物理學在現代生活中的應用

趙高峰 王保才 蔣俊華 江秋穎 尹國盛

（河南大學物理與電子學院，河南 開封 475004）

人類剛開始利用物理學是在原始社會，僅僅是將石頭打磨制作成尖銳的工具等。隨著人類對物理學認識的加深，使得其應用范圍越來越廣，尤其是現在，物理學在現代生活的應用更加廣泛，牽涉到人們生活的方方面面。本文僅就衣、食、住、行、娛樂各舉一例說明之。

1 物理學在現代衣服中的應用

人類的衣服從原始社會的獸皮開始經歷了麻、棉、絲、尼龍等，而社會發展到今天，人們衣服的面料也出現了多種，這其中不乏應用物理學原理而造出的新面料，將這種新面料應用到衣物的制造中，人們時刻體驗著物理學帶來的舒適便捷。

現在的冬天雖然很冷，但是大家穿的衣服卻越來越薄，究其原因是物理學的發展，人們將物理學應用到衣服的制作中，其中具有代表性的就是紅外線保暖內衣。由于紅外線是一種不可見光，它的波長比可見光長，由公式c=λv可知，可見光的頻率比紅外線的要低。人們最常用的是紅外線的熱作用，因為紅外線的頻率比可見光更接近固體物質分子的固有頻率，所以它更容易引起分子的共振以達到加熱的目的。這是因為紅外線的電磁能量轉化成了內能，從而使物體發熱。根據這個道理，紅外線可以用來加熱或者烘干物品。紅外線保暖內衣就是將紅外線這種能量的轉化原理利用到貼身所穿的衣物上來達到保暖效果的。紅外線可以分為遠紅外線和近紅外線，但是遠紅外線的波長要比近紅外線的波長長。根據科學家的反復研究，最后得知遠紅外線更容易被人類的皮膚吸收，保暖效果會更好，所以在制作保暖衣的時候大多會采用遠紅外線技術制作遠紅外線保暖內衣。

2 物理學在現代食物中的應用

目前，困擾眾多上班族的最大問題是午飯。由于一般的電爐耗電量大，天然氣等明火設備在公共場合使用不安全，很多公司都禁止在工作場合做飯，而天天在飯店吃飯不實惠且營養不均衡，因此，便攜式遠紅外輻射節能型加熱飯盒應運而生。

便攜式遠紅外輻射節能型加熱飯盒是通過電能激發遠紅外輻射進行加熱的一種新型加熱器，其工作原理如圖1所示。它是以優質鋁合金作為基體材料，由外中內三層組成，其中外層有絕緣隔熱物質、中層有電阻絲、而內層則涂有遠紅外線輻射材料。在通電以后，電能轉換成熱能，傳遞給涂有遠紅外輻射材料的內層，內層向外輻射紅外線并被食物充分吸收，從而起到加熱食物的作用。而輻射線以光速到達食物表面，由于損失的能量小，而且在電磁波穿透能力的作用下，食物受熱均勻營養物質幾乎不會遭到破壞，這讓廣大的上班族不但可以食用到美味可口的飯菜而且營養也均衡。在飯盒上不僅有交流電接口，還可以通直流電。這樣不僅可以在室內使用，還可以在室外使用。基于以上優點，便攜式遠紅外輻射節能型加熱飯盒在上班族中很受歡迎。

圖1 便攜式遠紅外輻射節能型加熱飯盒

圖2 磁懸浮列車結構原理圖

3 物理學在現代住宿中的應用

時間的年輪不停地旋轉，物理學也在不斷地發展，人類利用著物理學讓自己的生活過得越來越好，其住宿就是一個方面。從剛開始人類的以天為被以地為床，到知道蓋房子造床等，直至今天，物理學在現代住宿中的應用越來越廣泛。

在現在人們的日常生活中，空調越來越普遍。在嚴冷的冬天空調可以帶來溫暖，酷熱的夏天空調可以帶來涼爽。但是空調的弊端隨著其大面積的推廣也逐步顯現出來。空調不僅很耗電能，而且當人們長期置身于空調環境中，人們的身體還會遭到損壞。所以，各種新型高效環保節能的綠色取暖設備就應運而生了，其中具有代表性的就是地源熱泵中央空調。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既能供熱又能制冷的高效節能環保型空調系統。這個系統是通過先進的熱泵機組使吸收了太陽能的大地土壤、地下水、地表水等形成了低位能源轉換成可利用的高位能，以達到為建筑物供應冷熱水的目的。在冬天和夏天，通過很少的電能實現能量的搬運和轉移，并利用熱交換對室內進行升溫和降溫。

4 物理學在現代出行中的應用

交通工具使得交通活動得以進行。從古至今，交通工具不斷的發展著，從最初的以動物為交通工具到封建社會的馬車和轎子，還有近些年來越來越多樣化的交通工具讓人眼花繚亂，人類的生活也得到逐步改進，磁懸浮列車就是其中一例。磁懸浮列車是以電磁鐵相斥原理建設的鐵路運輸系統，它的時速可以達到350 km到500 km，其結構原理圖如圖2所示。在磁力的作用下，列車懸浮在空中，在列車開動時不用和地面接觸，因此其阻力只有空氣的阻力。其實，在地上放置的是一個不結線的線圈，當移動的磁力線穿過線圈時，就產生電和磁的感應現象，也就是我們常說的電生磁。這時，地上線圈內就因為有電流的流動而變成磁體。裝有電磁鐵的列車在軌道線圈上移動的時侯就會產生相互排斥的力量，這樣列車會懸浮在軌道之上1 cm處，騰空而行，創造了幾乎零高度空間飛行的一大奇跡。磁懸浮列車有兩種，一種是超導的，一種是非超導的。我國上海的磁懸浮列車是常規的、非超導的，鐵路全長30 km，單程運行時間約為8分鐘，為出行旅客提供了極大方便。

5 物理學在現代娛樂中的應用

在古代，大家都是日出而作日落而息，就算平時的娛樂，除了彈琴繡花閑聊之外，就只剩下看戲和聽書了。然而，隨著物理學的發展，人類的生活越來越豐富多彩，除了傳統的娛樂方式之外，越來越多的高科技娛樂也進入了大家的生活。

從2011年央視春晚開始，激光舞走進了大家的視野。在激光舞表演中，演員通過配合音樂做出抓光、打光、轉光、折光等新奇的動作來完成表演，給人以強烈的震撼。它仿佛將我們帶入了奇妙的太空，玄幻的世界，讓我們享受一場光的變換之旅。激光舞是舞蹈的一種，但卻是融合了以物理學為基礎的高科技的舞蹈。

激光舞的出現多虧了激光。如果原子或者分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數密度為n2和n1，在兩能級間存在自發輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種方式。受激輻射躍遷所產生的受激輻射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向等。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激輻射光是相干的。受激輻射躍遷概率和受激吸收躍遷概率均正比于入射輻射場的單色能量密度。而在激光舞表演時，演員穿上特制的衣服，當激光打到衣服上時，利用光的反射，將人燈合一，光和影完美地結合在一起，再配上音樂等，一場精美絕倫的激光舞表演就呈現在大家眼前。

總之，在現代生活中，物理學時時刻刻充斥在我們的周圍，有以前技術的新應用，同時還有一些新的科技。物理學在大家穿衣、吃飯、住所、出行和娛樂等各個方面，通過熱學、光學、力學、電學、磁學等方式得到合理應用。正是物理學這么多年不斷地發展，才會有那么多美好的事物走進人類的生活當中。相信在不久的將來，通過以物理學為基礎的高科技的進步，大家的生活會更加美好。

[1]尹國盛，彭成曉.大學物理（下冊）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]尹國盛，楊毅.大學物理基礎教程（全一冊）.北京：機械工業出版社，2011.