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水响不开,水开不响? | No.40

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-01-13 11:27

正文

 

考试周马上就要结束了,

或许已经有同学坐上回家的火车了~

终于要放假了!

怎么有种高考结束的感觉······

过年各种红包肯定不能不抢,

想吃好久的那家馆子终于可以去吃了!

想看好久的电影不能再错过了,

或许某些爱好终于可以发展一下了~

天呐,想做的事好多······

寒假要怎样度过呢?

欢迎跟我们聊聊~

我们一起让寒假变得更有趣!



1

Q

俗话说:“水响不开,水开不响。”这句话有什么物理依据吗?

By 问题少年


A

1、水壶盛水前,壶壁上吸附着一层空气,添水后,这层空气就变成了无数微小的气泡.因吸附力大于气泡受到的浮力,故水并不能使它们脱离壶壁。
2、当水温升高时,气泡周围的水在气泡内蒸发,使汽泡体积增大,当温度达到七八十摄氏度时,变大的气泡受到的浮力超过了吸附力,它们就要离开壶壁纷纷上升,同时在壶壁上仍遗留下一部分空气,这部分空气会以更快的速度增加体积而上升。
3、上升的气泡遇到周围的凉水,气泡里的水蒸气就要液化,使气泡迅速变小或破裂.由于无数气泡在壶底急剧膨胀,又在上升中迅速变小,壶里的水就处于激烈的振动状态,进而又引起了空气的振动,形成了水声。
4、由于气泡体积大小交替变化非常快,使水的振动频率高,水声的音调也就高。
5、后来,由于壶里各处的水温相差越来越小,气泡体积大小交替变化也越来越慢,进而引起的水声的音调就要逐渐变低.沸腾时,气泡在水面上破裂,引起了水面大幅度的翻腾,由此而引起的空气振动频率远不如前者的高,水声的音调也就低了。



2

Q

打火机的火焰颜色下部是蓝色的,根据色温图像,难道火焰下部温度比上部高,而且是8000k左右,这到底是怎么回事?

By 麦田拾穗

A

色温图像是根据黑体辐射谱的颜色制定的,而火焰并不能视为黑体(不能吸收照射到上面的全波段的光)。火焰的颜色是分子的激发态向基态跃迁发光的颜色,其本质并不是热辐射,也不能按照黑体辐射谱来标定它的温度。只有可以看做黑体的物体才能用色温来直接测定温度,比如太阳的表面温度(参见问答24期,Question7)



3

Q

 在电梯手机为什么没信号啊?

By 。

A

因为电梯把电磁信号屏蔽了。大家学过中学物理中的静电屏蔽效应,即导体空腔内外的电荷分布不会互相影响,因为导体中的自由电荷会随着导体内外的电荷产生的电场而做出“调整”,达到“屏蔽”的效果。电梯中的信号问题与这有些类似,电梯可看做一个封闭的导体空腔,由于自由电荷的影响,电磁波想要在导体中穿过比较困难。在手机收发的信号的频率波段下的电磁波在导体中的穿透距离很小,强度衰减得很快。故手机发出的信号很难传到电梯外,电梯外的电磁信号也难以传到手机上。



4

Q

大家都知道音调、响度有确定的物理量去分析,那么如何定量分析“音色”?

By 000


A

音色的类型是由振源的特性和共振峰的形状共同决定的。首先要了解不同乐器的音色为什么不同,需要了解“泛音”是什么。乐器演奏出的声音并不是由单一成分的频率构成的,而是由一组满足倍数关系的频率构成的。所有的乐器的发声原理都是靠驻波来实现。驻波产生的原理是,对于一根琴弦,由于琴弦的两端被固定,所以琴弦振动部分的长度必须是半波长的整数倍,我们知道频率等于波速除以波长。当我们拨动琴弦时,也许有80%的能量被转换为整个琴弦的振动,产生了基音;但同时也会有10%的能量被转换为 2倍频的振动,5%的能量被转换为3倍频,但是2倍频的成分从某种意义上来讲也可以是基音,又可以转换4倍,8倍的成分...每种乐器的能量分配比例都不同,于是导致每一个乐器都是独一无二的存在,拥有他们独一无二的音色。



5

Q

为什么晚上看路灯时会看到光“芒”,就是往外发散的那种线条?

By 自然爱好者


A

人眼能看见光芒的主要原因有两个:

    第一个原因是衍射,这是任何光学系统都无法避免的问题。以下是一张用手机随手拍摄的台灯照片:

下图是哈勃太空望远镜拍摄的半人马座α的A星和B星:


这两张照片恰好都是四条光芒线,实际上这是不一定的,它很大程度上取决于光圈的形状。利用基尔霍夫衍射公式,我们可以较为精确地计算出不同形状光圈所产生的衍射图案,即光芒线的条数和延伸长度。对于拍摄很远处的物体,入射光近似于平行光,那么对光圈做二维傅里叶变换可以近似得到衍射图案。

当然如果你想拍出光芒的话,并不需要懂得这些复杂的数学计算。定性来看,光源越亮,光圈越小,由衍射造成的光芒现象也会越明显。

对于人眼来说,这里的光圈将替换成瞳孔。由于正常情况下瞳孔是圆形的,理论上不应该看见光芒,而应该看见的是“光晕”。不过由于眼球或眼镜片表面的不洁净,这种不对称的衍射现象仍有可能发生。我们可以做个实验:在相机镜头前粘上几根头发丝。我们会发现光线在经过头发丝的衍射之后,也会形成十分微弱的光芒。同样的道理,光源亮度越高,瞳孔越小,这种现象将会越明显。这也是为什么太阳总是“光芒四射”的原因(提示:不要尝试目视太阳,注意保护眼睛!)

第二个原因是散光。人类的眼睛并不是完美的,如果眼球在某一角度的屈光度较大,而另一些角度较小,光线便不能对称而准确地聚焦在视网膜上。形象地理解就是,不同角度的“平面凸透镜”具有不同的焦距。在中学阶段,我们学习的凸透镜成像都是平面成像,实际上真实的成像是三维的。可以想象眼球在水平和竖直这两个方向分别是两个凸透镜, 如果这两个凸透镜的焦点不重合,那么成像将会出现问题:

 

这就是散光产生的原理。和近视或远视不同,散光描述的是眼球不同角度的光学性质差异,而近视或远视是所有角度的焦距相对视网膜整体靠前或靠后。如果你是近视或远视,在不戴眼镜时看到的不合适距离处的点光源是一个圆形的光斑,这是对称像散的结果。然而如果你是散光的话,这种像散在各个角度将不再对称,很有可能出现“光芒”(焦距不同)或“重影”(焦点不共线)的效果。这是与光源亮度无关的,因此若在没有强眩光(衍射很弱)的情况下仍然能频繁看到“光芒”,那么很有可能是你的视力出现了问题或是眼镜片不太合适。



6

Q

我一直都搞不懂宇宙微波背景辐射是什么。为什么宇宙一开始的图像可以被看到?

By 太阳风

A

宇宙微波背景辐射的来源,根据现有的宇宙学模型,要从宇宙最早期天地一片混沌讲起。大爆炸刚结束不久的时候宇宙温度极其高,这样高的温度下重子物质还不能与电子复合,电磁波在这团带电的炽热的物质中无法自由穿行,经常会与周围物质发生相互作用。但是宇宙在膨胀,膨胀会降温,温度降低后电子与重子物质复合,光子就可以自由穿行了,这第一批被解放出来的光子弥漫整个宇宙,形成背景辐射,随着宇宙膨胀,这批最早的光子的波长也随着空间膨胀而拉长,频率降低,现在宇宙背景辐射差不多在微波附近,就成了现在的宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)。在频率谱方面CMB是一个完美的黑体辐射,从角分布上CMB在大尺度上是各向同性的,从哪个角度看都差不多。但是探测技术上去以后发现CMB的温度有很小很小的涨落,并不是哪个角度看上去都差不多,而很多有关宇宙的信息就包含在这各向异性的分布中。从CMB形成开始,以后各种宇宙演化过程中,或多或少都会有CMB的光子掺和一下,另外包括宇宙极早期的一些过程比如重子声学震荡(当重子与电子还没有复合时宇宙间传递的“声波”,声波的参数和宇宙早期的物质组分、空间曲率、初原涨落等等都有关系)也会在CMB留下蛛丝马迹。因此CMB中蕴含丰富的信息。



本期答题团队:

清华 物理系41的同学北理工 文卿、大化所 J.Baker




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编辑:wqd


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