大學物理環境保護論文

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摘要：本文介紹了在大學物理教學中涉及到的幾個與環境保護有關的主題：大氣層的共振、能量品質與余熱的釋放、電磁輻射等。在物理課程中穿插介紹這些內容，既能幫助學生更好地理解物理學基本原理，又能使學生認識到物理學原理與人類生活密切相關，激發學生的學習興趣。這一措施有利于提高學生基本科學素養，充分體現自然科學的文化教育功能。

關鍵詞：電磁輻射;熱力學第二定律;共振

1引言

大學物理是工科院校一門重要的基礎必修課程，對培養學生的基本科學素質起到不可替代的作用。在通常的授課中，受學時限制等因素影響，往往過于強調物理學的基本概念和定律，忽略了理論與實際問題之間的聯系。大部分習題多來自于理想模型，圍繞基本概念和定律展開，講究計算方法和技巧，與實際應用的聯系也不強。在過多的理論推導和解題訓練過程中，物理理論與實際問題的聯系似乎被割裂開來，在一定程度上降低了學生學習物理的興趣和動力。在大學物理中，有不少內容跟人類面臨的日益嚴峻的環境保護問題有關。在授課過程中，在這方面進行必要的聯系和拓展，不僅能豐富課堂內容，激發學生的學習熱情，還能拓寬課程的深度和廣度，培養學生的基本科學素養和人文關懷精神。筆者在教學實踐中凝練總結了以下幾個這方面的主題。

2大氣層里的共振

當外界周期性策動力的頻率等于或接近系統固有頻率時，系統的位移振幅將達到最大，稱為共振。通常人們對共振應用或危害的認識停留于機械共振的形式，如樂器的共鳴箱、雪崩現象等。而事實上，共振的現象極為普遍而重要，廣泛存在于日常生活和工程技術中，機械共振的概念可推廣到光學、無線電、原子物理、核物理等其它領域。大氣層中對流層和平流層之間的臭氧層原子與紫外線發生共振，有效吸收紫外線的能量，使得地球免遭過量紫外線的輻射；少部分紫外線到達地球表面被地球吸收后，能量減少，變為紅外線，而紅外線恰好能與對流層中的二氧化碳產生共振，被挽留在大氣層，使得地球維持在適當的溫度（圖1）。人類之所以減少氟利昂的排放，就是因為氟利昂會破壞臭氧層，甚至引起南極上空出現臭氧層空洞，導致人類皮膚癌發生率大大提高等一系列危害[1]；2015年12月12日巴黎氣候變化大會上近200個國家一致通過的《巴黎協定》旨在減少溫室氣體包括二氧化碳的排放，抵御全球氣候變暖的趨勢，增強人類應對氣候變化的能力。

3熱力學

第二定律和能量的品質、熱污染熱力學第一定律從數量上證明了功和熱量的等效性，熱力學第二定律則從品質上說明了功和熱量的本質區別，即二者存在能量品質高低的差異。能量不僅有多少和形式的差別，還有質的區別。能量有可用能量和不可用能量之分。伴隨著不可逆過程的進行，總有部分有用能量退化為不可用能量。例如，借助于熱機可利用兩個物體之間的溫差對外做功，若讓這兩個有溫差的物體直接接觸，熱量從高溫物體自發流向低溫物體，最終達到熱平衡。雖然在這一過程中能量是守恒的，但是高溫下的可利用能量變成了低溫下的不可利用能量。即使借助于熱機，若熱機的效率為η，那么從高溫熱源吸收的熱量Q1，也僅有ηQ1可用來對外做功，其余的Q2=(1-η)Q1要釋放給周圍環境，最終成為不可用的能量?？衫玫哪芰吭蕉啵芰康钠焚|越好，反之能量品質則越差。機械能和電磁能是可以全部利用的能量，能量品質較高；內能不能全部轉化為功，能量品質較低。因此，人們要致力于研究各種不可逆過程中的不可逆性，盡量消除各種引起“自發發生”的不可逆因素，提高可用能量的比例和能量轉化效率。不過，由于效率的提高總是受到各種因素限制的，所以在致力于提高能量轉化效率的同時，還應當減少能量無謂的消耗，并積極開發新能源，解決人類面臨的能源問題。人類節約能源，減少無謂的能量消耗，還與另一個重要的問題有關，這就是熱污染。從汽車發動機到大部分發電廠提供的電能，日常生活中人們利用的許多能量都來自于熱機。目前我國超過70%的電能仍由火力發電廠提供，火力發電通過蒸氣推動渦輪輸出電能。原子能發電也是使用核燃料驅動蒸汽機。無論熱機的效率如何提高，總有熱量Q2釋放后被外界環境吸收，如河流、湖泊中的水、冷卻塔等，這些熱量提高了冷卻水的溫度，改變了水的自然生態。有些情況下，釋放出的熱量將使得氣溫升高，影響氣候。所以，這些熱量被視為熱污染[2]。通常提到的空氣污染，多數是指汽車、供暖和工廠等燃燒煤炭、石油等燃料釋放的化學氣體導致的霧霾和溫室效應等，在某種程度上是可以控制的，這些問題正逐漸得到改善。然而，熱污染卻是不可避免的，T2通常就是周圍空氣或水的溫度。人們努力設計和制造具有高效率的發電機和發動機，但不可能違背卡諾定理。熱力學第二定律告訴了人們來自大自然的約束，人類能做的就是在遵循熱力學第二定律的前提下，盡量減少Q2的排放，節約能源。另外，利用水力發電、風能發電或太陽能發電無需熱機，可大大減少熱污染。

4電磁輻射

電磁輻射是人們經常提到的一種環境危害，那么電磁輻射對人體到底有沒有危害呢？電磁輻射就是指電磁波，以相互垂直的電場和磁場隨時間的變化而傳遞能量。人體生命活動包含一系列的生物電活動，這些生物電對環境的電磁波非常敏感，因此，電磁輻射可以對人體造成影響和損害。但是只有輻射達到一定的強度，才會對人體造成直接的傷害。電磁輻射可分為兩類：電離輻射和非電離輻射。電離輻射又叫核輻射，是指波長短、頻率高、能量高的射線，其種類很多，包括高速帶電粒子（如：α粒子、β粒子、質子）和不帶電粒子（如：中子以及X射線、γ射線）。這些射線在照射人體后，會破壞人體的細胞的分子鍵，造成斷裂，會有致癌的可能。電離輻射可引起放射病，它是機體的全身性反應，幾乎所有器官、系統均發生病理改變，其中以神經系統、造血器官和消化系統的改變最為明顯。所以電離輻射對人類和環境具有較大危害，需要注意防范。判斷電離輻射對人體危害的程度，主要是看輻射的劑量（其國際單位是：Sv）和劑量率強度(其國際單位是：Sv/h)。最常見的電離輻射要數去醫院拍攝X光片、核電站以及各種建材的輻射（比如天然花崗巖的輻射等）。非電離輻射又叫射頻輻射，是指工作頻率在100kHz-300GHz的高頻、次高頻、微波等電磁輻射。日常生活中的射頻輻射主要由手機、基站、路由器、微波爐、電磁爐等電器產生，多為功率密度為10-1到幾個μW/cm2低功率電磁輻射，遠低于40μW/cm2的國家標準。雖然有不少人曾經測量或研究過手機輻射、無線路由器（WiFi）輻射、家用電器的輻射和危害[3,4]，但根據目前的研究，科學界的主流觀點認為，沒有任何可靠的證據這些輻射對人類健康有直接的危害。目前唯一已知的非電離輻射是過度暴露在太陽紫外線下。不過，鑒于對手機等設備電磁輻射的現有研究尚不夠充分，以及新技術引發的新趨勢，人們仍應盡量減少與不必要的電磁輻射接觸。

5小結

物理既是一門科學，也是一種文化。在講授基本物理學原理和規律的同時，適當將理論與人類生產實踐聯系起來，有利于培養學生應用基本理論解決實際問題的能力，也有利于培養學生的科學素養和人文精神，更好地認識人與自然的關系。這也是大學物理這門課程的基本功能之一。

參考文獻：

[1]馬一太,張國莉.“緊迫的氟利昂大氣污染問題及其解決措施”[J].制冷技術,1990,(2):16-21.

[2]DouglasC.Giancoli(原著),騰小瑛(改編).PhysicsforscientistsandengineerswithmodernPhysics(第三版)[J].高等教育出版社,2004.

[3]李蘭秀,曾安婷,李多.家用電器的電磁輻射與人體健康[J].大學物理,2015,34(4):58.

[4]羊勇,楊嘉,楊玉琦.手機電磁輻射研究[J].大學物理,2013,32(1):42.

作者:吳高建 張茹 單位:南京工業大學