资源简介

12-6 物理与环境保护
一、教学目标：
1．了解环境，了解环境保护的重要性，培养学生的环保意识。
2．了解物理学在环保中的作用。
二、教学重点、难点：
环境污染的防治
三、教学器材
四、教学建议
教法建议：讲解，讨论
教学设计方案：
（一）引入新课
环境，现在是人人关心的话题。环境保护的意识，已经越来越深入人心。在这一节里，我们将用物理学原理简要分析某些大的环境问题，以及现实的或可能的解决方案。
（二）课程内容
环境是客观物质世界，即自然界。它是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类周围各种自然因素的总和，如空气、水、岩石、土壤、动植物、阳光、气候、地磁场及地壳等。
自然环境为人类的生存和发展提供了充分的条件，但人类的活动却已经并正在造成环境污染，这反过来又会影响人类的生存和发展。
所谓环境污染，是有害物质在自然界中的某些系统或某些区域积聚，并且其积聚量已达到危及或潜在危及人类和生物的正常生存的现象。这些有害物质的积聚超出了环境的自净能力，使大气、水、土壤等环境要素的物理、化学、生物特征发生不良变化。
环境污染主要包括：空气污染、水污染、工业废渣污染、噪声污染和自然环境的破坏（包括毁林、围海湖造田、滥坎乱伐、土地沙化等）。
１．空气污染及防治
由于人类活动和自然过程（如火山爆发等），使排放到空气中的有害物质达到一定浓度并维持一定时间，就造成空气污染。它改变了空气的正常组成，影响生态平衡和社会的正常生产、生活，对生物、建筑物、设备、材料等造成不利影响和危害。
图1 空气污染
地球的大气层，是大自然赐予地球的珍贵礼物。它阻挡着来自宇宙的流星、石块，吸取了来自太阳的强烈的紫外线和宇宙射线，给地球生物的繁衍生息提供了良好的条件。但是，大气污染已经开始使人类和地球生物的生存受到威胁。
臭氧层问题 臭氧层的主要作用是过滤紫外线和宇宙射线。臭氧层变薄、出现空洞，会使进入地球的紫外线强度增大，其后果是皮肤病、白内障、免疫系统疾病患者增多，儿童视力减弱；海洋浮游生物减少，影响鱼类的生存繁衍，最终使人类的食物受到影响；植物受到伤害，直至死亡。强紫外线还是加剧地球温室效应的凶手。造成臭氧层破坏的元凶是氯氟烃类化合物，超音速飞机在臭氧层的飞行也对臭氧层造成了破坏。
图2 臭氧层空洞形成原理 图3 温室效应
温室效应 在大气中，除了氧气、氮气外，还有一些微量气体，其中CO2、CO、CH4（甲烷）、O3、水蒸气和氯氟烃类对来自太阳的短波辐射吸收很少，对地面向太空辐射的长波强烈吸收，实际上只允许热辐射进入，不允许离开，使地球成了一个大温室。这就是温室效应，这些气体称为温室气体。
温室效应为地球生物的生存和发展提供了必要的条件。但由于人类活动使得排放到大气中的温室气体（主要是CO2）大量增加，温室效应加剧，地球持续变暖。大气中CO2、CO的主要来源是化石燃料（煤、石油和天然气）、柴草燃烧和汽车尾气。
空气污染的危害 空气污染不但加剧温室效应，而且会直接危害人的健康和生命。其中的硫氧化物（主要是SO2和SO3）、氮氧化物（主要是NO2）具有腐蚀性和生理刺激作用，危害人和动物的呼吸系统。CO能造成体内缺氧，危害性很大。碳氢化合物在紫外线照射下与氮氧化合物发生化学反应，生成光化学烟雾，刺激人的眼、鼻、喉、气管，甚至对肺部造成伤害，严重者心肺功能衰竭，导致死亡。煤和石油燃烧是硫氧化物、氮氧化物的主要来源。汽车尾气中含有大量的CO、氮氧化物和碳氢化合物。
空气中的硫氧化物、氮氧化物与雨、雪、露、雾等各种形式的降水结合，会形成“酸雨”。酸雨会引起土壤、湖泊和河流的酸化，危害鱼类和植物的生存，侵蚀建筑物和金属设备，污染地下水，对生态系统和人类健康造成巨大威胁。
引起大气污染的，除了有害气体，还有漂浮在大气中的固体和液体微粒。液体颗粒以气溶胶态存在，有硫酸雾、硝酸雾、光化学烟雾等。固体颗粒污染物为含重金属（包括铍和砷）氧化物的烟尘、粉尘等。烟尘是燃烧的产物，粉尘的来源是工业生产、建筑施工和沙尘暴等。这些有害物质可引发心、肺、呼吸道疾病。固体颗粒污染物使空气混浊，能见度下降，减少了达到地球表面的太阳辐射量。这些颗粒物还可以与酸雨一起破坏生态环境。
PM10和PM2.5 粒径小于10 μm的颗粒物，称为可吸入颗粒物（PM10），又称为飘尘。有害物质的60%~90%集中在可吸入颗粒物中，它可以进入人体，侵害呼吸系统，引发哮喘。
粒径小于2.5 μm的颗粒物，称为细颗粒物（PM2.5）。虽然细颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但其粒径小，表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（细菌、病毒及重金属等），可以沉积在肺部，或随血液流遍全身，它吸附的有害物质可引发心、肺、呼吸道疾病，并使致癌、致畸、致突变的几率明显升高。细颗粒物危害大，在大气中的停留时间长、输送距离远，在影响大气质量的诸多因素中已经越来越引起注意。我国计划于2016年实施的《环境空气质量标准 (GB3095-2012)》，“环境空气污染物基本项目浓度限值”（表1）表中，PM2.5的24小时平均值规定为75 μg／m 3，这与世界卫生组织《空气质量准则》的“过渡期目标1”一致，但距离其准则值（年平均10 μg／m 3，24小时平均25 μg／m 3）差距还很大，说明我们治理空气污染的任务还很艰巨、道路还很漫长。表2是PM2.5浓度与空气质量等级的对应关系（根据GB3095-2012等编制）。
表1 环境空气污染物基本项目浓度限值
污染物项目 平均时间 浓 度 限 值
一 级 二 级
二氧化硫（SO2） 年平均 20 μg/m3 60 μg/m3
24小时平均 50 μg/m3 150 μg/m3
1小时平均 150 μg/m3 500 μg/m3
二氧化氮（NO2） 年平均 40 μg/m3 40 μg/m3
24小时平均 80 μg/m3 80 μg/m3
1小时平均 200 μg/m3 200 μg/m3
一氧化碳（CO） 24小时平均 4 μg/m3 4 μg/m3
1小时平均 10 μg/m3 10 μg/m3
臭氧（O3） 日最大8小时平均 100μg/m3 160 μg/m3
1小时平均 160 μg/m3 200 μg/m3
可吸入颗粒物（PM10） 年平均 40 μg/m3 70 μg/m3
24小时平均 50 μg/m3 150 μg/m3
细颗粒物（PM2.5） 年平均 15 μg/m3 35 μg/m3
24小时平均 35 μg/m3 75 μg/m3
环境功能区分为二类：一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域，适用一级浓度值；
二类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区，适用二级浓度值。
表2 空气质量等级
空气质量等级 24小时PM2.5浓度平均值
优 0~35 μg/m3
良 35~75 μg/m3
轻度污染 75~115μg/m3
中度污染 115~150 μg/m3
重度污染 150~250 μg/m3
严重污染 250 μg/m3以上
空气污染的防治 防治大气污染，要从源头抓起，减少、消除污染物。要节约能源，提高能源利用效率。大力植树造林、禁止乱砍滥伐林木。
２．水体污染及防治
被水覆盖的自然综合体，称为水体。它包含水、水中悬浮物、溶解物、水生生物和底泥。江河湖海、水库、沼泽、湿地和地下水等，都属于水体。
排入水体的污染物使水质变坏，超过水体本底浓度和自净能力，破坏水体原有用途，即称为水体污染。
图4 被污染的水体 图5 被石油污染的海洋中的鸟类
水体污染的来源，主要是工业废水、生活污水、农田排水和水土流失。排入水体的有机物在水中的分解过程需大量耗氧，会使水中溶解氧减少，严重时会威胁鱼类等水生生物的生存，直至使水质腐臭发黑。有害物质在水生物中富集，又会通过食物危害人类。
水体污染的防治 工业污水、生活污水要先处理、后排放。在农村，要治理水土流失、减少农药、化肥使用，提倡使用农家肥和生物防治的办法。
３．固体废弃物及其处理
固体废弃物主要是工业废渣、建筑垃圾和生活垃圾，也包括农业废弃物。
固体废弃物渗漏，会污染水体和土壤，它产生的气体会严重污染空气。
固体废弃物的处理 提倡废物利用，对固体废弃物要进行无害化处理、实行隔离放置。
４．核废物与核污染
原子弹、氢弹在爆炸时会产生极高的温度和穿透性很强的辐射，为人类带来巨大的灾难。除了核爆时产生的瞬间核辐射直接造成的破坏外，爆炸产生的大量放射性核素即剩余核辐射仍会长时间对人、对环境造成普遍的、严重的危害（详见12-5节）。此外，对各种核设施及放射性物质的安全防护，也应引起足够的注意。
图6 环境污染的受害者
核事故更会使其周围环境放射性物质的浓度大大增加，例如，2011年3月11日日本大地震以及随后引发的巨大海啸，造成福岛第一核电站的一系列设备损坏、堆芯熔毁，释放了大量的放射性物质，数以万吨的放射性污水排入大海。事故使6名员工吸收到超过“终身摄入限度”的辐射剂量，约300名员工吸收到了较大的辐射剂量，估计核电站附近民众中有几十人也将因累积接受大量辐射而在未来患癌症死亡，而由于辐射致病的民众则更多。
控制外来辐射的三种方法：时间、距离和屏蔽。
应当尽量减少在辐射区域停留的时间，远离辐射源。
各类工事可以防治、减弱各种核效应，专用护目镜可保护眼睛免受核闪光的伤害。白色对光、热辐射有较好的反射作用。在野外应背向爆炸中心卧倒，双目紧闭，立即跳入水中，迅速脱离核爆炸云迹区，跑往上风方向。
服用某些药物可使体内的放射性物质迅速排出，或减少对放射性同位素的吸收。
低质量数的材料，如铝或有机玻璃可以屏蔽β射线；
铅、混凝土、水等可以屏蔽γ射线、Χ射线；
含氢量高的石蜡、水、混凝土等是屏蔽中子的好材料，屏蔽材料中还常掺入硼以吸收中子，掺入高原子序数物质以吸收中子被俘获时发射的γ射线。
（三）小结
（四）作业布置：查阅相关资料

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