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话说暖瓶这东西 如今在城市里 几乎就剩大学生还在普遍使用了 趁着还没放暑假 用奶奶用过的很土却很科学的办法 检查一下它们的质量吧！ 为什么蒸发发生在液体表面？ By lazy fish A 热力学告诉我们，要描述一个体系的状态，我们需要若干独立参量。以水这种物质为例，只需要温度和压强就能完全描述它的状态。水是处于液体、气体还是固体乃至两种或三种状态共存都可以从这两个参量直接看出来。 为了说明此题，我们先来讨论下为什么沸腾可发生在水内部。考察水里的一个微团，当这个微团在某压强下达到沸点时，由于继续加热，它的平衡要受到破坏，不能安分地作为液体存在，想脱离集体自由飞翔，也就形成了气泡。事到这里还没完，因为气泡里的水分子还有可能回到水里，形成动态平衡而不沸腾，但是水蒸气回到水里要放热，这些热量又会加热周围处于沸点的液态水，使得周围区域有气泡产生，气泡得以维持。加上沸腾的必要条件，源源不断地加热，就会使得气泡不断产生，看起来沸腾便可以发生在液体内部。 同样，为了说明蒸发过程，我们还是考察水里的某个微团。只不过此时没有达到沸点，即使水分子动能比较大想要变成气体，但一撞到周围的水，事情就结束了，所以在水面下，平衡总会维持在液态，看上去不会产生气泡。然而，水面上发生的就是另外一番景象了。水面上的分子动能比较大的，就会脱离表面束缚，变成气态。因为液态水失去的是那些动能相对比较大的分子，所以剩下的平均动能就变小，于是温度降低，这就是蒸发吸热的原因。当然，也会有一部分气态分子撞到液态水表面而被俘获。但总的看来，跑掉的比回来的多，所以蒸发会一直进行，直到蒸气达到饱和，跑掉的和回来的一样多，蒸发停止。 为什么保温好的暖瓶胆放在耳朵边上会嗡嗡响？ By Anonymous A 要明白这个问题，首先看一下关于暖瓶另一个常见的问题：朝暖瓶里吹口气放在耳边，为什么会听到嗡嗡响？而且保温好的暖瓶会响声比较大、比较持久？ 这是一个传统的挑选暖瓶内胆的方法：向暖瓶内胆中吹口气，将内胆放到耳边，如果有很明显的嗡嗡声，说明这个胆的保温性很好。这是老人们买瓶胆的方法，靠经验总结的，却很实用。 向内胆中吹气会发声这个现象很容易理解，就是吹气的过程中引起瓶内空气振荡，而振荡的空气在“暖瓶”这个边界条件下会形成固定频率的驻波，这个驻波就是声源。其实不仅暖瓶，任何有“空气柱”存在的容器均可由此发声，很多管乐就是这个发声原理。 那么为什么保温好的内胆声音要响亮持久呢？这个要看保温好的暖瓶和保温不好的暖瓶的区别了。暖瓶保温靠的是阻绝热传导：内胆由内外两层组成，内外两层之间尽量抽成真空。这里的真空度越高保温效果越好。这样“响声嘹亮持久”就容易理解了，内外两层之间的真空不仅阻绝了热传导，也成功减少了“空气柱”驻波的耗散，耗散较小的驻波，必然会发出更加嘹亮、更加持久的声音。 那么现在回到原问题：为啥在什么都不做的时候，保温好的暖瓶放在耳边也会有嗡嗡响？这其实源于暖瓶内空气柱对空气中的“白噪声”的选择。我们周围的空气其实一直在“振动发声”，不过这种振动是没有固定频率的，是一种没有携带信息的“白噪声”。而暖瓶中的“空气柱”对这种白噪声有种滤波功能，可以选择出“空气柱”固有频率的声音。在这里，白噪声就扮演了“吹气”的角色。不过“空气柱”选择出的声音很小，只有耗散更慢的保温性好的暖瓶才能听到。 对着手哈气会感到暖，吹气会感到冷。所以理应存在一个吹气速度会感到不冷不热，对吗？这个速度能计算吗？ By 高猫 A 首先，这个问题的答案是肯定的：理论上可以定义一个吹气速度，我们暂且把它定义为“均衡吹气速度”。 均衡吹气速度可能是非常难以定义的物理量。吹出的气体在运动过程中，气流的变化非常复杂，环境风速、温度、压强以及吹气口型等等，都会影响到气流到达手掌时的温度。因此，把这些考虑在内，我们需要在一个稳定的环境中定义该数值：例如保证环境为标准状态（273.15K，1atm），保持环境风速低于0.1m/s，保证手到口的距离为定值，以便定义这个量。 综合以上考虑，外界的问题大多都解决了。这种条件下，总能使得吹出具有某个速度的气体在到达手掌的时候达到一个合适的温度，而且保持很小的误差。注意这个温度是物理的温度，不是感受的温度。 接下来，我们考虑感受的问题：由于个体差异，使得人对相同温度的感受可能不同，因此，为了简化，我们需要一个“标准人”来测定感受温度（当然，如果不考虑普适，也可以为每个人测定一个独自的均衡吹气速度）。而且，不同的部位对温度的感受也会不同，因此还需要选定一个标准部位。另外，由于人对“不冷不热”的气流可能不太敏感，因此这个均衡吹气速度会是一个范围，而且范围大小因人而异。 所以，就定义均衡吹气速度需要“标准人”这个事来说，定义这个量还是不现实的，因为“标准人”是很难定义的。其实，人对温度的感受和环境密切相关，人的皮肤感受到的是热流密度而不是温度。热流密度和温差、传热系数密切相关。另外，风速对人体感受到的冷热影响可以很大。人在温度稍低且高风速的环境中比在温度更低且低风速的环境中更容易冻伤。 为什么激光的光斑看起来是很多细微的小光点？ By 炒米饭 A 恭喜你慧眼如炬发现了激光散斑现象！这本质上是光的干涉效应。激光具有良好的单色性和相干性，当它照射到一般物体的粗糙表面上，从凹凸不同的地方反射到眼睛时，会有一个微小的光程差，它们相互干涉，有的相长，有的相消，从而形成明暗分布的斑点。这里粗糙是相对于光的波长（几百纳米）而言的。类似地，激光透过表面粗糙的玻璃（如浴室的毛玻璃）时，从背面也可以观察到细小的散斑。然而以上知识点太简单了，我们可以做一些稍加深入而有趣的拓展。 当反射面或透射面上的凹凸起伏随机时，散斑没有明显规律；而如果在被照射的透明板上特意设计和制作一些图案P，就可以让出射的无数束光相互干涉（其实就是衍射）形成特定的图案P’，二者可以用傅里叶变换联系起来。玩具激光笔的前置图案头、酷炫的全息图等都与这个原理相关。 举个最简单的例子，你可以在镜子上划一道痕迹（挨打概不负责）或者放一根头发（脱发请自珍重），用激光照射并反射到墙上，很容易观察到明暗相间、整齐排列的单缝衍射条纹；或者运气好的话照到圆形的坑点或细小的灰尘，会在墙上投影出一系列类似牛顿环的同心圆来。麻雀虽小，五脏俱全，可别小看普通的激光笔哦，在家里完成这些实验毫无压力，快去试试吧！另外特别提醒一下，由于波长越长衍射效应越明显，选用红色激光会比绿色、紫色的更容易观察哦。 当光通过水的时候，水的流速会对光线传播产生影响么？ By LOVELESS A 首先说结果，水的流速确实会对光传播造成影响，光线会被介质的运动“部分拖曳”。其实风也会把声音吹跑，所谓“顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”乃是对经典情况下介质运动对声波影响的精妙总结。光的情况稍有不同，简单假设光线和介质速度共线，光相对于我们的速度约为c’=c/n v(1-1/n2)，其中c’为经过介质时光的速度，n为折射率，v为介质运动速度。1851年斐索从实验中得到了该结果。可以看出它并不是介质中的光速和介质运动速度的直接线性叠加，这是相对论修正引起的结果。有的同学可能会问，光速不是不变的么？但是这个结果告诉我们，“光速”不仅对于不同介质是可以变的，而且，对于运动速度不同的同种介质也是可变的。这是因为速度始终要符合相对论的速度叠加公式，而不能简单地认定“光的速度是不变的”。 为了形象地说明光会被拖曳，我们考察一束光正入射在以一定速度流动的水的表面，如果流动没有对光传播造成影响，那么必然光会继续垂直水面射入水中。现在，我们换到和水流相对静止的参考系中观察，这时候由于和光源相对运动而引起光行差效应，光就以一定角度射入水面，而这会发生折射，传播方向发生改变，这显然是不可能的。所以我们推断，光必会被水流拖曳。如若考虑水流动过程中的不均匀因素，光的折射方向还会不断改变，当然这是另外一回事了。 如何生动形象地理解晶格振动？ By 佚名 A 要生动地理解晶格振动？不晓得下面这张图够不够生动哈~ 晶格振动，就是晶体原子在格点附近的热振动。晶体中的原子很调皮，他们不喜欢在受力平衡的地方老老实实地待着，而喜欢绕着格点作小幅度的振动。 现在我们一般用声子来描述晶体中原子的振动。我们将晶体中原子势场做泰勒展开，只保留到二次项，然后由晶格的平移对称性，可以得到结论：晶体中所有的振动都可以用有限多的振动模式叠加得到，每种振动模式代表了原子集体形成的简谐波。这些振动模式的量子化就是我们所说的声子（balabala~~如果看不懂的话可以跨过这一部分）。简单来说就是复杂的晶体振动可以用有限种简单集体波动的叠加来描述。这样我们在做各种和晶体振动相关的理论时，只需要考虑这些振动模式就可以，不需要考虑具体的复杂振动了。 量子反常霍尔效应是什么？ By 一物理爱好者 A 要明白量子反常霍尔效应，就得从霍尔效应说起。从1879年到现在，霍尔效应家族越来越庞大。要彻底地理解这个问题需要太多的专业知识，我们这里只是粗浅说明一下。 经典的霍尔效应是指，对磁场 B中放置的导体，当电流I垂直于磁场 B时，在同时垂直于电流和磁场的方向上，导体两侧会产生电势差，即霍尔电压。这本质上是载流子在磁场中运动、受到洛伦兹力偏转导致的效应。经典霍尔效应的霍尔电阻（霍尔电压与纵向电流的比值）是随着磁场连续变化的。 说完“经典”就可以说下“量子”了。量子霍尔效应指的是低温强磁场时，霍尔电阻不再随磁场连续变化，而是会在一些特殊值处出现不随磁场变化的恒定值平台，这些平台出现在朗道能级被电子整数（或特殊分数）填充时。有趣的是，平台出现时，纵向电阻（就是电流方向的电阻）为零。这表明在平台出现时，电子输运耗能极小。 可是量子霍尔效应运用到实际中有个很强的限制，需要外加强磁场！量子反常霍尔效应解决了什么问题呢？就是在一些特殊材料中，材料本身就具有很强的内部磁场，这个时候就不需要再外加磁场，也能产生量子霍尔效应了，这也就是它的“反常”所在。量子反常霍尔效应不仅仅是物理理论上的突破，同时也是技术上的革命。低能耗的导电材料的应用前景不言而喻。 为什么水中有旋涡，沙漠中却没有？ By Julian Assange A 这是个相当深刻的数学问题，涉及到拓扑学中一个很重要的概念——欧拉示性数。首先，我们需要搞清楚涡旋的本质，事实上用数学语言去描述涡旋就是在流体的速度场中存在一个点的流速为零，而其周围的点流速均不为零。而描述这一数学问题的手段就是用欧拉示性数来表征。什么是欧拉示性数？也许大家中学阶段都做过一道习题，就是探索各种多面体的面数F、顶点数V与边数E的关系。F V-E的值就是该多面体的欧拉示性数。然后发现对所有多面体最后结果都是2，事实上这并不是巧合，因为欧拉示性数是一个拓扑不变量，所有与球面同胚（同胚的概念具体可参考茶杯与面包圈，茶杯经过连续变形可变为面包圈的形状，两者都有一个“洞”）的流形的欧拉示性数都是2。而对于简单的单连通平面图形（图形内没有被挖点），其欧拉示性数则为1（大家可以想象为在球面上挖掉一个点）。而欧拉示性数最重要的一个作用就是标记一个流形中，连续矢量场强度为零点的最少个数。如果我们仅考虑一个简单的二维水面，其速度场即为我们研究的矢量场，那么该水面水流速为零的点至少有一个，即至少有一个旋涡。不过水面上是否一定要有旋涡，还是得看整个水面的几何结构（比如环形结构就可以没有涡旋）。而对于沙漠，我们一般认为沙子是不动的，因此这只是一个平庸的矢量场（所有点的失量场都是零），当然不存在旋涡一说。（思考题：大家可以依照以上讨论，来思考一下为什么每个人的头上都至少有一个旋。）事实上，涡旋在物理学中有很重要的地位，篇幅有限不宜展开说明，有兴趣的读者可以自行进一步研究。  本期答题团队： 物理所 可爱的你、李治林、Automan-Ex、大化所 J.Baker、北理工 文卿 写下您的问题，下周五同一时间哦~ |
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