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第6页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    为了形象地说明光会被拖曳,我们在此介绍一个观察实验。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,那么光必然会继续垂直射入水中。现在,我们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引起的光行差效应,光以一定角度射入水面,而这会发生折射,使光的传播方向发生改变,这显然是不可能的。所以我们推断,光必然会被水流拖曳。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。
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    37.近视眼在水下看东西会感觉一切都很清楚。怎样从光学的角度解释这个现象呢?
    
    我们需要先讲一下人的视觉系统是怎么“看到”东西的,光线进入人眼,经过晶状体的折射来到视网膜。视网膜上的感光细胞感受光信号,然后由视神经传递到大脑,这样我们就看到了物体的像。可以看出,晶状体在视网膜上成像的质量对于我们是否可以看清物体至关重要。近视的产生就是因为眼部调节晶状体形状的能力变弱,使得经过晶状体折射的光线过早地汇聚,落在晶状体上的像变得模糊不清,此时人眼看到的像也是模糊的。近视镜的作用就是令光在进入眼睛之前提前发散一次,发散后的光在经过(不健康的)晶状体之后反而可以在视网膜上形成清晰的像。
    我们在水下睁开眼睛时,由于水的折射率大于空气,光从水中进入眼睛产生的偏折效应比在空气中小。这就相当于对光进行了一次发散,其结果就是我们看得清楚了。当然,这只对近视眼有效果,对远视眼效果相反,大家可以自行分析其中的原因。最后,请大家思考一下:为什么大多数鱼是“近视眼”?
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    38.为什么电扇背面没有风?为什么对电扇说话声音会变得怪怪的?
    电风扇背面也是有风的,只是相对正面而言要小很多。扇叶快速旋转,以斜面的形式给空气一个推动力,直接令空气加速,形成风从正面吹出,这个速度比较快;而风扇后方的空气,则要去填补被扇叶吹出去的那部分空气原来所在的空间,靠压差形成风,这个速度比较慢。而且,前面的风比较集中,几乎都朝一个方向吹,而后面的风则是从风扇背面各个方向过来的,比较分散,也就没有那么强了。如果你把风扇放在一个长型管道中,前后的风速差别就要小很多了。
    对着电风扇说话时,声音会怪怪的。这一方面是因为前面吹的风影响了我们说话时吐出的气流的速度甚至方向,另一方面是因为以我们的口腔为共振腔,产生了一些驻波,这会发出声音。为了减少干扰,你可以试着面对风扇,嗓子不主动发声,空做类似“呜呜”的小口型和“哇哇”的大口型,听听不同的声音。这个有点类似于对着空啤酒瓶吹气,吹的速度和方向不同、瓶口的大小和深度不同,发出的声音也不同。当然,风很大时,口型都控制不稳了,声音就更怪啦!比如,喝西北风。
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    39.为什么尺子和橡皮放在一起久了会粘在一起,接触的地方还会有油一样的物质?
    当然是因为它们性情相近、真心相爱,而且还有“油”做媒啦!(再也无法直视这对CP了。)
    其实吧,尺子所用的材料多为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等,橡皮的主体成分为聚氯乙烯等,总之都属于高分子聚合物塑料,所以性情相近嘛。而橡皮之所以拥有如此光滑柔嫩有弹性的肌肤,离不开一种特殊的物质,它被称作塑化剂或增塑剂。
    你想啊,一般的高分子聚合物链很长,如果它们之间的相互作用太强,就容易纠缠在一起,阻碍长链的相互滑移,从而影响其塑性。塑化剂的主要作用就是削弱它们之间的作用力,此外还可以降低聚合物的结晶性,最终增加材料的塑性,因此塑化剂在橡皮的制作过程中必不可少。然而常用的酯类化合物塑化剂,比如酞酸酯系列,对塑料有一定的溶解作用,因此可以很好地充当“媒人”,将尺子和橡皮黏结在一起!
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    40.风扇为什么逆时针旋转?
    这是个很有趣的现象,应该与螺纹方向有关。工业上为了降低成本,各种零件会尽量遵循标准化的原则。常见的螺纹都是右螺旋的。因为规模效应,右螺旋的螺纹成本比左螺旋的更便宜。如果电机向外伸出的转轴末端为普通右旋螺纹,且与风扇配套,那么你很容易发现,当风扇逆时针旋转时,风扇与转轴之间的作用力趋于将两者拧得更紧;而当风扇顺时针旋转时,螺纹连接处会越来越松。虽然现在的风扇连接方式越来越多,但这种方式依然作为主流保留了下来,甚至可能成为行业规范。
    工业中很多机械的设计都会考虑到螺纹松紧的这种效应,尤其是旋转和振动比较频繁的结构。有趣的是,自行车左右两个脚踏板对应的曲柄与齿轮的连接处,分别安装了左螺纹和右螺纹部件,这样可以保证两边踩踏时都不会松动。不过我也确实碰到过一辆劣质自行车,可能是为了节约成本,或者是从一开始就有设计缺陷,总之两侧都用了右螺纹,骑了才几天脚镫就掉了。
    再给大家讲一个有趣的小知识。
    其实刚开始的时候,左螺纹和右螺纹的成本和装配便捷程度可能都差不多,但是这样相应的机床、螺丝、螺母等就不能任意配对了。一旦某一个环节打破了平衡的局面,比如市场上出现了一大批右螺纹的机床或者螺母,那么相应的螺钉就需要是右螺纹的了,左螺纹的卖不出去,长此以往,市场自动调整为单一种类的螺纹以降低成本。
    生物界也有类似的例子。比如蜗牛的螺壳旋转方向,原本左右都有,然而由于其生殖器官位置的关系,只有螺壳旋转方向相同的蜗牛才能方便地交配。长此以往,整个种群在这一点上就逐渐趋于统一了。这是不是也算一种对称破缺?
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    41.为什么纯水不导电,而普通水会导电?
    导电是一定数量的载流子的定向移动产生的。常温下,水的电离全部来自水分子电离。水的离子积常数为10-14 ,所以c[H+ ]=c[OH- ]=10-7 摩尔/升,由此可以计算得到电离度1.8×10-7 %。这样的水离子浓度太小,几乎是不导电的。纯水电阻率量级为10M(欧姆·厘米)。
    而普通水中含有一些杂质离子,一般是天然的Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ ,以及消毒处理引入的Cl- 。水本身存在弱电离平衡,强电解阳离子或者强电解阴离子都会使电离平衡重新建立,强电解质对导电也有贡献,会使水的电解率增大,这个时候普通水当然导电了。
    此外,哪怕你真的拿着纯水接上高压,只要人体接触纯水,身上的盐和酸也会对纯水造成污染,那个时候导电不导电就不仅仅是水纯不纯的问题了。
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    42.为什么有的时候用手机或相机拍电视中的图像会出现黑色条纹?
    这就是传说中的莫尔条纹(Moiré Pattern)啦。一言以蔽之,就是空间频率相近的两组图案相互干涉,会有更低频率(更宽间距)的图案显示出来。其中空间频率是指特征条纹间距的倒数。
    说得这么玄乎,其实道理很简单啦!比如,在两张透明塑料纸上分别画一排竖线,上面那张每隔1毫米画一条,下面那张每隔1.1毫米画一条,你很容易发现,竖线每隔11毫米就会重叠一次。细线重叠位置附近,露出的间隙较大,显得明亮;而细线不重叠的位置附近,露出的间隙较小,显得灰暗。这样就形成了周期为11毫米的明暗分布,整体看上去就是一排间距更大的粗条纹。
    以上只是一维周期图案对应的情况。那么二维情况如何呢?我想你在生活中一定盯着两层重叠的窗纱看过吧?细心的你一定会发现,在原有细密条纹的基础上隐隐约约有间距更宽的粗条纹出现。当两层窗纱不完全平行或者自身有所起伏时,这些条纹还会变得弯弯曲曲的。用摄像头拍电视屏幕时也有类似的情形:电视屏幕上纵横的像素网格相当于第一层窗纱,手机摄像头里的CCD传感器阵列相当于第二层窗纱,手机显示屏相当于第三层窗纱,于是拍摄得到的图案也就有莫尔条纹啦。再加上角度偏离时的透视、镜头成像时的畸变,以及屏幕本身的微小形变,这样拍摄到的莫尔条纹同样是弯弯曲曲的。
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