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一组超炫酷的物理动图,看完秒变学霸

2020-12-04  涂鸦吧

有的情景乍一看像是在拍电影,实际上只是你可能没想到的物理现象。不信就往下看。

光的慢动作

一组超炫酷的物理动图,看完秒变学霸

原理:2014年12月4日的《自然》以封面文章刊登了目前世界上最快的只接收(receive-only)2D 超高速摄像机,它的拍摄帧数达到了1000 亿帧/秒,即10皮秒1帧(作为参考,真空中的光在 10 皮秒内走过的距离约为 3 毫米)。上图就是通过这种摄像机拍摄的激光脉冲被镜面反射的过程,整个过程实际只经历了 300 皮秒。 为了显示光的轨迹,研究者利用干冰制造了白雾,我们观察到的实际是散射光。

危险:对一般人不构成安全威胁,同时也是生活中完全没有机会观察到的现象……能够追上光速的摄像技术将再次推进基础物理学的研究发展。

化勺水

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原理:网上一些传言会宣称这是神奇的热水,能融化勺子却不伤手……那么为啥这杯水没有蒸汽腾腾呢?其实水是普通的水,做手脚的是勺子。镓单质熔点只有29.76摄氏度,放在手心都可以融化,离开手之后又能重新凝固。但不推荐赤手接触,原因见下。

花絮:这种低熔点特性还有一个用途,那就是做温度计。由于传统水银温度计的水银有毒,打破可能带来风险,有些国家已经禁用了医用水银温度计而用一种镓铟锡合金代替,它的熔点约-19摄氏度。

但是镓和水银不同,镓能浸润皮肤和玻璃,难以清洗干净,留下灰色的污渍斑。为了防止浸润,这种温度计的内表面不是干净的玻璃,而是镀了一层很薄的镓氧化物。

危险:低。镓单质一般认为是无毒的,但是有些研究认为皮肤接触可能导致皮肤炎。勿让镓接触金属物品,镓对很多金属都有极强的腐蚀性。此外,请勿用它来搞恶作剧,因为不知情者把勺子丢进茶杯后可能一仰头把镓喝进肚子里。

声波悬浮

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原理:声音具有能量,高声强的声波具有非线性效应,这一效应可对声场中的物体产生压差,将轻小物体悬浮在声波驻波的波节附近。上图中的这次实验在上下左右都设置了超声波相控阵列,从而实现了对物体的三维移动。

花絮:在原视频中,来自日本的研究者们还用这种装置悬浮了钉子君、螺母君、火柴君、电阻君、二极管君和肥皂泡君……够啦快放人家下来!声悬浮还有更多应用场合,例如利用它可以使液滴脱离容器的影响,由此便可以制备深度过冷的液体,并更好地控制晶体形成的过程。

危险:较低。不过,假如硬要造出声场极强的设备来悬浮人类,则有可能造成人体爆炸或严重的内出血……

“危险”的摆

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原理:摆是高中力学中出镜次数最多的装置之一,单摆是演示动能和势能在相互转化的过程中机械能守恒最简易的装置。

花絮:上图中就是瓦尔特·列文(Walter Lewin)教授公开课上经典的一幕:放手之后,摆锤可以摆回到非常接近他的地方,但由于机械能守恒,摆锤始终不会打到脸上。

危险:中等,小心线断掉

隐形球

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原理:让球隐身的关键在于相似的折射率。这里的小球是高吸水性材料,它们的吸水性实在太强,以至于吸满水时的折射率已经和纯水没有多大差别,因此当浸入水中时,它们自然就与背景融为一体了。

花絮:事实上,只要调配一种折射率合适的液体,用同样的方法也可以让玻璃棒消失不见。植物油+婴儿油就是一种可行的方案。

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危险:很低。这些高吸水性材料广泛地应用在生活用品中,只要避免误食、误吸,就不会有什么危险。

神奇的小球

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原理:卡车上射出的炮弹到底是运动还是静止的?这取决于你选择的参考系。这是《流言终结者》节目中进行的一个经典的实验:在一辆时速60英里的卡车上向正后方以时速60英里发射一颗“炮弹”。在运动参考系的速度远低于光速的情况下,速度的合成按照伽利略变换,即对地速度 = 对车速度 + 车速,因此若车速和炮弹的出膛速度相反,炮弹君便会被无辜地遗弃在原地。

花絮:在地面参考系看来,开炮后炮弹的动能反而减少了,这是因为火药爆炸的能量提供给车加速了。

危险:中低。炮弹比较难找。

锡疫

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原理:你有没有听过一个“锡纽扣在严寒中变成粉末”的故事?这张动图呈现的就是这个过程。随着温度的降低,银白色的金属锡会逐渐转化成另外一种同素异形体——不具有金属特性的灰锡粉末。这个过程也被叫做“锡疫”。

花絮:在锡中加入锑或铋可以抑制灰锡的产生。

危险:很低。(不过,把锡器冻成粉末还是挺浪费的……)

羽落术

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原理:这里使用了一块钕磁铁和一只粗铜管。当磁铁从铜管中落下时,磁感线切割导体,在铜管中生成感生电流;这个电流反过来产生磁场作用在磁铁上,产生斥力阻碍它下落。

管子必须导电性良好,但不能是铁管。铁自身的铁磁性会干扰这一现象。

花絮:还记得高中的楞次定律讲的“感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因”吗?这就是了。

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危险:很低……但是为了较好效果,铜管和磁铁都需要很大很重,不要砸到脚。另外钕磁铁是非常强力的磁铁,不要让它靠近电子产品,也不要靠近铁制品——它可能会把铁器吸过来,弄伤你的手指。

电磁学篇:铜线转圈圈

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原理:只用一个电池,一片磁铁,一根导线,你就能做出一个简易的马达哦~(我建议最好再加上电阻片或用电阻丝,否则是接近短路的情况,发热会很严重)

这转圈圈的简易马达原理如下图,载流导线在磁场中会受到安培力,形成力矩使线框转起来。

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  花絮:发挥创意,我们也可以把它做成手工艺品。

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危险:强磁铁是危险物品,如果你手里拿着这货然后它把附近什么东西吸过来了(比如另一个磁铁),那效果就跟一锤砸在手上一样。另外,小磁珠吞下肚子或吸入也会带来危险,不要给太小的孩子玩。

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土豪的游戏:强磁铁夹坏Apple Watch,你肯定不希望夹在中间的是自己的手吧。

半锅煎蛋

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原理:电磁炉的工作原理并不是让自己升温,而且利用电磁感应加热。电磁炉首先将市电转化为高频交流电(20~40 kHz,对于交流电属于高频,但对于无线电波属于低频,所以电磁辐射少),然后交变电流通过线圈建立交变磁场,交变的磁场感应出涡旋的电场,此时将导体放在线圈上的话就会形成涡电流,涡电流流过导体时因电阻产生焦耳热。所以,直接把鸡蛋打在电磁炉上是熟不了的,陶瓷或玻璃锅也不能被加热。

花絮:原理上,电磁炉可以加热所有导体锅,但市面上的电磁炉仅适用于加热铁锅(以及不锈钢等具有铁磁性的锅)。

铁锅的特点是导磁性强,漏磁少,并且除了涡电流之外还有磁滞损耗效应(即上一张图中提到的转着方向磁化的过程,那个过程是会放热的)来产热,因此使用铁锅有更高的加热效率。

而铜或铝不行的原因是电阻太小了(高中学理科的童鞋应该体会过阻抗匹配,即外电路电阻和电源内阻相等时输出功率才最大,太大或太小都不行)。

铜铝的趋肤效应(交变电流喜欢贴在导体表面流动的现象)比铁弱,意味着涡电流在锅底流通的厚度更宽,所以阻抗更小,加热效率更低。市面上的电磁炉都是为铁锅设计的,如果要加热铜铝的话需要设计不同的工作频率。实验室中使用的感应电炉就有更多频率可供选择。

危险:低。与普通炉灶相比,电磁炉造成烫伤的风险更小。电磁炉的辐射不会危害健康,不过它有可能干扰心脏起搏器。电磁炉应远离收音机、电视机、手表、磁带、铁质的餐具等,安全起见也不要放在任何金属平台上使用。

水之桥

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原理:两个装满去离子水的烧杯彼此接触,如果此时给它们之间加上数千伏的电势差,那么即使把两个烧杯拉开几厘米距离,二者之间也依然会有一条“水桥”相连。这一现象的具体原理还有待进一步研究,目前普遍认为它是和表层液体发生极化有关。

花絮:这个不也是电解水的实验装置吗?不是的哦,电解水的实验通常需要加入离子增强导电性,而这个实验则要求水非常纯净。如果水中溶入了离子,“水桥”的稳定性会变差很多。

危险:中高。请勿在家中玩耍高压电君……

丰饶之杯

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原理:聚丙烯酸钠是高吸水性高分子的一种,能够和大量水分子形成相对稳定的氢键从而实现吸水效果,在蒸馏水里可以吸收500倍自重的水分子,但溶液中离子会严重影响效果。所以请尽量不要用较硬的自来水或者矿泉水做这个实验。

花絮:由于它的吸水性极强,很多尿不湿的成分里有它。此外它还是很多人造雪的原料。

危险:很低,别吃下去就好。大部分物理实验还是比化学实验安全的。

过冷水冰沙

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原理:结晶过程需要一些凝结核的引发。当纯净的水放在光滑洁净的容器中冷冻时,由于凝结核的缺乏,可以在低于凝固点之后依然保持液态,形成过冷水,而当过冷水受到扰动、凝结核引入之后,结晶就会迅速发生。

花絮:事实上,人工降雨的关键就是往“过冷云”里加点凝结核。

危险:很低。居家物理实验好选择,记得要用纯净水。

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