生活中的物理（高青一中校本課程）賈玉兵

山東省高青縣第一中學校本課程·物理生活中的物理主編賈玉兵編委程香張洪娟導(dǎo)讀自然界的神奇現(xiàn)象震撼人心，生活中的物理現(xiàn)象妙趣橫生。生活離不開物理，物理離不開生活。物理知識來源于生活，最終又服務(wù)于生活。而長期以來傳統(tǒng)教學中關(guān)于物理知識的傳授都忽略了生活這一環(huán)節(jié)，以致使許多人認為物理學而無用，因而對生活中的物理現(xiàn)象也就理所當然的視百不見，從而造成了實際生活與書本知識的脫離，以及探索精神的匱乏。校本課程方案的擬定和課程的開發(fā)是以“關(guān)注生活，勇于探究，學以致用，促進發(fā)展”為宗旨，以生活為對象，以物理探究方法，積極組織引導(dǎo)全校學生親近生活，了解生活，探究生活。營造良好的探究學習的氛圍，讓學生感到物理離我們很近，并會從日常生活中發(fā)現(xiàn)知識、發(fā)掘知識。同學們，你是否知道生活中的各種現(xiàn)象都包含著奇妙的物理知識？下面，請讓我們一起，進入多彩的物理世界吧！編者2022年6月目錄導(dǎo)讀 -1-目錄 -2-第一課過山車中的物理知識 -3-第二課自行車中的物理知識 -5-第三課江河大堤與水庫大壩 -9-第四課體育中的物理 -11-第五課GPS－全球定位系統(tǒng) -15-第六課汽車安全氣囊系統(tǒng)組成及其工作原理 -19-第七課電飯鍋工作原理及保養(yǎng)常識 -22-第八課微波爐的工作原理 -24-第九課激光 -28-第十課磁浮火車 -31-第十一課超聲波的應(yīng)用 -33-第十二課載人航天三大難題 -35-第十三課看照片的藝術(shù) -37-第十四課了解冰箱的構(gòu)造 -39-第十五課馬路上的物理現(xiàn)象 -41-第十六課飲食中的物理現(xiàn)象 -43-第十七課冰屋中的物理現(xiàn)象 -45-第十八課氣體和液體的“怪脾氣” -46-第一課過山車中的物理知識過山車是一項富有刺激性的娛樂工具。那種風馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學感興趣，那幺在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學定律。實際上，過山車的運動包含了許多物理學原理，人們在設(shè)計過山車時巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了，當然，如果你的身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細觀察過山車的運動和乘坐者的反應(yīng)。在開始旅行時，過山車的小列車是靠一個機械裝置的推力推上最高點的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了。事實上，從這時起，帶動它沿著軌道行駛的惟一的“發(fā)動機”將是引力勢能，即由引力勢能轉(zhuǎn)化為動能、又由動能轉(zhuǎn)化為引力勢能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。第一種能，即引力勢能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，是由于它的高度和由引力產(chǎn)生的加速度而來的。對過山車來說，它的勢能在處于最高點時達到了最大值，也就是當它爬升到"山丘"的頂峰時最大。當過山車開始下降時，它的勢能就不斷地減少（因為高度下降了），但它不會消失，而是轉(zhuǎn)化成了動能，也就是運動能。不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機械能（動能和勢能）。這就是為什幺要設(shè)計成隨后的小山丘比開始時的小山丘要低的原因：過山車已經(jīng)沒有上升到像前一個小山丘那樣的高度所需要的機械能了。過山車最后一節(jié)小車廂里是過山車贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。事實上，下降的感受在過山車的尾部車廂最為強烈。因為最后一節(jié)車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于引力作用于過山車中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能快速地達到和跨越最高點，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，因為質(zhì)量中心正在加速向下。尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時，小車廂就可能脫軌甩出去。車頭部的車廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要"等待"質(zhì)量中心越過高點被引力推動。

到達“瘋狂之圈”時，沿直線軌道行進的過山車突然向上轉(zhuǎn)彎。這時，乘客就會有一種被擠壓到軌道上的感覺，因為這時產(chǎn)生了一種表觀的離心力。事實上，在環(huán)形軌道上由于鐵軌與過山車相互作用產(chǎn)生了的一種向心力。這種環(huán)形軌道是略帶橢圓形的，目的是為了"平衡"引力的制動效應(yīng)。當過山車達到圓形軌道的最高點時，事實上它會慢下來，但如果彎曲的程度較小時，這種現(xiàn)象會減弱。一旦過山車走完了它的行程，機械制動裝置就會非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由氣缸來控制的。第二課自行車中的物理知識自行車是我們?nèi)粘Ｉ钪幸环N普遍的交通工具，常見的有普通載重自行車、輕便自行車、山地自行車、童車、賽車、電動自行車等．它結(jié)構(gòu)簡單，方便實用，下面分別介紹自行車的有關(guān)原理和其中涉及到的相關(guān)物理知識。一、自行車的有關(guān)原理1．車體設(shè)計原理A：手把連接前輪的轉(zhuǎn)向機制是輪軸的運用，一般女裝車手把大多比較寬，就是因為把“輪”的半徑加大，可以更省力，騎起來很優(yōu)雅．B：剎車把手是一個簡單的杠桿，使用者用很小的力就可對剎車片產(chǎn)生很大的壓力．C：前剎片是利用摩擦力使車輪減速，同時在接地點產(chǎn)生向后的摩擦力來使車體減速．以前輪夾式剎車和傳統(tǒng)后輪軸心的盤式剎車來比較，對同樣大小的剎車壓力而言，前者因力臂較長，會比后者有較大的力矩，效果較佳．D：接地的輪胎也是靠摩擦力使車子前進，剎車也是同樣道理．E：輪軸中央用滾珠軸承加黃油來減少摩擦，提高傳動效率．F：踏板是輪軸的運用．G：前后齒輪是利用鏈條傳動的齒輪系統(tǒng)，因為前大后小，所以費力而省時，可以把車子加速到很快．H：后齒輪傳動給后輪是一種作用力施在軸上的輪軸系統(tǒng)．I：有些座墊下方是以彈簧為避震器，是彈簧在日常生活中除了做為彈簧秤外，另一大用途．J：新型自行車有些裝上油壓避震器，是帕斯卡原理的運用．2．為何自行車剛騎動時手把會不自覺轉(zhuǎn)動？自行車基本上是兩點著地，騎動時可以不倒下是因為兩輪滾動時產(chǎn)生水平方向的角動量；當車子幾乎靜止時角動量消失了，質(zhì)心要通過底座（人和車體在地面的投影）的機會非常少，不可避免就要倒下，此時若轉(zhuǎn)動手把就會產(chǎn)生垂直方向的角動量，使車子保持平衡，這點和飛盤轉(zhuǎn)動時可以保持平穩(wěn)飛行有異曲同工之妙，但因為轉(zhuǎn)動不是很完整，方向又一再改變，所以一般不能撐很久．3．變速原理設(shè)前齒輪半徑a、后齒輪半徑b，a/b的比值愈大，可以愈省力，但省力一定較費時，所以車騎得不快，一般在起動時會把a/b調(diào)小一點，比較容易克服最大靜摩擦力，之后再把比值變大．一輛十段變速的自行車有兩個不同半徑的前輪，后面有五個，以共有十種組合．4．剎車原理從運動學的角度來看，急剎車車子可能向前翻倒．先考慮前輪剎死的情形：此時以前輪著地點為支點，因車子有向前的慣性（人車的質(zhì)心明顯在支點右上方），很容易有向前翻的情形發(fā)生；那后輪剎車的情形又如何呢?如果后輪剎死了車子的慣性一樣向前，但此時前輪對地面的壓力會增大，相對減少后輪的下壓力，所以翻車的機會較少，當然若是向前的慣性實在太大，車子一樣會以前輪為支點旋轉(zhuǎn)而使后輪會上蹺．綜合以上可知：自行車最好不要單獨剎前輪，若只有一個剎車系統(tǒng)應(yīng)裝在后輪，當然兩輪一起剎車最理想．不論用那一輪剎車，前輪的下壓力一定會增大，后輪的一定減少，所以前輪的剎車摩擦力比后輪的大．所以在機車或汽車上，效果較佳（當然也較貴）的碟式剎車裝在前輪，后輪再裝鼓式剎車，此即常在汽車廣告中聽到的”前碟后鼓”，但注意使用的前提是前后剎車一定同時作用，以免翻車．二、自行車中的物理知識圖1和圖2是兩種常見的自行車，在其中涉及到很多物理知識，包括杠桿、輪軸、摩擦、壓強、能量的轉(zhuǎn)化等力學、熱學及光學知識，下面具體來分析一下．（一）力學知識1．摩擦方面（1）自行車車輪胎、車把套、腳踏板以及剎車塊處均刻有一些花紋，增大接觸面粗糙程度．增大摩擦力．（2）車軸處經(jīng)常上一些潤滑油，以減小接觸面粗糙程度，來減小摩擦力．（3）所有車軸處均有滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，來減小摩擦，轉(zhuǎn)動方便．（4）剎車時，需要纂緊剎車把，以增大剎車塊與車圈之間的壓力，從而增大摩擦力，（5）緊蹬自行車前進時，后輪受到的摩擦力方向向前，是自行車前進的動力，前輪受到的摩擦力方向向后，是自行車前進的阻力；自行車靠慣性前進時，前后輪受到的摩擦力方向均向后，這兩個力均是自行車前進的阻力．2．壓強方面（1）一般情況下，充足氣的自行車輪胎著地面積大約為S=2×10Cm×5cm=100×cm2，當一普通的成年人騎自行車前進時，自行車對地面的壓力大約為F=（500N+150N）=650N，可以計算出自行車對地面的壓強為×104Pa．（2）在車軸擰螺母處要加一個墊圈，來增大受力面積，減小壓強．（3）自行車的腳踏板做得扁而平，來增大受力面積，以減小它對腳的壓強，（4）自行車的內(nèi)胎要充夠足量的氣體，在氣體的體積、溫度一定時，氣體的質(zhì)量越大，壓強越大．（5）自行車的車座做得扁而平，來增大受力面積，以減小它對身體的壓強．3．輪軸方面（1）自行車的車把相當于一個輪軸，車把相當于輪，前軸為軸，是一個省力杠桿，如圖3所示．（2）自行車的腳踏板與中軸也相當于一個輪軸，實質(zhì)為一個省力杠桿．（3）自行車的飛輪也相當于一個省力的輪軸．4．杠桿方面：自行車的剎車把相當于一個省力杠桿．5．慣性方面（1）當人騎自行車前進時，停止蹬自行車后，自行車仍然向前走，是由于它有慣性．（2）當人騎自行車前進時，若遇到緊急情況，一般情況下要先捏緊后剎車，然后再捏緊前剎車，或者前后一起捏緊，這樣做是為了防止人由于慣性而向前飛出去．6．能量轉(zhuǎn)化方面（1）當人騎自行車下坡時，速度越來越快，是由于下坡時人和自行車的重力勢能轉(zhuǎn)化為人和自行車的動能．（2）當人騎自行車上坡之前要緊蹬幾下，目的是增大速度，來增大人和自行車的動能，這樣上坡時動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，能上得更高一些．（3）如圖4所示，自行車的車梯上掛有一個彈簧，在它彈起時，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，車梯自動彈起．7．聲學方面（1）自行車的金屬車鈐發(fā)聲是由于鈴蓋在不停的振動，而汽笛發(fā)聲是由于汽笛內(nèi)的氣體不斷的振動而引起的．8．齒輪傳動方面（1）線速度和角速度的關(guān)系，如圖5所示，設(shè)齒輪邊緣的線速度為v，齒輪的半徑為R，齒輪轉(zhuǎn)動的角速度為ω，則有v=ωR．（二）熱學知識在夏天自行車輪胎內(nèi)的氣體不能充得太足，是為了防止自行車爆胎，因為對于質(zhì)量、體積一定的氣體，當溫度越高，壓強越大，當壓強達到一定程度時，若超過了輪胎的承受能力，就會發(fā)生爆胎的情況．（三）光學知識在日常生活中，自行車的后面都裝有一個反光鏡，它的設(shè)計很巧妙，組成如圖6所示，它是由三個相互垂直的平面鏡組成一個立體直角，用其內(nèi)表面作為反射面，這叫角反射器．當有光線從任意角度射向尾燈時，它都能把光“反向射回”，當光線射向反光鏡時，會使后面的人很容易看到．在夜間，當汽車燈光照到它前方的自行車尾燈上，無論入射方向如何，反射光都能反射到汽車上，其光強遠大于一般的漫反射光，就如發(fā)光的紅燈，足以讓汽車的司機觀察到．（四）電學方面在有些自行車上裝有小型的發(fā)電裝置，它利用摩擦轉(zhuǎn)動，就像我們在實驗室中看到的手搖發(fā)電機一樣，發(fā)出的電能供給車燈工作，起到一定的照明作用．第三課江河大堤與水庫大壩一般江河大堤和水庫大壩的橫截面如圖1甲、乙所示．圖1比較上面兩圖，不難發(fā)現(xiàn)，它們的共同之處都是上窄下寬，不同的是江河堤的迎水面坡度緩，背水面坡度陡，而水庫壩則恰恰相反，擋水面坡度陡，背水面坡度緩．一、為什么江河大提與水庫大壩都修成上窄下寬無論是江河大堤，還是水庫大壩都修成上窄下寬，其目的主要是為了“三防”．1．防水壓根據(jù)液體內(nèi)部壓強公式ｐ=ρｇｈ可知，堤壩內(nèi)的水越靠近堤壩底，水深ｈ越大，水產(chǎn)生的壓強也越大．堤壩下寬能承受較大的水壓，確保堤壩的安全．2．防滲漏堤壩下部受水的壓強越大，水越容易滲進壩體．把下部修得寬些，就可以延長堤壩內(nèi)水的滲透路徑，增大滲透阻力，從而提高堤壩的防滲透性能．3．防滑動堤壩內(nèi)水的壓力總有將大堤向外水平推動和將大壩推向下游的運動趨勢，堤壩基底需要有與之抗衡的靜摩擦力，才能保持堤壩平衡．將堤壩下部修寬既可增大壩體的重力，也可增大迎水面（擋水面）上水對壩體豎直向下的壓力，因此，可以增強壩體與壩基間的最大靜摩擦力，達到防止堤壩滑動的目的．二、為什么江河大堤和水庫大壩兩邊的坡度陡緩狀況修得恰恰相反對于兩岸攔水的大堤來說，奔騰的江河水的沖擊力方向朝下游，水對堤壩的作用力主要是壓力，如圖2甲、乙所示，水的壓力垂直于堤面，根據(jù)力的分解知識有，Ｆｘ=Ｆｓｉｎθ，Ｆｙ=Ｆｃｏｓθ，因此，對于同樣大小的水的壓力Ｆ，坡度平緩的堤面所受橫向水平壓力較小，即Ｆｘ＜Ｆｘ′；所受豎直向下的壓力較大，即Ｆｙ＞Ｆｙ′．所以對于江河大堤，迎水面坡度緩，水對大堤水平向外的推力Ｆｘ?。瑫r豎直向下的力Ｆｙ大，有利于增大堤壩基底與堤壩的靜摩擦力，即可以防滑．圖2圖2圖4圖3對于水庫大壩受力分析，如圖3所示，根據(jù)液體壓強公式ｐ=ρｇｈ，水庫大壩的擋水面各處承受的壓強跟水深成正比，呈三角形分布，故總水壓力通過壓強的三角形分布距壩底Ｈ／3．設(shè)水庫大壩的總重力為Ｇ，重心在Ｏ′處，為便于分析，設(shè)水庫中水對大壩的總壓力Ｆ水平向外（大壩外側(cè)），如圖4所示．因受水的壓力Ｆ的作用，壩體會以水庫外側(cè)大壩的壩腳Ｏ為支點有沿順時針方向傾覆的趨勢，其傾覆力矩為ＭＦ=Ｆ×Ｈ／3．而大壩依靠自身的重力Ｇ產(chǎn)生的抗傾覆力矩ＭG=Ｇｄ．把壩體修得沿背水面坡度緩一些，能夠達到既增大重力，又增大力臂ｄ的效果，從而達到增大抗傾覆力矩ＭG的效果．由此可見，在不增加建設(shè)大堤和大壩的土石方，用料及造價相同的前提下，迎水面比背水面緩的江河大堤更牢固，擋水面比背水面陡的水庫大壩更穩(wěn)定第四課體育中的物理一、跑的力學跑是不斷重復(fù)的周期性運動。波動的速率與頻率及波長的關(guān)系如下式：速率=頻率×波長同理，跑的速率與步頻（每秒鐘所跑的步數(shù)）和步長（每跑一步的距離）的關(guān)系如下式：速率=步頻×步長要增大跑的速率，就要設(shè)法增大步頻和步長。例如一短跑者平均步頻為每秒步，平均步長為步，早其平均速率為米／秒。如果以此速率跑100米，就要12.秒。設(shè)有體力相同的A、B兩人，分別采用圖（a）和（b）兩種跑步方式：（a）的起步角較（b）為大，則（a）每跑一步由于把身體升得較高，要費較長時間才能著地跑一下步。這樣，步頻自然較小。另一方面，由于（a）的起步角較大，升高身體的分速度較大而水平向前的分速度較小，故步長就較短。故（a）跑得比（b）為慢。每跑一步的速度，是由前一步保留下的的速度（慣性）以及下一步有力后所補充的速度的向量和。每跑一步所補充的速度，同由腳向蹬地面而獲得，如圖（c）所示。腳后蹬的力為F，則地面也給人體一個大小等于F的反作用力，人體由于這個力在后蹬時間內(nèi)獲得補充的速度。F與地面的夾角α叫做后蹬角。F可分解為F1和F2兩分力。F1使人獲得水平前進的加速茺，而F2則獲得垂直上升的加速度。后蹬角α決定F1和F2的分配。后蹬角不應(yīng)過大，否則力量F用在升高身體太大而用在前進太小，這就減小了步頻和步長。短跑的后蹬角應(yīng)在52°～60°之間，視體力與技術(shù)而定。完成后蹬動作之后，人體就向前拋騰一步。接著，另一腿由擺動腿轉(zhuǎn)為支撐腿而著地，如圖（d）所示，這動作叫做前蹬。前蹬地面的力R和地面的夾角β叫做前蹬角。人腳受到地面的反作用力和R大小相等而方向相反。前蹬時，應(yīng)腳掌著地，以減小作用力R。由圖可知，R是斜向后的，會減小前進速度。因此，前蹬角β宜大，也就是腳掌不要太早著地，要擺至接近身體下方才著地，這就要以減小R向后的分力。為什么短跑要采用蹲踞的姿勢？在桌面上豎立一段木棒，在底部輕輕水平推動，木棍可以直立移動，但如果用力過大，木棒就會向后翻倒。如（a）圖所求，木棒被推時，它的底部受到兩個力，一是推力P，一是桌面的托力Q。這兩力的合力為F。如果F通過木棒的重心，木棒就不會發(fā)生傾斜。反之，如果F不通過重心，木棒就發(fā)生傾斜而向后翻倒，如圖（b）所示。現(xiàn)在，左手托著木棒使它斜立，突然放手，同時，以右手用力推動木棒底部。若P力大小適合，木棒就不會向后翻倒，能夠向前加速一段路程，如圖（c）報示。短跑是分秒必爭的徑賽，必須爭取較大的起跑加速度，也就是起跑向前推力P要足夠大。如果直立起距，就會發(fā)生身體后仰志的現(xiàn)象。因此，采用蹲踞的姿勢起跑，使地面（或助跑器）作用于足部的合力F通過人體的重心，如圖（d）所示，人體就不會后仰。二、在游自由泳時，下肢怎樣獲得推進力？由牛頓第三運動定律：作用力與反作用力大小相等而方向相反。蛙泳時，雙腳向后蹬水，水受到向后的作用力，則人體受到向前的反作用力，這就是人體獲得的推進力。但是，在自由泳時，下肢是上下打水，為什么卻獲得向前的推進力呢？圖中表示人體作自由泳時，下肢在某一時刻的運作：右腳向下打水，左腳向上打水。由圖可見，由于雙腳與水的作用面是傾斜的，故雙腳所受的反作用力P和Q是斜向前的（水所受的作用是向斜向后的）。P的分力為P1和P2，而Q的分力為Q1和Q2。P1和Q1都是向前的分力，也就是下肢獲得的推進力。同樣道理，魚類在水中左右擺尾，卻獲得向前的推進力，也是由于向前的分力所致。三、拔河比賽只是比力氣嗎拔河比賽比的是什么？很多人會說：當然是比哪一隊的力氣大嘍！實際上，這個問題并不那么簡單。根據(jù)牛頓第三定律（即當物體甲給物體乙一個作用力時，物體乙必然同時給物體甲一個反作用力，作用力與反作用力大小相等，方向相反，且在同一直線上），對于拔河的兩個隊，甲對乙施加了多大拉力，乙對甲也同時產(chǎn)生一樣大小的拉力?？梢姡p方之間的拉力并不是決定勝負的因素。對拔河的兩隊進行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于與地面的最大靜摩擦力，就不會被拉動。因此，增大與地面的摩擦力就成了勝負的關(guān)鍵。首先，穿上鞋底有凹凸花紋的鞋子，能夠增大摩擦系數(shù)，使摩擦力增大；還有就是隊員的體重越重，對地面的壓力越大，摩擦力也會增大。大人和小孩拔河時，大人很容易獲勝，關(guān)鍵就是由于大人的體重比小孩大。另外，在拔河比賽中，勝負在很大程度上還取決于人們的技巧。比如，腳使勁蹬地，在短時間內(nèi)可以對地面產(chǎn)生超過自己體重的壓力。再如，人向后仰，借助對方的拉力來增大對地面的壓力，等等。其目的都是盡量增大地面對腳底的摩擦力，以奪取比賽的勝利。四、為什么滑水運動員站在滑板上不會沉下去呢？看到滑水運動員在水面上乘風破浪快速滑行時，你有沒有想過，為什么滑水運動員站在滑板上不會沉下去呢？原因就在這塊小小的滑板上。你看，滑水運動員在滑水時，總是身體向后傾斜，雙腳向前用力蹬滑板，使滑板和水面有一個夾角。當前面的游艇通過牽繩拖著運動員時，運動員就通過滑板對水面施加了一個斜向下的力。而且，游艇對運動員的牽引力越大，運動員對水面施加的這個力也越大。因為水不易被壓縮，根據(jù)牛頓第三定律（作用力與反作用力定律），水面就會通過滑板反過來對運動員產(chǎn)生一個斜向上的反作用力。這個反作用力在豎直方向的分力等于運動員的重力時，運動員就不會下沉。因此，滑水運動員只要依靠技巧，控制好腳下滑板的傾斜角度，就能在水面上快速滑行。五、“香蕉球”的奧秘如果你經(jīng)常觀看足球比賽的話，一定見過罰前場直接任意球。這時候，通常是防守方五六個球員在球門前組成一道“人墻”，擋住進球路線。進攻方的主罰隊員，起腳一記勁射，球繞過了“人墻”，眼看要偏離球門飛出，卻又沿弧線拐過彎來直入球門，讓守門員措手不及，眼睜睜地看著球進了大門。這就是頗為神奇的“香蕉球”。為什么足球會在空中沿弧線飛行呢？原來，罰“香蕉球”的時候，運動員并不是拔腳踢中足球的中心，而是稍稍偏向一側(cè)，同時用腳背摩擦足球，使球在空氣中前進的同時還不斷地旋轉(zhuǎn)。這時，一方面空氣迎著球向后流動，另一方面，由于空氣與球之間的摩擦，球周圍的空氣又會被帶著一起旋轉(zhuǎn)。這樣，球一側(cè)空氣的流動速度加快，而另一側(cè)空氣的流動速度減慢。物理知識告訴我們：氣體的流速越大，壓強越?。ú匠蹋Ｓ捎谧闱騼蓚?cè)空氣的流動速度不一樣，它們對足球所產(chǎn)生的壓強也不一樣，于是，足球在空氣壓力的作用下，被迫向空氣流速大的一側(cè)轉(zhuǎn)彎了。乒乓球中，運動員在削球或拉弧圈球時，球的線路會改變，道理與“香蕉球”一樣。第五課GPS－全球定位系統(tǒng)一、發(fā)展歷史五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星，美國科學家在對其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)TRANSIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導(dǎo)航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進了多臺多普勒接收機，應(yīng)用于海島聯(lián)測、地球勘探等領(lǐng)域。但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動力學研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國從1973年開始籌建全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）。在經(jīng)過了方案論證、系統(tǒng)試驗階段后，于1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于1994年全部建成，投入使用，歷時20年，耗資200億美元，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。二、基本組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間星座部分GPS衛(wèi)星；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分GPS信號接收機。1.空間星座部分按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座，高度約萬千米，均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為兆赫茲（L1波段）和兆赫茲（L2波段），衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)星位置的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實時的三維測速、三維定位和授時。2.地面控制部分GPS系統(tǒng)的控制部分由設(shè)在美國本土的四個監(jiān)控站、一個上行注入站和一個主控站組成。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這個GPS定位器此刻處于我國哪個城市的什么部位？從顯示屏中你還能獲得哪些信息？3.用戶設(shè)備部分手持式GPS定位器用戶接收機：GPS接收機能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出用戶接收機所處的三維位置，位置，甚至三維速度和時間。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備，即GPS信號接收機?？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機，產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。三、定位原理由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。（3）雙頻法：在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機。（４）其它：其他提高精度技術(shù)：有聯(lián)測定位技術(shù)；偽衛(wèi)星技術(shù)；無碼GPS技術(shù)；GPS測角技術(shù)；精密星歷使用技術(shù)；反SA技術(shù)；GPS/GLONASS組合接收技術(shù)；GPS組合導(dǎo)航技術(shù)等。四、應(yīng)用領(lǐng)域GPS的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）民用領(lǐng)域車輛自導(dǎo)航：車船管理調(diào)度－在出租車行業(yè)、長途運輸業(yè)、租車服務(wù)業(yè)等將能夠?qū)囕v進行跟蹤、調(diào)度管理。在擁擠的停車場、火車調(diào)度場能夠準確地確定車輛的位置，有效地調(diào)動車輛。，郵遞服務(wù)，民航運輸，郵遞服務(wù)：對重要的貨物、包裹與信函等進行跟蹤、引導(dǎo)與保護。對貨場物品入庫與出庫的調(diào)度能有效地確定貨物的存放地點，提高出貨效率，增加管理手段、避免積壓。民航運輸：使飛機著陸時駕駛員通過儀表操作對準跑道。漁業(yè)生產(chǎn)：GPS能滿足漁獵對定位的要求。同時能為捕魚船隊在法律上避免發(fā)生捕魚邊界的糾紛，提高在經(jīng)濟專屬區(qū)的作業(yè)效率。公路水路維護：能準確地引導(dǎo)維護人員調(diào)查需維護的交通設(shè)施?；鹁?、警察、救護的應(yīng)急調(diào)遣：提高緊急事件處理部門對火災(zāi)現(xiàn)場、犯罪現(xiàn)場、交通事故現(xiàn)場、交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率。E－911：美國通訊委員會（FCC）要求將所有的移動電話安裝無線電定位裝置，以便用戶在通過移動電話向911請求幫助時可找到用戶位置，實現(xiàn)快速援助。GPS將是滿足FCC要求的一種精確、成本低廉的方式。搜索與求援：將更加有效地對在人跡罕至、條件惡劣的航海、登山探險、滑雪、沙漠作業(yè)中失蹤的人員進行求援搜索。道路支持：車在路上壞了時，將提高救援車輛找到你的效率。突發(fā)事件臨戰(zhàn)狀態(tài)準備：如在洪水發(fā)生時，需要快速地為救災(zāi)工作做好準備，如繪制洪水邊界圖、排洪國界圖、排洪通道、防洪大堤的調(diào)查。可隨時查找運輸車輛的當前位置，可獲得車輛的定位數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。實施跟蹤一個或多個指定的運輸車輛，使它們落在電子地圖的窗口內(nèi)?？稍O(shè)定跟蹤優(yōu)先級和時間間隔對目標進行跟蹤。對車輛跟蹤形成直觀的運行軌跡。（2）軍用領(lǐng)域GPS是自動化指揮系統(tǒng)、先進武器系統(tǒng)及新的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)理論的一項關(guān)鍵性基本保障技術(shù)，能為地面車輛、人員以及航空、航海、航天等領(lǐng)域的飛機、船只、潛艇、衛(wèi)星、航天飛機進行導(dǎo)航定位；武器發(fā)射、偵察、飛機進場著陸、交通管制、搜索營救，戰(zhàn)場部隊、車輛以及單兵定位；精確制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊目標坐標定位及彈道導(dǎo)引。五、GPS系統(tǒng)主要特點1.GPS系統(tǒng)的實時導(dǎo)航定位精度很高。美國在1992年起實行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），后又實行了A-S政策，即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業(yè)利益，這些政策終將被取消2.全球全天候連續(xù)無源。GPS能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續(xù)的全天候全球?qū)Ш侥芰?。用戶不發(fā)射信號，因而用戶數(shù)量無限。六、GPS的干擾問題GPS信號很弱，易于干擾。一家俄羅斯公司提供的一種4瓦功率的手持GPS干擾機，不到4000美元就買得到。如果從零售電子商店購買部件組裝，花400美元就可以造一個干擾半徑16千米以上的干擾機。伊拉克戰(zhàn)爭開戰(zhàn)之前，美國就已經(jīng)預(yù)料到伊拉克方面會干擾GPS信號。美國其實早已經(jīng)給其GPS炸彈和導(dǎo)彈裝載了抗干擾技術(shù)，使這些GPS導(dǎo)引的武器能夠在干擾的情況下繼續(xù)使用GPS信號；即使GPS信號丟失，這些武器還可以使用自身的其它導(dǎo)引系統(tǒng)如慣性導(dǎo)航、激光制導(dǎo)等，使自己到達目標。第六課汽車安全氣囊系統(tǒng)組成及其工作原理隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車的行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性就變得尤為重要。一、安全氣囊發(fā)展史安全氣囊從1952年就取得了專利，但在應(yīng)用推廣中經(jīng)歷了幾上幾下的波折，足足走過了30多年的漫長路途。直至1984年，汽車碰撞安全標準（FMVSS208）在美國經(jīng)多次被廢除后又重新被認可并開始實施，其中規(guī)定從1995年9月1日以后制造的轎車前排座前均應(yīng)裝備安全氣囊，同時還要求1998年以后的新轎車都裝備駕駛者和乘客用的安全氣囊，自此才確認了安全氣囊的作用。如今，這個在當年頗具創(chuàng)意性的發(fā)明已轉(zhuǎn)為千百萬個產(chǎn)品，種類也發(fā)展為正面氣囊、側(cè)面氣囊、安全氣簾等等。各國生產(chǎn)的中高級轎車，大多數(shù)都裝有安全氣囊，有些轎車已將安全氣囊列入必裝件。在國內(nèi)，隨著CMVDR294碰撞安全法規(guī)的開始實施，國內(nèi)消費者對汽車被動安全性能的要求也越來越高，但目前除了極少數(shù)高級車裝備了側(cè)面氣囊之外，大部分車型還只是安裝了正面氣囊。二、安全氣囊系統(tǒng)組成駕駛員處的安全氣囊是存放在方向盤襯墊內(nèi)，因此，當您看見方向盤上標有“SRS”或“Airbag”字樣，就可知此車裝有安全氣囊。安全氣囊系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器、氣體發(fā)生器和氣囊等主要部件組成。傳感器和微處理器用以判斷撞車程度，傳遞及發(fā)送信號；氣體發(fā)生器根據(jù)信號指示產(chǎn)生點火動作，點燃固態(tài)燃料并產(chǎn)生氣體向氣囊充氣，使氣囊迅速膨脹。氣囊裝在方向盤轂內(nèi)緊靠緩沖墊處，其容量約50至90升不等，做氣囊的布料具有很高的抗拉強度，多以尼龍材質(zhì)制成，折疊起來的表面附有干粉，以防安全氣囊粘著在一起在爆發(fā)時被沖破；為了防止氣體泄漏，氣囊內(nèi)層涂有密封橡膠；同時氣囊設(shè)有安全閥，當充氣過量或囊內(nèi)壓力超過一定值時會自動泄放部分氣體，避免將乘客擠壓受傷；氣囊中所用的氣體多是氮氣。三、安全氣囊的工作原理典型的氣囊系統(tǒng)包括二個組成部分：探測碰撞點火裝置（或稱傳感器），氣體發(fā)生器的氣囊（或稱氣袋）。當傳感器開關(guān)啟動后，控制線路即開始處于工作狀態(tài)，并借著偵測回路來判斷是否真有碰撞發(fā)生。如果訊號是同時來自兩個傳感器的話才會使安全氣囊開始作用。由于汽車的發(fā)電機及蓄電池通常都處于車頭易受損的部位，因此，安全氣囊的控制系統(tǒng)皆具有自備的電源以確保作用的發(fā)揮。在判定施放安全氣囊的條件正確之后，控制回路便會將電流送至點火器，借著瞬時快速加熱，將內(nèi)含的氮化鈉推進劑點燃。在近乎爆炸的化學反應(yīng)快速發(fā)生的同時，會產(chǎn)生大量無害的以氮氣為主的氣體，將氣囊充氣至飽滿的狀態(tài)，并借著強大的沖擊力，氣囊能夠沖開方向盤上的蓋而完全展開，以保護駕駛者頭部不受傷害。同時在推進劑點燃的過程之中，點火器總成中的金屬網(wǎng)罩可冷卻快速膨脹的氣體，隨即氣囊可由設(shè)計好的小排氣口排氣，以發(fā)揮逐漸緩沖功能，并避免在車身仍繼續(xù)移動時阻礙碰撞后的視線。需要特別說明的是，傳感器只有在滿足了一定的條件下才會工作。安全氣囊的傳感器的設(shè)計有很多種，有一部分是采用擺錘或杠桿式開關(guān)，還有的是彈簧負載的轉(zhuǎn)輪式，此外還有用水銀開關(guān)的產(chǎn)品。但不論感測器開關(guān)型式如何，都必須有足夠的撞擊力才能使得開關(guān)啟動，同時這個撞擊力必須來自正的方向才行。通常這個撞擊力約等于以時速２５公里至５０公里左右碰撞固定物所產(chǎn)生的結(jié)果。當汽車受到這種高速碰撞時，裝在車前端的碰撞傳感器和裝在汽車中部的安全傳感器，就可檢測到車速突然減速，并將這一信號迅速傳遞給安全氣囊系統(tǒng)的控制電腦，電腦在經(jīng)過分析確認之后，才會引爆安全氣囊包內(nèi)的電熱點火器，使氣囊發(fā)生迅速膨脹。據(jù)計算，正規(guī)的安全氣囊必須在發(fā)生汽車碰撞后的秒內(nèi)微處理器開始工作，秒內(nèi)點火裝置啟動，秒內(nèi)高壓氣體進入氣囊，秒內(nèi)氣囊向外膨脹，秒內(nèi)氣囊完全脹大，此刻之后，駕車者才會撞上氣囊?？梢姡瑲饽业拇蜷_與否與撞擊角度和撞擊速度都有關(guān)，一般來說在汽車翻轉(zhuǎn)、輕微碰撞、側(cè)面碰撞或后面碰撞時，氣囊均不會打開，比如桑塔納2000升級版在車身正面左右各30度以內(nèi)受到重創(chuàng)時才會打開安全氣囊。再有一點，對于撞擊速度而言，安全氣囊系統(tǒng)測定的是撞擊后車輛的減速度，因此，在做安全碰撞實驗時，一般都是讓車筆直地撞在不能移動且不能變形的墻上。四、安全氣囊的安全性安全氣囊可將撞擊力均勻地分布在頭部和胸部，防止脆弱的乘客肉體與車身產(chǎn)生直接碰撞，大大減少受傷的可能性。安全氣囊對于在遭受正面撞擊時，的確能有效保護乘客，即使未系上安全帶，防撞安全氣囊仍足以有效減低傷害。據(jù)統(tǒng)計，配備安全氣囊的車發(fā)生正面碰撞時，可降低乘客受傷的程度高達64％，甚至在其中有80％的乘客未系上安全帶！至于來自側(cè)方及后座的碰撞，則仍有賴于安全帶的功能。此外，氣囊爆發(fā)時的音量大約只有130分貝，在人體可忍受的范圍；氣囊中78％的氣體是氮氣，十分安定且不含毒性，對人體無害；爆出時帶出的粉末是維持氣囊在折疊狀態(tài)下不粘在一起的潤滑粉末，對人體亦無害。萬事都是一把雙刃劍，安全氣囊同樣也有它不安全的一面。據(jù)計算，若汽車以60km的時速行駛，突然的撞擊會令車輛在秒之內(nèi)停下，而氣囊則會以大約300km/h的速度彈出，而由此所產(chǎn)生的撞擊力約有180公斤，這對于頭部、頸部等人體較脆弱的部位就很難承。因此，如果安全氣囊彈出的角度、力度稍有差錯，就有可能釀出一場“悲劇”。安全氣囊在近幾年得到了飛速的發(fā)展，價格大幅度下降，裝備了安全氣囊的轎車也從過去的中高級轎車向中低級轎車發(fā)展。同時，有些轎車前排安裝了乘客用的安全氣囊（即雙安全氣囊規(guī)格），乘客用的安全氣囊與駕車者用的安全氣囊相似，只是氣囊的體積要大些，所需的氣體也多一些而已。進入90年代以來，安全氣囊的安全性能已被人們普遍接受，并被視為一種現(xiàn)代化和高檔次的安全裝置。了解安全氣囊的工作原理及注意事宜對我們更好的保護自己有很重要的作用，但對于駕駛員來說，安全駕駛才是第一位的，這是任何先進的安全裝置都無法替代的！五、安全氣囊是怎樣發(fā)明的？1．安全氣囊為一次性產(chǎn)品每個氣囊只能使用一次，也就是說氣囊只要引爆就不再有下一次保護的能力，也不能塞回去再使用，引爆后須回廠換一個新的氣囊。在美國，重新裝置一套新氣囊和感應(yīng)系統(tǒng)及整組電腦控制器，一般需要3000美元左右，雖說比較貴，但為了生命安全，這倆錢還是不能省的！2．安全氣囊需與安全帶配合使用由于氣囊是通過爆發(fā)起作用，而設(shè)計者往往是從大多數(shù)、正常的碰撞模擬試驗中尋找最佳方案，但生活中，每一位乘駕者都有自己乘駕習慣，這就造成了人與氣囊會有不同的位置關(guān)系，也就決定了氣囊工作的不穩(wěn)定性。因此，要保證安全氣囊真正起到安全的作用，駕乘人員一定要養(yǎng)成良好的駕乘習慣，保證胸部與方向盤保持一定距離。而最有效的措施就是系好安全帶，安全氣囊只是輔助安全系統(tǒng)，需與安全帶配合使用才能發(fā)揮最大的安全保護效果。3．不要在氣囊的前方、上方或近處放置物品注意不要在氣囊的前方、上方或近處放置物品，因為在緊急時刻這些物品有可能防礙氣囊充氣或被拋射出去，造成更大的危險。在車室內(nèi)安裝收音機、CD機等附件時，要遵照汽車廠的規(guī)定，不要隨意修改屬于安全氣囊系統(tǒng)的零件及線路，否則會影響氣囊工作。六、何時需要修理氣囊？要注意觀察位于儀表盤上的安全氣囊警告燈。在正常情況下，點火開關(guān)轉(zhuǎn)到“ACC”或“ON”位置時，警告燈會亮大約6秒鐘，進行自檢，然后熄滅，若警告燈一直亮，則表明安全氣囊系統(tǒng)有故障，應(yīng)立即進行修理。否則，有可能出現(xiàn)氣囊不起作用或誤彈出的情況。第七課電飯鍋工作原理及保養(yǎng)常識一、電飯鍋工作原理電飯鍋是利用發(fā)熱板，在鋁質(zhì)鍋的底部煮飯。發(fā)熱板內(nèi)藏電熱線，這電熱線是由自動開關(guān)控制。主要構(gòu)造如圖所示。發(fā)熱板的中央有一圓孔，孔內(nèi)有一感溫軟磁，它借著彈簧向上頂貼著鍋底。這是一種純鐵氧體。它在100℃或以下時，可以被永久磁鐵吸引。但當升至103℃時，則失去磁性，不再受永久磁鐵吸引。當按下開關(guān)按鍵，如圖（a）所示。開關(guān)橫桿把磁鐵向上頂貼著感溫軟磁。這時，發(fā)熱線接通，開始加熱。當鍋內(nèi)的飯沸騰后，鍋內(nèi)的水就漸漸減少。當水開始蒸干，鍋內(nèi)的溫度就由100℃上升。當升至103℃時，感溫軟磁就不受磁鐵吸引，開關(guān)的杠桿因彈簧的彈力及本身的重力而下降，壓使接觸點分開，發(fā)熱線就斷電，如圖（b）所示。同時，接通另一保溫電路（圖中略去），保持飯的溫度在70℃左右。二、保養(yǎng)小常識電飯鍋因其美觀、方便實用和耗電量省而倍受人們的青睞，但也有因保養(yǎng)不當而縮短其壽命的事經(jīng)常發(fā)生。為了合理地使用和保養(yǎng)電飯鍋，以延長其使用壽命應(yīng)該注意以下幾點：1、使用過后，內(nèi)鍋經(jīng)洗滌后，外表的水必須揩干后再放入電飯鍋內(nèi)。2、鍋底部應(yīng)避免碰撞變形。發(fā)熱盤與內(nèi)鍋之間必須保持清潔，切忌飯粒掉入影響熱效率甚至損壞發(fā)熱盤。3、內(nèi)鍋可用水洗滌，但外殼及發(fā)熱盤切忌浸水，只能在切斷電源后用濕布抹凈。4、不宜煮酸、堿類食物，也不要放在有腐蝕性氣體或潮濕的地方。5、使用時，應(yīng)將蒸煮的食物先放入鍋內(nèi)，蓋上蓋，再插上電源插頭；取出食物之前應(yīng)先將電源插頭拔下，以確保安全。第八課微波爐的工作原理1946年，斯潘瑟還是美國雷聲公司的研究員。一個偶然的機會，他發(fā)現(xiàn)微波溶化了糖果。事實證明，微波輻射能引起食物內(nèi)部的分子振動，從而產(chǎn)生熱量。1947年，第一臺微波爐問世。顧名思義，微波爐就是用微波來煮飯燒菜的。微波是一種電磁波。這種電磁波的能量不僅比通常的無線電波大得多，而且還很有"個性"，微波一碰到金屬就發(fā)生反射，金屬根本沒有辦法吸收或傳導(dǎo)它；微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透過，其能量反而會被吸收。微波爐正是利用微波的這些特性制作的。微波爐的外殼用不銹鋼等金屬材料制成，可以阻擋微波從爐內(nèi)逃出，以免影響人們的身體健康。裝食物的容器則用絕緣材料制成。微波爐的心臟是磁控管。這個叫磁控管的電子管是個微波發(fā)生器，它能產(chǎn)生每秒鐘振動頻率為億次的微波。這種肉眼看不見的微波，能穿透食物達5cm深，并使食物中的水分子也隨之運動，劇烈的運動產(chǎn)生了大量的熱能，于是食物"煮"熟了。這就是微波爐加熱的原理。用普通爐灶煮食物時，熱量總是從食物外部逐漸進入食物內(nèi)部的。而用微波爐烹飪，熱量則是直接深入食物內(nèi)部，所以烹飪速度比其它爐灶快4至10倍，熱效率高達80%以上。目前，其它各種爐灶的熱效率無法與它相比。而微波爐由于烹飪的時間很短，能很好地保持食物中的維生素和天然風味。比如，用微波爐煮青豌豆，幾乎可以使維生素C一點都不損失。另外，微波還可以消毒殺菌。使用微波爐時，應(yīng)注意不要空"燒"，因為空"燒"時，微波的能量無法被吸收，這樣很容易損壞磁控管。另外，人體組織是含有大量水分的，一定要在磁控管停止工作后，再打開爐門，提取食物。

一、微波爐的基本結(jié)構(gòu)讓我們來研究一下微波爐的內(nèi)部構(gòu)造吧。在微波爐的內(nèi)部，安裝有稱作“磁控管”的裝置。加熱食物所用的微波，就是在這里產(chǎn)生的。發(fā)出的微波，通過波導(dǎo)管送入內(nèi)部。內(nèi)壁由金屬制成。微波碰撞之后也會彈回，為了將微波照到食物上動了不少腦筋。在門上覆蓋有過濾器，這樣微波就不會泄漏到外部。然后是位于正中央的轉(zhuǎn)盤。關(guān)于轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)，在下面將更詳細地做一些了解。微波爐的基本外形和構(gòu)造①門安全聯(lián)鎖開關(guān)--確保爐門打開，微波爐不能工作，爐門關(guān)上，微波爐才能工作；微波爐的基本外形和構(gòu)造②視屏窗--有金屬屏蔽層，可透過網(wǎng)孔觀察食物的烹飪情況；③通風口--確保烹飪時通風良好；④轉(zhuǎn)盤支承--帶動玻璃轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動；⑤玻璃轉(zhuǎn)盤--裝好食物的容器放在轉(zhuǎn)盤上，加熱時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，使食物烹飪均勻；⑥控制板--控制各檔烹飪；⑦爐門開關(guān)--按此開關(guān)，爐門打開。二、工作原理（1）爐腔。爐腔是一個微波諧振腔，是把微波能變?yōu)闊崮軐κ称愤M行加熱的空間。為了使爐腔內(nèi)的食物均勻加熱，微波爐爐腔內(nèi)設(shè)有專門的裝置。最初生產(chǎn)的微波爐是在爐腔頂部裝有金屬扇頁，即微波攪拌器，以干擾微波在爐腔中的傳播，從而使食物加熱更加均勻。目前，則是在微波爐的爐腔底部裝一只由微型電機帶動的玻璃轉(zhuǎn)盤，把被加熱食品放在轉(zhuǎn)盤上與轉(zhuǎn)盤一起繞電機軸旋轉(zhuǎn)，使其與爐內(nèi)的高頻電磁場作相對運動，來達到爐內(nèi)食品均勻加熱的目的。國內(nèi)獨創(chuàng)的自動升降型轉(zhuǎn)盤，使得加熱更均勻，烹飪效果更理想。（2）爐門：爐門是食品的進出口，也是微波爐爐腔的重要組成部分。對它要求很高，即要求從門外可以觀察到爐腔內(nèi)食品加熱的情況，又不能讓微波泄漏出來。爐門由金屬框架和玻璃觀察窗組成。觀察窗的玻璃夾層中有一層金屬微孔網(wǎng)，既可透過它看到食品，又可防止微波泄漏。由于玻璃夾層中的金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔大小是經(jīng)過精密計算的，所以完全可以阻擋微波的穿透。為了防止微波的泄漏，微波爐的開關(guān)系統(tǒng)由多重安全聯(lián)鎖微動開關(guān)裝置組成。爐門沒有關(guān)好，就不能使微波爐工作，微波爐不工作，也就談不上有微波泄漏的問題了。為了防止在微波爐爐門關(guān)上后微波從爐門與腔體之間的縫隙中泄漏出來，在微波爐的爐門四周安有抗流槽結(jié)構(gòu)，或裝有能吸收微波的材料，如由硅橡膠做的門封條，能將可能泄漏的少量微波吸收掉?？沽鞑凼窃陂T內(nèi)設(shè)置的一條異型槽結(jié)構(gòu)，它具有引導(dǎo)微波反轉(zhuǎn)相位的作用。在抗流槽入口處，微波會被它逆向的反射波抵銷，這樣微波就不會泄漏了。由于門封條容易破損或老化而造成防泄作用降低，因此現(xiàn)在大多數(shù)微波爐均采用抗流槽結(jié)構(gòu)來防止微波泄漏，很少采用硅橡膠門封條?？沽鞑劢Y(jié)構(gòu)是從微波輻射的原理上得到的防止微波泄漏的穩(wěn)定可*的方法。廣東格蘭仕企業(yè)（集團）公司生產(chǎn)的格蘭仕微波爐所采用的就是國際上最先進的抗流槽結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，加上其開發(fā)研制的多重防微波泄漏技術(shù)，使微波泄漏控制技術(shù)達到國際先進水平。（3）電氣電路：電氣電路分高壓電路、控制電路和低壓電路三部分。（a）高壓電路：高壓變壓器次級繞組之后的電路為高壓電路，主要包括磁控管、高壓電容器、高壓變壓器、高壓二極管。（b）磁控管：磁控管是微波爐的心臟，微波能就是由它產(chǎn)生并發(fā)射出來的。磁控管工作時需要很高的脈動直流陽極電壓和約3～4V的陰極電壓。由高壓變壓器及高壓電容器、高壓二極管構(gòu)成的倍壓整流電路為磁控管提供了滿足上述要求的工作電壓。（c）低壓電路：高壓變壓器初級繞組之前至微波爐電源入口之間的電路為低壓電路，也包括了控制電路。主要包括保險管、熱斷路器保護開關(guān)、聯(lián)鎖微動開關(guān)、照明燈、定時器及功率分配器開關(guān)、轉(zhuǎn)盤電機、風扇電機等。（4）定時器。微波爐一般有兩種定時方式，即機械式定時和計算機定時。基本功能是選擇設(shè)定工作時間，設(shè)定時間過后，定時器自動切斷微波爐主電路。（5）功率分配器。功率分配器用來調(diào)節(jié)磁控管的平均工作時間（即磁控管斷續(xù)工作時，"工作"、"停止"時間的比例），從而達到調(diào)節(jié)微波爐平均輸出功率的目的。機械控制式一般有3～6個刻度文件位，而計算機控制式微波爐可有10個調(diào)整檔位。（6）聯(lián)鎖微動開關(guān)。聯(lián)鎖微動開關(guān)是微波爐的一組重要安全裝置。它有多重聯(lián)鎖作用，均通過爐門的開門按鍵或爐門把手上的開門按鍵加以控制。當爐門未關(guān)閉好或爐門打開時，斷開電路，使微波爐停止工作。（7）熱斷路器。熱斷路器是用來監(jiān)控磁控管或爐腔工作溫度的組件。當工作溫度超過某一限值時，熱斷路器會立即切斷電源，使微波爐停止工作。三、使用、維護上的禁忌[一]微波爐要放置在通風的地方，附近不要有磁性物質(zhì)，以免干擾爐腔內(nèi)磁場的均勻狀態(tài)，使工作效率下降。還要和電視機、收音機離開一定的距離，否則會影響視、聽效果。[二]爐內(nèi)未放烹飪食品時，不要通電工作。不可使微波爐空載運行，否則會損壞磁控管，為防止一時疏忽而造成空載運行，可在爐腔內(nèi)置一盛水的玻璃杯。[三]凡金屬的餐具，竹器、塑料、漆器等不耐熱的容器，有凹凸狀的玻璃制品，均不宜在微波爐中使用。瓷制碗碟不能鑲有金、銀花邊。盛裝食品的容器一定要放在微波爐專用的盤子中，不能直接放在爐腔內(nèi)。[四]微波爐的加熱時間要視材料及用量而定，還和食物新鮮程度、含水量有關(guān)。由于各種食物加熱時間不一，故在不能肯定食物所需加熱時間時，應(yīng)以較短時間為宜，加熱后可視食物的生熟程度再追加加熱時間。否則，如時間太長，會使食物變得發(fā)硬，失去香、色、味。按照食物的種類和烹飪要求，調(diào)節(jié)定時及功率（溫度）旋鈕，可以仔細閱讀說明書，加以了解。[五]帶殼的雞蛋、帶密封包裝的食品不能直接烹調(diào)。以免爆炸。[六]一定要關(guān)好爐門，確保連鎖開關(guān)和安全開關(guān)的閉合。微波爐關(guān)掉后，不宜立即取出食物，因此時爐內(nèi)尚有余熱，食物還可繼續(xù)烹調(diào)，應(yīng)過1分鐘后再取出為好。[七]爐內(nèi)應(yīng)經(jīng)常保持清潔。在斷開電源后，使用濕布與中性洗滌劑擦拭，不要沖洗，勿讓水流入爐內(nèi)電器中。[八]定期檢查爐門四周和門鎖，如有損壞、閉合不良，應(yīng)停止使用，以防微波泄漏。不宜把臉貼近微波爐觀察窗，防止眼睛因微波輻射而受損傷。也不宜長時間受到微波照射，以防引起頭暈、目眩、乏力、消瘦、脫發(fā)等癥狀，使人體受損。四、使用微波爐的９個禁忌1.忌用普通塑料容器：一是熱的食物會使塑料容器變形，二是普通塑料會放出有毒物質(zhì)，污染食物，危害人體健康。使用專門的微波爐器皿盛裝食物放入微波爐中加熱，2.忌用金屬器皿：因為放入爐內(nèi)的鐵、鋁、不銹鋼、搪瓷等器皿，微波爐在加熱時會與之產(chǎn)生電火花并反射微波，既損傷爐體又加熱不熟食物。3.忌使用封閉容器：加熱液體時應(yīng)使用廣口容器，因為在封閉容器內(nèi)食物加熱產(chǎn)生的熱量不容易散發(fā)，使容器內(nèi)壓力過高，易引起爆破事故。即使在煎煮帶殼食物時，也要事先用針或筷子將殼刺破，以免加熱后引起爆裂、飛濺弄臟爐壁，或者濺出傷人。4.忌超時加熱：食品放入微波爐解凍或加熱，若忘記取出，如果時間超過2小時，則應(yīng)丟掉不要，以免引起食物中毒。5.忌將肉類加熱至半熟后再用微波爐加熱：因為在半熟的食品中細菌仍會生長，第二次再用微波爐加熱時，由于時間短，不可能將細菌全殺死。冰凍肉類食品須先在微波爐中解凍，然后再加熱為熟食。6.忌再冷凍經(jīng)微波爐解凍過的肉類：因為肉類在微波爐中解凍后，實際上已將外面一層低溫加熱了，在此溫度下細菌是可以繁殖的，雖再冷凍可使其繁殖停止，卻不能將活菌殺死。已用微波爐解凍的肉類，如果再放入冰箱冷凍，必須加熱至全熟。7.忌油炸食品：因高溫油會發(fā)生飛濺導(dǎo)致火災(zāi)。如萬一不慎引起爐內(nèi)起火時，切忌開門，而應(yīng)先關(guān)閉電源，待火熄滅后再開門降溫。8.忌將微爐置于臥室，同時應(yīng)注意不要用物品覆蓋微波爐上的散熱窗柵。9.忌長時間在微波爐前工作：開啟微爐后，人應(yīng)遠離微波爐或人距離微波爐至少在1米之外。第九課激光相信激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中，我們常常接觸到激光，例如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在計算機或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細加工。在軍事上，激光被用來攔截導(dǎo)彈?？茖W家也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離，涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那么廣泛，究竟它是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本原理。激光的發(fā)展有很長的歷史，它的原理早在1917年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光英文名是Laser，即LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的縮寫。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。圖1

碳原子示意圖。物質(zhì)由原子組成。圖1是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能階”，不同的能階對應(yīng)于不同的電子能量。為了簡單起見，我們可以如圖1所示，把這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個電子，較高的軌道則可容納8圖1

碳原子示意圖。電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階（圖2a）。同樣地，一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階（圖2b）。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。圖2

原子內(nèi)電子的躍遷過程當原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時，整個原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。圖1顯示了碳原子處于基態(tài)時電子的排列狀況。當一個或多個電子處于較高的能階時，我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕自發(fā)吸收-電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階（圖2a）。自發(fā)輻射-電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階（圖2b）。圖3

紅寶石激光的示意圖受激輻射-光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子（圖2c）圖3

紅寶石激光的示意圖激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。圖4

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖3顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時，有些電子會透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進行受激輻射，使激光的強度增加。設(shè)在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過圖4

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)產(chǎn)生激光還有一個巧妙之處，就是要實現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。以紅寶石激光為例（圖4），原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是秒或更長的時間。電子長時間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因為它使透過受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。激光透過受激輻射產(chǎn)生，有以下三大特性（圖5）﹕激光是單色的，在整個產(chǎn)生的機制中，只會產(chǎn)生一種波長的光。這與普通的光不同，例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的，接近白光。激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機的，相對于激光，這些光就弱得多了。激光的光束很狹窄，并且十分集中，所以有很強的威力。相反，燈光分散向各個方向轉(zhuǎn)播，所以強度很低。圖5普通燈光與激光的比較以能量劃分，激光可大致可分為三類，第一類是低能量激光，這類激光通常以氣體為激光介質(zhì)，例如在超級市場中常用的條形碼掃描儀，就是用氦氣和氖氣作為激光介質(zhì)的；第二類是中能量激光，例如在課堂上用的激光指示器；最后一類為高能量激光，一般用半導(dǎo)體作為激光介質(zhì)，輸出的功率可高達500mW。用于熱核聚變實驗的激光可發(fā)射出時間極短但能量極高的激光脈沖，其脈沖功率竟可達W！這激光可產(chǎn)生達一億度的高溫，引發(fā)微粒狀的氘-氚燃料進行熱核聚變。圖5普通燈光與激光的比較第十課磁浮火車要以最快的速度從一個地方去到數(shù)百公里，甚至數(shù)千公里以外的地方，一般人都會選擇乘搭飛機?？墒牵诓痪玫膶?，一種新的交通工具將會帶領(lǐng)人們以高速于城市之間穿梭。目前為止，一般的子彈火車能以200km/h的速度前進。由于火車與路軌之間的磨擦力限制了火車的最高速度，所以人們便開始研究能懸浮于路軌之上的火車，于是便有磁浮火車的出現(xiàn)了。圖一

我們無法使一塊磁鐵穩(wěn)定地浮在另一塊磁鐵上。顧名思義，磁浮火車是利用磁力使火車懸浮于路軌之上。磁浮火車經(jīng)常被稱為MagLev，即MagneticallyLevitatedtrain的簡寫。但是，利用一般的磁鐵并不能把火車穩(wěn)定地浮起。要是你將兩塊磁鐵的北極相對，你會發(fā)現(xiàn)無法使一塊磁鐵穩(wěn)定地浮在另一塊上（圖一）圖一

我們無法使一塊磁鐵穩(wěn)定地浮在另一塊磁鐵上。圖二圖二

Transrapid系統(tǒng)的原理圖三

磁鐵在導(dǎo)體附近移，便會感應(yīng)出電流真正磁浮火車是如何浮起來的？目前，磁浮火車還在試驗階段。德國科學家設(shè)計了一個名為Transrapid的系統(tǒng)，利用了「電磁力懸浮法」（EMS）把火車浮起（圖二）圖三

磁鐵在導(dǎo)體附近移，便會感應(yīng)出電流日本的科學家則利用了「電動力懸浮法」（EDS）把火車浮起。還記得甚么是「電磁感應(yīng)」嗎？當磁鐵在導(dǎo)體附近移動，導(dǎo)體內(nèi)的磁場會因而改變（圖三），并感應(yīng)出電流。感應(yīng)電流又能產(chǎn)生磁場，根據(jù)楞次定律，這樣產(chǎn)生出來的磁場總是傾向于抗拒引起這個感應(yīng)的改變。「電動力懸浮法」應(yīng)用了電磁感應(yīng)的原理。圖四（a）顯示了這種磁浮火車的原理?；疖囋趯?dǎo)槽內(nèi)行走，槽的兩邊安有一系列"8"字形的線圈。當一輛列車快速駛過時，車兩邊的超導(dǎo)磁鐵便會在線圈上感應(yīng)出電流。巧妙的是，超導(dǎo)磁鐵在"8"字形的線圈中心以下經(jīng)過，因此"8"字形線圈下半部的磁通量改變比上半部大，感應(yīng)出如圖四（b）所示的電流，產(chǎn)生磁力。"8"字形線圈下半部的磁極與超導(dǎo)磁鐵的磁極相同，上半部則與之相反，結(jié)果是這兩部分的線圈對超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生的磁力，都有一個向上的分力，把列車懸浮起來。由于"8"字形線圈只有在超導(dǎo)磁鐵運動時才能感應(yīng)出電流并產(chǎn)生磁性，因此當火車靜止的時候，便不能浮起。所以，火車在激活時會首先靠輪子來滑行，直到產(chǎn)生的磁力足以承托火車的重量，才將輪子收起來，就好象飛機起飛一樣。圖四圖四

電動力懸浮法的技術(shù)圖五圖五

如何推動磁浮火車那么，磁浮火車是怎樣被推動的？它的基本原理很簡單。以日本的磁浮火車為例。移動的列車帶同超導(dǎo)磁鐵在導(dǎo)槽兩邊的線圈感應(yīng)出電流，根據(jù)這些訊息，系統(tǒng)便會把交流電輸入導(dǎo)槽兩邊的推進線圈，產(chǎn)生南北梅花間竹的磁極（圖五），對超導(dǎo)磁鐵造成拉力和推力，使列車加速。磁浮火車能懸浮在路軌上行駛，免除了火車與路軌之間的磨擦力，故能以高速飛馳。估計未來的磁浮火車能以高達500km/h的速度行駛，比現(xiàn)在最快的火車速度要高一倍。此外，磁浮火車非常寧靜。德國農(nóng)民在磁浮火車路軌附近工作，幾乎察覺不到有火車經(jīng)過呢！但磁浮火車有一個缺點，就是建造導(dǎo)軌的費用昂貴。磁浮火車只能在這些導(dǎo)軌上走，大大限制了它的發(fā)展。估計未來的鐵路發(fā)展，仍會以傳統(tǒng)火車為主。值得中國人民興奮的是，世界上第一條商用的磁浮鐵路將于2022年于中國面世。這個計劃耗資26億元人民幣。到時Transrapid磁浮火車將會帶領(lǐng)人們以200km/h的高速穿梭于上海市中心和浦東國際機場之間，整個旅程只需10分鐘第十一課超聲波的應(yīng)用我們的耳朵只能分辨頻率為二十至二萬赫的聲音，頻率比人的聽頻范圍高的聲波就叫做超聲波。不同的動物可聽到的聲波頻率范圍不盡相同。狗可以聽到一些超聲波，所以狗只訓(xùn)練員可以用超聲波哨子呼喚狗兒。超聲波對于蝙蝠更為重要，這種動物是靠超聲波來「看」世界的！圖一

超聲波掃描術(shù)常用于產(chǎn)前檢查圖一

超聲波掃描術(shù)常用于產(chǎn)前檢查醫(yī)學的超聲波掃描術(shù)可說是超聲波最重要的應(yīng)用。超聲波掃描不涉及有害的輻射，遠比X-射線等檢驗工具安全，所以常用于產(chǎn)前檢查（圖一）。醫(yī)生會將一個發(fā)出高頻超聲波（頻率為1-5兆赫）的手提換能器，圖二

多普勒超聲波掃描術(shù)檢查血液在心臟的流動速度貼著母親的肚皮進行掃描。聲波到達各種身體組織的邊界時會有不同程度的反射（例如液體及軟組織的邊界、軟組織及骨的邊界）圖二

多普勒超聲波掃描術(shù)檢查血液在心臟的流動速度超聲波掃描術(shù)的兩個重要分支-多普勒超聲波掃描術(shù)和立體超聲波成像技術(shù)，更擴大了超聲波在醫(yī)學上的用途。多普勒超聲波掃描術(shù)已應(yīng)用了頗長的時間，這技術(shù)利用了波動的多普勒效應(yīng)。反射超聲波物體的運動，會改變回聲的頻率﹔當物體正向著接收器移動時，頻率便會升高，相反當物體正在遠去時，頻率便會降低。從回聲的頻率改變，儀器便可計算到物體的運動速度。多普勒超聲波掃描術(shù)主要用于檢查血液在心臟及主要動脈中的流動速度。血液的流動情況會以一個顏色的影像顯示出來，不同的顏色代表不同的流速（圖二）。這有助醫(yī)生及早發(fā)現(xiàn)胎兒先天性心臟毛病。立體超聲波成像技術(shù)是很新的技術(shù)。檢查員首先從多個不同角度拍攝胎兒的二維超聲波影像，然后利用計算機技術(shù)合成胎兒的立體影像。利用這技術(shù)可清晰地顯示胎兒的樣貌（圖三），甚至攝錄到胎兒細致如踢腳或轉(zhuǎn)身等動態(tài)，實在為準父母帶來不少驚喜。外表的缺憾如兔唇、多指甚至細如斑痣等都可以清楚地顯示出來。立體成像技術(shù)將會成為未來超聲波技術(shù)研究的重點。圖三圖三

利用立體超聲波成像技術(shù)顯示胎兒的立體影像此外，高頻的超聲波帶有強大的振動能。將超聲波入射載滿水的容器，再放入需要的清洗的對象，水的振動便可去除對象上的塵垢，而不需直接接觸對象的表面。眼鏡公司替我們洗眼鏡時就是用這種方法。如果將高能超聲波聚焦，能量甚至足以震碎石塊，所以可以用來擊碎體內(nèi)結(jié)石，使患者免受手術(shù)之苦。第十二課載人航天三大難題載人航天是集國家政治、軍事、科技實力為一體的高難度系統(tǒng)工程。要真正把人送入太空乃至使人長時期在太空生活，必須要突破三大技術(shù)難題。第一個難題是，研制出推力足夠大，可靠性極端好的運載工具。前蘇聯(lián)發(fā)射東方號、上升號、聯(lián)盟號等載人飛船的運載火箭都是運載能力5噸以上，而且在發(fā)射中極少發(fā)生事故的優(yōu)秀運載工具。為了確保發(fā)射時萬無一失，運載火箭及飛船的關(guān)鍵部件必須是雙備份或三備份，火箭、飛船在上天前，必須經(jīng)過一系列極嚴格的地面測試和模擬飛行，直到?jīng)]有一絲隱患才能放行上天。據(jù)記載，蘇／俄近百次發(fā)射載人飛船，運載火箭出現(xiàn)問題宇航員使用逃逸塔救生設(shè)備的僅1次。美國航天飛機的近百次飛行，也只有挑戰(zhàn)者號爆炸一次災(zāi)難性事故。難怪有專家說，由于對可靠性的重視，實際上，與航海、航空及陸上各種交通運輸工具比較，航天器的活動有著最好的安全記錄。第二個難題是，獲得空間環(huán)境對人體影響的足夠信息，了解人體所能承受的極限條件并找到防護措施?？臻g環(huán)境與陸地環(huán)境有著天壤之別。太空中高度真空，沒有氧氣沒有水，如果沒有任何保護，人體暴露在這樣的環(huán)境里，不消一分鐘，就會由于身體內(nèi)外的巨大壓差而爆炸，體液會迅速沸騰汽化。太空中溫差極大，由于沒有空氣對流，航天器朝陽面溫度可達100℃以上，而背陰面則會在－100℃以下，在遠離地球的深空中，溫度則達到人體根本無法耐受的－273℃。太空中還充滿了有害的宇宙輻射。另外太空失重環(huán)境，特別是飛船上升、返回階段的加速度和減速度會使人體發(fā)生平衡功能紊亂、體內(nèi)組織位移、肌肉萎縮、骨質(zhì)脫鈣等病變。要在這種環(huán)境里保證人的生存，就必須研制出密封的防輻射飛船，飛船中要配備能供人正常生活的空氣、水、溫度等基本生命保障條件。同時還要為宇航員裝備上宇航服，一旦宇航員要走出飛船座艙到太空中工作，所有的生命保障系統(tǒng)便全由宇航服提供。在近40年的載人航天實踐中，蘇／俄研制出了東方號、上升號、聯(lián)盟號三代載人飛船，美國也成功使用了水星號、雙子星座號和阿波羅號三代載人飛船以及航天飛機。乘坐這些航天器，截至1997年4月世界上已有727人次宇航員成功地進入了太空。第三個難題是，可靠的救生技術(shù)及安全返回技術(shù)。載人航天與不載人航天最大的區(qū)別就在于救生技術(shù)的應(yīng)用和安全返回的絕對可靠。載人航天的救生裝置有彈射座椅、逃逸塔、分離座艙和載人機動裝置等。它們在飛行的不同高度發(fā)揮各自的作用。一般來說，飛行高度在10公里左右時，宇航員可以采用彈射座椅的方式彈出發(fā)生危險的航天器，跳傘救生。也可以啟動逃逸塔，讓逃逸塔拉著飛船甩掉出毛病的火箭另行降落救生。如果火箭高空發(fā)生問題，宇航員跳傘不行了，逃逸塔已按飛行程序拋掉了，則只有采取分離飛船座艙的辦法，讓飛船座艙自己返回救生。飛船入軌后，一旦自身遭到損壞或宇航員生病，需營救時，那么只有暫時采用船上救生裝置等待地面發(fā)射飛船救生的辦法。飛船的安全返回也不容易，它需要啟動反推火箭減速、調(diào)姿、進入返回軌道等技術(shù)，還要闖過三道"鬼門關(guān)"：一是過載關(guān)，飛船高速進入稠密大氣層時會產(chǎn)生巨大的沖擊過載，就像飛機撞山一般；二是火焰關(guān)，飛船返回與空氣的劇烈摩擦會產(chǎn)生幾千度的高溫，沒有防護，鋼筋鐵骨也會化為灰燼；三是撞擊關(guān)，飛船降落盡管有降落傘，但它的降落速度仍達每秒14米，不采取措施，就是壯漢也會被摔死。此外，落點的精度也是大問題，前蘇聯(lián)的一艘飛船返回時出現(xiàn)落點偏差，結(jié)果營救人員找不到宇航員，而宇航員卻被困在冰天雪地的森林里差點凍死。盡管載人航天困難重重，但人類正在一步步地掌握它的規(guī)律。中國航天科學家已經(jīng)成功的解決了這三大難題，載人航天工程已經(jīng)取得了可喜的成績。第十三課看照片的藝術(shù)其實，即使在今天，許多人對照相還并沒有多少了解，譬如說，就很少有人知道拍好的照片應(yīng)該怎樣看。你一定以為這根本沒有什么怎樣看的問題：把照片拿在手上看就是了。但是事實上并不這么簡單。照片跟許多日常接觸的東西一樣，雖然接觸很多，但是我們卻不知道正確對待它。大多數(shù)的攝影師和愛好攝影的人——更不用提一般人——在看照片的時候，完全不是用正確的方法看的。發(fā)明照相術(shù)已經(jīng)將近100年了，竟還有不少的人不知道應(yīng)該怎樣看他的照片。照相機在構(gòu)造上說，等于一只大眼睛：在它的毛玻璃上顯出的像的大小，要根據(jù)透鏡跟被拍物體之間的距離來決定。照相機拍下來的底片上的像，就跟我們用一只眼睛（注意：一只眼睛?。┓旁阽R頭的位置上所看到的相同。因此，假如我們想從照片上得到跟原物完全相同的視覺上的印象，我們就應(yīng)該：1．只用一只眼睛來看照片，2.把照片放在眼前的適當距離上。如果我們用兩只眼睛看照片，我們一定會看到前面只是一幅平面的圖畫，而不是有遠近不同的圖畫。這一點是不難理解的。因為這是根據(jù)我們視覺的特性看到的現(xiàn)象。我們看一個立體的東西，兩眼視網(wǎng)膜上所得到的像是不相同的，右眼看到的跟左眼看到的并不完全一樣；正是這個不完全一樣的像，才使我們能夠感覺到東西是立體的而不是平面的，在我們的意識里會把這兩個不同的像融合成一個凸起的形象。假如在我們面前只是一個平面的東西,譬如一堵墻壁,那時候情形就完全不同,那時候兩