万书网 > 文学作品 > 1分钟物理 > 第20页

第20页



◆◆◆





39.牛顿第一定律可以看作第二定律的特例吗?

来看一下牛顿第一定律的表述:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。仔细思考的话,这条定律的意义在于给出了惯性系的概念,这也是牛顿第二定律、牛顿第三定律所建立的力学体系的基础。因此,牛顿第一定律是不可缺少的。如果单单将牛顿第一定律理解为F=ma的特例的话,应该说,虽然不是错,但是不完整,对于理解整个牛顿力学体系有一定误区。

◆◆◆





40.为什么光电效应中一个电子只吸收一个光子?

如果你只学过基本的光电效应原理,那么恭喜你,你已经很接近发现新现象了。

事实是,光电效应中一个电子未必只吸收一个光子。实验发现,就算单个光子的能量不足以达到电子逸出功,当光强足够大时,依然会有逃逸的光电子。原因是电子吸收光子是有一定的概率的,当光强很弱(相当于光子的密度很低)时,对某个电子而言,就这么点光子,能吸收一个就已经很不错了,几乎不存在吸收多个光子的可能。因此,这时观察到的光电子就是只吸收了一个光子的电子。这就是我们学的光电效应,这是低光强下的现象,与频率有关,与光强无关。当光强变大(相当于光密度增大)时,单个电子吸收光子的概率也会增大,甚至吸收多个光子也成为可能,此时就算单个光子能量不够电子逃逸,多个光子也有可能被一个电子吸收从而逃逸,让我们观察到光电子。激光(激光的光强一般很大)照射引起的多光子吸收已经有了很多实际的用途,比如已经成功用来分离同位素硫,光化学、光谱学领域也有其应用。

◆◆◆





41.请问光电效应中光子打出来的电子可以是金属的内层电子吗?

可以,虽然概率比最外层电子小。不过打出内层电子的光子不是可见光,是紫外线乃至X射线。

◆◆◆





42.温度的本质是什么?人触摸物体时如何感受到物体的温度?

要想理解温度的概念,应该先抛掉我们在日常生活中由对冷暖的感知而获得的对温度的理解。

从纯粹的物理角度来说,温度是一个统计意义上的概念,它是一个系统中全部分子的平均动能(平均动能和温度之间只差一个常系数)。温度越高(平均动能越大),系统内部就越“热闹”。



既然温度是系统的“平均动能”,那么这个系统不管是一个分子还是1023个分子,是微波背景(空间中弥漫的电磁波)还是黑洞,只要其成分具有动能,我们都可以定义出它的“温度”。只不过对于成分较少的系统(比如只有几个分子的系统),定义温度的概念没有太大意义。只有当我们需要在统计意义上研究系统时,温度的概念才有必要。

从这个角度理解热力学第三定律的“绝对零度不可达到”,直白地说就是,在物理现实中一个系统的平均动能不可能等于零。

上面这些是从微观角度来考虑的,我们在日常应用中不可能把所有分子的动能都加起来然后平均一下来算一杯水的温度。那怎么办呢?就像量一张桌子需要一把尺子一样,我们也需要一把测温的“尺子”。以我们熟知的摄氏温标为例,这把温度标尺的定义是:在标准大气压下,把(比如)水银柱放在水中,规定水的冰点(严格说,应该是纯水的三相点)时水银柱的高度为0摄氏度,沸点时的高度为100摄氏度,将两者之差等分100份,每等份为1摄氏度。其他测温“尺子”(包括华氏温标、热力学温标)的定义都与之类似。建立任何一种温度的“尺子”,都需要三个要素:测温物质(水银)、测温属性(水银的膨胀)、固定标准点(水的冰点和沸点)。

考虑我们对温度的感觉时,情况就变得比较复杂了,因为“冷”“暖”只是我们的感觉经验。而我们的感觉经验受很多因素的影响,比如皮肤表层的神经细胞、密度、温差、持续时间、空气湿度、风速等。我们在此不讨论前几种因素,详细内容请查看心理学的相关知识,这里只说后两种。

风速会影响人体皮肤接触的空气量。当风速增加时,人体接触的空气会增加,空气带走或带来的热量也相应地增加,“风寒指数”由此而来。当风速达到20米/秒时,空气温度为4摄氏度,但我们的感觉却是-0.3摄氏度。所以,夏季的微风更凉爽(不过,你要确保空气温度低于你的体温,否则会相反)。

而另一方面,人体通过排汗来降温,汗液蒸发带走人体热量。但是当空气的湿度较高时,水分的蒸发率就会降低。这意味着散热变慢,相对处于干燥空气中的情况,人体内保留了更多的热量。人们从这种现象中总结出了“酷热指数”。

综合风速和空气湿度给人对温度的感觉带来的影响,风寒指数和酷热指数可以合成为一个词:体感温度。

从上面的回答可以看出,物理中的温度和生活体验中的温度差别还是很大的。所以我们似乎可以得出一个结论:学习物理要忘掉日常经验。

◆◆◆





43.光的反射的本质是什么?

光在真空中是沿直线传播的,如果光发生了反射,一定是因为光的传播路径上出现了介质。介质中的电荷在光(电磁波)的作用下会产生额外的场,介质产生的场会与入射的光场相互叠加形成新的场,新的场沿着反射光方向传播的部分就是反射光。我们可以看出,反射光是介质在入射光的作用下产生附加的场。

我们用上面提到的思路对金属的反光进行分析:金属可以屏蔽静电场和波长较长的电磁波,原因就在于,金属在光的作用下会产生附加场,在金属内部,附加场和外加电磁场刚好完全抵消。我们注意到,金属产生的附加场关于金属表面是镜面对称的(因为金属内部没有电荷,电荷都集中在金属表面),这就使得附加场在金属内部抵消外场,在外部沿着入射光关于法线对称的方向传播,这就是反射光。由此可以看出,我们得到的反射光是满足反射定律的。

◆◆◆





44.为什么不同频率的机械波在同一介质中传播速度一样,而不同频率的光在同一介质中传播速度就不一样?光不是具有波的性质吗?机械波没有折射率吗?

事实上,不同频率的机械波在同一均匀介质中的速度也是不同的,只是速度差异非常之小,以至于这个差异一般可以忽略不计。介质中机械波波动方程解出的波速是严格一致的,那么这种速度差异从何而来?这是由于介质中机械波的波动方程假设介质是理想的均匀介质,并且忽略了非线性效应。

在实际情况下,这样的假设只是近似地成立。在大多数情况下,介质中的机械波波长是远远大于介质中原子间距的,因此可以认为介质是均匀的。当机械波的频率足够高时(大约为GHz到THz级,这样的频率机械波一般是达不到的),匀质假设就不再成立,而这时的波速也与低频时的波速有较大的差异(一般是更小了)。线性介质的假设则是在机械波的振幅不大的情况下才成立,在小振幅时非线性效应还不是十分明显,所以可以忽略。而当机械波的振幅足够大的时候,非线性效应就不可忽略了。爆炸产生的冲击波就是这样的一个例子,核武器在空气中爆炸产生的冲击波波速可以远远大于空气中的声速。

◆◆◆





45.四氧化三铁是如何产生磁性的?

我们需要先了解一下Fe3  O4  的晶体结构。尖晶石结构对应AB2  O4  型离子晶体。其中A为二价金属离子,B为三价金属离子。O2-  离子为立方最密堆积,二价阳离子A填充8个四面体间隙,三价阳离子B填充16个八面体间隙。晶体中原子比为8∶16∶32(A∶B∶O)。Fe3  O4  [Fe(FeO2  )2  ]的反尖晶石结构与尖晶石结构的区别在于,Fe2+  占据了一半的八面体间隙,而Fe3+  占据了剩下的一半八面体间隙和全部四面体间隙。

过渡金属氧化物的磁性主要由过渡金属离子3d电子(Fe:3d64  s2  )提供,但是金属离子被较大的氧离子隔开,间距较大,因此两个相邻的磁性离子之间电子云几乎没有重叠部分,故不能产生直接的交换作用(电子间库伦作用的量子效应),但相邻的过渡金属磁性离子与中间的氧离子可以发生直接的交换作用,从而使电子非局域化,实现间接交换作用,也就是超交换作用。超交换倾向于使自旋反平行,因此Fe3+  、Fe2+  与氧离子形成的Fe-O-Fe均为反铁磁性的,而Fe2+  -O-Fe3+  中,A、B位上的反向磁矩并不能抵消,于是表现出了亚铁磁性。此外,阳离子-氧离子-阳离子形成的夹角越接近180°,间接交换作用越大。这个时候我们需要考虑晶体结构。反尖晶石结构一共有五种间接交换情况,其中夹角最大的是A-B(约154°)。由于篇幅有限,这里就不展示了,有兴趣的同学可以自己画平面图计算一下。Fe2+  -O-Fe3  +的类型为A-B,因此四氧化三铁表现为亚铁磁。另外,氧和铁形成的不同晶体结构的化合物,其磁性的判断也需要同时考虑晶体结构和交换作用。