青藏铁路上的物理知识.doc

青藏铁路上的物理知识2006年7月1日，青藏铁路实现了全线贯通，打破了美国的火车旅行家保罗泰鲁“有昆仑山脉在，铁路就永远到不了拉萨”的“断言”，大长了中国人的志气。为什么修建青藏铁路就这么难?主要是因为这里面有两大物理难题不易解决：一是铁路要穿越“千年冻土”区，需要保证路基的稳定性；二是高原气压低、氧气含量低，需要保证施工人员及乘客的安全性。青藏铁路之所以会引起国内外的诸多专家、学者的关注，就是因为我国科技工作者在解决这两大问题方面做出了许多创新和发明。作为一名物理教师我们有责任、有义务向学生介绍青藏铁路线上的物理知识。这不仅可以增强学生的社会责任感、自豪感，还可以帮助学生更好的理解和应用所学的物理知识。下面笔者就青藏线上的物理知识做一个简要介绍，并自编了一些测试题供教学时使用，希望能对教学起到参考作用。1两大物理难题揭密1、1 4大措施解决千年冻土的问题青藏铁路的成败决定于路基，而路基最大的问题就是多年冻土。夏天气温上升，冻土层就要融化，上面的路也就塌了；而冬天温度降低，冻土膨胀，就会把建在上面的路基和钢轨顶起来，一降一升，火车极易脱轨。针对以上问题，我国的铁路建设者主要是采用了以下4个措施来解决“冻土”问题。（1）热棒：天然“制冷机”进入两大滩冻土区，铁路路基两旁插有一排排碗口粗细、高约2 m的铁棒(如图1)。铁棒间相隔2 m，一直向前延伸。我们叫它热棒。热棒在路基下还埋有5 m，整个棒体是中空的，里面灌有液氨。热棒的工作原理很简单：当路基温度上升时，液态氨受热发生汽化，上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却液化变成了液态氨，又沉入了棒底。这样，热棒就相当于一个天然“制冷机”。（2）抛石路基：廉价“土空调”在青藏铁路路基内部，还有一种廉价而有效的“土空调”正悄无声息地运转着。在土层路基中间，填筑了一定厚度的碎石(如图2)。当夏季来临时，青藏高原气温升高，抛石路基表面的温度上升，空气密度降低，而路基冻土中的温度较低，空气密度较大，这样热空气与冷空气就不易对流，无形中形成了外界与冻土的隔热层；当冬天来临时，冻土路基的外界温度较低，空气密度较大，而路基冻土层温度较高，空气密度较低，将自然上移，与外界进行热量交换，无形中形成了热冷对流，使路基冻土层温度降低，保护了冻土的完好性。（3）遮阳板：隔热“外衣”青藏高原地处中低纬度，高海拔地区，太阳辐射十分强烈是该地区的一个重要特征。遮阳板路基是在路基的边坡和坡面上架设一层用于遮挡太阳辐射的板材，由此完全消除太阳对路堤坡面的有效辐射加热作用(如图3)，达到稳定路基温度场的目的。(4)以桥代路：“最后绝招”青藏铁路沿线，给人印象最深的是桥多(如图4)。对于图4极不稳定的高含冰量冻土区，用热棒、抛石路基等方法都是不管用的，而以桥代路是解决冻土问题的最后绝招。桥墩打进冻土层30多m，桥墩与冻土层间的摩擦力足以支撑路基的稳固性，冻土的融化和膨胀对路基的影响这时已显得微乎其微。1、2增氧机解决高原气压低、氧气含量低的问题在青藏高原由于海拔高，气压低。每吸一口气得到的氧气只有平地上的40%左右，那里气温最低可达-40。为了解决高寒缺氧带来的建设难题，有关部门在青藏线沿途建立了许多医疗站并建造了17座的氧气制造站，以保证施工者的安全；为保证乘车者的安全，在每列车里都配备有两套供氧系统，一套为弥散式供氧，通过混合空调系统中的空气，使每节车厢的含氧量达到23。5%25%；另一种为分布式供氧，其氧浓度可达40%45%，旅客可通过供氧面罩直接吸取，确保了旅客乘车的舒适度。以上内容可以作为STS的内容向学生介绍，为了更好的理解和掌握所学的物理知识，我们还可以结合相关内容命制一些习题，真正做到理论和实践的有机结合。2自编参考题目近年来中考试题中出现了一种新的题型信息给予题。它以独特的命题视角很快受到专家和一线教师的认可。该题型的特点是：贴近生活，注重知识应用，体现科技创新，把握时代发展的脉搏。这种题型不仅可以考查学生对所学物理知识的理解和应用能力，更主要的是学生在解题的过程中能够获得许多物理课本上没有的知识信息和情感体验。基于以上原因，“青藏铁路”可能会成为今后中考“信息给予题”的焦点。以下试题仅供参考：(1)“青藏铁路”在修建的过程中，为了解决千年冻土的问题，在铁路的两侧插了许多叫做“热棒”(如图1)的柱子，里面装有液氨，热棒的工作原理很简单：当路基温度上升时，液态氨吸收热量发生现象，上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，此时气态氨放出热量发生现象变成了液态氨，又沉入了棒底。这样，热棒就相当于一个天然“制冷机。”(2)为了保证“青藏铁路”路基下面千年冻土的稳定性，建设者在土层与路基中间，填筑了一定厚度的碎石(如图2)，并形象地叫它是路基的“土空调”，不管是夏季来临，还是冬季到来，它都很好的调节路基下面的冻土温度，使之变化不大，从而确保冻土的稳定性，请你简要说明这种“土空调”的工作过程。(3)“青藏铁路”在修建的过程中，在有些路段，施工人员给铁路路基穿了一层用于遮挡太阳辐射的“外衣”(如图3)，请你从物理学的角度说明这样做的道理是什么?(4)沿青藏铁路西行，一路走来，给人印象最深的就是桥多(如图4)，铁路不能直接修建在地面上，是因为铁路沿线存在了大量的“千年冻土”，请问铁路为什么不能直接建在“冻土”之上?请根据所学的热学知识进行解释。(5)“青藏铁路”建成通车已经有一段时间了，当初铁路建设者为了解决铁路沿线的“