与高中新生的谈话━身边的物理

一、 成语中的物理

成语是我国语言宝库中的珍贵财富。它不仅具有文字简练、意味深长的特点，而且有些成语中，还含有一定的物理知识。“刻舟求剑”这个成语中就包含着物理知识。

故事：“刻舟求剑”来源于《吕氏春秋·察今》，说的是楚国有一个人带着宝剑乘船过江，当船正在行驶的时候，一不小心，把剑掉入江中，他立即用刀在剑落水的船帮处刻上记号，并宣布说：“这儿是我的宝剑掉下去的地方。”到对岸后，船停了下来，他便根据船上刻下的记号下水去捞剑。结果怎么也捞不到。

哲理：这个成语故事告诫人们，在处理具体问题时，不能不看事物的发展变化墨守成规。而应当根据事物的发展变化随机应变。

物理:求剑者所以捞不到剑，是因为选错了参照物。如果船在静水中不动，剑沉底后，相对船的位置不再改变，这样在船上的记号下方可以捞到剑。现在船在流水中，并从剑掉下的地方驶到了对岸，所以在船上的记号下方就不能捞到剑

注意提问，研究对角是谁？剑　　　包含了几个物理过程？刻舟和求剑　　每个过程参照物是谁？船和岸，从今人的观点看，他犯了一个参照物发生了变化而不改变的错误。

二、生活中的物理

筷子“神力”大揭秘

思考

　　把一根筷子插入装着米的杯子中，然后将筷子上提，筷子会把米和杯子提起吗？

　　材料

　　塑料杯一个、米一杯、竹筷子一根。

　　操作

　　1、将米倒满塑料杯；

　　2、用手将杯子里的米按一按；

　　3、用手按住米，从手指缝间插入筷子；

　　4、用手轻轻提起筷子，杯子和米一起被提起来了。

　　讲解

由于杯内米粒之间的挤压，产生并增大了米与杯，米与筷子间的静摩擦力，所以筷子就能将盛有米的杯子提起来。

深化思考：粒间有间隙吗？怎样用实验说明？间隙有多大？

三、身边的估算：

物理学中的佳话：

1．费米的故事:

恩利克•费米（Enrica Fermi 1901.09.29至1954.11.28）。美国物理学家。生于意大利罗马，1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国。在玻恩的指导下从事 研究工作。1924年到荷兰莱顿研究所工作。1926年任罗马大学理论物理学教授。1929年任意大利皇家科学院院士。当时他已经发表了他的第一篇主要论 文，论述了物理学中的一个深奥的分支，人称量子统计学。在这篇论文中，费米发展了量子统计学，用它来描述某类粒子大量聚集的行为，这类粒子人称费米子。由 于电子、质子和中子——构成普通物质的三种“建筑材料”都是费米子，所以费米学说具有重要的科学意义。

费米和康普顿去一个地方开会，也是在战时，军方严禁这两个大人物坐飞机，他们只能坐火车去。路上很无聊，康普顿就想找个话题。于是说起一次爬山的时 候发现自己的手表变得不准时的事情。费米马上拿出纸和笔算了起来：山的高度影响气压，气压影响到watch里指针的频率，blablabla...费米很 快得到一个公式，甚至估计了一下大概会快多少，居然和康普顿那天发现的误差很接近。费米这种从复杂的物理现象中提炼出要害，建立数学模型并快速估算结果的 能力无与伦比，连康普顿这样的大物理学家都被惊得目瞪口呆。 关于费米，有一个故事被广为流传。话说第一颗原子弹在new mexico 试爆的时候，费米在离爆心9miles的地方观察，当冲击波到来的时候，他在空中撒了一些纸片，观察纸片落下来漂移的距离，他很快估算出爆炸的当量。这个 故事被传得很神。 其实这个小实验是费米在事前精心设计过的，他还特地计算设计了一个表：偏移多少距离对应于多大的爆炸当量。当时费米要做的只是量一下纸片偏移的距离，就知道答 案了。不过还是很神奇的，因为通过分析仪器纪录的数据算出准确的当量，是一大群人奋战好几天以后的事了，而他们的结果和费米的估计值，相当接近。

2．一个流传的很广的故事：一位科学家观看美国阿波罗号飞船（1969年7月16日,巨大的“土星5号”火箭载着“阿波罗11号”飞船从美国肯尼迪角发射场点火升空,开始了人类首次登月征程）登月科教片，估算出月球重力加速度，他观察到了飞船入口的悬挂物摆动了几次，一是悬挂物的长度，二是摆动次数，三是用时。

悬挂物的长度是怎样判断的？

开发你的思维：

估算猫落地时的速度，给出数学模型

题目：图示是一张四肢被人抓住的猫从高处被丢下时的频闪照片。根据这张照片：估算猫落地时的速度。

解决问题的关键：高度，难度：照片按什么比例。从哪里找到已知长度。(7m/s左右均可)

四、“没底”的酒杯

你已经把水注满到杯子的边上，杯子里完全装满了水。在杯子旁边有一些大头针。或许，杯子里还可能找得出一点点地方来安放一二枚大头针吧？试试看。

　 　请你把大头针一枚一枚投进杯子里去，数着你投进去的数目。投大头针的时候要谨慎小心：要小心地把针尖放进水里，然后轻轻把手放开，不让有一点震动，也不 加一点压力。你默默地数着：l枚、2枚、3枚，已经有3枚落到杯子底上了──可是水面并没有变动。10枚、20枚、30枚了，杯里的水并没有溢出。50 枚、60枚、70枚……已经是整整100枚大头针丢在杯底了，可是杯里的水仍旧没有溢出一点来（如图）。

　 　而且，还不只是没有水溢出来，甚至看不到水面有显著高出杯口的情形。再加多些大头针看看。200枚、300枚、400枚大头针已经沉到杯底了，可是，仍 旧没有一滴水从杯口溢出来；只是现在已经可以看到水面比杯口略略高起一些了。原来，这个奇怪现象的解答正在水面高起这一点。玻璃只要略沾些油污，便很难沾 水；在我们杯口的边上，也跟一切常用的器具一样，难免由于人手的接触留下一些油脂的痕迹。

　 　杯口的边上既然不会沾水，那么，被杯里的大头针所排出的水就只好形成一个高起的凸面。这个凸面的高出程度很不显著，这只要花一点时间算出一枚大头针的体 积来，拿它跟这个高起部分的体积比较一下，就知道大头针的体积只有高起部分的体积的几百分之一，因此在这个装满水的杯子里才能找出容纳几百枚大头针的地 方。用的杯子杯口越大，可以容纳的大头针也越多，因为杯口越大，高起部分的体积也越大。

　　要更清楚地了解这个问题，让我们做一个计算，一枚大头针大约25毫米长、0.5毫米粗。这样一个圆柱体的体积不难依照几何学上的公式（πd²h／4）算出，等于5³毫米。再加上大头针的头，总体积大约不超过5.55³毫米。

现在来算一算杯口上高起部分的体积，假定杯口直径是9厘米（90毫米）。这样的圆面积大约等于6400平方毫米。如果我们把高起的水层的厚度算作1毫 米，那么它的体积就是6400立方毫米，这就有大头针体积的1200倍。换句话说：一只装“满”水的杯子，竟可以容纳1000多枚大头针！而事实上，只要 仔细地把针一枚一枚投进去，你的确能够把整千枚大头针投进杯里去，甚至这些大头针看起来已经满杯都是或者已经突出到杯口以外了，水却仍旧一点没有溢出来。

五、电风扇涉及到的物理

电风扇是人们避暑的常用家电，它在工作时涉及到很多物理知识，同时也是中学物理经常考察的知识点。现在从力、热、电三方面分析如下：

四个问题

1、 电风扇工作起来以后有没有必要担心竖杆因受力而掉下来呢？

2、 炎热的夏天使用电风扇会感觉到凉爽。那么凉爽的原因是不是电风扇工作起来以后使室内的温度降低了?

3、 工作原理是什么？

4、 电风扇用久以后，扇叶的下面很容易沾上很多灰尘，什么原因呢？

１、当电风扇静止时，竖杆对其拉力等于电风扇本身的重力，那么当电风扇工作起来以后有没有必要担心竖杆因受力增大而掉下来呢？

答案是否定的。

为什么呢？因为当电风扇转动起来以后，扇叶把空气推向下方。即扇叶对其下方的空气有向下的力，根据“物体间力的作用是相互的”可知：空气对扇叶同时也有 向上的力，明确这一点以后，再对电风扇进行受力分析，电风扇在竖直方向上受到3个力的作用，即：竖直向下的重力；竖直向上的竖杆对电风扇的拉力和空气对电 风扇的向上的力。

因此可以知道：此时竖杆对电风扇的拉力一定要比静止的时候减小。因此，我们完全没有必要担心电风扇转动起来以后会因为承受的力增大而掉下来。

２、当我们在炎热的夏天使用电风扇的时候，会感觉到凉爽。那么凉爽的原因是不是电风扇工作起来以后使室内的温度降低了。

情况恰恰不是这样的。

（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。

但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。

３、电风扇的主要部件是：交流电动机。

其工作原理是：通电线圈在磁场中受力而转动。

能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为内能。鉴于其能量转化形式和欧姆定律的使用范围，所 以电风扇的电流、电压和电阻不能直接套用欧姆定律。在计算电风扇工作消耗电功的时候，只能用公式：W=UIT，而不能用公式：Q=I2RT，因为电功的公 式：W=UIT适用于电流做功的一切情况，当然包括电流转化为内能的情况。

但是焦耳定律：Q=I2RT的适用范围是：纯电阻电路即电能全部转化为内能的电路。如果利用焦耳定律计算出来的是电风扇工作时，线圈由于有电阻而放出的热量。

４、电风扇用久以后，扇叶的下面很容易沾上很多灰尘，什么原因呢？

因为电风扇在工作时，由于扇叶和空气相互摩擦而使扇叶带上了静电，结合带电的物体能够吸引轻小物体的性质，从而能够吸收室内飘浮的细小灰尘造成的，所以扇叶的下面很容易沾上很多灰尘。

六、时光倒流之谜

相信许多人在欣赏美国影片《回到1872年》之余，为主人公不惜生命代价，回到过去拯救芝加哥市民的义举而击节赞叹时，总以为这是艺术家的虚构。因为，中国古代哲人孔子早就有过“逝者如斯夫”的名言，时光匆匆，怎能倒流？

　　然而，大千世界创造的奇迹却又明白无误地告诉我们，在我们即将过去的20世纪里，时光倒流竟不可思议地发生了。

　　意大利客机的空中历险

　　1994年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来的空域出现，雷达又追踪到了客机的讯号。

　　最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。然而，客机上的机组人员和315名乘客，并不知道他们曾经“失踪”过。

　　机长巴达里疑惑不解地说：“我们的班机由马尼拉起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。”

　　不过，事实却不容争辨：到达机场时，每个乘客的手表都慢了20分钟。无独有偶。据资料记载，1970年也发生过类似的奇闻。当时，一架727喷气客机在飞往美国迈阿密国际机场的旅途中，也无故“失踪”了10分钟。 10分钟以后，客机也在原来的地方出现；接着，安全飞抵目的地。 客机上的所有人也都不知道发生了什么事，而最终使他们相信的理由也是因为所有的手表都慢了10分钟。 对此现象，专家们认为惟一的解释是：在“失踪”的一刹那，时间“静止”不动了，或者说出现了时光倒流。

　　现代银币进入古代庙宇

　　就在意大利客机空中历险的同一年，传媒又披露了发生在埃及的时光倒流4000年的奇迹新闻： 一枚尚未发行的现代银币，被深藏在一座太阳神庙的地底下。

　　当时，一个由法国考古学家组成的考古工作队，来到尼罗河畔最早出现人类活动的地区进行科学考察。 他们发现了一座太阳神庙，距今已有4000年的历史。

　 　由于人迹罕至，庙宇早已倾塌，仅是废墟一座，故而显得十分荒凉、破败。 当考古学家在对废墟进行发掘时，在一块古老的石碑下，发现了一枚深埋在地下的银币。奇怪的是，这不 是一枚古埃及银币，而是一枚美国银币；更加奇怪的是，这又不是一枚美国古银币，而是一枚现代银币。最不可思议的是：这是一枚已经铸造好、准备在1997年 才进入市场流通、面值25美分、尚在美国金库中“留守”的未流通银币。美国的现代银币，为何“跑到”4000年前的古埃及庙宇中？科学家们百思不得其解。

　　“目睹”金字塔的建造

　　随着前苏联的解体，一些机密文件不断面世，科学家查阅到其中也有时光倒流的内容。 那是在1971年8月的 一天，前苏联飞行员亚历山大·斯诺夫驾驶米格21型飞机在做例行飞行时，无意中“闯入”了古埃及。

　　于是， 他看到了金字塔建造的场面：在一望无际的荒漠中，一座金字塔巍然矗立，而另一座金字塔刚刚奠起塔基……

　　美国飞行员进入中世纪

　　1986年，一位美国飞行员驾驶SR71型高空侦察机飞越佛罗里达州中 心城区时，突破“时空屏障”，来到了中世纪的欧洲上空。他在递交给军方有关部门的报告中这样说，飞机掠过树梢，可以感受到巨大的篝火发出的热浪，成堆的尸 体令人触目惊心。专家们调查后指出：这位空军飞行员看到的是欧洲历史上发生著名的“黑死病”的情景。由鼠疫引发的瘟疫波及整个欧洲大陆，成千上万的人倒毙 街头，是一场名副其实的灾难。

　　绝密报告来自北约

　　如果说，上述因时光倒流而回到从前只是偶然发生就并不稀奇，甚至令人怀疑。蹊跷的是，物理学家马西教授也向世人展示了来自北约的绝密报告，报告中所描述的事实，同样令人匪夷所思： 1982年，一位北约飞行员在一次从北欧起飞的飞行训练中，他的视野里，竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到了史前非洲大陆。一位北约飞行员在飞行途中，“误入”第二次世界大战时期的德国战场。盟军和德军战机的飞行员都看见了他，他也‘看见了他们，仅仅1分钟后，他又回到了现实。

　　时光可以倒流吗？

　　从实际上说，人类的智慧尚不足以阻挡时间的飞进；而从理论上来说，时光倒流，回到从前绝非不可能。根据爱因斯坦的理论，时间和空间可以在光速中发生变化。 所以，假如一个物体以30万千米／秒的光速飞行时，空间可以缩短，时间可以变慢。 加利福尼亚州立大学的一位物理学家通过计算后称：人类从地球到达仙女座需要20万年，而在光速飞船上仅需20年。

　　那么，这种美妙的事情是否会真的发生呢？回答是肯定的。因为科学家们已经发现宇宙中存在比光速还要快的神秘质点。

　 　科学家们研究发现：当太空船经过重力场时，把重力场的拉力转换成推力，太空船在那段时间内，便可以以光速甚至超光速飞行。美国航空航天局的专家们已经创 立了“时空场共振理论”，这是以爱因斯坦和德国物理学家海森堡的“统一场论”为基础建立的。其要旨是：借助电磁、重力、光速和时空共同演变的伸缩性，瞬间 跨越恒星际空间。 到了那时，时光倒流将不再是个待解之谜。