生活中的物理
物理学是一门非常有趣又有用的自然科学,它研究的内容十分广泛。
其实,在生活中,在我们的身边,有许许多多的物理现象。例如:飞机为什么能在天空飞行?保温瓶为什么能保温?电动机为什么能转动?用望远镜为什么能看得更远?太阳周围为何会出现颜色像彩虹的光环?天空和海水为什么是蓝色的?为什么粥烧开了会溢出来? 笔杆上的小孔有什么功用?饺子或肉丸煮熟了为什么会浮起来?为什么玻璃器皿遇忽冷忽热会裂开?怎样把开水冷却?为什么不倒翁不会倒?为什么钢笔会出水?为什么滑水运动员不会沉入水中?拔河比赛只是比力气吗?……
当我们掌握了必要的物理知识,不仅能解释这些现象,也能利用他们为人类服务。
千变万化的物理现象,像一个个的谜。当我们掌握了必要的物理知识,揭开谜底的时候就会感悟到物理现象是十分有趣的。
我们人体就是一台充分运用物理知识装备起来的机器,它的许多部位或器官都是物理知识运用的体现。
眼睛
眼睛是人们观察世界的窗口。它是由在眼球前部凸出的坚韧的透明角膜、含有纤维胶质的透明囊状的晶状体、无色透明的水样液、视网膜及无色透明的胶状玻璃体构成的。它们的共同作用相当于一个凸透镜。从物体射进眼里的光线经过一个凸透镜折射后,在视网膜上形成倒立、缩小的实像,刺激分布在视网膜上的感光细胞,通过视神经传给大脑,于是我们就看见了物体。眼睛不仅能看见近处的物体,而且还能看清远处的物体,当物距改变时,它能靠改变晶状体表面的弯曲程度来改变眼睛这个凸透镜的焦距,因此,眼睛实际上是一种精巧的变焦系统。当然,眼睛这种调节焦距的调节功能是有限的。近视眼就不能仅靠自身的调节,而必须配以合适的凸透镜来帮助调节,从而达到看清周围物体的目的。
牙齿
人的牙齿早在母胎的第二个月就开始在胎儿的牙槽骨里生长,在婴儿出生后的七个月左右,开始有乳牙萌出,直至二周岁左右,二十只乳牙全部萌出。然而,就从母胎的第二个月开始,人的牙齿就有了细微的、明确的物理分工:(1)门牙又叫切牙,共有四对,它长得扁扁的,宽宽的,像一把刀,是专门用来咬断食物的,门牙的横截面外表很窄,好像刀口,用相同的力,能产生较大的压强,容易切断食物。(2)尖牙又叫犬牙,嘴角两边各有一对,像钩子一样,也能产生很大的压强,它的功能主要是撕碎食物。(3)磨牙又叫盘牙或臼牙。它长得特别粗壮,圆圆的,上面还有些凹凹沟沟,完全像磨豆浆用的磨子一样靠压强和磨擦把食物嚼碎磨细。无论是完整的还是撕碎的食物,最后都要经磨牙加工吞入食道。
耳朵
人耳是由外耳、中耳和内耳三个部分组成。外耳是由耳廓和外耳道组成。声音是由物体的振动而产生的一种声波,这种声波首先由喇叭状的耳廓收集进来。(有些动物的耳廓可以向各个方向转动,更有利于声波的收集,但人类耳廓上的肌肉已经退化了,所以不能活动。)
中耳包括鼓膜,鼓室和听小骨。鼓膜在外耳道的末端,是一片椭圆形的薄膜,厚仅0.1mm,当外耳的声波通过空气的振动传入时,使鼓膜振动,把声波转变成多种振动的“密码”,传向后面的鼓室。鼓室是一个能使声音变得柔和而动听的小腔,腔内有3块听小骨。听小骨能把鼓膜的振动传给内耳,传导过程还像放大器一样,把声音信号放大十倍,所以即使很轻微的声音人们也能听到。内耳是听觉神经最末梢的部分,中耳传来的声波,刺激听神经的末梢,使之兴奋,经过听神经传至大脑后,就能分辨出各种各样的声音。
皮肤
皮肤这个最大的器官是人体的第一道防线。表面积一般大约在1.4~1.6m2之间,其重量约占体重的6%左右。
皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪层三部分组成。皮下脂肪层就好像是人体表面覆盖的一层棉被似的软垫,具有很好的弹性。当人体受到碰撞时,有缓冲作用,可以防止内脏和骨骼又受到外界的直接侵害。
皮肤最突出的物理作用是散热和保温作用。当外界温度升高时,皮肤的血管就扩张、充血,血液就带着体热通过皮肤向空气发散,同时汗腺也大量分泌汗液,通过汗液的蒸发带走体内多余的热量。当外界寒冷时,皮肤的血管就收缩,血量减少,皮肤温度降低,散热放慢,有助于体温保持恒定。
关节
关节是人体骨骼的重要连接方式和精密的连接结构,它是骨骼这一杠杆运动的巧妙支点。各块骨连接处的骨面(关节面)十分光滑,表面覆盖着透明软骨构成的关切软骨,以增强光洁度,减少摩擦。据说,两块关节软骨间的摩擦系数比滑冰时冰刀和冰的摩擦系数还小。
当然,不同部位的关节,功能不同,关节的结构也不完全相同,如肘关节是向内运动的,利于提拉重物,膝关节只能向后屈而不能前翻,同时使腿后蹬有力。
除以上器官外,人体内血压和心跳速率的关系,结构巧妙的换气站——肺和肺泡等器官,无处不体现着物理知识的运用。
物理与生活 谈谈与人体冷热感觉有关的天气因素 人体冷热感觉属于触觉问题。许多人习惯只以气温的高低作为推断人体冷热感觉(感觉温度)的唯一标准,其实,人体的感觉温度和实际气温有时相去甚远。如:人们常说“热在三伏”,但翻开气象资料一看,多数地区的最高气温并不出现在三伏,而是在三伏前后,人们之所以感到三伏天最热,是因为这时的“热”加进了“湿”,是闷热。人们还有这样的体会,在旋转的电风扇下,往往感觉到电风扇吹出的风是凉爽的,但拿一根温度计放在电风扇前吹,就会发现温度计的示温并不下降,人感到凉爽是因为风改变了空气湿度的缘故。夏天游泳后刚从水中上岸时感到凉爽,如果有风,甚至会冷得打颤。这些都说明大气环境对人体的影响是综合的。决定人体冷热感觉的主要因素除温度外,还有湿度和风力,这三者都不可忽视。 空气的湿度是表示空气干湿程度的物理量,有两种表示方式。一种是绝对湿度,用单位体积的空气中所含水蒸汽的质量(或压强)来表示,表示的是空气中所含水蒸汽的多少。在某一温度下,一定体积的空气中能够容纳的水蒸汽的多少有一个最大的限度,达到这个限度,空气中的水蒸汽便处于饱和状态,这时的气体叫饱和气;另一种方式是相对湿度,用某温度时空气的绝对湿度跟同一温度下饱和水蒸汽的密度(或压强)的百分数比来表示,表示的是空气里水蒸汽离饱和状态的远近程度。相对湿度越大,空气里的水蒸汽就越接近饱和状态,空气中可供水蒸汽分子填充的“空位”就越少,蒸发也就越慢。湿度对人的冷热感觉的影响,是由空气的相对湿度决定的。天气炎热时,人体为了使体温保持在370C左右,就要不断地向体外散发热量,它主要是通过汗腺向体外分泌汗水,利用汗水蒸发吸收热量,将热量带走。汗液的分子从汗液表面跑出来成为水蒸汽分子,如果人处在一个空气相对静止的环境中,这些水蒸汽分子就会滞留在人体皮肤附近,形成一个“保温层”,“保温层”中水蒸汽越来越接近饱和状态(空气相对湿度越来越大),结果汗水蒸发速度越来越慢,使人感到闷热。这时如果有一股风吹来或打开电风扇,“保温层”就会被吹走,人体周围的空气相对湿度将减少,汗水蒸发速度增大,使人有一个凉爽的感觉。 当气温在240C时,空气中的湿度相对而言对人体冷热感觉影响较小,人既不觉得冷,又不感到热。240C的空气带走人体一部分热量,而人体内产生的热量则弥补空气带走的那部分热量,人体保持了相对的热平衡,从而感觉良好。当气温低于或高于240C时,人就会有明显的冷热感觉,此时相对湿度便会对人体的冷热感觉起到很大的作用。例如,当气温是250C,相对湿度为30%时,人体没有什么冷热感觉;同一温度若相对湿度增大到95%,人体便感觉到闷热了。有人测定,气温是17.80C、相对湿度为100%时,人体的冷热感觉与气温是28.60C、相对湿度为20%时是相同的。 人体的冷热感觉除了与空气的温度和湿度有关外,风速也是很重要的因素。冬天,在刮风的天气里或坐在奔驰的敞篷汽车上时,人似乎感觉到更冷一些,这是因为风能把人体周围的空气“保温层”吹散,把热量带走的缘故。在一定的数值范围内,一般风速越大,人体散热也越快、越多。 在大量医学气象科学试验中,人们找到了风速大小和人体冷热感觉的关系:当气温为100C,3级风时,人的感觉气温为50C;5级风时,人的感觉气温像00C时一样。当气温为1.10C,2级风时,人的感觉气温为-2.80C;5级风时,人的感觉气温会降至-15.50C。根据实验,大致可得出这样的结论:当气温在00C以上时,风速每增加2级,人的寒冷感觉会下降3——50C;气温在00C以下时,风速每增加2级,人的寒冷感觉会下降6——80C。 由此可见,在日常生活中,当你根据天气预报增减衣服时,除了要注意气温的高低外,还要考虑空气湿度和风速的大小。这样才能使你的衣着和寒暑冷暖相宜。