物理学眼中的港珠澳大桥

邓洁 万元杰 尚士赟

摘 要：港珠澳大桥建成通车，本文对如何使港珠澳大桥通车这一社会活动与物理学习融合起来，并让学生体会学习物理的意义进行了简要的阐述。

关键词：港珠澳大桥 社会活动 物理学习融合

中图分类号：G633.7 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2019）01-0117-01

港珠澳大桥建成通车，已成为中国乃至世界工程技术领域的标杆。这说明中国是桥梁建设的大国，也是交通建设的大国。港珠澳大桥的建设规模，技术难度和投资额是前所未有的。如何使港珠澳大桥通车这一社会活动与物理学习融合起来？并让学生体会学习物理的意义。现在让我们体验物理学眼中的港珠澳大桥。

1 环保问题

（1）按六车道高速公路标准建设全长近50公里港珠澳大桥，中间近7公里处不惜成本修建了一条海底隧道，主要作用是什么？

（2）人工岛建在海底隧道两端，它起到的主要作用是什么？

2 声现象与热现象

（1）为什么在靠近住宅区的桥一边建有一块约3米高的板墙？

（2）与其它路面相比，沥青混凝土薄层结构深度增加了近40%。薄层保护措施，极大提高了高速公路的服务水平。

（3）当汽车越过桥梁时，每个距离都会有明显的颠簸。这是大桥桥面上的缝隙所致，这些缝隙的作用是什么？

（4）为了使桥体更加坚固，港珠澳大桥悬挂高性能绳索，由中国石化南京化学研究所有限公司和中国纺织研究院共同开发。这种超高分子量聚乙烯纤维由超高分子量聚乙烯纤维制成，其直径仅为头发的1/10。但是，制成电绳缆后，它高于绳缆的强度，承载能力可达35公斤。为什么这种超高分子量聚乙烯纤维材料具有这种特性？

（5）在建造过程中，该项目位于屯门至香港港口人工岛赤角的连接路段内，正在建造一条海底隧道内。连接隧道的管道内壁有裂缝，导致大量泥水流入。为什么采用液氮冻结技术很好的解决这个问题？

（6）在太阳光的照射下，桥体温度高于海水温度，这是什么原因？

3 光现象

（1）在烈日下，在港珠澳大桥坐在车上看前面时，会发现桥面上的车辆有些模糊缥缈，为什么会出现这种现象？

（2）隧道墙体装饰采用良好的光学性能和防火材料，使驾驶视觉效果舒适。

（3）为了给车主带来安全的驾驶环境，驾驶员在进入隧道之前需要进行调整。东西人工岛隧道入口和出口上方的开放区域设有距离的减光罩。减光罩应用了的光学原理。

4 力学问题

（1）为了保护桥面，内地卡车的最大载重量为49吨（货物总重量），澳门卡车的最大载重量为38吨。根据地域性原則，车辆必须符合当地政府对车辆的要求，请你解释这样做的原因。

（2）汽车司机在开车过桥时，要系安全带，原因是______。

（3）香港-珠海-澳门大桥，我们的许多跨海大桥，如杭州湾跨海大桥都是设计成，以这种方式建造的，一是从物理结构力学的角度来看，有弯度明显，二是可以引导水流以减少对桥梁造成的损坏。

（4）速度、路程、时间计算。超大型跨海通道的港珠澳大桥有机连接香港，澳门和珠海。由主桥、人工岛和沉管隧道组成。是世界上最长的公路沉管沉浸式隧隧道，也是世间罕见唯一的深埋沉管隧道。求：①大桥全长约50 km，大桥的设计时速为100km/h，则从香港到珠海需要多少时间？②大桥中的沉管隧道以设计时速通过的话，要用4.2分钟的时间，沉管隧道长约多少？

（5）密度、压强、浮力的问题。作为世界上最长港珠澳大桥的公路沉管隧道。总长度为5.6公里，由33个浸入式管和“最终接头”组成。E29和E30之间只有10米以上的间隙，这是“最终关节”的位置。将接头安全平稳地提升到大约30米深的海底是一个非常困难的过程。在水完全注入后，钩子对“最终接头”具有2.0×107N的拉力，并且“最终接头”下沉到位，起重机吊装的最大输出功率约为6000w。（g取10N/kg，ρ海水取1.0×103 kg/ m3）求：①“最终接头”下沉后，上表面受到的水压；②“最终接头”的平均密度；③吊装起重机机械效率约为多少；④将如此巨大的沉管直接放入船中运输十分困难，请利用学过的浮力知识，给海水中运输沉管提出一个建议。

（6）杠杆省力问题。港珠澳大桥横跨大洋，为珠江三角洲西部和港澳地区带来了新的发展机遇，大桥采用斜拉索式，如图所示。

①在大桥的两侧，都有很长的引桥，这是为了______。

②小张对“桥塔为什么要造那么高”进行了研究：他简化了桥梁的结构，将其抽象为图B所示的模型，并绘制了两座不同的桥塔图。适当增高塔的高度，可以______，从而减小斜拉索的。

③建立模型是一种常用的物理研究方法，请举一例。

5 电学问题

大型跨海通道的港珠澳大桥有机连接香港，珠海和澳门。 “海桥，海底隧道和连接两者的人工岛” 三部分组成。港珠澳大桥夜间照明系统很有特点，它采用日常和节日照明模式。其中，日常照明模式主要是白色，显示桥梁的真实颜色，为桥梁提供基本照明。

（1）工程师使用先进的动态变频灯具进行照明可以。

（2）桥段动态1280盏变频灯，35米灯间距，可根据道路光照情况照明的需求实现从0%到100%无级别的调光。若一盏灯功率为10瓦，10小时消耗电能是多少？

（3）当汽车进入海底隧道时，必须选择正确的照明方法以确保安全驾驶。汽车前照灯通常有两种照明模式：“视觉照明”和“近距离照明”。当“远距离照明”时，前照灯的功率更大。图B是汽车前照灯的灯泡的示意图，A和B是灯泡中的两个灯丝。开关A通过开关S连接到触点“1”或“2”，以操作灯丝A或B以改变照明模式。灯泡的额定电压为12伏，灯丝 A的电阻 RA为1.2欧姆，灯丝 B的电阻 RB为1.6欧姆，电源电压U在12伏时保持不变。然后，当开关S连接到触点“1”时，汽车前照灯是什么样的照明？通过计算加以说明。