有关地震海啸与核辐射的几道物理习题

柴宏良

(衢州第一中学 浙江 衢州 324000)

2011年日本大地震和海啸给日本人民带来了深重的灾难，雪上加霜的是，福岛第一核电站的4个机组在地震中受损失控，发生了核泄漏事故．人们面对这些鲜为人知的问题，产生了恐慌心理，有的逃难，有的抢购食盐，有的抢购碘片等．从这些现象中折射出普通民众对相关科学知识以及基本科学素养的匮乏．高中物理教学的课程目标之一就是提高全体国民的科学素养，因此，在教学中联系生活、普及相关科学知识是物理教师的基本责任．

1 与地震海啸有关的物理习题

【例1】发生在印度板块边缘的海啸，地壳运动使板块运动聚集巨大的能量，当这个能量超过一定程度的时候，岩石就发生破裂，造成海底突然下沉或者隆起，就可以造成海水发生上下颠簸．地震引起海水“抖动”到海面整个水体的波动，形成了海啸，其中所含的能量惊人．已知地震波分三种：纵波(P波)，速度vP约为8.5 km/s；横波(S波)，速度vS约为4.5 km/s；面波(L波)，速度vL

(1)位于震源上方的某实验室内有水平摆A与竖直振子B，如图1(a)．地震发生时最先剧烈振动的是哪个?

(2)假如某地震观测台记录到的地震曲线图如图1(b)所示，则由图可知a，b，c三种波形各对应于哪种地震波？若在曲线图上测得P波与S波的时间差为28 s，则地震台距震源Z多远？

(3)上题中如果地震P波沿直线传播到地震台时，台内某标志物振动方向沿图1(c)中ZT方向．测得某时刻该标志物的水平分位移x=24.1 mm，竖直分位移y=0.8 mm，试由此估算震源深度h．

图1

解析：

(1)由于纵波传播的最快，最先到达地表，纵波的振动方向和传播方向在同一直线上，所以最先剧烈振动的是竖直振子B．该题考查考生对横波和纵波的理解，须知横波和纵波的振动方向跟传播方向间的关系．了解发生地震时先有上下振动，接着是横向的摇动，感受各种地震波不同的破坏情况．

(2)由图像可知，地震观测台依次观测到a，b，c三种波，根据纵波、横波、面波的速度关系可知，a波形对应的是纵波，b波形对应的是横波，c波形对应的是面波．假设地震台距震源距离为s，则有

代入vP=8.5 km/s和vS=4.5 km/s，求得：s=268 km．

该题一方面考查学生对运动学知识的掌握情况，另一方面可初步了解地震观测台是如何运用科学方法探测出震源的位置的，激发学习兴趣．

图2

通过此题可考查学生的估算能力以及对振动位移的理解，知道位移的矢量性，体会确定震源位置的方法．

【例2】2011年3月11日下午2：46：00左右，日本东北地区宫城县北部发生里氏9级特大地震．约5 min后，日本气象厅对宫城等县的太平洋沿岸地区发布大海啸警报．地震发生时，处在距离海岸300 m的居民，如果他们接到警报，立即背离海岸奔向相对坚固的避难高地，便可不被巨浪卷走．已知海啸波的传播速度约720 km/h，海浪上岸后向前推进的速度是10 m/s，人们逃跑的平均速度约2 m/s，震中距宫城县海岸130 km．则离避难高地在多大的距离范围内人们方可死里逃生？

在知识和能力层面，此题考查学生对运动过程的分析能力，知道将海啸波浪的运动分两个阶段来研究：在海洋中海啸波的传播过程和上岸后海浪的运动过程．知道建立人的运动和海浪运动之间的数学关系．在情感态度和价值观方面，学会在海啸到来时如何避险；体会在地震多发的沿海城市建设中海啸预警的重要性和应该考虑的一些预防海啸的要素．

【例3】海啸由一系列海浪组成的，从海啸的第一个浪头到达岸边到整个海啸结束，持续时间能够达到好几个小时．特大海啸发生时，浪头高达十几米，就像一堵“水墙”．海底地震产生的水体波动与通常海面上的海浪不同，海浪通常只在浅层水面引起波动，且这种波动衰减的很快．地震引起的波动是从海面到海底整个水层的起伏，这种波动运行在深水大洋时，波长可达几十至几百千米不等，起伏高度只有1～2 m，航行的船只也难于察觉出这种波动．然而，海啸波进入大陆架后，因深度急剧变浅，能量集中，浪高骤然增大，这时可能出现10～20 m以上的浪高，以排山倒海之势冲击过来．

(1)正处在近岸海洋中作业的渔船接到地震海啸警报后应该

A．立即向海岸航行，回港避险；

B．原地不动；

C．向深海方向航行；

D．沿平行海岸的方向航行．

(2)如果海啸波的平均波长约为100 km，波速约为200 m/s．则从第一个海啸波到岸开始，大约经过多长时间将会受到第二个海啸波的攻击？

(3)据保守估计，2011年日本大地震海啸中靠近震中的宫城县海岸区长50 km，宽2 km厚的水体被抬高了10 m，冲上岸的海水平均流速为10 m/s．重力加速度取10 m/s2，水的密度是103kg/m3．试估算攻击宫城县的一个海啸波所具有的机械能？

解析：

(1)通过阅读题目背景材料可知，在深海区海啸波幅度很小，到了浅水区由于能量聚集而波幅变大，所以，渔船应该向深海方向航行，待整个海啸过后再返回岸边，选C．

(2)相邻两个海啸波之间的时间就是周期

(3)一个海啸波所具有的水体质量m=ρV=1012kg，其中，动能为

重力势能

所以，总机械能E=Ek+Ep=1014J．

通过阅读题目背景材料，可让学生了解地震海啸波的特点，学会在海面上遭遇海啸时如何避险．利用机械波的知识解决题2，体会所学知识在生活中的应用．在题3中通过计算海啸波的机械能，感受海啸的巨大能量和破坏力．

2 与核辐射有关的物理习题

同时释放出大量的γ射线，半衰期约为8天．

(1)核泄漏后，国内市场上出现了抢购防辐射服的现象，这种防辐射服是通过在衣服的表面涂上一层金属漆或用金属丝编织制成的，可用于屏蔽电器的电磁辐射．请问：这种防辐射服能否有效的抵御来自体外的放射线的危害？为什么？

(2)下列关于放射性碘131的说法正确的是

A．放射性碘131和稳定碘127具有不同的化学性质；

B．衰变中释放出电子，说明碘131原子核内含有电子；

解析：

(1)不能，因为放射线中的γ射线具有很强的穿透能力，普通的防辐射服不能有效地防止来自身体外部的射线．

上述两个问题除了考查关于放射性的有关知识外，更能使学生正确面对可能遇到的核泄漏问题，懂得如何去预防核辐射，不盲从．

图3

解析：

如图3，如果具有最大速度的带电粒子沿内圆的切线方向射入磁场区域并恰好不穿越磁场，则其他粒子也不可能穿越磁场．原因有二：该粒子速度最大，轨迹半径最大；沿切线方向射入并恰好不穿出磁场时，轨迹直径(圆上最远的两点间距)恰好等于环状磁场宽度．对该粒子有

得

在知识和能力上，该题考查带电粒子在匀强磁场中的运动问题，要求学生会构建运动过程，能利用洛伦兹力和向心力公式构建数学模型，解决实际问题．在情感态度和价值观方面看，通过此题可让学生了解能源问题的重要性和开发新能源的同时应该考虑的环保因素，看到核能利用的灿烂前景，激发学习兴趣和动机．

总之，在习题教学或编制习题的过程中，要充分利用习题的教育功能，不仅让习题具有巩固知识的作用，更要考虑习题在发展学生的能力，提高科学素养和人文素养方面的积极作用．