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第2页



冰糖是真的有摩擦荧光。

想见证奇迹的朋友可以做一个小实验:找一个透明的、内部干燥(一定要干燥,越干燥现象越明显)的矿泉水瓶,用其1/4的容量装大块冰糖。在一个月黑风高的夜晚,拉上窗帘,关上灯,让室内伸手不见五指,然后迅速地摇晃塑料瓶,这时你就会看到瓶中的冰糖一下下地发出蓝紫色的闪光。摇得越快,现象越明显!

你可能不知道,摩擦荧光(Triboluminescence)的研究历史已经有几百年了,早在17世纪就有人发现摩擦糖块会发出亮光。其机理在大卫·哈里德(David  Halliday)的《基础物理学》(Fundamentals  of  Physics)里面有所叙述。由于冰糖晶体的非对称性,冰糖在断裂过程中断面会带上正负电荷,这相当于把振动摩擦的机械能转化为了电势能。而电荷中和的放电过程激发了空气中的氮分子,将能量以荧光形式放出。能以相似机理摩擦发光的晶体还有LiF、NaCl、SiC等。

虽然多种晶体都有相似的发光现象,但是这背后蕴含的机理问题很多。比如,晶体的压电效应、扭曲和位错都能引起发光;还有些晶体不像冰糖这样靠激发氮分子来发光,而是因晶体本身被激发而发光。摩擦荧光也不限于非对称晶体,在某些对称晶体上也能观察到该现象。这些问题都有待人们去研究。这么看来,一个不起眼的小现象说不定蕴含着很多大学问呢!

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08.夏天,地面附近会有类似火焰一样的透明的跳动。这是为什么?





太阳光透过空气加热地面。→地面通过热传导加热紧挨着地面的空气。→空气受热膨胀,体积增加、密度变小。→密度变小之后,空气开始上浮,并与上方的冷空气不断碰撞。→空中形成了很多不同密度空气的交界面,这些交界面随着冷热空气的碰撞不断改变。→不同密度的空气有不同的折射率,光线穿过交界面时发生折射。→于是,你就看到了像火焰一样透明的跳动。





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09.为什么会有风?

因为有太阳。

太阳光加热了地球表面,地球表面加热了空气。这里有个关键点:地球表面不一定是同质的。比如,海水比热容比陆地大,所以陆地在同样的日照情况下升温比海洋快,这就使陆地上方的空气比海洋上方的空气更热。我们刚刚说了,热空气要往上运动,它们走了之后在地面留下一个低气压区域。虽然海洋上方的空气也在往上运动并制造低气压,但它们没有那么热,所以上升得不如陆地上方的空气快。相对于地面来说,它们处在高气压区域。于是气体从高压区域流向低压区域,海风就从海洋吹向陆地了。而到了晚上,陆地迅速降温,这时海洋表面比陆地热,风又会从陆地吹向海洋了。

本质上讲,风就是太阳光驱动的热对流现象。

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10.我该如何说服长辈手机电磁辐射是基本无害的?

从物理的角度来说,手机辐射是非电离辐射,而且功率很小,不会破坏有机分子,也不会对人体造成伤害。

从医学实验的角度来说,没有显著证据证明手机辐射与生理性疾病存在因果关系。

就说是物理君说的。

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11.电磁炉的波对人有危害吗?请问(城市万伏变压)变压器旁边的电磁辐射对人的影响有多大?

科学未发现生活中常见的辐射来源——手机、电脑屏幕、Wi-Fi、电磁炉、微波炉、信号基站、高压变压器,等等——对人体有任何辐射伤害,只要使用者规范使用不作死。

作死举例:(1)强行打开正在运行的微波炉;(2)跑进变压器里玩捉迷藏;(3)把脸贴到正在运行的电磁炉上。

当然,这里不排除其他伤害,比如被变压器砸死什么的。

真正会带来辐射伤害的常见物品包括地铁与机场的X射线安检仪(不包括金属探测器)、烟草、医院的X光机、胸透仪、CT仪、高空宇宙射线、放射性矿物质。

当然,不谈剂量就谈毒性也是非常不科学的。目前已证明的对人体健康明显有害的辐射剂量最小值是100毫西弗。一个普通的正常人一年能承受的辐射剂量一般为2~3毫西弗。地铁安检仪泄漏的辐射剂量可忽略不计。坐飞机往返一次东京或纽约大约要承受0.2毫西弗,和一次胸透差不多。一次头部CT扫描大概1毫西弗,而与一个每天吸30支烟的人同居一年吸入的二手烟的剂量也有1毫西弗。一次胸部CT大概5毫西弗,全身CT10~20毫西弗。一个每天吸30支烟的吸烟者一年承受的辐射剂量为13~60毫西弗。

另外,放射性职业工作者一年累计全身受职业照射的上限是20毫西弗,受辐射达到200毫西弗时白血球减少,1000毫西弗时出现明显的辐射症状(恶心、呕吐、水晶体混浊等),2000毫西弗时致死率会达到5%,3000~5000毫西弗时致死率大约是50%,10000毫西弗以上基本上就“妥妥滴”了。

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12.一个火车头为什么能拉动这么多的车厢呢?

物理君要先告诉大家一个有点反直觉的模型:在平整的刚性地面上,有一个正圆、刚性、质量均匀的轮子在无滑动滚动,即便不给轮子施加外力,它仍然可以一直维持匀速直线运动状态,直到永远。

由此可见,理想情况下,维持一辆车的运动并不需要额外施力(此处不考虑内部摩擦)。当然,对于实际情况,我们所设置的一系列条件(刚性、平整、正圆等)都不能完全满足,但是因为轮子的存在,维持火车的运动并不会“特别难”。再不济,我们还可以增加牵引车头或者使用更重的牵引车头。

事实上,火车头拉动车厢最难的阶段是在启动的时候,让车厢从静止状态转变到运动状态要比维持运动难得多。不过,启动时所有车厢并不是同时启动的,而是车头带动第一节车厢,然后车头和第一节车厢共同带动第二节车厢,直到最后一节车厢被带动,这样就完成了整车的启动,这种“逐个击破”的手段保证了较轻的车头也能拉动较重的车厢。

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13.为什么硬的东西都是脆的?

这个问题好有趣。要回答也不难,我们要先定义一下什么叫“硬”,什么又叫“脆”。所谓“硬”,就是抵抗压强导致的形变的能力。所谓“脆”,就是忍受形变的能力很小,延展性差,稍有形变就会遭到破坏。

不过需要说明的是,这个问题本身并不普遍成立。比如,钢铁硬而韧,石墨软却脆。这里只针对成立的情况做一些说明。

为了说得更清楚,我们先列举几个硬东西:金刚石、大理石、蓝宝石、水晶、玻璃。我们再列举几个延展性好的软东西:橡皮筋、塑料袋、你的脸。

不知道你注意到没有,这两类东西最大的区别在于,硬的东西都是直接通过原子的共价化学键相连的(注意,玻璃不是晶体,但其内部也是通过共价键相连的,只是没有周期结构而已),而软的东西都通过氢键和分子间力拴在一起。

这样问题就很简单了,共价键的强度远大于氢键和分子间力,因此共价键很难被拉开,分子间力却很容易被破除。在产生相同的形变时,以共价键相连的物体需要更多的功,于是表现得“硬”。但共价键本质上是原子外层电子波函数的叠加,所以作用范围非常小,跟原子的尺度是一样的。也就是说,共价键稍微被拉远一些就无法继续保存了。而分子间力不要求波函数直接叠加,所以作用范围大得多(比如橡皮筋中的分子间力主要依靠熵增)。于是,硬的东西往往比软的东西“脆”。

注意,我在这里回避了金属键的软硬问题,因为金属的软硬分析比较复杂,要分析具体的晶体结构,要分析位错的生长,以及具体的杂质带来的位错钉扎。

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14.坐在火车上透过玻璃往外看,离得越近的东西“走”得越快(比如铁轨和路杆),而远的东西(比如建筑和树)好像就“走”得比较慢。这是为什么?