物理學(xué)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用

趙高峰 王保才 蔣俊華 江秋穎 尹國盛

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004）

人類剛開始利用物理學(xué)是在原始社會(huì)，僅僅是將石頭打磨制作成尖銳的工具等。隨著人類對(duì)物理學(xué)認(rèn)識(shí)的加深，使得其應(yīng)用范圍越來越廣，尤其是現(xiàn)在，物理學(xué)在現(xiàn)代生活的應(yīng)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(xué)在現(xiàn)代衣服中的應(yīng)用

人類的衣服從原始社會(huì)的獸皮開始經(jīng)歷了麻、棉、絲、尼龍等，而社會(huì)發(fā)展到今天，人們衣服的面料也出現(xiàn)了多種，這其中不乏應(yīng)用物理學(xué)原理而造出的新面料，將這種新面料應(yīng)用到衣物的制造中，人們時(shí)刻體驗(yàn)著物理學(xué)帶來的舒適便捷。

現(xiàn)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(xué)的發(fā)展，人們將物理學(xué)應(yīng)用到衣服的制作中，其中具有代表性的就是紅外線保暖內(nèi)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?yàn)榧t外線的頻率比可見光更接近固體物質(zhì)分子的固有頻率，所以它更容易引起分子的共振以達(dá)到加熱的目的。這是因?yàn)榧t外線的電磁能量轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，從而使物體發(fā)熱。根據(jù)這個(gè)道理，紅外線可以用來加熱或者烘干物品。紅外線保暖內(nèi)衣就是將紅外線這種能量的轉(zhuǎn)化原理利用到貼身所穿的衣物上來達(dá)到保暖效果的。紅外線可以分為遠(yuǎn)紅外線和近紅外線，但是遠(yuǎn)紅外線的波長要比近紅外線的波長長。根據(jù)科學(xué)家的反復(fù)研究，最后得知遠(yuǎn)紅外線更容易被人類的皮膚吸收，保暖效果會(huì)更好，所以在制作保暖衣的時(shí)候大多會(huì)采用遠(yuǎn)紅外線技術(shù)制作遠(yuǎn)紅外線保暖內(nèi)衣。

2 物理學(xué)在現(xiàn)代食物中的應(yīng)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(shè)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(shí)惠且營養(yǎng)不均衡，因此，便攜式遠(yuǎn)紅外輻射節(jié)能型加熱飯盒應(yīng)運(yùn)而生。

便攜式遠(yuǎn)紅外輻射節(jié)能型加熱飯盒是通過電能激發(fā)遠(yuǎn)紅外輻射進(jìn)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(yōu)質(zhì)鋁合金作為基體材料，由外中內(nèi)三層組成，其中外層有絕緣隔熱物質(zhì)、中層有電阻絲、而內(nèi)層則涂有遠(yuǎn)紅外線輻射材料。在通電以后，電能轉(zhuǎn)換成熱能，傳遞給涂有遠(yuǎn)紅外輻射材料的內(nèi)層，內(nèi)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(dá)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(yǎng)物質(zhì)幾乎不會(huì)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(yǎng)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(nèi)使用，還可以在室外使用?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，便攜式遠(yuǎn)紅外輻射節(jié)能型加熱飯盒在上班族中很受歡迎。

圖1 便攜式遠(yuǎn)紅外輻射節(jié)能型加熱飯盒

圖2 磁懸浮列車結(jié)構(gòu)原理圖

3 物理學(xué)在現(xiàn)代住宿中的應(yīng)用

時(shí)間的年輪不停地旋轉(zhuǎn)，物理學(xué)也在不斷地發(fā)展，人類利用著物理學(xué)讓自己的生活過得越來越好，其住宿就是一個(gè)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(xué)在現(xiàn)代住宿中的應(yīng)用越來越廣泛。

在現(xiàn)在人們的日常生活中，空調(diào)越來越普遍。在嚴(yán)冷的冬天空調(diào)可以帶來溫暖，酷熱的夏天空調(diào)可以帶來涼爽。但是空調(diào)的弊端隨著其大面積的推廣也逐步顯現(xiàn)出來?？照{(diào)不僅很耗電能，而且當(dāng)人們長期置身于空調(diào)環(huán)境中，人們的身體還會(huì)遭到損壞。所以，各種新型高效環(huán)保節(jié)能的綠色取暖設(shè)備就應(yīng)運(yùn)而生了，其中具有代表性的就是地源熱泵中央空調(diào)。地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是通過先進(jìn)的熱泵機(jī)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(zhuǎn)換成可利用的高位能，以達(dá)到為建筑物供應(yīng)冷熱水的目的。在冬天和夏天，通過很少的電能實(shí)現(xiàn)能量的搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移，并利用熱交換對(duì)室內(nèi)進(jìn)行升溫和降溫。

4 物理學(xué)在現(xiàn)代出行中的應(yīng)用

交通工具使得交通活動(dòng)得以進(jìn)行。從古至今，交通工具不斷的發(fā)展著，從最初的以動(dòng)物為交通工具到封建社會(huì)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(jìn)，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(shè)的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，它的時(shí)速可以達(dá)到350 km到500 km，其結(jié)構(gòu)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(dòng)時(shí)不用和地面接觸，因此其阻力只有空氣的阻力。其實(shí)，在地上放置的是一個(gè)不結(jié)線的線圈，當(dāng)移動(dòng)的磁力線穿過線圈時(shí)，就產(chǎn)生電和磁的感應(yīng)現(xiàn)象，也就是我們常說的電生磁。這時(shí)，地上線圈內(nèi)就因?yàn)橛须娏鞯牧鲃?dòng)而變成磁體。裝有電磁鐵的列車在軌道線圈上移動(dòng)的時(shí)侯就會(huì)產(chǎn)生相互排斥的力量，這樣列車會(huì)懸浮在軌道之上1 cm處，騰空而行，創(chuàng)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(dǎo)的，一種是非超導(dǎo)的。我國上海的磁懸浮列車是常規(guī)的、非超導(dǎo)的，鐵路全長30 km，單程運(yùn)行時(shí)間約為8分鐘，為出行旅客提供了極大方便。

5 物理學(xué)在現(xiàn)代娛樂中的應(yīng)用

在古代，大家都是日出而作日落而息，就算平時(shí)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(xué)的發(fā)展，人類的生活越來越豐富多彩，除了傳統(tǒng)的娛樂方式之外，越來越多的高科技娛樂也進(jìn)入了大家的生活。

從2011年央視春晚開始，激光舞走進(jìn)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(zhuǎn)光、折光等新奇的動(dòng)作來完成表演，給人以強(qiáng)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(xué)為基礎(chǔ)的高科技的舞蹈。

激光舞的出現(xiàn)多虧了激光。如果原子或者分子等微觀粒子具有高能級(jí)E2和低能級(jí)E1，E2和E1能級(jí)上的布居數(shù)密度為n2和n1，在兩能級(jí)間存在自發(fā)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(chǎn)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(fā)下產(chǎn)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(shí)，演員穿上特制的衣服，當(dāng)激光打到衣服上時(shí)，利用光的反射，將人燈合一，光和影完美地結(jié)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(xiàn)在大家眼前。

總之，在現(xiàn)代生活中，物理學(xué)時(shí)時(shí)刻刻充斥在我們的周圍，有以前技術(shù)的新應(yīng)用，同時(shí)還有一些新的科技。物理學(xué)在大家穿衣、吃飯、住所、出行和娛樂等各個(gè)方面，通過熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方式得到合理應(yīng)用。正是物理學(xué)這么多年不斷地發(fā)展，才會(huì)有那么多美好的事物走進(jìn)人類的生活當(dāng)中。相信在不久的將來，通過以物理學(xué)為基礎(chǔ)的高科技的進(jìn)步，大家的生活會(huì)更加美好。

[1]尹國盛，彭成曉.大學(xué)物理（下冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]尹國盛，楊毅.大學(xué)物理基礎(chǔ)教程（全一冊(cè)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.