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第4页






23.雷电是怎么产生的?

雷雨的积雨云下层以及地表富集着大量的相反电荷,这使得云和大地之间形成了非常大的电势差(几十兆伏),这样高的电压产生的电场有可能让空气分子电离。电离出来的离子在电场加速下高速撞向旁边的分子,把旁边的分子也给撞电离了。然后,这种雪崩一样的情况把空气沿着一条线变成了导体,电荷通过这条线迅速放电,就形成了闪电。放电产生的热量把空气加热,使得空气膨胀摩擦并发出声响,这就产生了雷。

雷雨云中为什么会富集如此大的电荷量?目前有很多理论,但是每个理论都不能解释所有的现象,雷雨云的起电机制现在还是一个有争议的问题。

想了解更多的朋友可以去看看《费曼物理学讲义》的第二卷,书中有更加易懂的讲解。





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24.北极的冰屋里面真的不冷吗?

冰屋确实能起到很好的御寒作用。

冰屋几乎没有缝隙可以让寒风吹进室内,而且冰屋的建成材料冰砖是热的不良导体,能起到很好的隔热作用。冰屋门的朝向一般与风向垂直,而且十分低矮,寒风无法进入室内形成对流。

北极的室外温度低至零下几十摄氏度,而冰屋内的温度可以达到零下几摄氏度到十几摄氏度,这对于有兽皮保暖的因纽特人来讲已经足够了,普通人应该也没什么太大问题,毕竟冬天我国南方室内不开空调跟这个温度应该差不太多。室内一般也不会出现冰块融化的问题,因为冰壁附近的温度总是低于熔点的,如果想让室内更暖和,因纽特人会在内壁挂上兽皮,这样尽管室内很暖和,但兽皮和冰壁之间的空气因兽皮隔热而无法升到较高的温度。雪洞保暖也基于同样的原理,若是条件合适,挖雪洞避寒也是很好的野外生存技巧。

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25.液态氧和固态氧为什么是蓝色的呢?

考虑氧的颜色就要考虑氧分子的吸收光谱。氧气的吸收光谱主要存在于红外区域,气态的氧便呈现无色透明的状态。但是在液态和固态中,由于凝聚态的双分子耦合作用,产生了红到黄绿光区域的四个吸收峰,所以液态氧和固态氧显示蓝色。

另外一个原因是气态的氧分子在空间分布的密度很低,所以即使吸收同样颜色的光,颜色也太浅,肉眼根本看不出来。

参考文献:

E.A.Ogryzlo  J.  Chem.  Educ.,1965,42(12),p647

Ahsan  U.Khan,Michael  Kasha  J.Am.Chem.Soc.,1970,92(11),pp3293–3300

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26.为什么燃烧后的火柴具有磁性,可以被磁铁吸引?

这和燃烧没有关系,没有点燃的火柴头也会被磁铁吸引。

把火柴头放到水里,旁边放上磁铁,火柴头会因受到吸引而运动。显然,火柴头里加入了磁性物质,考虑成本问题,铁粉的可能性最大。那么为什么燃烧后现象变明显了呢?从分析来看,有下面两个原因:第一,火柴燃烧后大部分可燃物被氧化,火柴更轻了;第二,磁性粉末分布更加集中,磁化效果更强。

为什么火柴头里要加入磁性粉末呢?细心的朋友会发现,火柴一般都是头朝一边躺在火柴盒里的。没错,加入铁粉后,我们用磁铁吸一下就可以高效地把火柴头顺到一边了。我国早在20世纪80年代就拟定了技术标准,颠倒头的火柴是不允许装盒的。传统的方法依靠火柴头尾重量差,用振动实现顺头。这种方法一是分离不完全,二是容易失火,安全性差,三是会出现大量的残余,造成浪费。所以,现在大家都采用掺磁性粉末的方法解决这个问题,这个点子还在1991年的时候申请了国家专利呢!

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27.为什么飞机飞过天空后会留下云?

云的形成过程大致是这样的:大气中的水汽过于饱和,不断聚集在凝结核上,形成了小水滴或者小冰晶,然后这些水滴或者冰晶会反射和散射太阳光,我们就可以看到云了。

飞机飞过留下的云可以称作“飞机尾迹”,我们经常看到的是喷气式飞机的尾迹。喷气式飞机在高空飞行时会排出大量含有水蒸气的高温废气,而机舱外的环境温度通常是零下几十摄氏度。高温废气与空气混合,温度下降,水蒸气达到过饱和的条件,在凝结核上凝结成小水滴或者小冰晶,于是就形成云了。尾迹一旦形成,一般可以维持30~40分钟。





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28.北半球的水涡都是向左旋转的吗?听说这是由地球自转和不同纬度的不同线速度决定的,这种解释科学吗?

地球自转的确会产生一种改变运动方向的力,这被称作科里奥利力(或者地理学中的地转偏向力),但这种力的来源不是各处不同的线速度。关键在于,地球是一个转动的非惯性系,而且只有相对地球运动的物体才会受到科里奥利力。北半球的气旋逆时针旋转(左旋),南半球的顺时针旋转(右旋),这的确是因为科里奥利力。

但是,如果你指的是洗手池、浴缸、抽水马桶等在放水时形成的水涡,那么它们的旋转方向与科里奥利力无关。这是因为这些东西排水时涉及的尺度与速度太小,科里奥利力太小,不足以影响水流方向。水涡的旋转方向主要由排水孔内部的结构决定。

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29.为什么用纸或塑料遮住手机Home键,指纹识别依然可以使用?难道这样也导电吗?

所谓指纹识别,即通过识别模块收集你的指纹信息,与之前存储在手机中的指纹信息进行对比。根据收集指纹的方式不同,指纹识别模块主要分为这几种:光学式指纹模块、电容式指纹模块、射频式指纹模块。

光学式指纹模块利用光学反射成像识别指纹,但其识别精度并不理想,且占用空间较大,所以手机上很少用这种识别模块。

电容式指纹模块利用硅晶元与手指导电的皮下组织液构成一个“电容器”。我们知道,两个电极之间的距离远近会影响电容器的电压;根据这个原理,指纹的高低起伏会在不同的硅晶元上形成不同的电场,这样就把指纹信息转化成了电信号。目前大多数手机的指纹识别使用的都是电容式指纹模块。





射频式指纹模块有无线电波探测型和超声波探测型两种,原理是靠特定频率的信号反射探测指纹的具体形态。这种技术通过传感器本身发射出微量射频信号,穿透手指的表层,探测里层的纹路。其优点是手指不需要和识别模块接触。





了解这些之后,我想你已经知道问题的答案了。首先,你的手机指纹识别模块是电容式的,对于这种模式的指纹识别,只要“中间介质”没有厚到让产生的电场太弱而检测不到,那就不会影响指纹识别。你可以做个小实验,看加多少张纸后,指纹识别功能才会失效。

“湿手无法指纹识别”的现象也很容易理解:水有导电性,这时模块识别的是水的“纹路”,而不是你手指的。

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30.为什么导电的固体大多不透明,而透明的固体大多不导电?

透明的含义是什么?

从能量的角度讲,透明意味着材料中的电子无法吸收可见光所对应的能量并进行跃迁。可见光红紫两侧对应的能量分别约为1.6eV和3.1eV。固体中的原子常常整齐地排列形成晶体,其中的电子会处在一系列准连续的能级上,这被称为能带。以金属为代表的导电固体之所以呈现金属性,是由于其中的电子填充了半满的能带,电子只需吸收很少的能量即可跃迁到与之最近的能级上。当然,电子也可以吸收更多的能量跃迁到更高的能级上,而这些能级对应的能带范围连续且很宽,经常在整个可见光范围内都有吸收,因此就不透明了。

不导电固体,以水晶为例,其电子填充了整个能带,能带与能带之间隔着一定的能量,这就是带隙。这意味着电子吸收的能量至少需要接近带隙对应的能量才能发生跃迁。水晶的带隙较大,约为9eV,远远超过可见光能量,其电子无法通过吸收可见光跃迁,于是水晶表现出了透明的性质。