物理知识篇(下)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：王月霞

出版社：远方出版社

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物理知识篇(下)试读：

前言

人类社会已经进入一个崭新的新世纪，科学技术正以人类意想不到的发展速度深刻地影响并改变着人类社会的生产、生活和未来。《科普知识百科全书》结合当前最新的知识理论，根据青少年的成长和发展特点，向青少年即全面又具有重点的介绍了宇宙、太空、地理、数、理、化、交通、能源、微生物、人体、动物、植物等多方面、多领域、多学科、大角度、大范围的基础知识。内容较为丰富，全书涉及近100个领域，几乎涵盖了近1000个知识主题，展示了近10000多个知识点，字数为800多万字，书中内容专业性强，同时又易于理解和掌握，每个知识点阐述的方法本着从自然到科学、原理、论述到社会发展的包罗万象，非常适合青少年阅读需求。该书是丰富青少年阅历，培养青少年的想象力、创造力，加强他们的探索兴趣和对未来的向往憧憬，热爱科学的难得教材，是青少年生活、工作必备的大型工具书。

本书在内容安排上，注意难易结合，强调内容的差异特点，照顾广大读者的理解力，真正使读者能够开卷有益，在语言上简明易懂，又富有生动的文学色彩，在特殊学科的内容中附有大量图片来帮助理解，具有增加知识，增长文采的特点，可以说该书在当今众多书刊中是不可多得的好书。

该书编撰得到了各部门专家、学者的高度重视。从该书的框架结构到内容选择；从知识主题的阐述到分门别类的归集；从编写中的问题争议到书稿最后的审议，专家、学者都提供了很宝贵的修改意见，使本书具有很高的权威性、知识性和普及性。

本书采用分级管理、分工负责的办法编写，在编写的过程中得到了国家图书馆、中国科学院图书馆、中国社会科学院图书馆、北京师范大学图书馆的大力支持和帮助，在此一并表示真诚的谢意！在本书编写过程中，我们参考了相关领域的最新研究成果，谨向他们表示衷心的感谢！

由于编写时间仓促，加之水平有限，尽管我们尽了最大努力，书中仍难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。本书编委会2006年1月

声与波动

海浪为何迎岸袭来

站在海岸上极目望去，波涛汹涌的海浪总是垂直于海岸线迎面袭来，从来没有见过沿海岸线前进的海浪，这是为什么？

海面上的波浪在深海处传播的速度总是比浅海处的传播速度快，越是近海岸，海水越浅，波浪的速度越慢。若用虚线AB表示海岸附近深水域与浅水域的分界线，那么在深水域中，海浪在第1、2、3……、11秒走过的距离较大（因为速度快），因此，线条之间的间隔大；在浅水域中，同样花费1秒钟时间，海浪经过的距离短，表现为线条之间的间隔小。因此，在分界线处发生了海浪的波长和传播方向的改变，海浪的传播方向变得渐渐垂直于海岸线了。由于越靠近海岸的海水越浅，因此，海浪的速度也渐渐慢下来，这就使它的传播方向越来越垂直于海岸线。当我们站在海岸面向大海时，由于看到的海浪都是以垂直于海岸线的方向一排排袭来，我们就感到海浪是迎面而来的。

在远离海岸的大海深处，海浪的行进方向取决于海风与海流的方向，并不一定朝观察者迎面而来。

共振的幽灵

任何物体产生振动后，由于其本身的构成、大小、形状等物理特性，原先以多种频率开始的振动，渐渐会固定在某一频率上振动，这个频率叫做该物体的“固有频率”，因为它与该物体的物理特性有关。当人们从外界再给这个物体加上一个振动（称为策动）时，如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同，物体振动的振幅达到最大，这种现象叫做“共振”。物体产生共振时，由于它能从外界的策动源处取得最多的能量，往往会产生一些意想不到的后果。2

18世纪中叶，法国昂热市一座10米长的大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时，桥梁突然断裂，造成226名官兵和行人丧生。究其原因是共振造成的。因为大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时，桥就断了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。鉴于成队士兵正步走过桥时容易造成桥的共振，所以后来各国都规定大队人马过桥，要便步通过。

在我国的史籍中也有不少共振的记载。唐朝开元年间，洛阳有一个姓刘的和尚。他的房间内挂着一副磬，常敲磬解烦。有一天，刘和尚没有敲磬，磬却自动响起来了。这使他大为惊奇，终于惊扰成疾。他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令，不但能弹一手好琵琶，而且精通音律（即通晓声学理论），闻讯前来探望刘和尚。经过一番观察，他发现每当寺院里的钟响起来时，和尚房里的磬也跟着响了。于是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几处，从此以后磬就不再自鸣了。他告诉刘和尚，这磬的音律（即现在所谓的固有频率）和寺院的钟的音律一致，敲钟时由于共振，磬也就响了。将磬磨去了几处就是改变它的音律，这样就不会引起共鸣。和尚恍然大悟，病也随之痊愈了。

登山运动员登山时严禁大声喊叫。因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合，就会因共振引起雪崩，其后果十分严重。

核试验是否泄密

1964年10月16日，我国政府宣布中国成功地爆炸了第一颗原子弹。在我国政府的新闻公报发布之前，世界各主要通讯社就抢先发布了这次爆炸的头条新闻。他们的消息来自何方？当然，这不是由于我们失密造成的，而是设在世界各地的次声监听站收到了核爆炸所发出的强烈次声波，从而得知中国进行了核爆炸。

次声为何能将核爆炸信息传到千里之外？我们知道，人耳能听到的声波的最低频率约为20赫，低于20赫的声波人耳听不到，被称为“次声”。由于次声波在传播时的能量损失很少，因此它可以传得很远。大型核爆炸产生的次声波有时可以绕地球转上几圈。通过次声监听站的检测，人们不仅可以测出核爆炸的地点和时间，还可以测出核爆炸的当量和所采用的方式是地上还是地下核爆炸。由于火箭升空时高速喷出白炽的火焰与大量气体，引起空气和地面的振动，因而产生各种声波，当然也包含次声波，所以导弹的发射也逃不过次声监听站的“耳朵”。

地震、火山爆发、海啸、台风等大自然现象，则是天然的次声源。研究天然次声波的发声机制、传播特性，可以提供地震之类自然灾害的预报手段，还可以通过对自然界次声所携带信息的研究，了解地层变化等自然现象。例如，智利大地震产生的次声波，曾激发了地球的固有振动，其周期为1小时。知道了地球的固有振动频率，就为研究地球的结构提供了有用的资料。

第二次世界大战中，德国潜艇部队司令邓尼茨实行“海狼”计划，派出大批潜艇实施水下攻击，使美、英等同盟国运输船只损失大半。潜艇崭露头角，使人们对怎样探测到这种水下战舰产生了兴趣。几经周折之后，人们才发现对付潜艇的最好方法，是使用由法国物理学家朗之万发明的“声呐”（sonar，英文“声波导航和测距”的字头缩写）。为什么只能依靠声波来探测在水下游弋的潜艇呢？

在水下能用望远镜看见远处的潜艇吗？不能，即使用现代的光学仪器，假定海水也较洁净，在水下最多只能看到几十米远的地方。那么，在水下能用雷达来探测具有金属外壳的潜艇吗？更不行。因为电4磁波在海水中的衰减太大。即使是波长为10米的极低频电磁波，在海水中每传播3米，其振幅就衰减成原来的十分之一；如果采用高频（波长为几十厘米）电磁波，在海水每传播1米，其强度就衰减为原来的一千万分之一！然而，海水对声波的吸收远比光波和电磁波小。如果用10千赫的超声波在海水中传播，每经过1千米，它的强度只衰减为原来的十分之八。若用0.05千赫的次声波，每传播1千米它的强度只衰减为原来的百分之九十八。因此，声波（特别是低频声波）因其在水下传播时衰减很小，可以用作水下传递信号的载体。

声呐按工作原理，可以分为两大类：（1）主动声呐。这种声呐能主动向水中发射各种形式的声信号，碰到目标后就产生反射回波，接收回波信号再进行分析处理，就能得出目标所在方位和距离。（2）被动声呐。它本身不发射声波，只是被动接收目标所发射的声波（潜艇航行时，其发动机总有噪声发出），再进行分析处理，也可以显示出目标的方位距离。被动声呐具有保密性好，定向距离远等优点，但它在测距时较困难。

现在还发展了机载声呐，它比军舰的搜索速度快。从直升飞机上向巡逻海区投下一系列主动声呐浮标，它们在水面上向水下各处发射声波，找到目标后会自动用无线电波发送。

深海报警

船舶或飞机在大洋中失事时，如无法用无线电发出求救信号，则可以向深海投掷炸药包作为呼救信号。2千克炸药在1千米深的海洋中爆炸时，发出的声波可传播到几千米之外。由几个海岸监听站从不同位置收到的报警声，就能较准确地测定失事地点并组织营救。用同样的办法也可以测定洲际导弹或宇宙飞船返回时的溅落位置。

声波在深海中传播得远，是因为存在一个深海声道。它与海面、海底都保持一定的距离，声波在这个通道里传播时，很少遭受海面和海底反射时造成的能量损失。这就像人们利用空管子对着讲话，它能把声音传得很远。深海声道具有这一特性，是由于不同深度的海水的温度不同，因而声波传播的速度也不同。在深海声道的上方，温度随深度下降，使产速也随深度下降，即越向上声速越快，声波受海水折射后向下弯曲传播；它的下方为深海同温层，声速随深度的增加而增加，即越向下声速也越快，声波受折射后上弯曲传播。结果，不同温度的海水层像透镜聚焦一样，把声波的能量聚集在声道内。不仅如此，在深海声道的某些地方，声能特别集中就好像透镜的焦点一样，这些区域叫“会聚区”。在大洋中，每隔30～50海里就有一个会聚区。正是这种深海声道里的会聚作用和接连不断的会聚区的存在，才使声波能在深海中作超远距离的传播。

听不懂自己

我们有这样的经验：听录音机放出的自己的声音总觉得不太像，而在别人听来都认为像，这是怎么回事呢？

我们平时听到的声音，可以通过两条不同的途径传入耳内，一条途径是通过空气，将声波的振动经过外耳、中耳一直传到内耳，最后被听觉神经感知。别人听你的话，你自己（还有别人）听从录音机里放出的自己的录音，都是通过这样的空气途径传入耳内的。对别人说来，直接听你讲话，或是听你的录音，由于都是从空气里传来的声音，所以效果一样，即这两种声音是很像的。

另一条途径是通过骨头来传播声音，这种方式叫“骨导”。我们平时听自己讲话，主要是靠骨导的这种方式。从声带发出的振动经过牙齿、牙床。上下颌骨等骨头，传入我们的内耳。因此，对我们自己来说，听自己讲话是通过骨导方式听到的。由于空气和骨头是两种不同的传声媒质，它们在传播同一声源发出的声音时，会产生不同的效果，因此，我们听上去就感到这两种通过不同途径传来声音的音色有差别。于是就觉得录音机里放出来的声音不像是自己的声音。

乐器的“四大家族”

古今中外的乐器少说也有几百种，不过按它们发声原理的不同，大体可归为四大类。

1.弦乐器　它们通过拉、弹、拨、击的方法使弦振动而发声，再借助共鸣箱使弦的声音在共鸣箱中共鸣而被放大。常见的弦乐器有小提琴、大提琴、吉他、二胡、琵琶等。钢琴虽然靠键盘的敲击来发音，但最终也是以弦的振动和共鸣箱来发音的，所以也可归到弦乐器中。

2.管乐器　它们是一些一端封闭另一端开口的管子，人用嘴吹动簧片或哨子之类的振动器件，激发管内的空气柱振动而发声。西洋乐器的单簧管、双簧管、长号、圆号、长笛、短笛等，以及民族乐器中的笛、笙、萧、唢呐等都属于这一类。

3.打击乐器　它们是指用器物（棒、槌等）打击膜、板、棒等东西，使之振动而发音的乐器的总称。这类乐器的激振器件与共鸣器件常常是同一件东西（如钹、音叉等），振动形式都是靠外力打击乐器使之振动而发音。这类乐器包括西洋乐器中的定音鼓、木琴、三角音叉等，还包括民族乐器中的锣、鼓、钱、梆子等。

4.电子乐器　现代电子乐器可以分成两类，一类如电吉他、电提琴等，是在原来乐器（吉他、提琴等）的基础上，增添电子扩音系统和音色变化装置，大大改善原有乐器的表现能力。另一类如电子琴等，完全由电子振荡器来完成音阶的组成。在传统乐器中，钢琴弹不出小提琴的音色，笛子也吹不出二胡的声响。而电子琴依靠音色合成网络，能演奏出几十种不同的音色的乐器声来。此外，它还装有各种自动装置，可以自动产生节奏、和弦等音响效果，大大简化了演奏，甚至一台电子琴能奏出一个乐队的效果来。电子琴的出现，是对传统乐器的革命性变革。近年来出现的电子合成器，除了能模拟各种传统乐器的演奏外，还能模拟人的歌唱声、大自然的鸟鸣、风声等，甚至能制造出人类从没听到过的“太空音乐”来。电子合成器的出现，把电子乐器的发展推向一个新的高峰。

现代阿里巴巴

阿拉伯民间故事《阿里巴巴和四十大盗》中，强盗把抢来的珍宝藏在一个秘密山洞里，这个洞口很严密，普通人根本打不开，但是，只要有人对着洞口喊一声暗语“芝麻，芝麻，开门吧”，石头门就会自动打开。阿里巴巴就是因为听到了强盗们说的这句暗语，最后得到了大批珍宝。这故事展示了人们想通过语言来控制某种装置（如石头门）的最早设想。这个设想在现在已经实现。

1984年，在英国伦敦举办的一次展览会的开幕式上，剪彩后主持人对展览厅大门说了声“请开门”，大门竟自动打开了。更令参观者惊奇的是，大厅里展出的电视机、电冰箱、电灯、电炉等家用电器的开启和关闭，都是用人的声音来控制的。原来这是一次别开生面的语言声控设备展览会。

语言声控技术是近年来才发展起来的一门高新技术。它能将人发出的有声语言转变成控制信号，去指挥机器工作。目前的主要应用是：（1）语言翻译机。它能将一种语言（口语或文字）自动翻译成另一种语言（口语或文字），这将大大方便世界各国人民之间的相互交流。（2）计算机人工口语输入。它将取消计算机输入键盘，人们靠说话就能指挥计算机运算。（3）盲人用的读报器。它能将印刷品上的文字通过光电扫描和语言合成器，变成盲人能听见的声音。

鸟的语音

鸟语是鸟类世界的“语言”，可分为三类：（1）叙鸣。它是鸟类的日常用语，可以表达集合、求食、警告、恐慌等含义。离群孤雁的鸣叫，就是对同伴呼唤的一种叙鸣。（2）效鸣。这是人类通过对鸟的训练，使它们模仿人或其他动物的叫声而发出的鸣叫。据统计，我国大约有三十多种会效鸣的鸟，如鹦鹉、八哥、画眉、百灵、伯劳等。当然，鹦鹉、八哥等鸟类虽然能学人说话，但这只是从发音上模仿，它们并不知道声音里的含义。所以人们用“鹦鹉学舌”来形容不求甚解的人，别人怎么说他怎么说。（3）鸣啭。这是雄鸟在发情季节发出的婉转动听的求爱声。这种鸟语是鸟求爱时的独特方式。在发情季节，雄鸟不仅以换好的羽毛表示自己身着“婚装”，而且用美妙动听的鸣啭“情歌”来吸引异性。

一些专门研究动物语言的鸟类学家，曾编过一本《鸟语辞典》，还灌制了一张有多种鸟语的唱片。这给人们以很大的启发。农民们在成熟的稻田里播放麻雀惊叫声的录音，使正在啄食的麻雀听到同伴的惊叫后纷纷逃散。过去，飞鸟在机场上空飞行时，容易被飞机发动机吸进去，这往往会撞坏涡轮叶片，造成机毁人亡的惨剧。后来人们在机场四周播放鸟儿惊叫声的录音，吓跑了飞鸟，保护了飞行安全。

鱼有听觉吗

鱼有听觉吗？人们谁也没有见到过鱼的耳朵，所以，鱼的听觉无从谈起。但是，有一件事改变了人们对此的看法。

德国一个大鱼场里饲养了许多鳟鱼，鱼场附近的一座教堂每天早上8时都要打钟，鱼场的饲养员则在打钟之后去喂鱼，天天如此。有一天饲养员在教堂钟声响过半小时后再去喂鱼，却见一大群鱼仍聚集在池塘边，不断把头伸出水面在等食。这件事把饲养员惊呆了，也引起了科学家们的兴趣。

经过一段时间仔细观察，发现鱼是有听觉的。它们在听到钟声后不久就能进食，久而久之就形成了条件反射。因此，那天饲养员虽然还没有赶来喂食，鱼却因已听到钟声仍然向岸边聚来。

鱼不但能听，还会“说”（叫）。渔民们都知道黄花鱼会叫，而且叫得很响。黄花鱼发声靠的是体内一种密闭的充满气体的囊，称之“鳔”。鳔是黄花鱼的发声器官，还起着共鸣器的作用。在鳔的边上有一排鼓肌，它可以敲击鳔。每敲一次，鳔就发生一次振动，这振动的频率恰好等于鳔的固有频率，因而发生共振，把鳔因振动而发出的声音放大，形成了鱼叫。当然，鱼叫与人的叫声不同，它不是从鱼的喉咙里发出的，而是从鱼鳔里发出的。

震耳欲聋

人们常用“震耳欲聋”来形容强噪声对人体的危害。不过，长期在噪声下工作的人，除了听觉不灵之外，还会发生头昏、头痛、神经衰弱和消化不良等症症。强烈的噪声还会使人头晕目眩、呕吐、视觉模糊，甚至引起呼吸、脉搏、血压、胃肠蠕动等方面的变化，这时人全身微血管的供血减少，出现疲劳感，甚至讲话能力都受到影响。噪声还会使人的智力减退。美国洛杉机市内，位于噪声较大的快车道沿线的学校，其学生的阅读和数学考试的成绩大大低于坐落在安静地区学校的学生。

噪声对运输的危害也是显而易而的。科学家们试验过将兔子暴露在160分贝的特强噪声下，它们很快就体温升高、心跳紊乱、耳朵失聪、眼睛也暂时失明，无目的地乱闯乱撞。海洋中的生物十分害怕噪声，因此，船舶航行时的螺旋桨噪声，使附近的鱼群逃之夭夭。由于这个原因，捕鱼船的渔网要相当长的拖绳，以便将网撒得远远的，避免渔船的轮机声惊扰鱼群入网。有人根据噪声对动物的影响，还发明了一种“噪声弹”。这种炸弹爆炸时放出的噪声，能使鱼和其他海洋动物的听觉中枢神经发生麻痹，造成短时间昏迷，从而浮上水面。捕鱼人可以趁机将大鱼捞上来，把小鱼留下，以保护水产资源。

超音速飞机飞行中的“爆音”

大家知道，船在水中行驶会激起波浪，逐渐向外传播。飞机在飞行中也同样随时扰动周围的空气，使空气的压力、密度也随之发生相应的变化，并不断向外传播。在扰动传播的过程中，已被扰动的空气，与未被扰动的空气之间有一个分界面，我们把这个分界面叫做扰动波。因为飞机的速度有快有慢，所以扰动空气有强有弱，扰动波也有强有弱。波面前后压力有显著差别的，叫强扰动波，也叫激波。波面前后压力差别非常微小的，叫弱扰动波。

我们平常听到的飞机飞行的声音就是弱扰动波所产生的，也是通常我们讲的音波。

弱扰动波的传播速度就是音速，强扰动波的传播速度就是超音速。飞机的飞行速度在低于音速时所产生的弱扰动波在气流中的传播，就象石头投到水里一样向四面扩散，飞机前后的空气的压力差别较小。而飞机作超音速飞行时，机头、机翼、机身、机尾等处都会引起周围空气发生急剧的压力变化，产生强烈的前激波和后激波。当前激波经过时，空气压力突然增高，经过之后压力随即平稳下降，以至降到大气压力以下。然后当后激波经过时，压力又突然上升，逐渐恢复到大气压力。前后两个激波经过时的间隔约为0.12～0.22秒。如果飞行的飞行高度不太高，我们就可以在激波经过瞬间，听到好似晴天霹雳的雷声或象炮弹爆炸的声音，这就是超音速飞机飞行中的所谓“爆音”。由于有前后两个激波，所以我们能够听到短促的两声爆音。

爆音与飞行高度、速度有关。在同样飞行速度下，飞行高度低，地面受激波就强，反之就弱。同样，在高度相等，飞行速度越大，激波越强，反之就小。如果在低空作超音速飞行时，产生的爆音能震塌建筑物。

子弹和声音谁跑得快

一放枪，子弹“嗖”地飞出去了，同时有很响的声音发出。子弹在飞行的时候，不断地冲击着空气，同时伴随着呼啸声。

有人说，子弹射出枪口的速度大约是900米/秒，声音在空气中传播的速度一般是340米/秒，子弹的速度是声速的2倍多，当然是子弹跑得快。

真是这样吗？我们再来看看，子弹在飞行过程中，不断地跟空气发生摩擦，它的速度会越来越慢；可是声音在空气中的速度，一般却很少变化。那么到底是谁跑得快呢？

还是让我们来看看子弹和声音的赛跑吧！

第一个阶段，从子弹离开枪口到600米内的距离，子弹飞行的平均速度大约是450米/秒，子弹跑得比声音快得多，遥遥领先。在这段距离里，如果听到枪声，子弹早已越过了你，飞到前面去了。

第二阶段，从600米到900米的距离里，由于空气的阻力使子弹的速度减慢，子弹已经不及声音跑得快了，这时，声音逐渐赶了上来，两个赛跑者几乎肩并肩地到达900米的地方。

第三阶段，在900米以后，子弹越跑越慢，声音后来居上，终于超过了子弹。到了1200米的地方，子弹已经累得精疲力竭，快要跑不动了，声音却远远地跑在前面了。这时候，如果你听到了枪声，子弹还没有到你的面前哩！

赛跑的结果，子弹只能获得900米以内的冠军，而最后的冠军却属于声音。

小巷深处的脚步声

夜晚，一个人在小巷里行走，除了自己的脚步声以外还会听见一种“咯咯”的声音，好像有人跟着似的，总让人有点提心吊胆，莫名紧张起来。

其实，你只要懂得了其中的科学道理，就不会再疑神疑鬼了。人在地面上走，会发出脚步声，脚步声碰到小巷两侧的墙壁，就像皮球似的被弹回来，形成回声。大白天，人来人往，回声被来来往往行人的身体吸收了，或者被周围的嘈杂声淹没了，因此只能听到单纯的脚步声。

在夜深人静的时候，情形就不同了。这时，人在小巷里走，除了听见自己的脚步声，还能够清晰地听到小巷两侧墙壁反射回来的回声。小巷很窄，脚步声的回声碰到墙壁后，还会继续发生反射，巷子越窄，反射的次数也就越多，这时可以听见一连串“咯咯”的回声，这叫做颤动回声。

在我们生活中，任何现象和事物都包含有一定的科学道理，只要你平时做个有心人，多开动脑筋，就会从你的身边，学到更多的科学知识。

用超声波清洗精密零件

随着科学技术的发展，精密零件的清洗工作也越来越重要。对于那些形状复杂、多孔多槽的零件，像齿轮、细颈瓶、注射针管、微型轴承、钟表零件等，用人工清洗，既费时又费力。对于一些特别精密的零件，像导弹惯性制导系统中齿轮等部件，不允许沾染一点污垢，用人工清洗又难以达到清洗标准。

如果请超声波帮忙，问题就能迎刃而解。只要把待洗的零件浸到盛有清洗液（如皂水、汽油等）的缸子里，然后再向清洗液里通进超声波，片刻工夫，零件就洗好了。

超声波为什么有这种本领呢？

原来，清洗液在超声波作用下，一会儿受压变密，一会儿受拉变疏，液体可受不了这番折腾，在受拉变疏时会发生碎裂，产生许多小空泡。这种小空泡一转眼又会崩溃，同时产生很强的微冲击波。这种现象在物理学上叫空化现象。因为超声波的频率很高，这种小空泡便急速地生而灭、灭而生。它们产生的冲击波就像是许许多多无形的“小刷子”，勤快而起劲地冲刷着零件的每一个角落。因此，污垢很快就被洗掉，绝对令人满意。如洗手表，人工洗要一件件卸下来，功效很低。用超声波洗只要把整块要芯浸到汽油里，通进超声波，几分钟就能洗好。

火车的汽笛声为何会变调

自然界有各种各样的声音，有的声音高，有的声音低，我们就说它们的音调不一样。音调高的声音，振动的频率就高，例如吹哨子声音，音高就高，听上去比较尖；音调低的声音，振动的频率就低，例如打鼓的声音，音调就低，听起来比较低沉。

火车汽笛声的音调应该是固定的。但是，细心的人会发现，火车驶来时，汽笛声要尖一些，也就是说音调要高些；开过以后，汽笛声就变得低沉些，也就是说音调要低些。

这是什么缘故呢？

问题的关键在于声源和观察者之间有相对运动。本来汽笛声有一定的频率，声波中的“疏”和“密”是按一定距离排列的。可是当火车向你开来时，它把空气中声波的“疏”和“密”压得更紧了，“疏”和“密”的间隔更近了。因此，相对于观察者来说，就是声音的振动频率加快了，音调也就高了，听到的声音就尖一些；当火车离开你时，它把空气中声波的“疏”和“密”拉开了，“疏”和“密”的间隔远了，因此，相对于观察者来说，就是声音的振动频率减慢了，音调也就低了，听到的声音就变低沉了。火车的速度越大，音调的变化也越大。天天和火车打交道的铁路工人，有着这方面的丰富经验，他们能从汽笛音调的变化，估计出火车的快慢和行驶的方向。

在科学上，当波源与观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率不同的现象，叫做多普勒效应。汽笛音调的变化是多普勒效应的一个实例。

在天文学上，根据多普勒效应，可以准确地计算出天体相对于地球运动的速度。人造卫星的运动速度也是利用多普勒效应测定的。人体血管中的血流速度也可利用多普勒效应测定。

贴在钢轨上听远处的火车声

要知道远处是否有火车驶来，有经验的铁路工人或旅客往往将耳朵贴在钢轨上倾听。如果听到声音，火车不久就会呼啸而来。这是为什么呢？原来，这与声音的传播速度有关。

我们知道，声音的传播是有一定的速度的。但在日常生活中，比如，你和家人面对面地交谈、欣赏电视节目等等，好像声音一发出，你就听到了。这是由于声源（发出声音的物体）离我们太近了。如果声源离我们远些，比如，看远处的打桩机施工，你就不难发现，汽锤落定后隔一瞬间，你才能听到汽锤与木桩相撞的声音。

声音的传播不但有一定的速度，而且在不同的介质中，声音传播的速度是不同的。例如：声音在空气中大约每秒钟能跑340米；声音在水中的传播速度就达到了1440米/秒；声音在钢轨中的传播速度更快，大约是5000米/秒。而火车的时速一般为100～200千米，也就是说，火车的速度一般在60米/秒之内，比声音在钢轨中的传播速度慢得多。如果距离我们5000米处有一列火车驶来，火车开到我们面前，需要80多秒的时间；如果站立着听，将近15秒才能听到火车的声音；如果将耳朵贴在钢轨上，只需1秒左右就能听到隆隆的火车声。

再说，声音的强度在传播过程中会衰减。声音在空气中传播，声音是传向四面八方的，衰减得很快。当你听到火车声响时，火车已临近，仓猝之间往往酿成惨祸。而由于钢轨对声音的导向作用，声音在钢轨中衰减得较慢。当你把耳朵贴在钢轨上听到火车的声响时，你就知道火车即将驶来，这时，火车离你还很远，你是安全的。

那么，如果用眼睛看呢？光跑得比声音快多了，5000米距离，光只需0.000017秒就跑到了！但是，由于地平线的遮掩，薄雾浮尘的荫蔽，轨道的弯曲，山峦、树丛、建筑物的阻挡等原因，我们无法一览无余地看清远在5000米外的火车。所以，要判断远处是否有火车驶来，最简单易行的办法就是把耳朵贴在钢轨上仔细听一听。

用杯做一套仿真编钟

如果你喜欢欣赏音乐，你可以知道许多乐器的名定——扬琴、月琴、琵琶、二胡、钢琴、竖琴、小提琴、黑管等等。你听说过名叫“编钟”的乐器吗？

编钟，是我国古代乐器中的一种。编钟的音调十分庄严、从容、和谐。1978年，我国考古学家在湖北随县（今随州市）的一座战国早期的墓葬中发掘出许多文物，其中一套巨型编钟堪称稀世珍宝。

为什么编钟要用一套大小不同的钟呢？这正是为了要它们发出不同音调的声音来。我们知道，物体在单位时间里振动的次数越多，即频率越高，声音就越尖，或者说音调越高。而频率的高低，又决定于物体的质量、几何形状和大小。这套编钟，大的频率低，发音洪亮而低沉；小的频率高，发音清越而亮亢。每一口钟，都代表一个音调，配合起来，就成了一套乐器。

我们可以用水杯做一套仿真编钟。方法很简单，只要弄一套同样的玻璃杯，水杯里盛入深浅不同的水，再按盛入水的多少顺次排列。这时候，拿一根筷子，就可以敲出不同音调的声音来。

杯子所发出的声音，主要是由于杯壁在振动。这些杯子的形状、大小和质料虽然相同，但是盛水的深浅各不相同，这就是相当于改变了杯壁的质量，因此发出的音调有高、有低。盛水越满，质量越大，音调就越低。请水帮忙还有个好处，就是盛水量的多少可以调节，定音比较容易。经过仔细的校音后，一套仿真编钟就做成了。

“拐弯”的声音

如果你离开大钟的距离比较远，就会有这样的感觉：报时的钟声，夜晚和清晨听得很清楚，一到白天就不太清楚了，有时甚至听不见。有人说：“这是因为夜晚和清晨的环境安静，白天声音嘈杂的缘故。”

这样的解释，只对了一小部分，并不完全。你知道主要的原因是什么？是由于声音会“拐弯”。

声音会拐弯吗？

声音是靠着空气来传播的。可是声音有个怪脾气，它在温度均匀的空气里，是笔直地跑；一碰到空气的温度有高有低时，它就尽拣温度低的地方走，于是声音就拐弯了。

白天，太阳把地面晒热了，接近地面的空气温度远比空中来得高，钟声发出以后，走不多远就往上拐到温度较低的空中去了。因此在一定距离以外的地面上，听起来不清楚，再远，人们就听不见这个声音了。夜晚和清晨，刚好相反，接近地面的气温比空中来得低，钟声传出以后，就顺着温度较低的地面推进，于是人们在很远以外也能清晰地听到钟声。

声音的这种脾气，会造成很有趣的现象。在炎热的沙漠里，地面上的温度高极了，在50～60米以内，有人在大声呼喊，只看见嘴在动，却听不见在喊什么，这是由于喊声发出后，很快就往上拐到高空去了。相反，在北方的林海雪原里，地面的温度比起高空来低很多，声音全都沿着地面传播，因此人们大声呼叫时，能传播得很远，甚至在1～2公里外也能听见。

如果某个区域接近地面的大气温度变化得很厉害，这里高、那里低，那么声音拐到空中以后又会往下拐，往往造成非常奇怪的现象。1923年荷兰的一座军火库爆炸，在100～160公里地区内没有听到，可是在1300公里的地方却听到了，这就是声音在空气中多次拐弯造成的现象。

逼真的立体声

你在看宽银幕电影的时候，一定会觉得比看普通电影更为逼真，有一种身临其境的感觉。

宽银幕电影的银幕比普通电影宽大些，人物、场景也相应的大一些，这固然是我们看起来觉得有真实感的一个因素，事实上，它的立体声伴音也起了不小的作用。

什么是立体声伴音？为什么要用它呢？

我们生活的空间当然是立体的，日常生活中听到的声音来自四面八方。人的双耳具有一种本能，一听到声音，就能够分辨它是从哪里出来的——也就是能够判断声源（发出声音的人或物）的位置。如果你看到一个人在你左前方或右前方讲话，而你听到的讲话声却好象是从正前方传来的，你觉得奇怪吗？普通电影就是这样的。

我们看普通电影时，不但能分辨出人和物在左右上下方面的位置，也能区别人和手的远近位置。可是它的伴音却是从一个固定地点的喇叭里发出来的（即使有的影院用两个或更多的喇叭，但发出的是同一个声音，效果和一个喇叭差不多）。你看，分布在银幕上不同地点的人和物发出的声音，都从同一个喇叭放出，这不跟真实的情况有区别吗？只要听众稍加注意，就会感觉出来。宽银幕电影的银幕比普通电影宽不少，人物的距离也相应地加大了。如果仍用和普通电影一样的伴音，那么银幕上的声源和伴音声源（喇叭）相跑很远，就觉得更不真实。

为了使宽银幕电影的伴音听起来有立体感，必须要让传入左右两耳的声音有明显的时间差别和响度差别。要达到这两项要求，就要改变一般电影的发音方法。

假如我们在发出声音的人或物的前面几个适当位置（彼此间有一定距离）上，放几个话筒，那以它们收到的声音在时间和响度上就有差别。如果把各个话筒收到的声音分别录下来，然后在电影院也在相应的位置上放同样数目的喇叭，分别把这些录音重放出来，听众听到的声音就有立体感了。经验证明，录音时用左、中、右三个话筒，录下三条音就够了；放映时也用三个喇叭，分别放在左、中、右三个位置，就能产生相当好的立体声效果。这道理并不复杂，因为发出声音的人或物靠近左边时，左边的话筒收到的声音最强，中间的次之，右边的最弱；重放时，也是左边的喇叭发出的声音最强，中间的较弱，右边的最弱。虽然是三个喇叭同时在发声，观众听起来就觉得声音是来自左边。如果发声的人或物在中间（或靠近右边），情况也是类似的，重放时就觉得声音来自中间（或右边），因此就产生了立体声的效果。

近来，电视也在试行采用立体声伴音；不久的将来，立体声伴音也可能在电视中广泛应用。

光波和电波谁跑得快

如果有人问你：“光波和电波谁跑得快？”你大概会想，当然是光波跑得快口罗！谁都知道，光波是世界上跑得最快的东西，它的传播速度是30万千米/秒，1秒钟就可以绕着地球跑上七圈半呢！

我们再来看看电波吧。电波就是电磁波，电台和电视台就是通过发射电磁波，将精彩的节目送到千家万户的，我们一打开收音机或者电视机，就能立刻收听到或收看到远在几万千米之外的现场节目；移动电话也是利用电磁波来传递信息的，通过移动电话，你和远方的亲人或朋友讲话，就像近在身边一样。看来，电磁波的速度也一定很快吧？是的！科学家测出：电磁波的传播速度也是30万千米/秒，一点不比光波慢！

电磁波和光波的速度相等，纯粹是一种巧合吗？当然不是！1865年，英国物理学家麦克斯韦就用他的方程组，计算出了电磁波的速度和光速相等，并据此大胆预言：光就是一种电磁波。光怎么会和电磁波扯到一块儿去了！我们能看到光，却没有听说过能看到电台、电视台发射的电磁波。其实，这是由于它们的频率不同的缘故。人眼能看到的电磁波只是一个很窄的范围，只有频率在4.1亿～7.7亿兆赫的电磁波才能引起人的视觉，这就是我们眼睛可以看见的可见光。比可见光频率高的电磁波依次是紫外线、X射线、γ射线，而比可见光频率低的电磁波是红外线、微波、无线电波等，这些电磁波都无法引起人的视觉，我们的眼睛是看不到的。

电台和电视台发射的电磁波，恰恰是频率从几百千赫到几万兆赫的无线电波。像上海人民广播电台990千赫，使用的是频率为990千赫的电磁波；而调频FM103.7兆赫，使用的是频率为103.7兆赫的电磁波。它们的频率与可见光的频率相差很远，所以眼睛根本无法看到。

既然光和电台、电视台发射的电波都是电磁波，只不过两者的频率范围不一样，而电磁波的传播速度和频率无关，因此光波和电波的速度相等就是理所当然的事情了。

热的学问

冰能“烧开”水

看了这个题目，你也许会大惑不解，冰只能冷却水，怎么能“烧开”水？的确，通常情况，冰只能使水冷却，不能使水沸腾。但在特殊条件下，冰能使水沸腾。

在烧瓶内灌半瓶水，放在火上加热，待水沸腾后将烧瓶从火上取下并用塞子将瓶口塞住，这时沸腾停止了，把瓶倒过来在瓶底上放一些碎冰时，立刻看到水又重新沸腾起来。

液体的沸点与液面上空气的压强有关。压强高，沸点高，压强低，沸点低。当我们把瓶口塞住时，瓶中只有滚热的水和水蒸气，瓶中的空气几乎全被水蒸气赶跑了，液面上只有蒸气压强，没有空气压强。在瓶底放上碎冰后，瓶底冷却使水蒸气凝结为水滴，因此水面上压强降低，沸点也降低，所以，水又重新沸腾起来。

真空工厂

宇宙空间的的真空度可达到2.6×10帕，地球上能够达到的真空-10度只有1.3×10帕，因此，在宇宙空间中的一个容器里只有1个空气分子的话，把这个容器搬到地球上的最高真空里去，它里面竞然增加100亿个空气分子！

有些精密产品常常需要在高真空环境中进行生产或加工，以减少空气分子对产品质量的影响。例如，要制作性能更佳的半导体器件和厚度只有几个原子直径的超大规模集成电路，地面实验室的真空度已经“力不从心”了，只有到宇宙空间中去，利用那里的超高真空度建造“真空工厂”才能实现这一目标。作为这项发展的第一步，轨道空间站应运而生了。

在未来的真空工厂里除了生产高质量电子器材外，还可以生产高级有机化合物。在超高真空中，有机化合物在较低的温度下就会发生气化，因此，不需要加以高温就可以使有机化合物在没有裂解的情况下完成蒸馏分离。这样，在地球上无法提取的纯粹形态的有机化合物，在空间真空工厂中就可能用简单的方法提取出来，这对我们进一步了解复杂有机化合物的结构和性能，并设法以最低的成本将其制造出来，都具有十分重要的意义。总之，真空工厂在材料工业中是可以大有作为的。

云雾与诺贝尔奖

1894年秋天，英国物理学家威尔逊在苏格兰一个山上度假。山顶上经常云雾缠绕、变幻万千，游客们都被这迷人的景色所陶醉，威尔逊却突发奇想，要在实验室里制造云雾。

回到实验室，威尔逊研究归纳了产生云雾的条件：一个条件是空气中的水蒸气必须处于过饱和状态，否则水蒸气不会凝结成小水珠；另一个条件是空气中要有一些“凝结核心”，通常，空气中的尘埃起凝结核心的作用，这些微小颗粒上面经常聚集了一些电荷，这些电荷会将过饱和水蒸气凝结成小水珠，无数直径很小的小水珠悬浮在空气中，构成了云雾的雾滴。

作为物理学家的威尔逊，除了弄清楚云雾的生成条件外，还在想能否利用这个发现来研究物理现象呢？19世纪末，人类正在进入原子时代，微观世界的新发现接二连三地问世。然而，像原子这样的微观粒子极其微小，人眼是看不见的。有什么办法能把微观粒子的运动显现出来？威尔逊想到了云雾，在一只干净的瓶子里（即里面没有任何凝结核心）形成过饱和蒸气，这时如果有一个带电的微观粒子闯了进去，那么在其周围会凝结成一个雾滴，随着粒子的运动，在其运动轨迹上，就有一连串雾滴组成为一条径迹，这样，就把人眼看不见的微观粒子的运动轨迹，变成了人眼能看见的由一连串雾滴组成的径迹。威尔逊发明的这个装置叫“云室”，他因这项发明而荣获1927年的诺贝尔物理学奖。

卫星的冷热病

卫星在太空中运行时，太阳晒到的部分温度可高达一二百摄氏度，而太阳晒不到的地方却很冷，可冷到零下一二百摄氏度。地面上太阳晒得到的地方与晒不到的地方的温差至多相差几十摄氏度，在太空中为什么会相差几百摄氏度？这是由于太空中没有空气，因此也不存在由于空气对流所造成的气温调节作用。

由于在太空中，卫星表面晒到和晒不到太阳的部分有着高达几百摄氏度的温差，将使卫星上的仪器无法正常工作，为此，科学家们必须事先采取温控措施，以保持卫星有较恒定的“体温”。在地面上人们可以用空调机来制冷，或用电炉来加热，然而在太空中却行不通。因为卫星发射的费用十分昂贵，所以由卫星带上天的各种仪器的重量必须“斤斤计较”。为了调节卫星的“体温”，而把空调或电炉送上天显然是不合算的。通常科学家们采取一些被动的调温方法。例如，在卫星表面涂上一层“温控涂层”，以限制卫星受太阳暴晒时吸收过多的辐射热，同时又防止晒不到太阳的那部分向外辐射造成热量损失。也有把安放仪器的舱室做成像热水瓶胆那样的双层真空隔热舱，以保持舱内仪器有一个常温工作环境。

一旦卫星的温控装置因意外事故而失灵，那将给卫星带来灾难性后果。1973年5月，美国的“天空实验室”发射63秒后，它的轨道工作舱外涂有隔热层的“微流星防护罩”，因提前打开而损坏，结果使舱内温度剧升55℃，仪器无法工作。最后，美国宇航局只好再赶制一幅“遮阳篷”和一顶“遮阳伞”，并派宇航员送上太空安装，这样才治好了“天空实验室”的“冷热病”。

蹈火舞者为何不怕火

蹈火舞盛行于古代波斯，后来流行于巴尔干半岛的保加利亚等地。今天，太平洋斐济群岛、南美洲的苏里南及印度和非洲的一些部落，在月夜还举行这种特殊的舞会。

夜幕降临时，村旁的篝火成为一堆赤色的炭火，吐露着最后一点余焰。这时，人们把炭火向四周耙开，珍珠般的炭粒平整而厚实地铺在地面上。当火焰“地毯”上零星的火舌完全消失，只有炭粒在黑暗中闪烁赤色光芒时，乐队奏起悦耳的音乐。火焰地毯周围的人们跟着乐曲的节拍鼓掌，一群男女舞蹈者赤着脚奔向火焰地毯，在炭火上手舞足蹈，嘴里还愉快地吆喝着。

蹈火舞者赤脚踏在炭火上，脚掌的皮肤为什么不会被灼伤呢？我们之所以会有这样的疑问，是由于一个不正确的概念在作怪：人体一接触赤热的物体，皮肤的温度马上会升高到和所接触的物体一样高。事实并非如此，有人利用热传导公式计算，并假定炭烧到600℃，炭的热活动量是100个单位，皮肤的热活动量是1500个单位，人的体温为37℃，计算出脚掌皮肤的温度仅升高了35℃，也就是说，脚掌皮肤的温度总共为37℃+35℃=72℃。这个温度与赤热炭火的温度（600℃）相比显然是微不足道的。

当然，脚掌皮肤温度升高35℃也是不好受的，脚底的皮肤还可能产生灼伤，出现红肿现象。蹈火舞者一般不受伤是因为他们训练有素。首先，舞蹈者经过长期锻炼，脚掌上有一层厚厚的老茧皮，跳舞时好像穿了一双薄底鞋，保护着脚掌不被灼伤。其次，事先作了充分的准备，舞池中的木炭要被敲碎成豆粒那样大小，细小疏松的木炭可以减少热活动量，使脚掌温度的升高不太厉害。当然，还要十分注意不使木炭中夹杂一些热活动量大的物体，如石块、铁钉等，以免灼伤脚掌皮肤。

地球的“体温计”

在1亿年前，地球上的温度是多少？可没有那时候的任何气象资料，何以知道地球上的温度？但这个问题又十分重要，因为地球上的年平均温度会影响到地球上一切生物的发展。

解决这个难题的是美国化学家比奇莱森和尤里，他们是从研究同位素着手的。我们知道自然界的许多元素都有若干个同位素，这些同位素的化学性质一样，但是原子量稍有差异。例如，氧气由两种同位氧16和氧18混合而成，氧16是最常见的氧，它占了氧气成分的绝大部分，氧18很稀少。这两种同位素与其他元素发生氧化反应生成化合物时，它们各自在化合物中的比率会随温度的变化而不同。比奇莱森和尤里深入研究了这种现象，提出只要把生物化石中的氧16和氧18的比率测出来，就可以知道那种生物活着的时候，地球上的温度是多少。

用他们发明的这种“体温计”对地球历史上不同发展阶段的温度进行测量，结果得到在1亿年前地球海洋的平均温度为21℃左右；1000万年之后（距今9000万年），它缓慢下降到16℃；再过1000万年（距今8000万年），海洋的平均温度再上升到21℃；此后，海洋温度又逐步下降，在3000万年前约为7℃，到2000万年竟下降到6℃。地球温度的这些变化，足以造成恐龙灭绝以及哺乳动物大量出现。

“记忆”合金

70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状能力的合金。例如，一根螺旋状高温合金，经高温退火后，它的形状处于螺旋状态。在室温下，即使花很大力气把它强行拉直，但只要把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。这是怎么回事？难道合金也具有人那样的记忆力？

不！这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。例如，镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，当温度在40℃上下变化时，合金就会收缩或膨胀，使形态发生变化。这里，40℃就是镍-钛合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状是处于稳定状态。在室温下把它强行拉直时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。

至今，发现具有“记忆”形状能力的合金已达80种，有些已在某些领域获得实际应用。例如，通常的铆接必须从一边插入铆钉，在另一边用气锤将铆钉的头锤扁。但是，遇到封闭的容器或开口狭窄的容器，你根本无法深入到容器里去作业，这时可用“记忆合金”事前做成两头都是扁的铆钉，在低温下把一端的扁头硬压成插孔大小的圆柱状。铆接时，只要从低温箱中将铆钉取出，迅速插入被铆容器的插孔内，再把铆钉加热到变态温度以上，原先被压圆的一端便自动回复成扁形，这样就把容器牢固地铆紧了。用记忆合金接合断骨也很有发展前途。用金属材料接合断骨时，必须把它的两端在插入接孔后再弯成勾形，以防脱落。这一过程与订书钉将纸订合在一起很相似。可是这种操作会给病人增加很多痛苦。有了记忆合金后这个难题就迎刃而解了。事先在室温下将合金板制成两端都是倒勾形的，在低温下将其拉直成形（就像订书钉一样），再将冷冻的形合金接到断骨两端，合金受体温加热后立即恢复原状，从而把断骨牢牢接合在一起。

金属乎？塑料乎？

谁都知道，金属比塑料坚固，但金属的加工成型却没有塑料那么容易。例如，用冲压法加工铝材长筒形容器，在冲压成型后不可避免地会出现“耳朵形”的缺口。为了使它达到设计要求，必须再进行几道工序的机械加工，这就大大增加了成本，有什么东西既有金属的坚固性，又有塑料的可塑性呢？科学家们终于发现了在一定温度下呈现超塑性的合金。

金属材料多少都有些塑性。通常用延伸率来表示其塑性，即用金属材料在拉断时的增长量同原来长度之比的百分率来表示。一般黑色金属的延伸率为40%左右，有色金属也不超过60%。而具有超塑性能的合金，在一定温度下一般都能达到100%以上，有的甚至达到1000%～2000%。例如，一种锌-铜-铝合金板材，在慢速弯曲时，即使弯曲到180°，亦即将板材弯到两面重叠的程度，它也不会断裂。

现在已知道合金的超塑性有两大类：一种称为微细晶粒超塑性；另一种称为相变超塑性。无论哪一种超塑性都必须在一定的变形度和一定的变形速度下才会产生。例如，锡-铋共晶合金在20℃时的最大延伸率可达1950%，钴-10%铝合金在1200℃时的最大延伸率可达850%，普通的低合金钢在800～900℃时也可达400%。

利用合金的超塑性可以轻而易举像塑料一样地进行零件的成型加工。例如，冲压加工长筒形容器时，用一般金属进行一次深冲成型，所获得的最大筒深（H）和直径（d）之比约为0.75，而用超塑合金成型时H/d可达11，为普通金属的14倍多，而且冲出的长筒容器不会出现耳朵状缺陷。它的制成品的显微组织均匀致密，各个方向的机械强度和抗疲劳性能都很好。最大的优点是可以大大节约金属材料。例如，生产一只68千克的镍盘燃气机盘，用通常的锻造加工，所需的坯锭重达204千克，而用超塑合金锻造，坯锭只要72.5千克就足够了。每只节约材料130千克以上，实在是个巨大的数字。

铁板烧

吃过“铁板烧”的人都看到过生牛肉丝倒在滚烫的铁板上“哧”“哧”作响的情景，但是，几乎没有人想到这里面还有什么学问可以研究。二百多年前德国物理学家莱顿弗罗斯特倒是对类似的现象进行过一番研究，1756年他发表一篇论文论述了水滴在高温表面上所发生的奇怪现象。

一只铁勺子在炉火上烧得通红，将小水滴落到勺里会发生什么现象？根据日常经验人们都会这样回答：小水滴落到铁勺表面就立即被汽化了，表面温度越高水滴被汽化得越快。可是，莱顿弗罗斯特仔细观察了这个过程，发现实际情况并非如此。当第一滴小水滴落到铁勺表面时，它的汽化过程竟然长达30秒钟。而第二滴的汽化只延续10秒，以后落下去的水滴只保留1～2秒就被汽化了。究竟是什么原因造成这种“莱顿弗罗斯特现象”？这位物理学家当时也作出了正确的解释。很遗憾，他的论文发表后长期不为人们所重视，直到1956年论文翻译成英文后，才引起众多业余科学家的兴趣。其中有一位美国中学生罗克萨尔，1978年，他以《当液滴落到灼热表面弹起时发生的莱顿弗罗斯特现象的理论》的论文，获得了美国第37届科学人才选拔赛第八名。

经过罗克萨尔等人的研究，现在对“莱顿弗罗斯特现象”是这样解释的：当第一滴小水滴落到灼热金属表面时，由于弹性作用它会向上反弹，同时在接触高温表面的一瞬间，水滴表面一薄层被迅速汽化，形成了一个厚约0.1毫米的蒸气层。这层蒸气一方面支持住小水滴，使之悬浮在金属板上，另一方面又起了绝热作用，使金属表面的热量不能很快传递给水滴，从而延缓了整个水滴的汽化过程。当第二滴水滴落到金属表面时，由于自然冷却和第一滴水的冷却作用，表面温度已没有最初时那么高了，因此，第二滴水滴表面的水蒸气层就没有那么厚。由于水蒸气的导热性能比水要差很多，因此水蒸气层的厚薄对水滴的汽化影响很大。第二滴水表面的水蒸气层较薄，所以它的汽化就加快了，以后落下去的水滴表面的水蒸气层更薄，所以它们的汽化更快。

勾践古剑

相传春秋战国末期有一个著名的相剑家，他看到越王勾践所藏的宝剑时大为震惊，称之为无价之宝。但是，越王勾践剑后来失传了。1965年，在湖北省发掘楚墓时发现了两把寒光闪闪的宝剑，其中一把剑的剑身上铸有“越王勾践自作用剑”八个字。这两把宝剑在地下埋藏了两千多年，至今依然光彩夺目，非常锋利，毫无锈蚀，真可谓是无价之宝。勾践剑在国外展出时产生了很大的轰动，世界各地的青铜器考古专家都竞相赞叹，中国在两千多年前就能制造出如此高级的宝剑，真是了不起。

这两把珍贵的宝剑在地下埋藏了两千多年，当它们重见天日的时候，为什么还是那么锋芒毕露呢？这些古剑的成分是青铜，即铜和锡的合金。炼剑的合金成分十分重要，纯铜很软，不能做兵器，可是铜中加锡多了虽然硬，但变脆，一击就断。要做到既坚韧又锋利，非得研究铜锡的合理配比不可。春秋战国时期，我国古代工匠在长期的铸剑实践中，已经积累了许多青铜制品的配比经验。古剑是把铜和锡按一定的比例熔融后浇铸而成的，再经过研磨，使它锋利。越王勾践剑的刀口磨得非常精细，可与目前精密磨床加工得到的产品相媲美。

经检验，越王勾践剑剑身上的黑色菱形格子花纹及黑色剑格，是经过硫化处理的，也就是用硫或硫化合物和金属表面相互作用，使之形成一个薄薄的保护层（硫化层），并且还含有别的元素。这种处理方法，使宝剑既美观，又增强了抗腐蚀性能。到了秦始皇时期，剑的表面处理技术又有了新的提高，采用了防腐能力非常强的铬盐氧化法，即用铬盐作氧化剂，在剑的表面形成一层非常之密的氧化层，使它不再起别的化学作用。这种方法在国外只是近数十年才开始应用。不论是硫化层还是氧化层，它们都非常之薄，只有百分之一毫米，大约是一张报纸厚度的十分之一。就靠这薄薄的保护层，使古剑在阴冷潮湿的土层里埋藏了两千多年，不锈不腐，依然光芒四射，锋利异常，这真是我国古代科学技术上的一项重大成就。

棉袄会给你温暖吗

假如有人说，棉袄不会给人温暖，你可能以为这个人在跟你开玩笑。

天冷了，穿上棉袄不是暖和得多了吗？可是，你做个实验，看看结果怎样？譬如：你拿一支温度计，把它的温度记下来，然后把它裹在棉袄里。几小时后，再把它拿出来看看，温度计上的水银柱一点也没有上升，还是在原来的位置。这说明棉袄一点也没有给温度计什么温暖。

另外，你拿一支棒冰用棉袄盖好；再拿另一支棒冰放在桌子上。等到桌上的那支棒冰融化完了，再揭开棉袄看看，这一支棒冰几乎还没有开始融化。棉袄不但没有给棒冰加热，而且还在使它保持冷却，使它融化得更慢呢。

这就是棉袄不会给人温暖的证明。那么，为什么穿棉袄会感到温暖呢？

火会给人温暖，太阳会给人温暖，食物进入人体也会给人温暖，因为这些东西都是热源。棉袄不是热源，它是一种不良导热体，所以不会给人温暖，但是它能阻止我们身体的热量跑到外面去，因此能帮助我们保持身体的温暖。

夏天用小棉被盖着棒冰，棒冰就不容易融化。冬天下雪，雪花不仅不会冻死农作物，反而能保持大地的温暖，它们的道理都是一样的。

钢轨中的空隙

你仔细看过行驶火车的钢轨吗？如果你很细心，就会发现在两条钢轨衔接的地方，都有一点空隙。这个空隙称为“轨缝”。也许你会想：为什么要留出这点空隙呢？怪不得我们乘火车的时候，总是不断听到车轮撞击轨缝发出的那种叫人厌烦的“咯登，咯噔”的声音。

1825年，英国铺设的第一条铁路用的钢轨，是一根连一根地焊接在一起的。这种钢轨到了炎热的夏天就受热膨胀，会七歪八扭，左右弯曲，甚至还会朝上拱起；而到了天寒地冻的冬季，钢轨受冷收缩，竟会冻裂成几段。

金属的热胀冷缩，看来好象变化很小。但是积累起来，就不是一个小数目。用精密的仪器测定，钢轨温度每增减1℃，每一米钢轨就伸缩0.0000118米。假如在一年气温变化中，钢轨的温度上下相差80℃，那么对于1000公里长的铁路来说，就要增长1000000米×0.0000118×80=944米。这样，一条铁路，原来平平整整铺在枕木上，一旦长出那么一大截来，长到哪里去呢？只能互相挤轧，结果就是上面所说的：不是扭曲，就是拱起。

人们接受这个教训以后，再不象过去那样，把钢轨一根紧接一根地焊在一起了，而是象我们通常看到的那样，把每根钢轨用鱼尾板和螺栓连接起来，中间留有适当的轨缝，让钢轨有伸缩的余地。每根钢轨越长，需要的轨缝也就越大。但是为了保证行车安全，轨缝不允许太大，一般不能超过11毫米。因此常见的钢轨的长度一般为12.5米或25米。

轨缝虽然解决了钢轨热胀冷缩的问题，却给列车的运行带来了不少害处。由于轨缝的存在，使列车行驶时产生剧烈的震动，发出“咯噔咯噔”的噪声，不仅影响旅客的休息，而且因为车轮和钢轨的端部不断冲击，轨缝处就产生凹陷现象，使车轮和钢轨的使用寿命大大降低，给养护工作带来了很大的困难。据统计，养护一条铁路，花在接头上的费用要占养护线路全部费用的40%左右。就钢轨破损来说，60%是发生在接头处。因此，轨缝就成了铁路上的一害，长期以来，许多人想方设法，想要改进钢轨的接头方法。

近年来，由于发明了把钢轨强制锁定在枕木上的弹性扣件和防爬设备，采用了特殊稳定的道床以后，出现了用长钢轨铺设成的无缝线路，使轨缝产生的危害得到了初步的解决。

无缝线路实际上也是有缝的。只不过是把每根钢轨的长度增加到125米或250米。把长钢轨铺放到工地上以后，又把几根这样的长轨焊接在一起，成为1公里到2公里长的轨线。再装好特制的弹性扣件和防爬设备。显而易见，无缝线路的接头数目比普通线路的接头数目大大减少；无缝线路1公里或2公里才有一个接头，而普通线路每公里差不多要有80个接头。自然，旅客听到的“咯噔”声也大为减少，甚至已经忽略不注意。

材料热胀冷缩的特点，虽然有时给我们带来麻烦，但是，只要我们掌握了它的规律，还是能替我们服务的。例如机器的转轴在转动部分磨损较快，如果把整根轴换掉又太可惜，有时采用套的办法。在套在时候，就是根据金属热胀冷缩的原理，把套上去的轴套孔比轴做得小一些，让它烧热胀后套上去，冷却以后就能紧紧地包在轴上，永远不会脱掉。相反，在架设高压线或是其他架空线的时候，都要保持电线有一定的弧形下垂，绝对不能拉得很紧，否则，在低温时，就会绷断。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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