生活中,我们更是离不开它,如灌溉、发电等。从物理学角度看,根据水的物理属性,它在购物、就医、气温和环境等方面都有着独到的作用。

一、在力学中,水举足轻重

平常去菜市场买菜,最头疼的就是商贩“扣秤头”,而只带上一瓶矿泉水,就可以轻松解决这个烦恼。我们知道商贩用的案秤、电子秤称的都是物体的质量,一个物体的质量m等于这个物体的密度ρ与体积V的乘积,即有m=ρV。密度ρ是水的一个物理属性。通常情况下,纯净水在常温(20℃)常压(1.013×105Pa)下的密度是1.0×103kg/m3,合1.0g/cm3 或1.0g/mL。也就是说1cm3的水的质量为1g,那么由m=ρV,体积为500cm3即500mL的水的质量就是1斤(500g)。所以带上一瓶500mL的矿泉水去买菜或购物,我们就可以主动地保护自己的权益。从这个意义上来说,水能称得上是秤的试金石(普通的500mL的矿泉水瓶瓶身的质量约为20g)。

二、在光学中,水晶莹澄澈

1.水透射着太阳光的神秘

清晨,田地里,绿叶披着一身露水,在阳光下,像万颗珍珠,闪耀着晶莹灿烂的光辉。露珠,固然是美的,它滋润着田间的花草,但在不恰当的时候,它也会成为花草的“杀手”。这要从水的另一个物理属性——透光性说起。像玻璃、水晶这样一些物质能透过光的属性称为透光性。当光从一种物质斜射入另一种物质时,光的传播方向会发生偏折,这就是光的折射。而一束平行光照射到不同形状的透光物质上,如图1所示,有的会聚,有的发散,也有的仅仅发生侧移。其中,像(a)这样的透镜,中间厚,边缘薄,称为凸透镜,对光有会聚作用;(b)是中间薄,边缘厚,称为凹透镜,对光有发散作用;(c)则是一块平行玻璃砖。露珠在重力的作用下,成为了一个中间略扁的椭球形,中间厚,四周薄,所以是个“水凸透镜”,对光线有会聚作用。

若不了解这个规律,就会弄巧成拙。烈日炎炎的午后,小健看到院子里的花花草草被太阳烤得瘪瘪的,耷拉着脑袋没什么生气,他就马上给花草浇了很多水。可到晚上一看,大多数花草像被烟熏火燎似的,比中午更没生气。原因很简单,到达地面的太阳光可以看成平行光。树叶上残留的水滴就是一个个“水凸透镜”,对光有会聚作用。中午的太阳光本来就很强烈,再经过会聚,温度可达到300℃,这些花草是被会聚的太阳光灼伤的。所以,菜农们都会选择在清晨或者傍晚给农作物浇水。

2.水会让我们产生错觉

我们的生活蕴藏着许多物理原理。在图2这幅漫画中,游泳者把本来很深的河底“看”浅了,这使得他陷入险境。

我们的眼睛能看到物体,是因为从物体发出的光线或是被物体反射的光线进入了我们的眼睛。当被河底反射的光线要射出水面时,光线发生折射,所以我们在岸上看到的是从水中折射入空气的折射光。而我们的眼睛始终认为光是沿直线传播的,眼睛会把看到的折射光人为地反向延长,这样就掩藏了光发生偏折的实质,两束折射光反向延长线的交点就是我们看到的“河底”,但它不是实际光线会聚成的,物理学上称之为“虚象”。那么虚象的位置为什么比实际位置浅呢?如图3所示,当光从水(光密介质)中斜射入空

气(光疏介质)中时,光线会靠近水面,虚象A1的位置比物体A本身高。从这个规律出发,岸上的人看水中的物体时,总会把物体看“浅”了,所以漫画中的游泳者才产生了错误的判断。

三、在热学中,水调节冷暖

1.水——吸热散热的好帮手

善于观察的人会发现,汽车驾驶员会不定期地向汽车里加水,可汽车燃烧的是汽油或柴油,为什么要加水呢?原来,汽车发动机工作时会产生大量的热,如果这些热量不及时散发出去,发动机就无法正常工作。水就是用来吸收这些热量起冷却作用的。

要说到冷却效果,水可有着得天独厚的优势,那是由它的另一个物理属性——比热容决定的。我们知道,相同质量的不同物质升高相同的温度时所吸收的热量一般是不同的。物理学上,把单位质量(1kg或1g等)的某种物质温度上升1 ℃所吸收的热量叫做这种物质的比热容,用字母c表示。由下表我们知道,煤油的比热容为2.1×103J/(kg·℃),物理意义是每千克的煤油温度上升1 ℃所吸收的热量为2.1×103J。那么某种物质升温时所吸收的热量Q就等于这种物质的比热容c、质量m和上升的温度△t三者的乘积,即有公式Q=cm△t。那么如何选择吸热本领大的物质呢?公式中,m和△t都不是物质本身的性质,唯有比热容会随着物质的不同而不同。水的比热容c =

4.2×103J/(kg·℃),是煤油的两倍。若相同质量的水和煤油升高了相同的温度,由Q=cm△t,水所吸收的热量就是煤油的两倍。为了最大程度地吸收热量,在选择吸热物质时,就要选比热容最大的物质,从比热容表知,这种物质就是水。这样看来,水是名副其实的吸热好帮手。

在我们生活中有许多用水吸热的例子,如手被烫伤后,最有效的急救办法就是用冷水冲,让冷水带走足够多的热量;我们夏天用的水空调,也是利用了水吸热本领强的特点;再如某地发生了火灾,消防队员首先考虑的就是用水枪灭火。

水不仅仅是吸热能手,当物体温度下降要放热时,它还是放热能手。研究表明:相同质量的某种物质温度上升1 ℃所吸收的热量与温度下降1 ℃所放出的热量是相同的。那么,自然而然,因为水的比热容最大,相同质量的水和其他物质下降相同温度时,水比其他物质放出的热量多。冬天,农民为了防止地窖中的蔬菜被冻坏,通常在地窖里放一桶水。有人会说:“这不是根据水达到了凝固点凝固时会放热吗?”其实不仅如此,即便环境温度没有达到水的凝固点,只要温度下降了,由公式Q=cm△t,水放出的热量就比相同质量的其他物质多。

2.水——调节气温的能手

常年生活在沿海地区的人去内陆城市出差时会发现,那里中午烈日炎炎,晚上却冷风瑟瑟。如中央电视台预报的2005年3月9日两个城市的天气情况:延安多云,-2℃～17℃;青岛多云,3℃～9℃。我们可以看出,青岛的温差比延安小了13℃。延安市和青岛市地处同一纬度,接受太阳辐射的能量相同,但为什么这两个城市一天内的温差却相差这么多?这就要看物质温度升高或降低的快慢了。由公式Q=cm△t,温度的变化△t=Q/cm,在热量和质量相同的情况下,比热容大的物质温度变化就小。内陆城市空气干燥,加之岩石和土壤的比热容小,岩石的比热容为0.84×103J/(kg·℃);而沿海城市湿度大,水的比热容为岩石比热容的5倍。在其他条件相同的情况下,岩石吸热上升的温度为水的5倍。水不仅吸热后升温少,同样放热后降温也少,故沿海城市夜晚的气温比内陆城市高得多,真可谓是冬暖夏凉。看来水多的地方温差变化就小。

随着城市建设步伐的加快,“热岛效应”越来越受到人们的重视。暑假里,“求知”物理兴趣小组探究了城乡的具体温差,各小组测出了2007年7月26日市中心和农田等不同的测试点于下午1点的气温,以此绘制出如图4所示的“区域—温度”坐标图。

从图中可以看出,农田的气温比商业区和市中心要低3℃以上。兴趣小组的同学们积极思考了改善“热岛效应”的方法,具体做法是:①改用吸收太阳辐射本领弱的建筑材料;②多建一些喷泉和水池;③在路面上洒水或增加绿地面积等。

3.水——森林里的“指南针”

在沿海地区天气晴朗的日子里,白天,风通常从大海吹来,到了晚上又从陆地吹去,这就是“海陆风”。它是怎么形成的呢?根据前面所讲的,水多的地方温度变化小。这样一来,白天,沙滩比海水热;晚上,海水比沙滩热。那么在白天,温度高的沙滩地面热空气密度较小,热空气就上升,海面较冷的空气就会来补充,于是冷空气沿海面吹向陆地,形成海风;而到了晚上,海面上的热空气上升,地面上的冷空气就会来补充,于是,冷的空气沿地面吹向大海,形成陆风,如图5所示。

如果说直接形成“海陆风”的原因是沙滩和海面的温差大,那么其根本原因就是水的比热容比沙石的比热容大得多。进一步观察比较图5,我们发现“海陆风”总是从温度低的地方吹向温度高的地方。因此,在森林里迷路的游客,可以凭着“水”,借着“风”,走出森林。因为,由于植物特有的蒸腾作用,森林里白天温度比周围低很多,风是从森林吹向外界,迷路的游客只要顺着风走就可以走出森林;而到了晚上,游客则要逆着风走才能走出森林。所以我们说水是森林里的“指南针”。

4.沸腾的水——夹生的饭

在海拔较高的地区煮饭,往往是水沸腾了,饭还没熟。那是因为大气压会影响水的沸点。在一个标准大气压下,水的沸点为100℃。大气压降低,水的沸点就降低;气压升高,水的沸点就升高。在海拔较高的地区,气压较低,水在100℃以下就沸腾了,做出夹生饭是必然的。要解决这个问题也不难,通过高压锅增加水面上方的气压,水的沸点就可以升高。由于安全阀的作用,高压锅内水的沸点可以高达115℃。

四、在声学中,水听音识讯

水可以作为声源。水通过振动发出声音,并且在相同的力度下,发声的水柱越长,声音的音调就越低。因此我们用七只相同的杯子和水就可以制作一个简单的“钢琴”。只要依次在杯中倒入越来越少的水就可以了。在临床上有种叫“叩诊”的检查方法:医生用手指叩击被检查者体表,使之产生音响,医生借助叩击发出的不同音响、音调和音色来判断被检查者体内器官状况。

水还可以作为传递声音的介质。声音在水中传播的速度约为1531m/s 。地震发出的次声波也不例外,次声波传播时,还可以绕过障碍物,并且传得很远。2004年12月的印尼海啸以来,沿海国家都加强了对次声波的监测,以便更及时地预报海啸信息,造福人民。

水是我们最常见的物质之一, 从它在力、热、声、光等方面的诸多物理属性,我们发现了水在生活中丰富广泛的应用。虽然地球表面有70%的面积被水覆盖,但可供人类开发和利用的淡水资源仅占地球总储水量的0.77%,且我国人均占有水资源只相当世界人均水平的1/4,所以我们更要珍惜用水,保护水源。只有这样,才能使我们太阳系里的这颗蓝色星球生生不息地繁衍下去,我们也才能达到与自然的和谐统一。

(作者单位:江苏省常州市武进区郑陆初级中学)