物理學眼中的港珠澳大橋

鄧潔 萬元杰 尚士赟

摘 要：港珠澳大橋建成通車，本文對如何使港珠澳大橋通車這一社會活動與物理學習融合起來，并讓學生體會學習物理的意義進行了簡要的闡述。

關鍵詞：港珠澳大橋 社會活動 物理學習融合

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：C 文章編號：1672-1578（2019）01-0117-01

港珠澳大橋建成通車，已成為中國乃至世界工程技術領域的標桿。這說明中國是橋梁建設的大國，也是交通建設的大國。港珠澳大橋的建設規(guī)模，技術難度和投資額是前所未有的。如何使港珠澳大橋通車這一社會活動與物理學習融合起來？并讓學生體會學習物理的意義。現(xiàn)在讓我們體驗物理學眼中的港珠澳大橋。

1 環(huán)保問題

（1）按六車道高速公路標準建設全長近50公里港珠澳大橋，中間近7公里處不惜成本修建了一條海底隧道，主要作用是什么？

（2）人工島建在海底隧道兩端，它起到的主要作用是什么？

2 聲現(xiàn)象與熱現(xiàn)象

（1）為什么在靠近住宅區(qū)的橋一邊建有一塊約3米高的板墻？

（2）與其它路面相比，瀝青混凝土薄層結構深度增加了近40%。薄層保護措施，極大提高了高速公路的服務水平。

（3）當汽車越過橋梁時，每個距離都會有明顯的顛簸。這是大橋橋面上的縫隙所致，這些縫隙的作用是什么？

（4）為了使橋體更加堅固，港珠澳大橋懸掛高性能繩索，由中國石化南京化學研究所有限公司和中國紡織研究院共同開發(fā)。這種超高分子量聚乙烯纖維由超高分子量聚乙烯纖維制成，其直徑僅為頭發(fā)的1/10。但是，制成電繩纜后，它高于繩纜的強度，承載能力可達35公斤。為什么這種超高分子量聚乙烯纖維材料具有這種特性？

（5）在建造過程中，該項目位于屯門至香港港口人工島赤角的連接路段內(nèi)，正在建造一條海底隧道內(nèi)。連接隧道的管道內(nèi)壁有裂縫，導致大量泥水流入。為什么采用液氮凍結技術很好的解決這個問題？

（6）在太陽光的照射下，橋體溫度高于海水溫度，這是什么原因？

3 光現(xiàn)象

（1）在烈日下，在港珠澳大橋坐在車上看前面時，會發(fā)現(xiàn)橋面上的車輛有些模糊縹緲，為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

（2）隧道墻體裝飾采用良好的光學性能和防火材料，使駕駛視覺效果舒適。

（3）為了給車主帶來安全的駕駛環(huán)境，駕駛員在進入隧道之前需要進行調整。東西人工島隧道入口和出口上方的開放區(qū)域設有距離的減光罩。減光罩應用了的光學原理。

4 力學問題

（1）為了保護橋面，內(nèi)地卡車的最大載重量為49噸（貨物總重量），澳門卡車的最大載重量為38噸。根據(jù)地域性原則，車輛必須符合當?shù)卣畬囕v的要求，請你解釋這樣做的原因。

（2）汽車司機在開車過橋時，要系安全帶，原因是______。

（3）香港-珠海-澳門大橋，我們的許多跨海大橋，如杭州灣跨海大橋都是設計成，以這種方式建造的，一是從物理結構力學的角度來看，有彎度明顯，二是可以引導水流以減少對橋梁造成的損壞。

（4）速度、路程、時間計算。超大型跨海通道的港珠澳大橋有機連接香港，澳門和珠海。由主橋、人工島和沉管隧道組成。是世界上最長的公路沉管沉浸式隧隧道，也是世間罕見唯一的深埋沉管隧道。求：①大橋全長約50 km，大橋的設計時速為100km/h，則從香港到珠海需要多少時間？②大橋中的沉管隧道以設計時速通過的話，要用4.2分鐘的時間，沉管隧道長約多少？

（5）密度、壓強、浮力的問題。作為世界上最長港珠澳大橋的公路沉管隧道?？傞L度為5.6公里，由33個浸入式管和“最終接頭”組成。E29和E30之間只有10米以上的間隙，這是“最終關節(jié)”的位置。將接頭安全平穩(wěn)地提升到大約30米深的海底是一個非常困難的過程。在水完全注入后，鉤子對“最終接頭”具有2.0×107N的拉力，并且“最終接頭”下沉到位，起重機吊裝的最大輸出功率約為6000w。（g取10N/kg，ρ海水取1.0×103 kg/ m3）求：①“最終接頭”下沉后，上表面受到的水壓；②“最終接頭”的平均密度；③吊裝起重機機械效率約為多少；④將如此巨大的沉管直接放入船中運輸十分困難，請利用學過的浮力知識，給海水中運輸沉管提出一個建議。

（6）杠桿省力問題。港珠澳大橋橫跨大洋，為珠江三角洲西部和港澳地區(qū)帶來了新的發(fā)展機遇，大橋采用斜拉索式，如圖所示。

①在大橋的兩側，都有很長的引橋，這是為了______。

②小張對“橋塔為什么要造那么高”進行了研究：他簡化了橋梁的結構，將其抽象為圖B所示的模型，并繪制了兩座不同的橋塔圖。適當增高塔的高度，可以______，從而減小斜拉索的。

③建立模型是一種常用的物理研究方法，請舉一例。

5 電學問題

大型跨海通道的港珠澳大橋有機連接香港，珠海和澳門。 “海橋，海底隧道和連接兩者的人工島” 三部分組成。港珠澳大橋夜間照明系統(tǒng)很有特點，它采用日常和節(jié)日照明模式。其中，日常照明模式主要是白色，顯示橋梁的真實顏色，為橋梁提供基本照明。

（1）工程師使用先進的動態(tài)變頻燈具進行照明可以。

（2）橋段動態(tài)1280盞變頻燈，35米燈間距，可根據(jù)道路光照情況照明的需求實現(xiàn)從0%到100%無級別的調光。若一盞燈功率為10瓦，10小時消耗電能是多少？

（3）當汽車進入海底隧道時，必須選擇正確的照明方法以確保安全駕駛。汽車前照燈通常有兩種照明模式：“視覺照明”和“近距離照明”。當“遠距離照明”時，前照燈的功率更大。圖B是汽車前照燈的燈泡的示意圖，A和B是燈泡中的兩個燈絲。開關A通過開關S連接到觸點“1”或“2”，以操作燈絲A或B以改變照明模式。燈泡的額定電壓為12伏，燈絲 A的電阻 RA為1.2歐姆，燈絲 B的電阻 RB為1.6歐姆，電源電壓U在12伏時保持不變。然后，當開關S連接到觸點“1”時，汽車前照燈是什么樣的照明？通過計算加以說明。