初中物理校本課程教材《生活中的物理理》

第第#頁第第44頁第十課磁浮火車要以最快的速度從一個地方去到數百公里，甚至數千公里以外的地方，一般人都會選擇乘搭飛機?？墒?，在不久的將來，一種新的交通工具將會帶領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圖一我們無法使一塊磁鐵穩(wěn)定地浮在另一塊磁鐵上。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)現無法使一塊磁鐵穩(wěn)定地浮在另一塊上（圖一）。所以，要把火車浮起并不如想象中般簡單。圖三磁鐵在導體附近移，便會感應出電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。德國科學家設計了一個名為Transrapid的系統，利用了「電磁力懸浮法」（EMS）把火車浮起（圖二）。在這個系統中，火車的底部包著一條導軌，在火車底部起落架的電磁鐵向著導軌，磁力使火車懸浮在導軌之上約一厘米，即使在靜止的時候，火車仍然保持浮起。其它導引磁鐵則能使火車在行使時保持穩(wěn)定。

圖三磁鐵在導體附近移，便會感應出電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」嗎？當磁鐵在導體附近移動，導體內的磁場會因而改變（圖三），并感應出電流。感應電流又能產生磁場，根據楞次定律，這樣產生出來的磁場總是傾向于抗拒引起這個感應的改變?！鸽妱恿腋》ā箲昧穗姶鸥袘脑?。圖四（a）顯示了這種磁浮火車的原理?；疖囋趯Р蹆刃凶?，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，車兩邊的超導磁鐵便會在線圈上感應出電流。巧妙的是，超導磁鐵在"8"字形的線圈中心以下經過，因此"8"字形線圈下半部的磁通量改變比上半部大，感應出如圖四（b）所示的電流，產生磁力。"8"字形線圈下半部的磁極與超導磁鐵的磁極相同，上半部則與之相反，結果是這兩部分的線圈對超導磁鐵產生的磁力，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磁鐵運動時才能感應出電流并產生磁性，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。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磁鐵在導槽兩邊的線圈感應出電流，根據這些訊息，系統便會把交流電輸入導槽兩邊的推進線圈，產生南北梅花間竹的磁極（圖五），對超導磁鐵造成拉力和推力，使列車加速。圖五如何推動磁浮火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。德國農民在磁浮火車路軌附

近工作，幾乎察覺不到有火車經過呢！但磁浮火車有一個缺點，就是建造導軌的費用昂貴。磁浮火車只能在這些導軌上走，大大限制了它的發(fā)展。估計未來的鐵路發(fā)展，仍會以傳統火車為主。圖五如何推動磁浮火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2003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！蝙蝠先會發(fā)出一連串超聲的尖叫聲，聲波遇到障礙物便會反射，就像我們向山谷拍手會聽到回聲一樣。由于超聲波的頻率高，相對較少出現繞射現象，所以回聲十分清晰。蝙蝠分析回聲的方向和回傳時間，便可以知道環(huán)境的精確圖像。人們根據蝙蝠「看」事物的原理，發(fā)明了聲納探測器，用來測量水深。船只上的發(fā)射器先向海底發(fā)射超聲波，再由另一些儀器接收和分圖一超聲波掃描術常用于產前檢查析反射回來的訊息，從而得到整個海床的面貌。圖一超聲波掃描術常用于產前檢查醫(yī)學的超聲波掃描術可說是超聲波最重要的應用。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，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）。接收器收到反射波，便可計算出反射的強度及反射面的距離，以分辨不同的身體組織，并得到胎兒的影像。接收器使用了壓電的原理，把超聲波所產生的壓力轉變成電子訊號，再輸送到儀器分析。超聲波掃描可以幫助醫(yī)生量度胎兒的大小以確定產期，檢查胎兒的性別、生長速度、頭的位置是否正常向下、胎盤的位置是否正常、陽水是否足夠，與及監(jiān)察抽陽水的過程，以保障胎兒的安全等。此外，超聲波掃描術也用于婦科檢查，它可以幫助醫(yī)生有效地把生長在乳房或卵巢的惡性組織分辨出來。超聲波掃描術的兩個重要分支-多普勒超聲波掃描術和立體超聲波成像技術，更擴大了超聲波在醫(yī)學上的用途。多普勒超聲波掃描術已應用了頗長的時間，這技術利用了波動的多普勒效應。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)現胎兒先天性心臟毛病。圖二多普勒超聲波掃描術檢查血液在心臟的流動速度立體超聲波成像技術是很新的技術。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合成胎兒的立體影像。利用這技術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。立體成像技術將會成為未來超聲波技術研究的重點。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。如果將高能圖三利用立體超聲波成像技術顯示胎兒的立體影像超聲波聚焦，能量甚至足以震碎石塊，所以可以用來擊碎體內結石，使患者免受手術之苦。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。前蘇聯發(fā)射東方號、上升號、聯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鍵部件必須是雙備份或三備份，火箭、飛船在上天前，必須經過一系列極嚴格的地面測試和模擬飛行，直到沒有一絲隱患才能放行上天。據記載，蘇／俄近百次發(fā)射載人飛船，運載火箭出現問題宇航員使用逃逸塔救生設備的僅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℃O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、體內組織位移、肌肉萎縮、骨質脫鈣等病變。出密封的防輻射飛船，飛船中要配備能供人要在這種環(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在近40年的載人航天實踐中，蘇/俄研正常生活的空氣、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，可靠的救生技術及安全返回技術。載人航天與不載人航天最大的區(qū)別就在于救生技術的應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、調姿、進入返回軌道等技術，還要闖過三道"鬼門關"：一是過載關，飛船高速進入稠密大氣層時會產生巨大的沖擊過載，就像飛機撞山一般；二是火焰關，飛船返回與空氣的劇烈摩擦會產生幾千度的高溫，沒有防護，鋼筋鐵骨也會化為灰燼；三是撞擊關，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，前蘇聯的一艘飛船返回時出現落點偏差，結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成功的解決了這三大難題，載人航天工程已經取得了可喜的成績。第十三課 看照片的藝術其實，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)明照相術已經將近100年了，竟還有不少的人不知道應該怎樣看他的照片。照相機在構造上說，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。因為這是根據我們視覺的特性看到的現象。我們看一個立體的東西，兩眼視網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,那時候兩只眼睛會看到完全相同的像，這樣我們的意識里就知道它是平面的?，F在我們就可以明白，假如我們用兩只眼睛來看照片是犯了什么樣的錯誤，這樣做就等于我們要自己感覺到前面是一幅平面的圖畫！我們把應該只給一只眼睛看的照片交給兩只眼睛看，就妨礙了自己看到照片上應該看到的東西，因此，照相機這么完善地照出來的像，就給這個大意的行動完全破壞了。應該把照片放在多遠的地方看。第二條規(guī)則也同樣重要，——應該把照片放在眼前的適當距離上來看，否則，也要破壞正確的形象。這個距離究竟應該多大呢？如果要得到一個完全的印象，照片所夾的視角應該跟照相機的鏡頭望到毛玻璃上的像所夾的視角一樣，或者也可以這樣說，應該跟照相機的鏡頭望到被拍的東西的視角一樣。從這里可以找到應該把照片放在多遠來看的答案：換句話說，我們應該把照片放在眼前大約等于鏡頭焦距的距離上。假如我們注意到大多數小照相機的鏡頭焦距多是12?15厘米，那我們就可以知道，我們向來沒有把照片放在正確的距離上來看：對于正常的眼睛，看東西最清楚的距離——明視距離——大約是25厘米，這個數目幾乎等于照相機鏡頭焦距的2倍。至于掛在墻壁上的照片，因為人們都是從更遠的距離上來看的，自然也只給人一種平面的感覺了。只有患近視的人（以及能夠在近距離看得清楚的孩子們），他們的明視距離比較短，在用正確的方法（用一只眼睛）看一張普通照片的時候，才會看到這種效果。他們按習慣把照片拿在眼前12?15厘米的地方，因此他們看到的不是單純平面的圖畫，而是像在實體鏡里看到的那種立體形象了?，F在我相信讀者一定會同意，過去由于自己的無知，沒有能夠從照片上得到它所能夠提供給我們的全部效果，以致時常埋怨照片的呆板平淡。全部問題在于我們沒有能夠學會把眼睛放在照片前面的適當距離上，而且用了兩只眼睛去看那種只預備給一只眼睛看的東西。放大鏡的驚人作用。方才我們說過，患近視的人會把照片上的像看成立體的。那么，有正常視力的人要怎么辦呢？他們不能把照片放得離眼很近。還好，幸虧放大鏡幫助他們解決了這個困難。如果透過一面放大率2倍的放大鏡去看照片，他們就很容易得到方才所說患近視的人所得到的便利，就是可以不必使兩眼過分緊張就能夠看出照片的立體形象。這樣看到的照片上的像跟我們通常從遠距離用兩只眼睛所看到的照片上的像，有極大的不同。這個看普通照片的方法，幾乎可以代替實體鏡。為什么用一只眼睛透過放大鏡看照片，會看到它的立體形象，現在已經明白了。讀者現在已經明白，這個事實一點也不會使實體鏡的理論有什么動搖。玩具店發(fā)售的“畫片鏡”也是根據同一原理制造成功的。用一只眼睛透過這個小巧玩具里的放大鏡來看里面的普通風景照片，已經可以得到立體的形象了。一般還喜歡把照片里比較前面的物體剪出來，放在照片前面，我們的眼睛對于近距離物體的立體形象是很敏感的，而對于那比較遠的物體的立體形象感覺得比較遲鈍，因此整個立體形象也就更加強了。照片的放大。能不能讓正常的眼睛不用放大鏡就能正確地看到照片上的立體形象呢？這是完全能夠的，只要拍照的時候用一只焦距大一點兒的鏡箱就行了，只要用焦距25?30厘米的鏡箱，拍出的照片就可以拿在普通的明視距離上來看（用一只眼睛）——這時候照片就會顯出適當的立體形象。我們還可以拍這樣的照片，使你即使用兩只眼睛從遠距離來看，也不是平面的形象。我們前面已經說過，如果左右兩眼從一個物體上得到兩個相同的形象，就會感到這是一個平面的畫面。但是這種兩眼看到的差別隨著距離的增加很快地減低下來。實驗告訴我們，用焦距70厘米的鏡箱拍出來的照片，直接用兩只眼睛看仍舊可以看得出立體形象。但是，要照相機全都是長焦距的，也是一件很不便當的事情。因此我們再提出另外一個辦法，就是把普通照相機拍得的照片放大。照片經過放大以后，看照片的正確距離也隨著加大了。譬如把焦距15厘米的鏡箱拍得的照片放大4倍或5倍，那就可以得到所要求的效果了：放大以后的照片已經可以用兩只眼睛從60?75厘米的距離上來看了。放大的照片上可能有一些模糊不清的地方，但是并不會有什么不好的，因為從遠距離上看，這些地方是并不鮮明的；而從得到立體形象這方面來說，無疑是成功的。第十四課了解冰箱的構造冰箱的構造是這樣組成的

如圖沿著黑色的箭頭，可以了解氣體是以怎樣的流向發(fā)生變化的。帶有黃色、紅色、藍色的箭頭，是發(fā)生氣體循環(huán)的情況。其各自的作用如下。壓縮機：對氣體加壓，使它變?yōu)橐后w。散熱器：將熱量排到冰箱外部。冷卻器：減壓，將氣體還原為氣態(tài)。用這時被帶走的汽化熱冷卻冰箱那么，冰箱是如何進行汽化熱交換的呢？冰箱除了門以外的部分，都遍布有充入氣體的管子。原本是氣態(tài)的氣體