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同时,我们常说Fe3  O4  可以看成FeO和Fe2  O3  的混合物(这是从组成上讲的,结构是另一回事)。那大家肯定很好奇,在室温下,后两者又有怎样的磁行为呢?FeO表现为顺磁性,α-Fe2  O3  为六角型结构,260开以下表现为反铁磁,260~950开则表现为倾斜反铁磁/极弱铁磁;γ-Fe2  O3  为缺陷萤石型结构(也有四面体和八面体Fe位),表现为亚铁磁。由此可见,磁性质不仅取决于未成对电子,同时也和结构(相互作用)息息相关。因此,有铁元素或者铁的物质不一定会被磁铁吸引。

这些材料被制成纳米颗粒时又会表现出各种不同的磁行为,那就更复杂了,大家有兴趣可以了解一下。



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46.为什么气体向真空扩散不做功?

题主指的应该是理想气体吧?确实有这么个结论。有些问题呀,其实换个角度就很容易看清楚啦。物体不受任何外力(包括空气阻力、摩擦力、外部支持力等)时,总保持静止或匀速直线运动状态,动能不变吧?两个物体发生弹性碰撞,虽然各自速度改变,但是总动能不变吧?既然总能量都没变,当然就不做功喽。把这里的物体换成理想气体模型中的气体分子,不就有结论了吗?对于理想气体而言,我们无须考虑气体分子间的相互作用,分子间的碰撞也可视为弹性碰撞,因此,这团气体向真空扩散时当然是不做功的。

另外补充一点,若是把气体装在一端封口的注射器中,再放在真空中,那么气体推动活塞向外运动就是需要做功的啦,因为这里涉及气体分子对活塞的碰撞,并将一部分能量用于推动活塞运动,转化为活塞运动的动能和摩擦生热的内能,在外界非真空的情况下,还要抵抗外部气压做功。自由扩散和有容器的情况是不同的,应注意区分。

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47.请问微观上热传递的实质是什么?

热传递主要存在三种形式:热传导、热辐射和热对流。

热传导是指介质无宏观运动时的热传递,在微观上是粒子碰撞或原子、分子等振动发生能量交换的结果。比如,在气体或液体中,分子运动相对自由,因此四处碰撞,动能发生转移;在固体中,主要是邻近原子通过键的作用将运动的能量传递过去;对于晶体,我们常将晶格的不同振动模式抽象为声子,通过声子的运动、产生和湮灭研究热的传递。

热辐射是一切高于绝对零度的物体都会具备的向外辐射电磁波的属性,也是真空中热传递的唯一方式。其微观上是由于分子、原子中的电子既可以吸收特定的能量向高能级状态跃迁,又有一定的概率辐射电磁波回到低能级。

热对流是流动介质对热量的传递过程,微观上是流体微团直接携带能量,在空间上转移位置,从而实现热的传递。这一过程通常涉及重力和浮力的作用,并且与材料密度随温度而改变的特点直接相关。

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48.光速是绝对不变的吗?

这个问法有一些歧义。如果“光速是绝对不变的”是指光速在参考系变换下绝对不变,那么以目前的认知来看,是的。当然,这里说的都是真空中的光速。

相对论被提出以前,人们通过麦克斯韦方程组计算得到电磁波的速度常量(光速c)。但它在哪个参考系为c呢?人们希望找到一个光速为这个计算值的参考系,称为“以太”。但迈克尔逊-莫雷实验的结果表明,不管沿哪个方向观测(地球运动方向与光速方向相同或不同),得到的光速值都相同,“以太”并不存在。这使得爱因斯坦将“真空光速不变”作为其狭义相对论的基础之一,20世纪初的物理学革命由此展开。因此,在相对论体系中光速不变原理是基石,不能由别的更基础的原理证明,但其正确性已被很多实验证实。如果一定要问为什么光速c这么特殊,这里仅提供一个参考:光的静质量为零的属性本身就特殊,而相对论体系下零质量粒子运动速度只能为c,因此c如此特殊。当然,这是在相对论体系内的自洽思考。

如果“光速绝对不变”是指光速为30万千米每秒这个数字的绝对值不变,那么这并不准确。光速的绝对值原则上是可以改变的。改变光速的绝对值并不影响狭义相对论的基本假设。后者说的是光速不依赖于参考系。而且,目前也有模糊的证据证明现在的真空光速可能的确与宇宙早期有些许不同(证据存在争议)。刘慈欣老师在科幻小说《三体Ⅲ:死神永生》中有关于降低真空光速到第三宇宙速度以下,形成“黑域”的设想,有兴趣的朋友不妨去看看。

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49.声波的多普勒效应是怎么回事?光有没有多普勒效应呢?红光会不会在一定速度下变成紫光?

我们看一下声音是如何传播的。当介质中的分子被声源扰动而开始振动时,它就会带动周围的分子参与振动,接下来振动又会传递给更远的分子。这样,声音就一直传播下去。传播的速度和分子之间的相互作用有关。无论声源状态如何(声源速度不超过声速),声音的传播都是因为介质分子之间相互影响,影响的效果和介质本身的性质有关,所以声速不会改变。

至于光,无论光源动不动,光速都是不变的。光的传播是由于电场和磁场在空间上相互激发。电磁波的波速可以由麦克斯韦方程组求出。无论光源是否在运动,麦克斯韦方程组都是成立的。无论光抑或电磁波,光速都可以通过麦克斯韦方程组求出,光速也不会改变。



在静止参考系中,如果光源向远离观察者的方向运动,那么观察者接收到的光频率会变小,这种现象被称为红移;如果光源向着靠近观察者的方向运动,那么观察者接收到的光频率会变大,这种现象被称为蓝移。这是因为在光源的运动方向,波被压缩,波长变短。在波源运动的相反方向,效应相反。

1848年,法国科学家阿曼德·依波利特·斐索(Armand  Hippolyte  Fizeau)用多普勒效应解释了恒星光谱的偏移,并指出可以用多普勒效应计算恒星的相对速度。不过,观测明显的多普勒效应需要光源达到很大的速度。比如,要让红光(波长400纳米)通过蓝移变成紫光(波长760纳米)需要波源速度达到光速的0.56倍,相当于每秒绕地球4圈。这是非常快的速度。

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50.人们是怎样发现动量、角动量这两个比较抽象的物理量的?该如何理解角动量呢?

其实人们一开始没有想到动量这个概念,而是想到了动量守恒。这源于16世纪至17世纪西欧哲学家对宇宙运动的思考。

当时的哲学家发现,周围的物体——比如弹跳的皮球、飞行的子弹、运动的机器——最后都会停下来,于是自然而然地提出一个问题:天上的月亮会不会停下来呢?根据当时的天文观测,人们没有发现天体运动有丝毫减少的迹象,于是当时的哲学家认为,宇宙中运动的总量是不会减少的,只要找到一个适合的量描述,就可以看出宇宙的运动是守恒的。

法国的笛卡儿(就是发明直角坐标系的那位)最早提出:在碰撞过程中,质量和速率的乘积是不变的。但是后来克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan  Huygens)在研究碰撞问题的时候发现按照笛卡儿的定义,动量不一定守恒。最后,还是站在巨人肩膀上的牛顿修改了笛卡儿的理论,将质量和速率的乘积改成了质量与速度的乘积,这才真正意义上定义了动量。动量还被写进了《自然哲学和数学原理》(Mathematical  Principles  of  Nature  Philosophy)。然后,还是牛顿,在研究开普勒第二定律(太阳系中太阳和运动中的行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积)的时候,隐约给出了角动量的定义,并且用平面几何的方法证明了在中心力下的面积定理(这个也写进了《自然哲学和数学原理》)。后来,莱昂哈德·欧拉(Leonhard  Euler)在《力学》(Mechanica)中也解决了一些角动量的问题,但是没有进一步发展;丹尼尔·伯努利(Daniel  Bernoulli)提出了类似现代意义上的角动量,但是也没有严格化。后来几经流转,在皮埃尔·拉普拉斯(Pierre  Laplace)、路易·潘索(Louis  Poinsot)、让·傅科(Jean  Foucault,利用傅科摆显示地球自转的那位)手里过了一遍之后,直到1858年,一位苏格兰工程师威廉·兰金(William  Rankine)在他的手稿中严格定义了角动量。