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发布时间:2020-08-09 15:00:36

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作者:张翠翠

出版社:中国水利水电出版社

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我是物理知识大王

我是物理知识大王试读:

前言

知识的伟大在于它的博大和精深,人类的伟大表现在不断的探索和发现已知和未知的世界,这是人类进步的巨大动力。

在过去漫长的岁月中,人类的发展经历了轰轰烈烈的变迁:从原始人的茹毛饮血到色彩斑谰的现代生活;从古代社会的结绳计数到现代社会垄断人类生活的互联网;从古代的四大发明到上世纪中叶的月球着陆,火箭升天。人类几乎在任何领域都取得了令人惊叹的成就。技术更新,知识爆炸,信息扩张……一系列代表着人类社会巨大进步的词汇,充斥着我们的社会,使每个人都感到在巨大的社会进步面前人类自身的局限。作为人类社会充满生机和活力的群体——青少年朋友,在对现有书本知识学习的基础上,更充满着对一切现代科学技术和信息技术的无限渴望。

人类的智慧在我们生存的这个蔚蓝色的星球上正放射出耀眼光芒,同时也带来了一系列不容我们忽视的问题。引导二十一世纪的青少年朋友了解人类最新文明成果,以及由此带来的人类必须面对的问题,将是一件十分必要的工作。

为此,我们组织多位经验丰富的学者精心策划、编写了这部《青少年科学小百科》。本套丛书分海洋、航空航天、环境、交通运输、军事、能源、生命、生物、信息、宇宙等十册。收录词条约五千个。涉及知识面广阔且精微。所包含的内容:从超级火山、巨型海啸、深海乌贼、聪明剑鱼……到地核风暴、冰期奥秘、动物情感、植物智慧……;从登陆火星、探访水星,到穿越极地,潜入深海……既有独特的自然奇观,又有奇异的人文现象;既有对人类创造物的神奇记述,又有人类在探索和改造自然过程中面对的无奈、局限,以及人类对自然所造成的伤害,自然对人类的警告……这是一次精彩的自然与社会的探索历程,是每一位热爱科学、热爱自然的青少年朋友与大自然的一次真诚对话,它将使青少年朋友自觉地意识到,在这个美丽的星球上,人类不是主宰,而是与一切生灵息息相关的一部分,当人与大自然真正达到完美的境界,这个美丽的星球才是完美的、永恒的。

这样一套科普知识阅读词典,摆脱了以往那种令人望而生畏的枯燥乏味、晦涩难懂、呆板平直、味如嚼蜡的叙述方式,拆除了青少年朋友全方位学习和掌握各类知识所筑起的一道道壁障。采用词典的编纂方式,更便于检索和查询。

本书中,凡是青少年感兴趣的一切自然和社会奥秘几乎无所不有,无所不容。真正做到了庞而不杂,广而不糙。

我们用青少年朋友乐于接受的方式,以细腻生动的笔触、简洁明了的叙述、深入浅出的将各个方面的知识呈现出来,营造出一个适应青少年的阅读氛围,将最适时的信息传达给广大的青少年朋友。这是本套丛书的一大特点,相信每一位拥有本套丛书的青少年朋友对此都会有所体会。

科普读物从来不拒绝科学性、知识性、艺术性三者的完美统一,它强化生动性与现实感;不仅要让青少年朋友欣赏科学世界的无穷韵律,更关注技术对现实生活的改变,以及人类所面对的问题和挑战。本丛书的出发点正是用科学的眼光追寻青少年心中对这个已知和未知世界的热情和关注。

本套丛书的编辑对知识的尊重还主要表现在不断追随科学和人类发展的步伐以及青少年对知识的新的渴求。希望广大青少年通过阅读这套丛书,激发学科学的热情,以及探索宇宙奥秘的兴趣,帮助他们认识自然界的客观规律,了解人类社会,插上科学的翅膀,去探索科学的奥秘,勇攀科学的高峰。

愿今天的青少年朋友,都成为明日的科学探索之星,愿人类所居住的这个美丽星球更加美丽、和谐。

力学奥秘

轮船的“刹车”

汽车、火车有“刹车”,自行车有“刹车”,连飞机也有“刹车”(滑行轮上有“刹车”,有的在尾部还能放出减速伞),唯独轮船没有听说有“刹车”。

其实轮船的“刹车”有三种,一是抛锚,当轮船靠码头或在航行途中发生紧急情况需要停止前进时,就可以通过抛锚来达到目的。二是它的主机可以开倒车,利用倒车的反向速度来抵消因惯性而保持的正向速度。三是逆水行舟,利用水流的速度抵消轮船的速度。

如果你多次乘过轮船,就会发现一个有趣的现象,每当轮船要靠岸的时候,总是设法把船头顶着流水,利用逆向水流的减速作用,慢慢地向码头斜渡,然后再平稳地靠岸。尤其是在大江大河里顺流而下的船只,当它们快要到达港口码头时,都会先绕一个大圈子,使船逆水行驶以后,才慢慢地靠岸。船靠码头时为什么要“逆水行舟”呢?从相对运动的角度来看是不难理解的。因为顺流靠岸时,船对岸的速度等于船速加水速;而逆流靠岸时,船对岸的速度等于船速减水速。显然,前者要比后者大得多。既然目的是要使船停下来,究竟是大的速度容易变零?还是小的速度容易变为零?当然是后者。

在船靠岸的实际操作中,上述三种方法往往结合在一起运用:先是“逆水行舟”,继而“倒车行驶”,最后“抛锚泊岸”。

太空饮食店

随着宇航事业的发展,在太空中开设饭店已不是遥远的事了。不过,在太空中吃喝可不是一件简单的事。

首先,太空面包不能像地球面包那样大,然后一片一片切开来吃。因为切面包时总有面包屑,在太空失重世界里,那些面包屑在空气中四处飘浮,被人吸进气管,就会酿成大祸。因此,太空面包必须做成像糖果那么大小以便让顾客一口一只地囫囵吞“包”。

在太空当然也可以用刀叉吃牛排,不过要注意两点:牛排、蔬菜之类的食品必须事先加工好,并拌上胶汁调料,使它们能粘在刀叉和勺子上,不然,这些大块食品也很容易“满天飞”;刀叉等餐具不用时,不能随意放在桌子上,否则它们会飘浮在空中,一经碰撞,这些金属物会像子弹一样飞出去,损坏室内的仪器、仪表,所以,“太空餐桌”上都备有一些小磁铁,餐具不用时就用小磁铁把它们吸附在餐桌上。

在太空中喝酒不可能像地面上那样,把酒从酒瓶倒入酒杯,因为硬的玻璃酒瓶在太空中是倒不出酒来的,而且即使有酒从酒瓶中溢出,也成了雨滴一样的小水珠,飘向四面八方。因此,“太空酒瓶”必须是软包装的,还必须一小节一小节地彼此隔开。饮酒时剪开软管的头部,把软管放入嘴里,再用手捏住球状的盛酒器,用力挤就能让酒进入自己的嘴中。

石块投水之后

在一次科学会议上,有人向伽莫夫博士、原子弹之父奥本海默和诺贝尔奖金获得者布洛赫这三位大物理学家提出一个问题:一只装着石块的船浮在游泳池中,船上有一人将石块抛入水中,池中水面的高度将发生怎样的变化?三位大物理学家由于没有仔细考虑,结果都作出了错误的回答。

这个问题初看很简单,其实却是复杂的。石块被投入水中后,石块将侵占原来被水所占据的空间而使池中水面上升;但船却因载重减小而向上浮起,从而使池中水面下降,这里既有使水面上升的因素,又有使水面下降的因素,因此,对这个问题不作仔细的分析就不能得到正确的答案。

当石块在船上时:船、人、石受到的总浮力=船、人、石所受的重力

当石块投入水中后:船、人、石受到的总浮力=船与人所受的重力+与石块同体积的水所受的重力

因为石块所受的重力比同体积的水所受的重力大,所以当石块投入水中后,船、人、石受到的总浮力小于石块在船上的总浮力。我们都知道,浸在流体中的物体受到向上的浮力,其大小等于物体所排开流体所受的重力,这就是阿基米德定律,现将它应用到我们的问题中来。总浮力较小,被排开的水的体积就较小,池中水面就较低。所以我们的结论是:船上的人把石块投入水中后,池中水面的高度将降低。

水枪与水炮

说来你也许不相信,一股细细的高压水流能射穿12毫米厚的钢板,恰似具有和炮弹一样大的威力。这是一种叫“水炮”的高压发生器射出的高压水细射流,它的直径只有1.5毫米,但速度高达7000米/秒!这样的高速是怎样产生的?

这种水炮采用电、液压或压缩空气作动力,先将水炮中的活塞向喷嘴的另一端移动,使气体压缩。积蓄能量,然后突然松开活塞,由于气体的膨胀,使活塞迅速冲向喷嘴,在极短的瞬间里,将封闭的水推挤出去。如果释放的时间是蓄能时间的1%,就能获得100倍的瞬时功率。用于切割时它所产生的压强高达几百兆帕。

如果只需要几十兆帕的高压水细射流,这只要用一种叫柱塞泵,的“水枪”就行了。电动机通过曲柄、连杆和十字头,使一只柱塞在泵内往复运动,挤压泵内的水,产生高压水,其原理与打气筒打气一样。如果高压水从一只直径很小的喷嘴里射出来,就成了一股高压水细射流。用这种柱塞泵能产生压强为200兆帕以下的高压。

船吸现象

1912年秋天,“奥林匹克”号正在大海上航行,在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米远处,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得较拢,平行着驶向前方。忽然,正在疾驶中的“豪克”号好像被大船吸引似地,一点也不服从舵手的操纵,竟一头向“奥林匹克”号撞去。最后,“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上,撞出个大洞,酿成一件重大海难事故。

我们知道,根据流体力学的伯努利原理,流体的压强与它的流速有关,流速越大,压强越小;反之亦然。用这个原理来审视这次事故,就不难找出事故的原因了。原来,当两艘船平行着向前航行时,在两艘船中间的水比外侧的水流得快,中间水对两船内侧的压强,也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是,在外侧水的压力作用下,两船渐渐靠近,最后相撞。又由于“豪克”号较小,在同样大小压力的作用下,它向两船中间靠拢时速度要快得多,因此,造成了“豪克”号撞击“奥林匹克”号的事故。现在航海上把这种现象称为“船吸现象”。

鉴于这类海难事故不断发生,而且轮船和军舰越造越大,一旦发生撞船事故,它们的危害性也越大,因此,世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定,它们包括两船同向行驶时,彼此必须保持多大的间隔,在通过狭窄地段时,小船与大船彼此应作怎样的规避,等等。

龙井茶叶,虎跑水

盛产龙井茶的杭州,流传着这么一句话:“龙井茶叶,虎跑水。”意思是龙井茶叶最好用烧开后的虎跑泉的泉水来泡,才能喝出美味来。其中的奥妙在于,虎跑泉水中的矿物质里含有多种微量元素,对人体健康有利。其实,不仅是虎跑泉水如此,其他名泉的泉水也都有此效应。

虎跑泉水还有另一个显而易见的特点:在装满泉水的茶杯里,投进一粒小石子后,它的水面会高出茶杯口,但却不溢出来。有人说这就是虎跑泉与众不同之处。其实,这一“特点”是众多泉水(如济南趵突泉、无锡惠山泉等)的“共同点”,它是由这些泉水中富含矿物质造成的。

纯水在一定的温度下具有一定的表面张力。例如,室温(20℃)-4下纯水的表面张力为7.275×10牛/厘米,到60℃时,水的表面张力减-4-4小为6.618×10牛/厘米,到沸点(100℃)时更减小为5.855×10牛/厘米。当水里含有杂质时,有的杂质能使水的表面张力减小,例如肥皂或有机物;有的杂质能使水的表面张力增大,例如矿物质。一般的泉水里都富含矿物质,所以泉水的表面张力比纯水要大得多,它使得泉水表面的分子相互吸引,紧紧地挤紧在一起。这就是泉水能满过杯口而不溢出的原因。

裂缝里的学问

1954年,英国两架“彗星”号喷气客机,先后因增压舱突然破裂而在地中海上空爆炸坠毁。起先,人们认为是材料强度不够而造成断裂,于是利用高强度合金钢来制造关键零部件。但是,事与愿违,断裂破坏有增无减。此事引起工程技术界的高度重视,在深入研究中发现,原来高强度材料中也存在着一些极小的裂纹和缺陷,正是这些裂纹和缺陷的扩展,才产生了断裂破坏。在此基础上诞生了一门崭新的科学——断裂力学。

传统的材料力学认为材料是均匀的、连续的、向同性的。而断裂力学却认为任何材料都是不连续的、不均匀的、有缺陷的,因为材料中不可避免地会存在一些裂纹和缺陷。它们是那样微小,即使用高精度的无损探伤仪也难以测出来。但正是这些潜伏的缺陷和裂纹,在一定的使用条件下会造成重大的断裂事故。

造成断裂的影响因素是多方面的,主要有以下几种:(1)疲劳断裂。在交变载荷的来回作用下,加速了材料中裂纹的扩展,最终导致材料断裂。这是一种很常见的断裂现象。例如,要弄断一根铅丝,只要把它来回弯折几次,很快就会在弯折的地方断裂。这就是疲劳断裂,来回弯折的力叫“交变载荷”。(2)冷脆断裂。金属材料对温度的变化很敏感,在正常温度下的韧性材料,处于低温环境时往往会变脆,当温度下降到某个临界值时,材料的微小裂纹就会以极快的速度扩展(高达1000米/秒),最后导致材料断裂。(3)氢脆断裂。钛合金和高强度合金钢等材料在使用中往往要接触腐蚀介质,因此,在它们的表面会发生电化学反应并产生微量的氢,这些氢原子能渗透到金属结构中去;而且材料中哪里的应力最大,氢原子就往哪里跑,并聚集在那里,使该部位的应力变得更大,当聚集的氢原子达到一定数量时,在它们聚集处就会发生突然的脆性断裂。

倒立的人

世界上只有苍蝇、蚊子等昆虫可以停留在天花板上,连鸟也不能倒抓在天花板上。可是,魔术师却能借助于力学装置成为“人蝇”,倒吸在天花板上行走。

在剧场的天花板上挂着一块7.5米长的木板,木板朝下的一面漆着油漆并打蜡上光,目的是使表面光洁平整,让吸盘可以牢牢吸在上面。表演开始时,一位小姐坐在紧挨木板上头的秋千上,脚上穿着一双像溜冰鞋那样的高帮靴子。只见她在秋千上做一个倒立动作,用脚蹬住那块木板。然后双手放开秋千,嗨!她居然头朝下,身体挂在木板上了。一开始,她以很小的步子倒退着走,接着又往回返程,也是倒着走。几个来回一走,博得满堂喝彩。

这个魔术成功的关键在那双靴子上,原来这双靴子的鞋底里装有气动装置,每只气动装置所产生吸力足以支持两倍于表演者体重的重物。因此,当魔术师在天花板上行走时,即使只有一只脚与木板接触,它也足以把她牢牢吸在上面。当然,靴子里还有一套紧固装置,可以把表演者的双脚牢牢缚在靴子里,为了预防万一,天花板下设有一张安全网。

真假子弹

世界著名的魔术师托里尼,每次演出的压轴戏总是“退尔枪”。由他儿子扮演瑞士民族英雄威廉·退尔的儿子,将一只苹果放在他口中,用嘴咬住。托里尼请一位观众拿起一把手枪,在众目睽睽之下将一颗子弹推上镗,随后让他对准苹果开枪。“乒”的一声,子弹在烟雾中飞出,只见小托里尼安然无恙,而子弹却留在苹果中。

人们从力学角度去思考,怎么也无法解释快速飞驰的子弹会被一只苹果挡住。其实这个魔术的窍门在子弹上。总共有3颗子弹,2颗是真的,1颗是假的。起初,观众拿的是一颗真子弹,当托里尼把它推上镗时换成了假子弹。这颗子弹看上去和真的一模一样,只是一受到压力就会粉碎。因此,一开枪它就马上散成无数细粒,像灰尘一样四处飞扬,观众看来还以为是子弹射出后的火药烟尘。当然,苹果中的子弹是事先埋藏在里面的真子弹。它当然与托里尼向观众出示的那颗真子弹一模一样。

这个魔术的关键是制造假子弹,它既要在外形上与真子弹一模一样,又必须在枪击的压力下碎成粉末。有一位魔术师为节约成本,表演时用的子弹在“肥皂弹”的外面滚拌上石墨粉。可是,有一天晚上演出时,“肥皂弹”出了事故。它没有粉碎,结果打在表演者的脸上,使他受了重伤。原因在于那颗“肥皂弹”因放置时间较长,肥皂本身干固了,结果射出以后没有粉碎。

高高的自来水塔

扭开水龙头,自来水就哗哗地流出来了。

自来水是从哪里来的呢?你一定会想到深埋在地下的水管。但要追寻水源,那就得循着自来水管,到自来水厂里去看看。原来,那些埋在地下的水管,都是和自来水厂里一座座高高的水塔连接在一起的。

那么,这些水塔又有什么用呢?我们不妨举一个小小的例子。浇花的时候,如果你把水壶稍微侧一点,流出来的水流又细又慢;要是将水壶侧得厉害些,喷出的水流就又粗又急。这是什么原因呢?原来,水越深,压强就越大。水的深度每增加10米,压强就会增加大约1个标准大气压。让水壶侧过来,就是让水面相对于喷嘴的深度加大,水的压强也会跟着变大,水流喷出来时就又粗又急。

我们再来看看高高的水塔。如果一个水塔的高度为10米,另一个水塔的高度只有5米,那么高10米的那个水塔塔底的水流压强,比高5米的那个水塔塔底的水流压强大40千帕左右。倘若两个塔底的出水口大小一样,它们同时开放,压强大的自然比压强小的出水急。因为自来水要供应地势高低不等的各处用户,如果没有足够的压强,地势高处的用户就会得不到水,所以水塔一般都造得很高。

在现代化的大、中城市,由于水网范围宽,管路阻力大,光靠水塔来产生压强是不够的,还得借助于很多加压水泵。

头顶飞坛

大家都知道,一块小石头从高处落下,就可能打破头。那么一个杂技演员,为什么能用头顶住从高处落下的坛子,而不会受到伤害呢?

原来,当我们要接住一个从上面落下来的物体时,不但要受到物体本身的重力作用,还要承受一个缓冲力的作用。这个冲力的大小不是固定不变的,它跟物体的轻重和冲过来的速度有关,还与我们使它停止的快慢有关。物体重、速度大和停得快,都会使冲力加大。如果我们有办法使它慢慢地停下来,就能减小这种冲力。

你可以试一下。把一串钥匙向上抛到3~5米,等它落下来时,把手心摊平不动,任凭钥匙掉在手上,手心会感到很痛。如果我们密切注视着下落的钥匙,当钥匙快掉到手上时,手也顺势向下移动一小段距离,使钥匙慢慢地停在手中,手心就不感到怎么痛了。可见,用后一种办法去接钥匙,钥匙对手心的冲力小。我们称这种作用为缓冲作用。

现在再来看一看杂技演员是怎样表演顶坛的。

杂技演员表演顶坛时所用的坛子通常不过10多千克,要是把它顶在头上不动,也不算什么新鲜事儿,几乎人人做得到。如果把坛子抛上去,等它落下来再用头去接,一般人是难以承受的。

如果你仔细观察,会发现杂技演员在用头接坛的时候,他并不是站立着不动的,而总是先叉开两腿立好马步姿势,当坛落下刚刚碰到头顶时,他就立刻随着坛的下落向下蹲,这就和你用向下移动手的办法去接钥匙一样,头上受到的冲力就不会很大。如果坛从1米高落下,并使停止运动的时间延长到2秒左右,头上受到的冲力不过200牛顿。经过长期训练的人,完全能够承受这样大小的力。

可是,一般没有经过训练的人,仅懂得了道理,决不能冒冒失去地去试一试,那是很危险的!

泥地难骑车

在软软的泥地上骑自行车时,自行车的两个轮胎就像是漏了气似的,蹬起来特别费力。这是什么缘故呢?

想想看,你在雪地里或是在泥沼地里走路时,不也是感到很难起步吗?这是因为脚踏在雪地里或泥沼地里的时候,人的体重就压在脚底那么大的一块面积上,这时候,脚对地面产生了一个较大的压力。因为雪或泥沼地的弹性系数和弹性限度都非常小,也就是说,在不太大的压强的作用下,就会发生较大的形变,而且不能自己恢复原来形状,所以脚就陷进了软软的雪或泥里了。这样,当你再想起步时,就不得不把脚抬得比平时走路时高才行。因此就感到比较吃力了。

在泥地里骑自行车也是这样,由于车轮对地的压强,使泥地被压出一条深沟。这样,车要前进,首先必须要把自行车的轮子从沟里抬起来。而且泥地越软,车轮陷得越深,深沟对车轮前进的阻碍越大,使自行车前进所需要的推力也越大。所有这些因素都要求人对自行车的踏脚施加更大的作用力。因此,在泥地上骑自行车特别费力。

青鱼哪去了

从前,曾经发生过这样一件事:一个商人在荷兰向渔民买进5000吨青鱼,装上船从荷兰运往靠近赤道的索马里首都摩加迪沙。到了那里,用弹簧秤一称,青鱼竟一下少了三十多吨。奇怪,到哪里去了呢?被偷是不可能的,因为轮船沿途并没有靠过岸。装卸中的损耗也不可能有这样大。大家议论纷纷,谁也没法揭开这一秘密。

直到后来,才真相大白。鱼既没有被偷,也不是装卸造成的损耗,而是地球自转和地球引力开的玩笑。

原来,一个物体的重量,就是物体所受的重力,是由地球对物体的吸引所造成的。但地球不停地转动,会产生一种惯性离心力。因此物体所受重力的大小,等于地心引力和惯性离心力的合力。又因为地球是个稍扁的椭球体,越近赤道,地面与地心的距离越远,地心引力也就小一点。所以,物体的实际重力,应当是地心引力减去惯性离心力在垂直方向的分量。5000吨重的青鱼,从地球中纬度的荷兰运到赤道附近的索马里,重量必然逐渐减小,难怪过秤时就短少了三十多吨。

如果登山运动员从珠穆朗玛峰采集到一块岩石标本,把它送到北京时,它会变得重一点;要是请宇航员把它带到地球引力所达不到的太空,它又会变得没有重量了。它们的道理也一样。但是,不论物体的重量怎样变化,它们的质量却是不变的。我们还应注意,物体重量的变化,只有用弹簧秤才能称量出来,借用天平或杆秤是看不出来的。

膨胀的饺子

如果你是北方人,你一定喜欢吃饺子,那么,有几个关于饺子的问题你回答得出来吗?

为什么生饺子刚倒进锅里去的时候要沉下去?这是第一个问题。

为什么饺子煮熟以后会浮起来,并且只有浮起来的饺子才是煮熟了的?这是第二个问题。

为什么饺子冷了以后,又要重新沉入锅底?这是第三个问题。你想想看,怎样回答?

生饺子倒下锅以后,它的比重比水大,所以都沉下去了。但是煮熟以后,为什么又会浮起来呢?

原来,随着炉子的加热,锅中的水和饺子都慢慢地热起来了。我们知道热的物体是要膨胀的,饺子也不例外。饺馅和饺皮吸饱了热水以后,渐渐胀起来,体积自然就增大了许多。这一点,你一定很清楚,熟饺子确是胀得鼓鼓的,比生饺子大得多。饺子的重量并没有增加,当体积增大以后,单位体积的重量就减小了。等到饺子煮熟,饺馅和饺皮都充分膨胀以后,它的比重就变得比水的比重还小,所以就浮起来了。吃浮起来的饺子,当然不会有夹生的了。

饺子煮熟浮起来以后,当它稍冷的时候为什么又沉下去了呢?原来膨胀快的东西,也一定收缩得快。当水冷下来以后,饺子又收缩得快。收缩以后的饺子,单位体积的重量又增加了,它的比重又变得比水大了,所以又沉入锅底了。

南方人爱吃汤团、馄饨,煮汤团、馄饨同煮饺子的情况是一样的,道理也是一样的。

请看,就在饺子沉浮这样一个小事情中,也有这么多的科学道理。

转个不停的溜溜球

溜溜球是很有趣的健身玩具。玩溜溜球时,用手抓住绕在溜溜球短轴上的绳子的一端,把球向下扔出去,球随着缠绕它的绳子一圈圈松开,转了起来。当绳子全部拉直时,溜溜球又会转上来,并使绳子沿相反方向缠绕在短轴上,直至又回到手上。再次将球扔出去,球又会转回来,如此往复,乐在其中。

为什么溜溜球能自动返回手中呢?这里有个重要的力学知识,就是物体的动能和势能可以互相转换。当球在手中时,一边转动一边向下运动,并在重力的作用下,越转越快;动能不断增大,同时,溜溜球随着位置的不断下降,势能不断减小,这时,溜溜球的势能转变成了动能。待到溜溜球转到最低点时,溜溜球的动能最大,势能最小,这时,溜溜球转动得最快。到达最低点后,溜溜球又会沿着绳子向上转,将绳子沿原来的相反方向缠绕在短轴上。随着溜溜球的上升,它的转动速度越来越慢,这时,溜溜球的动能又不断转换成势能,直到转至最高处停止转动,溜溜球的动能为零,势能却是最大。

根据机械能守恒定律,在没有外力或外力做功等于零时,物体的机械能总和不变。这样溜溜球应该回到原来的位置上。但是,在溜溜球转上转下的运动中,由于空气的阻力和绳子与短轴之间的摩擦力,会损失掉一部分能量,如果不补充能量,溜溜球将上升回不到原先的高度。所以,在玩溜溜球时要有一定的技巧,不断地给溜溜球补充一些能量。怎样补充能量呢?在溜溜球转到最低点,绳子将要开始向上缠绕的一瞬间,用手将绳子往上提一下,使溜溜球的转速更快些,增加一点动能。这样,溜溜球就能上下转个不停。

猫的惊人本领

猫有一个十分惊人的本领:从高处跌下时,不仅不会摔死,还能稳稳地落地。它的绝技就是空中翻身。你看,猫刚跌下时,还是背脊朝下、四脚朝天,可就在它落地的一刹那,已经变成背向上、脚朝下了,再加上它那双有着厚厚肉垫的爪子和富有弹性的腰腿,当然就能稳稳地在地面“安全着陆”了。

早在19世纪末,就有一位物理学家对猫的空中翻身绝技产生了兴趣,他通过高速摄影拍下了猫的整个下落过程,发现猫在下落时仅用1/8秒就翻过身来了。我们知道,如果没有外力作用,原来不转动的物体是不会转动的。猫在开始下落时没有转动,在下落过程中又不受外力作用,它应该一直保持原来的姿势着地。那么,猫是怎样在空中完成翻身动作的呢?于是,有人把这完全归功于猫尾巴的功能。认为猫在下落过程中,快速地向一个方向甩动尾巴,由于力学中的角动量守恒原理,猫的身体就会朝另一个方向翻转。但是,通过计算人们发现,如果猫的空中翻身仅仅依靠尾巴的甩动,那猫的尾巴在1/8秒内至少要转上几十圈才行,这岂不是与飞机的螺旋桨一样了?

于是,一些物理学家又忙碌起来,他们又是摄影又是录像,并且从理论上提出模型,用电脑进行计算。得出的结论是:猫在落下的过程中,是通过它的脊柱依次向各个方向弯曲来实施转体。图中我们可以看到,当双手握住猫的四肢,将手松开时,猫的角动量等于零。猫在下落的过程中,尽管受到重力的作用,由于重力作用在质心上,因此外力矩为零,所以,猫在下落过程中的任一时刻,都要保持角动量等于零。当猫从高处落下时,猫会本能地旋转身体,这时,猫的尾巴伸展并且朝着相反方向甩动,以保持猫的总角动量为零。由于猫的脊柱比较灵活,它在旋转身体的时候,还可巧妙地使身体和四肢收缩、伸展,调节整个身体的质量分布,保持角动量为零,以达到转身的目的。

在体操和跳水比赛中,运动员要在腾空后短短几秒钟内,完成各种空翻加转体的高难度动作。虽然这些动作比猫翻身复杂得多,可道理却是大同小异。航天员在太空航行时,由于处于失重状态,身体会飘浮在空中。也必须学习猫空中翻身的绝技,用同样的办法来完成前进、后退、转身等一系列动作。

不沉的滑水运动员

看到滑水运动员在水面上乘风破浪快速滑行时,你有没有想过,为什么滑水运动员站在滑板上不会沉下去呢?

原因就在这块小小的滑板上。你看,滑水运动员在滑水时,总是身体向后倾斜,双脚向前用力蹬滑板,使滑板和水面有一个夹角。当前面的游艇通过牵绳拖着运动员时,运动员受到一个水平向前的牵引力。同时,运动员站在滑板上,并用力向前蹬滑板,运动员就通过滑板对水面施加了一个斜向下的力,而且,游艇对运动员的牵引力越大,运动员对水面施加的这个力也越大。因为水不易被压缩,根据作用力与反作用力的原理,水面就会通过滑板反过来对运动员产生一个斜向上的反作用力,正是这个反作用力支撑着运动员不会下沉。当然,这个反作用力在水平方向的分力又会成为运动员向前滑行的阻力,但是,游艇的牵引力可以用来克服这部分阻力。

因此,滑水运动员只要依靠技巧,控制好脚下滑板的倾斜角度,就能在水面上快速滑行了。

飞上蓝天的风筝

在风和日丽的时候,许多人都喜欢到郊外或公园去放风筝。当五彩缤纷、造型各异的风筝在蓝天上翱翔,人与大自然融为了一体,这对放风筝和看风筝的人来说,都是一种美的享受。

那么,风筝为什么能飞上蓝天呢?如果你留心观察就会发现,风筝总是迎风而飞,而且风筝的“身体”总是斜向下的,这就是风筝能飞上天的关键。首先,风筝总是迎着风飞,风吹在风筝上,就会对风筝产生一个压力,而且这个压力垂直于风筝的面。因为风筝的面是斜向下,所以迎面吹来的风对它的压力是斜向上的。风筝的分量很轻,空气的这种向上的压力足以把风筝送上蓝天。在风很小的时候,放风筝的人常常牵着风筝线迎风奔跑,或站在原地不断地拉动风筝线,利用勒线来调整风筝面向下倾斜的角度,这都是为了增大空气对风筝的向上压力,使风筝飞得更高。

风筝有大有小,形状也是各种各样的,它的下边往往还加了一些纸条或穗做成的尾巴。从物理学角度来说,这是为了使风筝的重心向下移,可以提高风筝的平衡性能,使它飞得更加平稳些。

无需方向盘的火车

天空中的飞机,海洋中的轮船,它们转弯时靠的是舵。陆地上奔驰的汽车、无轨电车,它们转弯时,靠的是方向盘。但是在铁轨上高速行驶的火车,既没有舵,又没有方向盘,为什么也能顺利地转弯呢?

我们知道,有轨电车也没有方向盘,它是循着铁轨的弯道而转弯的。看过有轨电车的转弯,就能帮助我们理解火车转弯的道理。有时骑自行车的人,一不小心,把轮子嵌在有轨电车的轨道里,他的轮子就循着轨道前进,再也不听“驾驶员”的操纵。当失去平衡,车子就倒了下来。这就是轨道能控制车轮的道理。

火车的轮子与其它车轮不同,它的最外面一圈叫“轮箍”。“轮箍”上有一圈高出部分叫做“轮缘”,火车上车轮的“轮缘”始终是嵌在两道平行钢轨内侧的。当火车行至弯道时,因离心作用,使弯道外侧车轮的轮箍紧贴钢轨,这时,外侧钢轨给轮缘一种侧压力,即向心力,迫使车轮循着钢轨行走。我们再仔细地看一看火车的轮箍,就会发现在轮箍与钢轨的接触面上,是有斜度的,靠外侧倾斜1/10,内侧倾斜1/20;这样在同一轮子上,就形成了一部分是“大轮”,另一部分是“小轮”。当火车进入弯道时,由于车轮紧靠弯道外侧,就形成了“大轮”走弯道外侧钢轨,“小轮”走弯道内侧钢轨。这正象一列横队转弯时,外圈的人步子走得大一点,内圈的人步子走得小一点,就能同时整齐地转过弯来。正因为火车车轮的“轮箍”有个斜度,所以能使同一车轴的两只车轮顺利地通过弯道。

在直道上,两侧车轮都正压在钢轨上,加上火车的重心低,火车高速运动时,就能使车轮的中心和钢轨的中心保持一致。

我们再看看火车头的车轮,为什么有的做得很大,有的做得很小呢?由于这些轮子的作用不同,大小也就不一样。最前面的一对或两对较小的轮子,叫“导轮”,顾名思义,就是说这一两对轮子是起引导作用的。中间几对大轮子,叫“动轮”。后面较小的轮子,叫“从轮”(也有不用“从轮”的火车)。“导轮”和“从轮”都设有转向架,它可以不受车架的限制而自由转向。当机车在直线上运行时,转向架的中心线与主车架的中心线一致。在弯道上行驶时,因车轮靠向弯道内侧,转向架就带着中心盘转向弯道内侧,这时转向架的中心线与车架不在一直线上,就可利用复原装置将主车架前端导向内侧,使机车沿着曲线转向,待通过弯道后,又利用复原装置的复原力,使转向架恢复中心位置。因此火车不论是在直道上或弯道上,都能既快又稳地高速前进。

荷叶上滚动的水珠

你曾注意过这样的事情吗?夏天,荷叶上溅了水滴,水滴会变成一颗颗晶莹透亮的小水珠,小水珠在荷叶上滚来滚去,就像盘子里滚动着的珍珠一样。

荷叶上的水滴为什么会变成滴溜滚圆的小水珠呢?原来,水滴表面分子受到内部分子的吸引力,产生了向内部运动的趋势。这样一来,水滴的表面就会尽可能地缩小。缩小到什么程度呢?我们知道,水滴的体积大小不变,只有在成为球体的时候,它的表面才是最小。所以,小水滴就变成球体的小水珠了。

我们再来看看小朋友爱吹的肥皂泡。肥皂泡里包着空气,肥皂泡的里外两个液面也要不断收缩,直到把里面的空气压得不能再小了,它才不再收缩。这时候,肥皂泡就变成一个滴溜滚圆的小球。

液体表面的分子,由于受到内部分子的吸引,而使液体表面缩小的这种趋势,会使该液体表面相邻的部分产生相互吸引,这种相互吸引在物理学上被称为表面张力。我们可以通过一个简单的实验,来看看这种表面张力。

用一个铁丝的框框,上面系一根不是绷得很紧的细棉线,把它放在肥皂水里蘸一下,铁丝框上就会有一层薄薄的绷得很紧的肥皂膜。试着将棉线一侧的薄膜用针刺破,另一侧的薄膜就会立刻缩小,棉线因为失去了一侧薄膜产生的表面张力,而在另一侧薄膜的表面张力作用下,呈现弯曲的弧形。

任何液体的表面都存在着表面张力,在这种表面张力的作用下,液体表面就好象蒙上一层绷紧的膜。夏天,水面上常有许多小虫自由自在地跑来跑去,就是依靠水面上绷紧的这层水膜。

奇妙的电与磁

静电杀手

摩擦能产生静电,一般情况下,这种静电是不至于置人死地的。但是,在某些特殊环境里,静电产生的火花却会酿成惨剧。

1979年年底,西北某工厂为清除试验车间地面上的油垢,用60千克汽油浸木屑,洒在地面上进行清扫。十几位女工蹲在地上擦地板,其中有位女工穿着涤纶衣服。当她擦到一根金属管附近时,她的身体突然对金属管放电,所产生的电火花引起了汽油与空气中氧的混合气体爆炸起火,最后酿成一场大火。在场工作的十几个人非死即伤,而穿涤纶衣服的那位女工死得最惨。为什么会酿成这场惨剧?原来,那位女工在擦地板时,身上的涤纶衣服因人的动作而摩擦带电,人身上带有高压静电,靠近金属管子时就容易放电。加上洒在地面的汽油很容易挥发,汽油蒸气的浓度很大,与空气中的氧气一混合就生成了易爆的混合气体。

这场惨剧告诉我们,在那种易燃、易爆的环境中工作的人,特别要注意静电会引起的灾害。其中最主要的是防止衣服因摩擦而产生静电。

纵火犯是谁

1989年8月12日9时55分,青岛市海港黄岛油库的几万立方米的5号油罐爆炸起火,并又引爆了旁边的4号油罐,接着1号、2号、3号油罐相继起火爆裂,600吨原油泄流入海。大火足足烧了104小时,14名消防官兵、5名油库职工在灭火中献出了生命。大火烧掉了3.6万吨原油,油库区变为一片废墟,直接损失达四五千万元。谁是纵火犯?

据事后消防专家调查,5号罐虽然装了避雷针,但是,罐内钢筋和金属构件连接不好,造成避雷针接地不完善。我们知道,避雷针分三部分:接闪器(即一根金属杆,它指向天空将雷电接引下来),引下线和接地装置。这三个环节必须质量可靠,紧密结合,如果有一个环节不合适,就可能“引狼入室”。避雷针实际上是“引雷针”,它把闪电引到自己身上,通过引下线和接地装置引入地下。但是,闪电的电流很大,会产生一系列物理效应。因此,制造和安装避雷针时只要出现小的失误,都有可能造成大的灾祸。调查指出,黄岛油罐顶部铺设的防雷均压屏蔽网的结点与接地的角铁之间未焊牢而只是用螺丝压紧。网与接地角铁的连接点的电阻为0.116欧,大大超过了规定的安全值0.03欧。因此,当油罐上空的落地雷被避雷针引下来时,由强大的闪电电流在极短时间内迅速变化引起非常强烈的电磁感应,使因混凝土剥落而外露的钢筋产生电火花,从而点燃了罐内油蒸汽与空气混合的易爆气体,最后,炸毁油罐并燃起了大火。

由此可见,避雷针的接地是十分重要的。接地接得好,就将引下来的闪电送入地下;接地接得不好,就将引下的闪电送到保护物内部,很容易引起电火花并造成大事故。

鱼群回游

纯水是不导电的,可是水中一旦有了盐分,就变成电解质,电流就可以通了,而且盐越多,水的导电性越好,海水是含有高盐分的溶液,由于海水在流动,地球又是一个大磁场,这很像一根导线在磁场中运动,不就产生感应电流了吗?确是如此,海洋中确实有一个天然运动着的电流。海洋电流的发现,解开了不少自然之谜,鱼群回游就是其中之一。

过去认为鱼群的回游主要是海水的温度以及海流的作用。实验表明,有些鱼类对温度并不敏感,但对电性非常敏感。例如,巴伦支海中所观察到的鲱鱼,只要存在每千米0.5~1的电位差,它们就会向高电位方向游动。据在巴伦支海的大港摩尔曼斯克的统计,它的沿岸捕鱼量与近海里的天然电流的电位差变化密切相关,在海洋电流的电位差显著增大然后又保持在较高值的日子里,鱼的捕获量显著增加,因为鱼向着高电位方向游过来,然后就待在这较高值的地方不走了。

另外,根据连续20多年的统计,在里海、黑海、亚速海,鲱鱼的捕获量每隔11年有一个从大到小变化的周期,这个周期与太阳黑子的爆发周期正好吻合。根据天文学家的解释,太阳黑子爆发会引发地球的磁暴,而磁暴的出现会使海洋中感应更大的电流,从而把鲱鱼吸引过来,使得鱼的捕获量大增。

交流电大战直流电

电灯是爱迪生发明的,不过,那时候的电灯是用直流电作为电源的。直流电照明系统是直接将电流从发电机输向客户,不再从客户流回发电机。而这种输电方式只能把电压局限在250伏之内,超过这一标准就会烧毁电灯的灯丝,危及用户安全。同时,由于受到升高电压的限制,长途输电就会造成巨大浪费。直流供电系统的这一缺点,在早期的供电系统中不是特别重要,因为当时的电厂就建在人口密集地区。后来,随着用电的普及,那些远离发电厂的、居住在人口稀疏地区的用户也要求供电,于是,直流供电系统无法远距离供电的缺点逐渐暴露出来。相比之下,当时还不普及的交流电供电方式,在这方面显示出它巨大的优越性。因为交流电的电压通过变压器很容易升高,这有利于远距离输电。然后,在输入用户或工厂之前,再利用变压器把电压降下来,以适应用户的安全要求。

交流电发电机是由爱迪生的竞争对手南斯拉夫发明家特斯拉发明的。这种发电机简单、灵巧。而特斯拉早先发明的变压器又能解决长途输电中的电压升降问题,再加上特斯拉又得到美国工业家威斯汀豪斯的支持,因此,交流电供电系统的发展势头强劲。由于有人用交流电把马路上的小狗小猫这些小动物电死,一座监狱的牢头又用交流电通到电椅上把一名杀人犯处死,所以在许多人心目中,交流电一度成了死神的同义词。

但是,交流电一方所受的挫折只是暂时的,在其后几年里它逐步占领了市场。特别是1895年,威斯汀豪斯公司在尼亚加拉大瀑布上建立了交流电的发电站,这在当时是一项了不起的成就,从而使交流电供电系统取得了决定性胜利。

神秘的太空电波

1928年,大学刚毕业的詹斯基来到贝尔电话实验室工作。当时,贝尔电话公司刚安装了横跨大西洋的短波无线电通信线路。詹斯基的任务就是研究短波通信中的各项干扰因素。当时对30米波长以上的无线电波已有了较细致的研究,而对1.5~15米波长范围内的短波则还没有作过系统研究。为了进行这项研究,詹斯基建造了专门的天线和接收器,接收器的工作波长是14.6米。在研究过程中,他发现一种来源不明但带有“咝咝”声的天电,并发现它的方向似乎同太阳相关。

本来,詹斯基的工作可以到此为止,因为影响通信的主要干扰都已查明,而这种咝咝声的天电对实际的无线电通信又几乎没有什么影响,通信工程师又何必去为它操心呢?但是,詹斯基没有放过这微弱的电波,他继续积累资料,发现它并不完全同太阳运动相一致,而是每天都要提前4分钟。詹斯基曾向一位好朋友学过一些天文学的基础知识,他知道恒星时的周期比太阳时要短4分钟,因此,詹斯基认识到,咝咝的噪声可能是来自太阳系外的某个恒星,它是随恒星时而改变的。经过一年的监测,詹斯基终于断定太阳系外的某些恒星能发射无线电波。他同时给出了这个固定无线电源在太空中的坐标,指出它与银河系中心相近。

詹斯基的发现是天文学史上的一次大革命,过去人类认识宇宙主要是通过可见光这个“窗口”,但是对于那些不发可见光的“暗天体”就没法认识了。现在,无线电波段(又叫射电)的“窗口”被打开了,它给人类带来那些只发射无线电波的天体的丰富信息,大大加深了人类对宇宙的认识。

拖“辫子”的电动机

在地壳与大气层的电离层之间,竟存在着有30万伏电位差的大气电场,这大气电场电位虽然很高,但由于空气的电导很小,产生的电流非常微小。

大气电场虽然早被发现,但一直无法利用。人们发现了一种能长久保持带电状态的物质——驻极体以后,有人利用它的开缝效应制成一种新型电动机。这种电动机需要高电压(几千伏以上)和低电流(几毫安、甚至几微安)的电源才能工作,而大气电场恰好具备这些特色。于是一台既不用直流电,又不用交流电的特殊电动机在美国西弗吉尼亚大学问世了,它被称为“大气电场电动机”。

这台电动机拖着两根长长的“辫子”,一根与该大学一幢11层的大楼上的天线相接,另一根与地线相接。这样可以从大气电场那里获得上千伏的电压和1微安的电流,电动机每分钟可转几百次。大气电场电动机由三个圆盘组成,上、下两个圆盘用铝箔和云母胶合而成,并在铝箔中间开一道细缝,细缝的两边作为电极;中间的圆盘由两块半圆形的驻极体拼合而成,两块驻极体的极性相反。当人们在细缝两边的电极分别加上不同极性的电压时,中间的驻极体就会受到一个与两个电极平行的作用力,于是转动起来。电机的转轴是一根有机玻璃棒,两端用宝石轴承支持着。

目前,大气电场电动机的最大功率已超过100瓦,但如用作动力装置尚有一定距离。如果将来能设计出一种能获得较大电流的天线,使更大功率的大气电场电动机转动,那么,人类就能从大气电场这个天然发电厂里取得廉价电力了。

地磁风暴

1956年2月23日中午,中央人民广播电台的短波广播节目正常播出,中国数以万计的听众正在不同地区听得入神时,突然播音中断了,一直过了36分钟才恢复正常。经过反复检查,广播电台的发射机工作正常,当然全国各地的收音机也不可能同时出毛病,那么,问题出在哪里?无独有偶,英国海军部与其在格陵兰海面演习的潜艇的无线电通信联系也在同一时间中断,当时他们怀疑潜艇失事沉没了。这一连串事故为什么会在同一时间发生?天文学家告诉人们,他们在此时间内观测到太阳上发生了一次大爆炸,它引起的磁暴(地磁风暴)影响到地球上的无线电通信。

地球像一个巨大的磁铁,它的四周存在着一个地磁场。地磁场有三个要素构成:磁场强度(水平强度和垂直强度)、磁偏角和磁倾角。磁暴往往是突然出现的,各地的地磁要素突然改变它的数值,其变化幅度可以进行到几安/米,并且继续发生急剧的、不规则的变化。在1959年7月14日~15日上海余山地磁台记录到的一次磁暴,从曲线上可看出这次磁暴地磁场水平强度的变化近1安/米。这种地磁强度的剧烈的变化会引起地球电离层的不稳定,而短波通信的信号能传播到全球,就是靠电离层对无线电波的反射和折射。因此,电离层不稳定,严重时会造成短波通信的中断。

产生磁暴的原因和太阳活动有关。每当太阳活动剧烈时,就会出现一些黑子。根据记载分析,太阳黑子出现和增多时,地磁活动也达到最大值并产生磁暴。进一步的观测发现,太阳黑子爆发时会向外辐射大量带电粒子流,正是这些“不速之客”扰乱了地球磁场,引起磁暴。

磁性武器

军舰是用钢铁材料建造的,在地球磁场的磁化作用下会产生自己的船舶磁场。当带有磁场的军舰驶入敌方布有磁性水雷的区域时,水雷的引信就会“感知”到额外磁场的存在,因为它们能根据当地地磁场的特征进行自动调节,排除地球磁场的作用,使指针指向零点。当它接收到“外加磁场”的信号后,就能按事先规定的方式起爆,从而达到炸毁敌方舰艇的目的。这里所谓的事先规定的方式,包括即时起爆、延时起爆、延时延次起爆等。即时起爆即引信感知较强的磁场信号后(这时舰艇已在水雷近旁)就起爆。延时起爆指引信感知到一定的磁场信号时,舰艇离开水雷还有一段距离,根据事先估计的舰艇驶到水雷爆炸的有效半径内还需要多少时间,延迟到这个时刻再爆炸。延时延次起爆是一种更高级的“定时炸弹”,它不仅延时到舰艇靠近时爆炸,而且可以延长到主要舰只靠近时才爆炸。因为敌方的一支舰队出航时,航空母舰、主力战舰往往位居中间,因此可以延次到经过三四艘舰只后才爆炸,以便将主要舰只炸沉。

有矛必有盾,为了减少军舰遭受磁性水雷袭击,人们就设法对舰船消磁,使水雷感知不到额外磁场。办法很简单,利用通电导线中产生的磁场来抵消船舶磁场,使水雷的引信失效。

不要忘记居里温度

钢铁厂里的起重机械特别多,电磁起重机把成吨的生铁原料吊起,运到炼钢炉上面,切断电源后,电磁铁的磁性消失,原料就哗啦哗啦落进炼钢炉。炼钢工人把钢液倒进钢包,再通过行车把钢包运到浇钢的车间。工人把钢水注入钢锭模子,待钢水凝固后拆去钢模就得到成品——钢锭,这时行车又过来把钢锭运走,以便空出地方迎接下一批新钢锭的到来。

钢锭行车的运输效率不及电磁起重机,那么,能不能设计一个大功率的牵引电磁铁,让钢锭像生铁那样吸起来有多方便!可是,这个良好的愿望是不能实现的。问题出在钢锭本身的特性上。钢和铁都是典型的铁磁性物质,铁磁质是由许多体积极小的磁畴组成的。磁畴本身具有磁性,通常情况下各磁畴的排列方向没有一定规律,因此,铁磁质本身不显磁性。如果将铁磁质置于外磁场中,磁畴的大小、方向都发生变化。大多数磁畴按外磁场方向整齐排列,于是铁磁质被磁化,这就是电磁铁能“吸铁”的道理。

当铁磁质的温度升高时,内部分子热运动会影响磁畴的排列,以致磁性减弱;当达到某一温度时,铁磁质将完全失去磁化性质。这个温度我们称为居里温度(即失去铁磁性的温度,也称居里点)。经过测定,铁的居里温度是769℃。可想而知,钢锭的温度高达1400℃,稍事冷却后短时间内也有上千度的高温,电磁铁也就无用武之地,不可能吸起钢锭了。

电视机里的“重影”

电视图像不清晰的表现多种多样。其中“重影”是很常见的一种现象,尤其在高楼林立的大城市中更是如此。人们常常会看到荧屏上正常图像的旁边,像幽灵似的出现一个、两个、甚至三四个相同的影子,这样一来,图像就变得模模糊糊了。“重影”是由反射波造成的。从电视台发送出来的无线电波是“直射波”。遇到高楼大厦时会从高楼的墙面上反射出来,形成反射波。反射波和直射波都会被电视机所接收,直射波在荧屏上显现出正常图像,而反射波就在图像旁边形成讨厌的重影。

一般说来,要是墙面不产生反射波,荧屏上也就不大会出现重影。下雨天建筑物的墙面都是湿漉漉的。因为水是导体,所以潮湿的墙面导电性能变好了。这时,射到墙面上来的无线电波,仿佛有了一条通路,很容易通过潮湿的墙面传导流入大地,就像被墙面“吸收”掉似的,很少出现反射。这样,反射波大为减少,荧屏上的重影变得极其微弱,图像自然比较清晰。

另外,下雨天天空中充满了雨滴。车辆和工厂内的用电器具产生的电火花也会被雨水吸收,变得很微弱,它们对正常的电视图像的干扰也大为减弱,这也是电视图像变得比较清晰的一个原因。

人工鼻子

人的鼻子很灵敏,能嗅出多种气体的“味道”来。但是,对于某些特殊要求它就无能为力了,例如,人的鼻子就嗅不出氧气的浓度来。然而,用氧化锆固体电解质做成的“人工鼻子”,能嗅出百万分之一的氧气浓度来。把它装在锅炉烟道中,可以监测其中的氧气浓度,从而可推算这台锅炉的燃烧情况。这对于节约燃料、减少锅炉燃烧时对大气的污染、实现锅炉运行的自动监控等都有重要的意义。“人工鼻子”嗅觉是怎样产生的?这要从电解质谈起。电解质一般是指在水溶液中或在熔融状态下能导电的化合物,如酸类、碱类和盐类。20世纪60年代以来,人们发现有些银盐(如碘化银、硫化银等)及有些金属氧化物(氧化锆等)在低于熔点的温度下,甚至在室温时也能像电解质那样具有导电的本领。人们把这类物质称之为“固体电解质”。

这些固体电解质有一个特点:在它们的外表涂上一层多孔性金属电极层后,它们的负极就会吸附一定的气体(例如氧气)分子,使气体分子获得电子变成气体离子,然后通过中间加热的固体电解质,到达它的正极,放出电子。这样,在固体电解质的两极之间就会形成电位差,电位差的大小显然与气体的浓度有关。如果我们用仪表测量电位差的大小,就可以检测出气体的含量。利用固体电解质的这种特性,就可以制成“嗅”气体的人工鼻子。

微波“导演”

用过微波炉的人都赞叹微波加热好处多。它能深入到食物内部加热,而不像用铁锅只能加热食物表面,要靠食物本身的热传导才能把热量从外表传入内部。碰到像糯米粽子这样热传导差的食品,你把冷粽子放在水里煮,往往外表已滚烫,而内芯还是冰凉,但是,若将它放进微波炉里转上2分钟,就从外到里都热透了。微波为什么有如此奇效?

粮食、水、蔬菜等物质的分子都是一端带正电另一端带负电的偶极子。在通常情况下,偶极子的排列杂乱无章。可是,在这些物质的两端加上一个外电场后,它们内部的偶极子就会重新排列,带正电的一端就趋向外电场的低电位;带负电的一端则趋向高电位。于是原先很杂乱的排列就变得十分规则了。如果再将外电场的方向作180°的改变,这时物质中偶极子的取向也随之旋转180°。如果外电场是微波这样高速交变的电磁波,那么,物质中的偶极子就像一群“舞蹈演员”在微波的“导演”下作旋转。微波的频率就是偶极子们旋转的频率。偶极子在旋转时会发生类似摩擦的作用,使物体的温度随之升高。当然,这些热能是由微波的电磁能转化而来的。由于微波的频率很高,这导致偶极子高速旋转,在很短的时间内,物质内部将产生很大的热量,微波加热速度非常快。又由于这些物质都是非金属的,对电磁波不能起屏蔽作用,微波能深入到物质内部起作用,所以微波加热的效果也非常突出,能同时对物质的外部和内部都加热。

21世纪的“神行太保”——磁悬浮列车

几年前,在长沙国防科技大学的一个试验室里,科学家们正在为参观者演示一种新型的列车。当科研人员打开操纵开关时,这台长120厘米,自重60公斤,没有引擎,没有轮子的奇特的列车样车霎时间好像变成了一片羽毛,轻飘飘地悬浮在两根钢轨上;科技人员再打开运行开关,车身便由慢到快,向前疾驶而去。试验室里响起了一片热烈的掌声。同时,我国的新闻媒体也骄傲地向世界宣布:中国自行研制的第一台磁悬浮列车原理样车试验成功了!

磁悬浮列车是一种利用电磁吸力或斥力将列车悬浮在轨道上运行-20的新型列车。这种列车在运行时,车体与轨道能保持10厘米的缝隙。由于车体与轨道间没有机械接触,没有磨擦,因而时速可达500公里以上,并且无振动、无噪音、无污染,乘坐平稳。舒适、安全,就像一架超低空飞行的飞机,是一种十分理想的交通工具,被人们称为21世纪的“神行太保”。

是什么“魔力”使得由钢铁制成的体大身沉的列车变得如此轻飘,能在轨道上腾空而飞呢?

实现磁悬浮一般有两种途径。一种是吸引悬浮。它是以车上的电磁铁与铁磁轨道之间的吸引力为基础,车身被吸挂在轨道的底部,其间保持1厘米的缝隙不相接触。由于两者之间的缝隙较小,这种方法要求轨道的加工和铺设有较高的精度,一般只用于速度较低的短距离运输系统。

另一种途径是排斥悬浮。它利用的是超导磁体的安全抗磁效应。早在30年代,科学家们就发现了超导磁体的一种特殊性能:当某种金属变成超导体时,超导体内磁感应强度为零。科学家们将其称为完全抗磁性或迈斯纳效应。为了让你更好地理解超导体的完全抗磁性,我们做一个实验:

在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小,但磁性很强的永久磁铁,然后把温度降低,使锡盘出现超导性。这时,可以看到小磁铁会离开锡盘表面飘然而起,与锡盘保持一定距离后,便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性,使小磁铁的磁力线无法穿透超导体,磁场发生畸变,便产生了一个向上的浮力。这类似于水无法穿过船帮进入船舱,就产生向上的浮力使船漂在水面上。磁悬浮列车就是利用了超导体的这种完全抗磁性,才使长龙似的列车插上了腾飞的翅膀。

从1966年波维耳等科学家提出利用超导体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来运行的设想以来,磁悬浮列车的研究发展迅速。80年代,日、德、英、美和前苏联等国已分别制成了高、中、低速各种档次的磁悬浮列车。其中,日本和德国的技术比较成熟。如日本早在1979年就曾在一条7公里的试验线路上进行了载人实验,并创造了时速517公里的世界纪录。虽然到目前为止,世界上还没有一个国家的磁悬浮列车正式投入运营,但是随着各项技术的发展,特别是近年来在常温超导体研究方面取得的一系列重大突破,必将大大加快超导磁悬浮列车的商业化进程。不仅如此,美国最近又计划研制一种更加先进的地下真空磁悬浮超音速列车。这种名为“行星列车”的磁悬浮列车的最大设计时速为2.25万公里;是音速的20多倍,乘坐它横穿美国大陆只需21分钟。我们有理由相信,21世纪的“神行太保”将在新世纪里大显身手。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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