大学物理环境保护论文

摘要：本文介绍了在大学物理教学中涉及到的几个与环境保护有关的主题：大气层的共振、能量品质与余热的释放、电磁辐射等。在物理课程中穿插介绍这些内容，既能帮助学生更好地理解物理学基本原理，又能使学生认识到物理学原理与人类生活密切相关，激发学生的学习兴趣。这一措施有利于提高学生基本科学素养，充分体现自然科学的文化教育功能。

关键词：电磁辐射;热力学第二定律;共振

1引言

大学物理是工科院校一门重要的基础必修课程，对培养学生的基本科学素质起到不可替代的作用。在通常的授课中，受学时限制等因素影响，往往过于强调物理学的基本概念和定律，忽略了理论与实际问题之间的联系。大部分习题多来自于理想模型，围绕基本概念和定律展开，讲究计算方法和技巧，与实际应用的联系也不强。在过多的理论推导和解题训练过程中，物理理论与实际问题的联系似乎被割裂开来，在一定程度上降低了学生学习物理的兴趣和动力。在大学物理中，有不少内容跟人类面临的日益严峻的环境保护问题有关。在授课过程中，在这方面进行必要的联系和拓展，不仅能丰富课堂内容，激发学生的学习热情，还能拓宽课程的深度和广度，培养学生的基本科学素养和人文关怀精神。笔者在教学实践中凝练总结了以下几个这方面的主题。

2大气层里的共振

当外界周期性策动力的频率等于或接近系统固有频率时，系统的位移振幅将达到最大，称为共振。通常人们对共振应用或危害的认识停留于机械共振的形式，如乐器的共鸣箱、雪崩现象等。而事实上，共振的现象极为普遍而重要，广泛存在于日常生活和工程技术中，机械共振的概念可推广到光学、无线电、原子物理、核物理等其它领域。大气层中对流层和平流层之间的臭氧层原子与紫外线发生共振，有效吸收紫外线的能量，使得地球免遭过量紫外线的辐射；少部分紫外线到达地球表面被地球吸收后，能量减少，变为红外线，而红外线恰好能与对流层中的二氧化碳产生共振，被挽留在大气层，使得地球维持在适当的温度（图1）。人类之所以减少氟利昂的排放，就是因为氟利昂会破坏臭氧层，甚至引起南极上空出现臭氧层空洞，导致人类皮肤癌发生率大大提高等一系列危害[1]；2015年12月12日巴黎气候变化大会上近200个国家一致通过的《巴黎协定》旨在减少温室气体包括二氧化碳的排放，抵御全球气候变暖的趋势，增强人类应对气候变化的能力。

3热力学

第二定律和能量的品质、热污染热力学第一定律从数量上证明了功和热量的等效性，热力学第二定律则从品质上说明了功和热量的本质区别，即二者存在能量品质高低的差异。能量不仅有多少和形式的差别，还有质的区别。能量有可用能量和不可用能量之分。伴随着不可逆过程的进行，总有部分有用能量退化为不可用能量。例如，借助于热机可利用两个物体之间的温差对外做功，若让这两个有温差的物体直接接触，热量从高温物体自发流向低温物体，最终达到热平衡。虽然在这一过程中能量是守恒的，但是高温下的可利用能量变成了低温下的不可利用能量。即使借助于热机，若热机的效率为η，那么从高温热源吸收的热量Q1，也仅有ηQ1可用来对外做功，其余的Q2=(1-η)Q1要释放给周围环境，最终成为不可用的能量。可利用的能量越多，能量的品质越好，反之能量品质则越差。机械能和电磁能是可以全部利用的能量，能量品质较高；内能不能全部转化为功，能量品质较低。因此，人们要致力于研究各种不可逆过程中的不可逆性，尽量消除各种引起“自发发生”的不可逆因素，提高可用能量的比例和能量转化效率。不过，由于效率的提高总是受到各种因素限制的，所以在致力于提高能量转化效率的同时，还应当减少能量无谓的消耗，并积极开发新能源，解决人类面临的能源问题。人类节约能源，减少无谓的能量消耗，还与另一个重要的问题有关，这就是热污染。从汽车发动机到大部分发电厂提供的电能，日常生活中人们利用的许多能量都来自于热机。目前我国超过70%的电能仍由火力发电厂提供，火力发电通过蒸气推动涡轮输出电能。原子能发电也是使用核燃料驱动蒸汽机。无论热机的效率如何提高，总有热量Q2释放后被外界环境吸收，如河流、湖泊中的水、冷却塔等，这些热量提高了冷却水的温度，改变了水的自然生态。有些情况下，释放出的热量将使得气温升高，影响气候。所以，这些热量被视为热污染[2]。通常提到的空气污染，多数是指汽车、供暖和工厂等燃烧煤炭、石油等燃料释放的化学气体导致的雾霾和温室效应等，在某种程度上是可以控制的，这些问题正逐渐得到改善。然而，热污染却是不可避免的，T2通常就是周围空气或水的温度。人们努力设计和制造具有高效率的发电机和发动机，但不可能违背卡诺定理。热力学第二定律告诉了人们来自大自然的约束，人类能做的就是在遵循热力学第二定律的前提下，尽量减少Q2的排放，节约能源。另外，利用水力发电、风能发电或太阳能发电无需热机，可大大减少热污染。

4电磁辐射

电磁辐射是人们经常提到的一种环境危害，那么电磁辐射对人体到底有没有危害呢？电磁辐射就是指电磁波，以相互垂直的电场和磁场随时间的变化而传递能量。人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。但是只有辐射达到一定的强度，才会对人体造成直接的伤害。电磁辐射可分为两类：电离辐射和非电离辐射。电离辐射又叫核辐射，是指波长短、频率高、能量高的射线，其种类很多，包括高速带电粒子（如：α粒子、β粒子、质子）和不带电粒子（如：中子以及X射线、γ射线）。这些射线在照射人体后，会破坏人体的细胞的分子键，造成断裂，会有致癌的可能。电离辐射可引起放射病，它是机体的全身性反应，几乎所有器官、系统均发生病理改变，其中以神经系统、造血器官和消化系统的改变最为明显。所以电离辐射对人类和环境具有较大危害，需要注意防范。判断电离辐射对人体危害的程度，主要是看辐射的剂量（其国际单位是：Sv）和剂量率强度(其国际单位是：Sv/h)。最常见的电离辐射要数去医院拍摄X光片、核电站以及各种建材的辐射（比如天然花岗岩的辐射等）。非电离辐射又叫射频辐射，是指工作频率在100kHz-300GHz的高频、次高频、微波等电磁辐射。日常生活中的射频辐射主要由手机、基站、路由器、微波炉、电磁炉等电器产生，多为功率密度为10-1到几个μW/cm2低功率电磁辐射，远低于40μW/cm2的国家标准。虽然有不少人曾经测量或研究过手机辐射、无线路由器（WiFi）辐射、家用电器的辐射和危害[3,4]，但根据目前的研究，科学界的主流观点认为，没有任何可靠的证据这些辐射对人类健康有直接的危害。目前唯一已知的非电离辐射是过度暴露在太阳紫外线下。不过，鉴于对手机等设备电磁辐射的现有研究尚不够充分，以及新技术引发的新趋势，人们仍应尽量减少与不必要的电磁辐射接触。

5小结

物理既是一门科学，也是一种文化。在讲授基本物理学原理和规律的同时，适当将理论与人类生产实践联系起来，有利于培养学生应用基本理论解决实际问题的能力，也有利于培养学生的科学素养和人文精神，更好地认识人与自然的关系。这也是大学物理这门课程的基本功能之一。

参考文献：

[1]马一太,张国莉.“紧迫的氟利昂大气污染问题及其解决措施”[J].制冷技术,1990,(2):16-21.

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

[3]李兰秀,曾安婷,李多.家用电器的电磁辐射与人体健康[J].大学物理,2015,34(4):58.

[4]羊勇,杨嘉,杨玉琦.手机电磁辐射研究[J].大学物理,2013,32(1):42.

作者:吴高建 张茹 单位:南京工业大学