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第19页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    但有一小部分像氢氧化钙这样的物质,它们与水结合释放的能量要小于拆散原有结构吸收的能量。但它们的溶解过程居然也能自发发生,即使温度会降低。这是为什么呢?
    原因是,氢氧化钙溶液的状态比固态的氢氧化钙加上纯水的状态要杂乱得多。换句话说,氢氧化钙溶液的熵高得多。因此,虽然氢氧化钙溶于水这个过程总的化学能是升高的,但由于熵增,总的自由能还是减少的,这使得这个过程能自发发生。这是一个熵驱动的自发过程。
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    31.“场”到底是什么?“力”到底是什么?能否详细说说它们的本质?
    物理不是哲学。场也好,力也好,没有所谓的“本质”的结构。它的结构是人类按照描述自然的需求自己定义的。
    比如场,最早就是把一个空间中的每一点都映射到一个数或者一个矢量、张量的连续映射,后来引入了量子化,场在空间的每个点成了一个算符。再比如力,最早作为一种“导致物体运动变化”的作用引入。后来随着理论的发展,力变得越来越不好用,于是干脆打入冷宫不要了。
    我们定义一种数学结构,如果它可以很好地描述实验现象,那便是好的。如果不能,那就打入冷宫,换个别的定义。所以,物理不是哲学。严格地说,物理学家不关心什么叫所谓的“本质”。物理学家关心的是通过这个实验看到了什么,这个实验怎么解释,这个解释能不能正确预测接下来的观测结果。一切以可观测对象为中心,不依赖于观测讨论“本质”或许只是“empty talk”(空谈)。
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    32.为什么同一种元素的不同离子在水溶液中颜色不一样?
    离子之所以显现色彩,是因为它们允许特定能量的电子跃迁、吸收特定频率的光,且该频率恰好处在可见光范围内。
    裸离子在溶液中容易与H2O及其他分子或离子形成配合离子。以Fe2+和Fe3+的水合离子为例,这里有3个蝴蝶状轨道(dxy,dxz,dyz),1个花生状轨道(dz2),1个饼状轨道(dx2-y2),6个水分子以八面体形式包围了中心的铁离子,这样会带来怎样的结果呢?
    3个蝴蝶状轨道所处的几何环境相同,其电荷分布密集区巧妙地避开了周围的H2O分子,相安无事地插在了间隙位置,从而具有较低的能量。花生状轨道的两头、饼状轨道的外围却与H2O分子头碰头,相互排斥,从而具有较高的能量。最终,5个d轨道发生能级分裂,成为高低两组,能量差恰好处在可见光范围内,电子在两组d轨道间跃迁产生颜色。
    同种元素的不同离子,电荷越高则分裂能越大,产生的颜色会有所不同。Fe2+ 对应的分裂能较小,吸收的光子能量相对较低,处在红光区,故显现与其互补的浅绿色。Fe3+ 对应的分裂能稍大,吸收的光子能量相对较高,处在橙黄光区,故显现与其互补的浅紫色。
    另外,溶液中的其他离子也可替换部分H2 O分子与中心离子配合,且影响分裂能的大小,引起颜色变化。比如在溶液pH >1时,[Fe(H2 O)6 ]3+ 的2个H2 O被OH-替换,并发生二聚化,颜色从浅紫色变为黄棕色、红棕色。而在FeCl3 溶液中,4个水分子被Cl-离子替换,形成FeCl4 (H2O)2- ,显现黄色。
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    33.显微镜拍的原子图片就是一个小球,真的原子就是这样的吗?
    不是这样的,你之所以看到一个个小球只是因为我们显微镜的分辨极限只能到这个程度了。举个例子,如果你给很远的人拍照,那么照片放大后,你会发现这个人的脸变成了一个个马赛克方块,这当然不是因为那个人的脸真的是方块。
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    34.为什么万有引力定律和库仑定律中力和距离是平方反比关系?这暗示了什么吗?
    两者的原理差不多,就以库仑定律为例解释一下吧。因为在三维空间中球的表面积与半径的平方成正比,所以只有让电场强度(你可以直观地理解为电场线分布的密度)随电荷的距离成平方反比关系,才能够保证以电荷为中心的任意大的球上的电场线“根数”都是相同的,否则就会有电荷以外的地方“放出”或者“吸收”电场线了。换句话说,平方反比关系保证了电荷是电场唯一的“源”。从另一个角度理解,是我们生活在三维空间中才使得库仑定律中力和距离有了平方反比的关系。万有引力定律与之类似。
    当然这只是经典的理解。据说在量子电动力学中,平方反比律与光子静止质量为零相关。然而在广义相对论中,如果时空弯曲得厉害,那么万有引力定律和库仑定律的平方反比律都不一定严格成立了。因此,有些物理学家正在研究距离很小或者很大时万有引力定律是否需要修正。
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    35.半径为R的带电金属球,其周围电场的能量与R的4次方成反比。那么当R趋于0时,能量趋于无穷大,这怎么解释?
    这个问题也是困扰了物理学家多年的问题。
    当时的问题是这样的:这个带电小球变成了质子、电子,按照点粒子的思想,电子被视为一个点,周围电场的能量是无穷大的。这样的答案显然是错误的,于是,物理学家想到了两种方法:重整化和弦理论。从使用上来说,重整化比弦理论简单很多,物理学家最开始使用的是重整化的方法。重整化的方法的显著缺陷是:这是一种妥协的方法——它认为质子由夸克构成,那么显然质子有了大小,不存在这个问题,但是这个问题没有被解决,而是推给了夸克。当然,现在这个问题已经留给了弦理论,所以也就不存在半径趋于0的带电小球了。
    该答案源于大栗博司所著《超弦理论——探寻时间、空间和宇宙的本源》。
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    36.为什么真空中光速大于其他介质中的光速?
    我们知道,光就是电磁波,电磁波会对电荷产生作用。介质中存在带电的电子和原子核,光通过介质时会对这些粒子产生作用。我们又知道,带电粒子在往复运动的过程中会发射电磁波,和原始光场相互叠加,在最终的表观效果上显现出变慢的光速。注意,无论是原始光场还是诱导的光场,其传播的速度都是真空中的光速,光速变慢是一种表观等效。
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    37.动摩擦系数为什么不能大于1?
    这个可能是种误导:中学物理课给出的动摩擦系数都小于1,其他很多例子里提到的动摩擦系数也都小于1。但现实中存在动摩擦因数大于1的材料。
    实验测得金属与橡皮之间的动摩擦因数介于1和4之间,铟之间的动摩擦因数介于1.5和2之间,金属经过一定的处理(加压、加热、去除表面污物)后,动摩擦因数可能介于5和6之间。
    多数学者认为,摩擦力是由两物体接触面间分子间的内聚力引起的。只有突起的地方才会接触,一般情况下,微观接触面积小于宏观接触面积。同时,增大压力会增大微观接触面积,由此得出的结论就是,摩擦力正比于正压力。
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    38.为什么最大静摩擦力比滑动摩擦力要大?
    现在,人们一般认为达·芬奇是第一个提出摩擦基本概念的人。在他的启发下,几位科学家进行试验并建立了摩擦定律。摩擦定律共有四条,定律三的表述为:静摩擦系数大于动摩擦系数。
    几个世纪以来,我们都在遵循这一定律。然而,摩擦过程仍旧隐藏在一团迷雾之后。就以小物块处于斜面上为例,按正压力与动摩擦因数的乘积计算摩擦力,斜面慢慢增大倾角,在这一过程中,倾角超过某一角度时,物块应当匀加速向下滑动。实际实验中,这个倾角并不是一个确定的值,而下滑过程也不是匀加速。原因是斜面粗糙程度不一致。目前实验发现:在两种固体界面非常干净的时候,最大静摩擦系数严格等于动摩擦系数。
    另外,动摩擦因数和其他量也有一些关系。动摩擦因数和速度是相关的,当速度增大时,动摩擦因数先轻微增大,而后减小。我们猜测这种减小可能是由界面的微小振动造成的。当正压力很大时,界面形变明显改变物体受力情况,因而动摩擦系数会改变。
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