夏季着装的物理问题探究.pdf

譬 b 参考 第 4 6 卷 第 6 期 2 0 4 年6 月 的物理问题撕 陈 建 南通高等师范学校数理系 江苏 南通 2 2 6 o 0 6 炎热夏季 着 装尽管相对简单 但 穿 衣 学 问 却 不 少 随着生活水平的提高 人们对服装功能性 舒适 性 提出了越来越高 的要求 消 费 者 对 服装 的要 求 不 仅要时 尚 美观 而且要穿着 自然 舒 适 服 装舒 适性 是个很复杂的概念 受物理性 生 理 性 心 理性 人 体 活动性 环境 气 候性 诸 多 因 素 影 响 是 衡 量 服装 性 能 的 种综合指标 影响服装舒适性的因素很多 其 中 制 作服装的纺织材料的热 湿传递特性是重要 因素 但 目前即使采用专用仪器也很难达到精确测量 本 文仅就 中学物理范畴 借助实验探究不同色彩对服装 吸热与散热 不同材质对服装透气透湿性能的影响 一 服 装 色彩 与凉 爽性 研究 由于热空气 的对流和太阳的辐射 夏季人体最 直观的感受是热 因而着装舒适首先就是要使人感觉 快 夏季 阳光 的强烈照射下 热量不断聚积在被辐 照的物体表l面 会使其表面温度不断升高 一 般情况 卜 光照射到物体表面 一部分被物体表面反射 一 部 分被物体吸收 其余部分透过物体 阳光 照射 到衣 物 表 面时 会引起 衣物 表 面温度 的升 高 夏 装 色彩 的选 择以对太阳辐射反射率高 吸收率低为好 到达 地球 表面 的太 阳光 由紫 外线 可见 光和 红 外 线等辐射线组成 但太 阳辐射的热源主要来 自红外区 域 称 长波辐 射 热 因此 笔 者 设 计 用 红外 灯 模 拟 太 阳光 中的 红外线 探 究衣物 在红外 线 辐射 下 表 面温 度 的 改 变 实 验 一 不 同 色 彩 织 物 在 红 外 辐 射 下 的 温 井 研 究 器材准备 D I S数字实验系统一套 纯 棉 白纱 布 水彩 颜料 红 黄 黑 实验步 骤 1 通过 浸轧 工艺 制备 不 同颜 色 红 黄 黑 棉织物并晾干备用 2 用黑 红 黄 白 4种 不 同颜色棉织物包裹住 4只温度 传感 器探 头 3 将4 只温度传感器分别接人数据采集器的四个通道 打 开 采 集 器 的 电 源 开 关 选 择 联 机 工 作 模 式 并 打 弄 D I S系统软 件 进 入 通 用 实 验 设 计 环 境 设 定 有 关 数 4 用 红外灯模 拟太 阳光 中的红 外 线 通 电待 红 外灯表面温度恒定后 曝晒 已包裹棉织物 的温度传 擘 器 进 行 数 据 采 集 5 将 采 集 到 的 数 据 进 行 合 绘制出不同颜色棉织物温升图象 采用 DI s实 验系统的优势在能够 自动采集数据并且绘制图线 结果 与讨 论 实 验 结 果 如 图 1 图 中 分别与黑 红 黄 白棉织物对应 实 验表 明 红外 源辐射下织物温度均随时间的延长而增加 且在 辐 射前 l O 0 s内升温迅 速 在辐射 2 0 0 s后织物温度基 本达 到平衡 实验还 表 明 织物 颜 色对 温度 变 化有 明 一 一 一 一一一 r 一 一 一一一一 一 一 一 一 一一一 图 l 显影响 依次为黑 红 黄 自 升高 于浅 色织 物 上 述 现 象 太 阳光 中的热源 红外线 时 间 s 即深 颜 色 的织 物表 面温 可 以解 释 为 不 同颜 色 对 吸 收 能力 和 反 射 能 力 各 0 嘭 栅 6 r G 特 号 一 扎 图 热 散 一 要 衣 2 一 艺 3 本7 O 基充 的 探 一 一 一 一 2 对 舡队 埘 唤 耀 适 题 一 嚣搬 Vo1 46 NO 6 J un 201 4 中 b 量 裁学参考 不相 同 深 色 织 物对 红 外 线 反 射 能 力 低 于 浅 色 织 物 因而红外辐射下 其表 面温度 比浅 色织物温升迅速 且达到平衡后温度较高 夏季人在烈 日下 其体温通 常较外界低 因而穿浅色衣服能增加对外界辐射的反 射 感 觉要 比深 色衣 服舒 服 些 是不是夏天任何情况选择浅色衣服都更凉快 呢 实验 1 不 同色彩 织物散 热特 性 的研 究 器材准备 DI S数字实验系统一套 材质相 同颜 色不 同棉 布 4块 黑 红 黄 门 5 0 mL烧 杯 4只 实验步骤 1 在 4个烧杯里分别倒上等量 的热 水 温度都在 6 5 左右 2 将四只温度传感器分别 插入热水 中 并 用 不 同颜色 棉织 物 分别 裹住 烧 杯 3 打开DI S系统软件 进行数据 采集 4 将采集到 的数 据进 行 拟合 绘 制 出不 同颜 色 织物 温 度 变化 图 象 说 明 考虑 到取 等 量等 温 热水 操 作较 困难 且 温度 传感 器插 入 热 水 后 有 一 温 度 上 升 直 至 与 水 温 相 同的过程 笔者采用对不同颜色棉织物分别用 DI S系 统进 行数 据 采集 然后 运 用 Ex c e l 对 数 据 进 行截 取 处 理 因环 境 温度 对 实 验 影 响较 大 宜 选 择 温 度 相 对 稳定 的午 间进 行 实验 1 p 5 7 4 7 4 5 U 0 O 4 00 6 00 8 00 时 间 s 图 2 结果与讨论 实验结果 如图 2 实验表明 不 同 色彩织物包裹的烧杯温度下降快慢不同 黑色织物包 裹的烧杯温度下降最快 即黑 色是散 热最快的颜 色 实际应 用 中 许 多 散 热 器 的颜 色 都 是 黑 色 的 正 是 这 个 道 理 由实 验一 实 验 二可 得 黑 色是 散热 最 快 的颜 色 同时也是吸热最快的颜色 而白色散热 吸热最慢 这 与热辐射理论 相吻合 即善 f吸收 的物体 必善 于辐 射 在没有 阳光直射 的室 内 当外 界气温低 于体 温 时 衣物的选择要善于吸收热和辐射热 黑 深 色衣 物不会发挥其吸热快的本性 反倒发挥它散热快的本 领 这样就能快速排走皮肤表面 的热量 利 于将体内 热量 辐射 出去 自然 要 比浅 色衣 服 凉快 夏季 选 择 衣 物色彩时 如果外界温度高 F体温 要选择善 于反 射 校 本 教 研 热 不容 易 吸 收 热 的服 装 即穿 浅 色 衣 服 较 适 宜 反 之 外 界温 度低 于体 温 宜选择 深色 衣服 二 不 同材 质衣 物 的透气 透湿 性能研 究 当人体与环境存在温差时 将 以传导 热对流和 辐 射 的方式 进 行 热 量 交换 夏 季 人 体 散 热 中 的一 部 分是 通过 空气 的对 流实 现 的 透气性 是 指气体 透过 织物 的 能力 是 反 映面 料凉 爽的一个重要参数 服装 的透气性直接影响其穿着 时 的舒适性 也 直 接 影 响 人 体 的 热量 散 发 人体 汗 汽 和汗液的向外传递 如果织物的透气性 过小 会使人 体热 湿不 易排 出而感 到 闷热 不适 工业上纺织物 的透气性测量要用专用织物透气 性测试仪进行 其原理是在织物两边压力差一定的条 件下 测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流 流量 从而确定透气率u 由于透气性受制造工艺 厚度 紧度等多因素影响 本文仅就纱线纤维的种类 对 衣 物 的透气 性作定 性 研究 实 验三 不 同衣物 的透 气性研 究 器材准备桑蚕丝 棉 麻 纯涤纶为原料的不同 针织 面料 黑 色细 毛 吹 风机 实验 步骤在不 同 面料上 放 少许 黑色 细 毛 然后 用吹 风机 从面 料下 面往 上吹 观察 黑色 细毛反 应 结果与讨论 纯涤纶 纯棉 面料上黑色细毛没有 太大 反应 而 桑蚕 丝 麻 面 料 上 黑 色 细 毛 马 上 就 飞起 来 了 这说 明桑蚕丝 麻面料的透气性较好 炎热夏 季服装透气性好 可 以加 快服装 内外空 气的交换速 度 使人体的热量尽快散发 因而选择桑蚕丝 麻的衣 着 较 凉爽 夏季 人体 往往 大 量 出汗 服装 面料 的 吸湿 透湿 性能会直接影响衣物排放汗汽的能力 对人体舒适度 也非常重要 快 速吸湿 透湿 既能消除人体 的粘连 感 又 能通过 汗 液蒸发 向外 释放 热 量 汽化 吸热 织 物透湿有两种途 径 一是通过织 物 的毛细作用 而传 递 这种传递也称芯吸传 递 它 由织物的纱线及纤维 结构中存在毛细管的作用从织物的一 面传递到另一 面 二 是 由于汗 液 在皮 肤 表 面蒸 发 时 接 近皮 肤 一 侧 的材料与皮肤之间空气层 中水蒸气压 大于周 围环境 中水蒸 气压 通 过 织物 内纱 线 间 纤 维 问 的空 隙使 水 分从一侧 向另一侧扩散 夏季服装选用透湿性好 芯 吸作用强的织物有利于水汽持续的吸附传递和快速 蒸发 穿着能带来较好 的舒适性 1 实验 四 不 同衣 物 的透湿 性研 究 器材准备桑蚕丝 棉 麻 纯涤 纶为原料 的不 同针 织面料 烧杯 4只 烘箱 天平 0 5 的重铬酸钾溶液 E ma i l p h y c f e 2 1 s in a c o n 习 嚣 研 究 中 b 圣 学参 考 第 4 6 卷第 6 期 2 0 l4 年 6 月 m i l l 小实验 求解 公 衍 录 北 京 丰 台二 中 北京 1 0 0 0 7 1 文章 编 号 1 0 0 2 2 1 8 X 2 0 1 4 0 6 0 0 3 4 0 2 以 板块 问题 为载体可考查 牛顿运动定律和匀 变速直线运动规律等物理学的主干知识 因此 板块 问题备受各地高考命题专家 的青睐 该类 问题属于 多体多过程问题 学生不易求解 在实际教学 中 我们 发现利 用学 生用 品做有 关 的小实 验 能很 好 地 帮助 学 生求解此类问题 下面举例说明 一 板块 共速 后一起 做 匀减速 运动 的 问题 例 1 如 图 1 所 示 质 量 M 一1 0 k g的长木 板 静 止 在光 滑水平 面 上 在 长木板 的右 端放 一 质量 为 1 0 k g的滑块 可视 为质 点 滑块 与长 木板之 间 的动 摩擦因数 一0 2 0 现用水平恒力 F一6 0 N向右拉长 木板 使 滑块与长木板 发生相对滑动 经过 t 一1 0 S 撤 去力 F 滑块 在 运 动 过 程 中始 终 没 有 从长 木板 上掉 一 一 4 中图分 类号 G6 3 2 4 下 求 1 撤 去 力 F 时 滑 块 和 木 板 的速 度 和 2 运 动 中滑 块 距 木 板 右 端 的最大 距离 文献标识 码 B 图 1 辅助实验 将教科书平放在水平桌面上 再将一 块橡皮放在教科书的右端 并将该端位置旁边放一标 志物 如一 支钢 笔 书与橡 皮均 保 持静 止 然后 用 右 手水平 向右 猛拉 教科 书右端 一下 再松 手 或 用伸 直 的 左手水平向右猛推教科书左端一下再松手 使教科 书沿桌面向右运动一段距离 我们会发现橡皮相对 教科 书 向左 运动 一段位 移后 接着 便 与教 科 书一 起对 地 向右 做减 速 运 动直 至 静 止 从 整 个 实 验 过 程 中 还 实验步骤 1 在 各烧杯 中加入 蒸馏 水 液 面高度 至杯口 用针织面料密封杯 口并分别称取质量 精确至 0 0 0 1 g 将烧杯等一起置入 3 7 的烘箱 称取烘燥 1 0 h后 的烧杯 质量 并 用 公式 w 一 计 算 透湿 量 A m L 为前后两 次质 量 之 差 S为透 湿 面积 t 为实 验 时 问 2 将 各面料沿经 纬向分别剪取 长 3 0 c m 宽 5 c r l l 布条 将 0 5 的重 铬酸 钾溶 液 注入 水槽 内 测 出 3 0 mi n时 液态水在织 物条上 的爬升 高度 实验数据 如表 1 表 1 织物材料 蚕丝 棉 麻 涤纶 透 湿 量 g m d 8 6 7 8 8 5 6 1 1 0 6 4 0 5 7 8 9 芯吸高度 c m 3 3 O 2 0 3 0 2 结果 与讨论 由表 l可 见 几 种 常 用 纤 维 中 麻 的透湿 性最好 天然纤 维麻 蚕丝 棉 的透湿 性 要好 于 合成纤维涤纶 蚕丝透湿量 芯吸高度值均较大 即具 有较好 的吸湿 导湿性 能 它可以很快地吸 附皮肤表 面的汗 液并 快速 传导 到服装 外表 面 使 热量 和 湿汽 的 散发相对快捷 其热 湿舒适性表现最佳 从 以上实验可初步看 出 夏季服装面料 的选择 E ma i l p h y c fe 2 1 1 6 3 c o rn 一 一 从纤维种类角度而言 丝绸 麻等天然纤维原料相对 较好 从色彩角度而言 在室外选用 白色 淡黄色等服 装 比黑色服装接受太阳的辐射要少 可提高热湿舒适 性 能 需要说 明 两点 1 在 炎 热 的环境 和 剧 烈 的运 动中 人体往往会大量 出汗 汗液 以液态水的形态遍 及 皮肤 表面 甚至 流淌 服装通 常 被润 湿 有 的时 候甚 至是被浸润的 织物或服装在润湿后是 一种非稳定 的状态 既影 响 吸湿 导 湿 又影 响对 光 热 的反射 透 射 和吸 收 此 时 织物 的湿传 递性 能是 维 持人 体 热平 衡 的决定 性 因素 2 2 专业织 物 研究 和服 装 生产 厂 家在评价及质量控制纺织 品时要采用专业仪器进