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第14页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第14页,页面无弹窗的全文阅读!

    接下来,我们考虑感受的问题:由于个体差异,不同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,因此我们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。
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    35.以导体传递电子信号,人们能做出电子计算机,那传统意义上的“机关”和现代意义上的机械结构能不能称为“力学计算机”呢?
    题主的这个思考角度很有意思。确实,有一类能够实现一定的逻辑操作的机械可以看作广义的计算机。被尊为计算机科学之父的数学家图灵,就曾将现实中的计算过程抽象为数学上虚拟的机器模型,即大名鼎鼎的图灵机。图灵机包含四个关键组成部分:一条可依次记录有限种符号的无限长纸带,一个可来回移动并读写符号的探头,一套基于当前状态和符号确定读写头下一步动作的规则,一个记录机器当前状态的寄存器。
    尽管公认的现代意义上的计算机直到1946年才诞生,但是早在1804年法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔(Joseph Marie Jacquard)发明的用于织造花纹布料的新式提花机中就已经用到了编程控制的思想和方法————根据要编制的图案在纸带上打孔,以孔的有无来控制经线与纬线的上下关系。1836年,英国数学家查尔斯·巴比奇(Charles Babbage)制造了木齿铁轮计算机,并利用雅卡尔穿孔纸带原理进行编程。IBM公司靠卖穿孔卡片制表系统起家,并于1935年开发出穿孔卡片式计算机。
    当然,“机械式计算机”不只是以上这些古板枯燥的样子,其优雅与艺术性也足以让我们叹为观止。英国人送给清廷、现收藏于故宫博物院的清铜镀金写字人钟,利用具有凹凸槽的偏心铜转盘,通过巧妙的配置实现类似编程的功能,可以用毛笔工整地书写“八方向化,九土来王”八个汉字,非常有趣,快去搜个视频看看吧!
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    36.如果给地球钻一个经过地心的对穿孔,然后丢一个重物下去,这个重物最终会悬停在地心处吗?
    我们知道,球壳内部任何一点来自球壳的总的万有引力为0(证明过程可以参考静电场的高斯定理),这样的话,一个实心球内部任意一点受到的万有引力可以分解为一个球壳和一个小的实心球提供的万有引力的合力(以该点到球心的线段为半径画一个球面,将实心球分为一个球壳和一个小实心球),显然球壳并不贡献万有引力,只有剩下的小实心球贡献,方向指向圆心(其实读者可以试着将该点所受的万有引力的大小解析式写出来)。
    现在,如果我们不考虑阻力的话(无能量耗散),将重物自由落到孔中,重物一旦开始受到指向球心的力,必将一直加速运动,直到到达球心,重物此时受到的合力为0,但依旧有速度,因此会继续沿着小孔运动,只是越过球心后受力依旧指向圆心,因此会做减速运动,根据机械能守恒我们知道,重物肯定能到达小孔的另一端出口,并且到达时速度为0。此时重物由于还是受到指向球心的万有引力,所以还是会往回运动,所以重物就会一直这样沿着隧道做往复的周期运动。但如果考虑阻力的话,重物的机械能沿途耗散,因此它最终会停在球心处(势能最低的点)。
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    37.为什么没有透明的金属?
    关于透明不透明的问题,物理君可以讲上一年都不带重样的。时间有限篇幅有限,咱们这里就简单说明一两点吧。
    适应一下物理学的节奏,我们首先来明确一下概念:透明和金属。金属好理解,这里按维基上的说法来,金属是一种具有光泽(对可见光强烈反射),富有延展性,容易导电,容易传热的物质。这或许不太严谨,那就来个稍微专业一点的,元素周期表上所有带金字旁的元素(外加汞)构成的物质是金属。金属有个性质就是有大量“全局共享”的“自由电子”。
    啥是“透明”呢?这个词比较“意会”,咱们把它明确一下,就是透光。这里针对的是可见光。毕竟对于X射线之类,不透的物质还是比较少的。
    为啥有的物质“透”,有的物质“不透”呢?宏观上几乎所有电磁波问题都可以用麦克斯韦的电磁波理论来解释。简单理解就是麦克斯韦方程组加上边界条件可以解出电磁波在介质中的传播方程。而与介质相关的量是电容率(介电常数)和磁导率。为啥有的介质透光呢?就是该材料的电容率和磁导率恰好能使麦氏方程有可见光波段的解,而不透光的介质没有可见光波段的解。
    如果物理君只说这么多,然后告诉你就这么巧,金属恰恰满足这个光不能透过的条件,你是不是会很不服?!
    那就再满足一下你的好奇心,稍微说一下电磁波在金属中传播的微观机制。这里涉及的专业知识就比较多了,要想彻底弄明白这个问题的同学最好报考物理学专业。我们就说几个专业名词来满足一下“高级”的追求好了。我们知道,金属中有很多“自由电子”是“全局共享”的。而可见光在金属中不能传播,这主要是由这些个自由电子对电磁的响应特性造成的,这里涉及复杂的电磁相互作用,就不展开说了,其结论就是自由电子的电磁响应决定了金属对低于某一个频率的光子(可见光就在这个范围内)具有较强的反射率,这也是多数金属带有光泽的原因。
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    38.为什么高处比低处冷,越高不应该离太阳越近吗?
    事实上,地球表面大气的温度并不完全随着高度的升高而降低,而是在不同的高度有不同的表现。以对流层和平流层为例,对流层内大气温度随高度的增加而降低,海拔每升高100米,温度约降低0.6摄氏度,而在平流层底部温度基本恒定,海拔超过20千米的部分温度随高度的增加而升高。原因在于,不同的区域大气获取热量的途径不同,阳光的辐射是所有大气共同的热量来源,这也给题主海拔越高阳光越强(并不是因为离太阳近,而是大气对阳光的吸收比较弱)从而温度越高的印象。不过对于大气层底部的空气来说,地面也会对其直接加热。
    从近些年的报道来看,地表温度突破70摄氏度的城市并不少见,地表对空气的加热效应很明显,而海拔越高地表的加热效果越不明显,于是低海拔处温度高,高海拔处温度低。对于平流层的大气来说,地面的影响可以忽略,阳光辐射成为热量的唯一来源。随着海拔的升高,空气的臭氧含量升高,大气对紫外线的吸收增加,温度逐渐上升。
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    39.为什么镜像是左右颠倒,而不是上下颠倒的?
    为了弄清这个问题,我们做一个简单的假设。假设在无重力的环境下,一面圆形的镜子前面站着一个“点”观察者,这个观察者会发现一个非常神奇的情况:它是不能区分上下左右的,既然如此,它也就无法区分镜子里的图像是左右相反还是上下相反。它唯一可以区分的方向,就是垂直于镜面的方向。假如镜子无限大,它甚至都不知道它是否有平行于镜面的运动!
    我们人大约也是这样。当我们说镜像左右相反的时候,我们想象另一个自己绕镜面竖直中心线旋转180°,来到镜子后,我们将镜像与自己比较得出左右相反的结论。实际上,我们也可以将旋转轴放在水平中心线上,那样我们就能得出上下相反的结论了。所以,有没有什么简单的方法可以让镜像看起来上下颠倒呢?
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