具有各自的色彩。可是，这些艳丽的颜色，在漆黑的夜里就统统消失了。这说明只有在阳光（白色光）的照射下，物体才呈现出颜色。那么，为什么在同样光源的照耀下，各种物体会有不同的颜色呢？,我们知道，太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫多种色光混合而成的。不同的物体，对不同颜色的光线，吸收能力和反射能力又各不相同。被物体吸收的光线，人们就看不见，只有被反射的光线，人们才能看到。,因此，某种物体能反射什么颜色的光，在我们看来，它就具有什么样的颜色。如红色的花，是因为它只能反射红色的光线，把其他颜色的光线都吸收了；白色的东西能够反射所有颜色的光线，因此看起来就是白色的；而黑色的东西却能吸收所有颜色的光线，没有光线反射回来，所以看起来就是黑色的了。,太阳不仅给人们送来光明，而且还送来了大量的辐射热。对于辐射热来说，黑色也是只吸收，不反射，而白色正好相反。,一般说来，深色的东西，对太阳光和辐射热，吸收多，反射少；而浅色的东西，则反射多，吸收少。因此，夏天人们都喜欢穿浅色衣服，象白色、灰色、浅蓝、淡黄等，这些颜色能把大量的光线和辐射热反射掉，使人感到凉爽；冬季穿黑色和深蓝色的衣服最好，它们能够大量地吸收光和辐射热，人自然就感到暖和了。,人们认识了自然规律，就能在生产技术上加以利用。象大型露天煤气罐、石油罐的表面都漆成银白色，目的就是为了提高它们反射阳光和辐射热的能力，使罐的温度不致升得过高，以免引起爆炸事故。,3. 足球场上的“香蕉”球,那么“香蕉球”是怎样踢出来的呢?足球在空中如何运动？怎样才会形成“香蕉”球？下面我们运用基础的物理知识流体力学和动力学对球的运动和受力进行分析。,你经常观看足球比赛的话,可以看到球绕过了“人墙 ”,眼看要偏离球门飞出,却又沿弧线拐过弯来直入球门,让守门员措手不及,眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。,当人给球的力有个角度( 0 90 ),就可以让球发生旋转,经过一定的位移后在风力的作用下球会呈弧线运动,而产生了“香蕉球”。在足球运动中,通过这样的球能让守门员防不胜防,达到进球的目的。,伯努力方程推导伯努利方程：,现在研究理想流体做定常流动时，流体中压强和流速的关系。,在一截面积变化的弯曲管中， 稳定流动着不可压缩的密度为 的流体 . 点 a 处的压强为 p1、截面积为A1 ,在点b 处的压强为p2 截面积为A2 .由于点 a 和点 b 之间存在压力差, 流体将在管中移动. 在点 a 和点b 处的速率分别为 和 .求流体的压强和速率之间的关系 .,则,解 取如图所示坐标,在 时间内 、 处流体分别 移动 、 .,又,由动能定理得,得,若将流管放在水平面上，即,即,小实验,为何乒乓球掉不下来？ 为何纸向中间靠拢呢？,伯努利原理认为:“在流水或气流里,如果流速小,对旁侧的压力就大,如果流速大,对旁侧的压力就小。”足球队员用脚踢球时,只踢球的一小部分,把球“搓”起来,球受力,就发生旋转,而当球在空中高速旋转并向前飞行时,它属于刚体的一般运动,它包括了刚体的平移、定轴转动、定点运动等。,作为一般运动的刚体上的任一点的速度,等于基点的速度与该点随刚体绕基点转动速度的矢量和。球的两侧一边速度大,一边速度小,相对讲,空气在球的两侧也就一边流速大,一边流速小。根据伯努利原理,球就受到了一个横向的压力差,这个压力差,使球向旁侧偏离,而球又是不断向前飞行着,在这种情况下,足球同时参与了两个直线运动,便沿一条弯曲的弧线运行了。,日常的生活经验告诉我们，当水流以一个相对稳定的流量流过河床时，在河面较宽的地方流速慢，在河面较窄的地方流速快。,对于固定翼的飞机，当它在空气中以一定的速度飞行时，根据相对运动的原理，机翼相对于空气的运动可以看作是机翼不动，而空气气流以一定的速度流过机翼。空气的流动在日常生活中是看不见的，但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。,飞机升空的原理。,流过机翼的气流与河床中的流水类似，由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平，流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小，这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高，换一句话说，就是大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大，二者的压力差便形成了飞机的升力。,喷雾器就是利用流速大、压强小的原理制成的。,让空气从小孔迅速流出,小孔附近的压强小,容器里液面上的空气压强的,液体就沿小孔下边的细管升上来,从细管的上口流出后,空气流的冲击,被喷成雾状。,1.“鱼洗”的物理原理,2. 增透膜和增反膜,太阳能电子和摄影机镜头表面都镀有一层透明的介质膜，根据光的干涉原理这层膜可以减小光的反射率而提高光的透射率，所以这层介质膜称为增透膜。,以摄影机镜头为例，在光学玻璃上镀一层厚度为d 的氟化镁。,减弱,上面我们看到的是介质膜的折射率小于光玻璃的情况，如果介质膜的折射率大于光学玻璃的折射率时，可以提高反射率，形成增反膜，电影机中的冷光镜就是一个例子，,观看增透膜增反膜视频,3.高强度脉冲电场 用于液态食品的灭菌,1 食品的灭菌,运用各种手段杀灭食品中的有害微生物，从而保持食品的品质并达到一定的保藏期.,一 食品的灭菌与灭菌方法,2 常用灭菌方法,巴氏灭菌、阿佩尔灭菌、 化学药剂灭菌、辐射灭菌等,3 加热灭菌的方法,加热使食品中腐败菌内的蛋白质凝固变性，导致细菌失活.,缺点: 食品受热后，发生物理或化学性质的变化，造成其色、香、味、组织结构的改变及营养价值的下降，产生各种褐变反应及酸败，维生素受破坏等.,4 非加热物理灭菌方法,种类,将液态食品作为电介质置于高强度脉冲电场中，食品中微生物的细胞膜在强电