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《1分钟物理》读者在碎片化的时间中可以汲取科学的养分。好的问题是一次探索的起点,但好的解答往往并不是探索的终点。这里的回答更像是一把钥匙,帮你开启一扇好奇之门。
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□ 立明 整理
为什么光可以用东西挡住,声音却不可以?
其实声音也是可以用东西挡住的,光也可以不被东西挡住。问题中的光指的是我们能够看见的可见光,声音也只是可以听到的声音。
在物理上,光和声音都是一种波动现象。只不过一个叫电磁波,一个叫机械波而已。而决定一个波会不会被一个东西挡住的因素很简单:波长的尺度与物体的尺度。如果波长远小于物体的尺度,那么这样的波就会被物体挡住。反之则不会。
人能够听到的声音的波长在17毫米到17米这样一个尺度范围内。日常生活中的绝大多数东西也恰好都在这个尺度范围内。结果就是声波很容易绕过这些物体被我们听到。这种现象就叫衍射。
另一方面,可见光波长的数量级只有几百个纳米,这个尺度远远小于日常生活中物体的尺度。所以光看上去几乎就是直线传播的。问题的关键不是光或者声音,而是波长。声波波长很短时就不能绕开物体了,超声波就是准直线传播的声波。同样,波长长的光波/电磁波也可以绕开物体。这就是你在家到处都能收到Wi-Fi信号的原因。(Wi-Fi信号是电磁波,2.4GHz协议,它的波长差不多就跟你的脸一样宽。)
孙悟空是以音速飞行的?
据说孙悟空是以音速飞行的,因为他的筋斗云就是音爆云,这是真的吗?在水中以音速运动又是怎样的情况呢?
声音的本质就是介质振动的疏密波(纵波)。一架飞机飞行的过程中碰撞空气产生振动,这种振动就以声波的形式向外扩散。当达到音速的时候,飞机在碰撞自己跟前的空气,而空气却来不及将这种挤压扩散出去,因而被紧密地压在一起,对飞机产生剧烈的阻力和扰动,这一现象叫音障。
在这一过程中,被挤压的空气有很大的压强,高压下空气中的水蒸气被液化成小水滴,形成一片白色的“云”。这一现象就叫音爆云。
音爆云和音爆都只在飞机突破音速的那一刻产生,一般来说持续几秒钟——没有飞机会一直卡着音速飞行。速度完全超过音速以后,飞机自身反倒平静了许多。飞机仍在碰撞空气,但它将自己发出的声音甩在了身后,本来应该以球面波形式传播出去的声波波前此时形成了一个锥形面——飞机在锥尖的位置。 飞机外面的你在“声锥”之外什么都听不到。当声锥界面经过你的位置时,空气压强的突变会使你听到如爆炸一般“砰”的一声,这就是音爆现象。之后你在声锥之内了,听到的就是正常的飞机飞行声。
上面描述的“声锥”有个学名叫激波。在任何介质中,点波源的速度超过介质中的波速,都会产生激波现象。水中声速为1500米/秒左右,如果一个物体能在水中超过这个速度,想必会产生比空气中更加剧烈的激波现象,只不过这样的现象很少被观察到。
虽然水中声速很快,但水面波(就是一枚石子投入水中产生的涟漪) 往往波速很慢——一般每秒只有几米。跑得快的船在水面可以产生艏波,这也是一种激波现象。
事实上,这一现象甚至对光也成立。真空光速是不可超越的,但介质中的光速却可以。一些高能粒子可以具有比介质中光速更高的速度,这也会发生类似的激波现象,学名叫切连科夫辐射。这一现象在高能粒子的探测中有重要应用。
外星人的眼睛有没有可能
接收红外线
外星人的眼睛有没有可能接收红外线或者紫外线?他们会不会比地球人的视野更宽阔?
相当可能!其实我们不需要提外星人——难道忘了江湖上名震天下、红极一时的皮皮虾?我们要说的不是吃货嘴里那种土里土气的皮皮虾,而是它的亲戚,色彩艳丽的齿虾蛄科孔雀螳螂虾。这家伙至少有16种视觉感受器,其中6种可分辨普通颜色,6种可分辨紫外线,还有4种可以分辨圆偏振光!是不是很逆天?
其实,视觉方面的能力与生物拥有的视觉感受器种类直接相关,且往往与其生活环境及生存需求密切相关。人类拥有负责感应光强的视杆细胞和负责捕捉颜色的三种视锥细胞。汪星人和喵星人更关心黑夜里捕捉猎物的能力而对颜色需求不大,故视杆细胞更发达而视锥细胞种类比人少。蜜蜂和蝴蝶天天在太阳下面拈花惹草,可以在紫外线图景下分辨各种花瓣。响尾蛇需要精确感应温度变化、判断猎物位置,红外视觉对其非常重要。
至于皮皮虾嘛,这么逆天的能力居然用来谈恋爱!色彩艳丽的外壳只有它能欣赏,圆偏振光的交流暗号也只有它能看懂......同在一个地球,尚且如此不同、各怀绝技,那远在宇宙深处的外星人,你猜会怎样呢?
一只苍蝇在汽车里飞……
一只苍蝇在汽车里飞,没有附着任何东西,它为什么会相对地面跟汽车保持一样的速度?
它并不是没有附着任何东西。它附着空气。空气附着车。其实常见的一类问题个个都可以用上面这句话回答。比如:为什么飘在空中的热气球还是会跟着地球自转?因为空气跟着地球自转。
光照会对物体产生压力吗?如果会,为什么光不会砸死人?
有人可能会问,我天天晒太阳,为什么没有感觉到光的压力?这是由于日常生活中的光产生的压力实在是太小了,在能把你热成狗的烈日下,你受到的光压强也仅仅是大气压强的千亿分之几(整个地球受到的太阳光光压大约有几万吨)。
地球的自转速度是否
在减慢?
地球的自转周期,也就是一天的长度,每隔十万年增加1.6秒。而地球自转速度变缓的原因可归为外界因素和内部因素两类,其中外界因素起主要作用。外界因素主要来自长期的潮汐摩擦效应,内部因素主要来自地核运动和季节性的大气运动。
所谓“潮汐摩擦”,简单说就是,月球和太阳通过占据地球表面71%的海洋引发潮汐,把地球拖慢了。地球表面的潮汐形成两边较鼓的椭球,其旋转的速度要慢于地壳的旋转速度,因此地壳与海洋之间的剧烈摩擦导致地球自转速度变慢。另外,潮汐的旋转角速度快于月球的绕转角速度,因此海洋的部分角动量又通过潮汐力产生的力矩传递给了月球。
当然,说到地球上不规则分布的物质,由于地球自转角速度相对更大,它们都会通过月球潮汐力产生的平均力矩传递角动量给月球。即使地球是个完美的球体,也会因为引力的作用产生变形,从而产生力矩,这就是所谓的“潮汐锁定”。
而且,由于能量守恒,在地球自转速度减慢的同时,月球公转周期会变长,并慢慢远离地球。最终,这个潮汐摩擦和力矩的作用使得作用双方趋于相互锁定,即月球公转周期与地球自转周期相同,这也意味着一天与一个月的时间相同。我们常见的月球实际上一直以来都是以同一个面朝向我们的。这是因为月球的质量要比地球质量小得多,月球的潮汐锁定已经完成。同样的过程也发生在太阳和地球之间。现在,地球上一年的时间远大于一天的时间,当有一天地球相对于太阳的潮汐锁定完成,那将出现一天与一年的时间相等的情形。那就真的是“度日如年”了。当然,有足够长的演化时间,地球和月球、太阳和地球才能分别达到潮汐锁定。这也从侧面反映了我们的地球作为太阳的行星,仍然处于相当年轻的阶段。
《1分钟物理》
中国科学院物理所 编
北京联合出版公司
为什么光可以用东西挡住,声音却不可以?
其实声音也是可以用东西挡住的,光也可以不被东西挡住。问题中的光指的是我们能够看见的可见光,声音也只是可以听到的声音。
在物理上,光和声音都是一种波动现象。只不过一个叫电磁波,一个叫机械波而已。而决定一个波会不会被一个东西挡住的因素很简单:波长的尺度与物体的尺度。如果波长远小于物体的尺度,那么这样的波就会被物体挡住。反之则不会。
人能够听到的声音的波长在17毫米到17米这样一个尺度范围内。日常生活中的绝大多数东西也恰好都在这个尺度范围内。结果就是声波很容易绕过这些物体被我们听到。这种现象就叫衍射。
另一方面,可见光波长的数量级只有几百个纳米,这个尺度远远小于日常生活中物体的尺度。所以光看上去几乎就是直线传播的。问题的关键不是光或者声音,而是波长。声波波长很短时就不能绕开物体了,超声波就是准直线传播的声波。同样,波长长的光波/电磁波也可以绕开物体。这就是你在家到处都能收到Wi-Fi信号的原因。(Wi-Fi信号是电磁波,2.4GHz协议,它的波长差不多就跟你的脸一样宽。)
孙悟空是以音速飞行的?
据说孙悟空是以音速飞行的,因为他的筋斗云就是音爆云,这是真的吗?在水中以音速运动又是怎样的情况呢?
声音的本质就是介质振动的疏密波(纵波)。一架飞机飞行的过程中碰撞空气产生振动,这种振动就以声波的形式向外扩散。当达到音速的时候,飞机在碰撞自己跟前的空气,而空气却来不及将这种挤压扩散出去,因而被紧密地压在一起,对飞机产生剧烈的阻力和扰动,这一现象叫音障。
在这一过程中,被挤压的空气有很大的压强,高压下空气中的水蒸气被液化成小水滴,形成一片白色的“云”。这一现象就叫音爆云。
音爆云和音爆都只在飞机突破音速的那一刻产生,一般来说持续几秒钟——没有飞机会一直卡着音速飞行。速度完全超过音速以后,飞机自身反倒平静了许多。飞机仍在碰撞空气,但它将自己发出的声音甩在了身后,本来应该以球面波形式传播出去的声波波前此时形成了一个锥形面——飞机在锥尖的位置。 飞机外面的你在“声锥”之外什么都听不到。当声锥界面经过你的位置时,空气压强的突变会使你听到如爆炸一般“砰”的一声,这就是音爆现象。之后你在声锥之内了,听到的就是正常的飞机飞行声。
上面描述的“声锥”有个学名叫激波。在任何介质中,点波源的速度超过介质中的波速,都会产生激波现象。水中声速为1500米/秒左右,如果一个物体能在水中超过这个速度,想必会产生比空气中更加剧烈的激波现象,只不过这样的现象很少被观察到。
虽然水中声速很快,但水面波(就是一枚石子投入水中产生的涟漪) 往往波速很慢——一般每秒只有几米。跑得快的船在水面可以产生艏波,这也是一种激波现象。
事实上,这一现象甚至对光也成立。真空光速是不可超越的,但介质中的光速却可以。一些高能粒子可以具有比介质中光速更高的速度,这也会发生类似的激波现象,学名叫切连科夫辐射。这一现象在高能粒子的探测中有重要应用。
外星人的眼睛有没有可能
接收红外线
外星人的眼睛有没有可能接收红外线或者紫外线?他们会不会比地球人的视野更宽阔?
相当可能!其实我们不需要提外星人——难道忘了江湖上名震天下、红极一时的皮皮虾?我们要说的不是吃货嘴里那种土里土气的皮皮虾,而是它的亲戚,色彩艳丽的齿虾蛄科孔雀螳螂虾。这家伙至少有16种视觉感受器,其中6种可分辨普通颜色,6种可分辨紫外线,还有4种可以分辨圆偏振光!是不是很逆天?
其实,视觉方面的能力与生物拥有的视觉感受器种类直接相关,且往往与其生活环境及生存需求密切相关。人类拥有负责感应光强的视杆细胞和负责捕捉颜色的三种视锥细胞。汪星人和喵星人更关心黑夜里捕捉猎物的能力而对颜色需求不大,故视杆细胞更发达而视锥细胞种类比人少。蜜蜂和蝴蝶天天在太阳下面拈花惹草,可以在紫外线图景下分辨各种花瓣。响尾蛇需要精确感应温度变化、判断猎物位置,红外视觉对其非常重要。
至于皮皮虾嘛,这么逆天的能力居然用来谈恋爱!色彩艳丽的外壳只有它能欣赏,圆偏振光的交流暗号也只有它能看懂......同在一个地球,尚且如此不同、各怀绝技,那远在宇宙深处的外星人,你猜会怎样呢?
一只苍蝇在汽车里飞……
一只苍蝇在汽车里飞,没有附着任何东西,它为什么会相对地面跟汽车保持一样的速度?
它并不是没有附着任何东西。它附着空气。空气附着车。其实常见的一类问题个个都可以用上面这句话回答。比如:为什么飘在空中的热气球还是会跟着地球自转?因为空气跟着地球自转。
光照会对物体产生压力吗?如果会,为什么光不会砸死人?
有人可能会问,我天天晒太阳,为什么没有感觉到光的压力?这是由于日常生活中的光产生的压力实在是太小了,在能把你热成狗的烈日下,你受到的光压强也仅仅是大气压强的千亿分之几(整个地球受到的太阳光光压大约有几万吨)。
地球的自转速度是否
在减慢?
地球的自转周期,也就是一天的长度,每隔十万年增加1.6秒。而地球自转速度变缓的原因可归为外界因素和内部因素两类,其中外界因素起主要作用。外界因素主要来自长期的潮汐摩擦效应,内部因素主要来自地核运动和季节性的大气运动。
所谓“潮汐摩擦”,简单说就是,月球和太阳通过占据地球表面71%的海洋引发潮汐,把地球拖慢了。地球表面的潮汐形成两边较鼓的椭球,其旋转的速度要慢于地壳的旋转速度,因此地壳与海洋之间的剧烈摩擦导致地球自转速度变慢。另外,潮汐的旋转角速度快于月球的绕转角速度,因此海洋的部分角动量又通过潮汐力产生的力矩传递给了月球。
当然,说到地球上不规则分布的物质,由于地球自转角速度相对更大,它们都会通过月球潮汐力产生的平均力矩传递角动量给月球。即使地球是个完美的球体,也会因为引力的作用产生变形,从而产生力矩,这就是所谓的“潮汐锁定”。
而且,由于能量守恒,在地球自转速度减慢的同时,月球公转周期会变长,并慢慢远离地球。最终,这个潮汐摩擦和力矩的作用使得作用双方趋于相互锁定,即月球公转周期与地球自转周期相同,这也意味着一天与一个月的时间相同。我们常见的月球实际上一直以来都是以同一个面朝向我们的。这是因为月球的质量要比地球质量小得多,月球的潮汐锁定已经完成。同样的过程也发生在太阳和地球之间。现在,地球上一年的时间远大于一天的时间,当有一天地球相对于太阳的潮汐锁定完成,那将出现一天与一年的时间相等的情形。那就真的是“度日如年”了。当然,有足够长的演化时间,地球和月球、太阳和地球才能分别达到潮汐锁定。这也从侧面反映了我们的地球作为太阳的行星,仍然处于相当年轻的阶段。
《1分钟物理》
中国科学院物理所 编
北京联合出版公司