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胡子越刮越硬？是错觉吗？| No. 427

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-20 12:41

正文

每次刮完胡子用手去感受

总觉得胡子变硬了

可等一段时间

胡子又软了，这是怎么回事？

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Q1 突然关灯啥也看不见，为啥过一会就能看清周围?
Q2 为什么水的密度比冰大？
Q3 涡喷，涡桨，涡轴和涡扇发动机有什么区别？为什么都带“涡”字?
Q4 什么是能带？怎么形成的？
Q5 金属宏观上的定义是什么？微观上，金属元素的定义是什么？
Q6 什么是极性和非极性？
Q7 绝缘材料被电击穿过程中发生的变化有哪些呢？什么是电击穿什么又是热击穿呢？
Q8 泡沫展板中间的缝是怎么形成的呢？
Q9 抛开人的感官，仅从物理或者数学的角度，如何分辨气体和液体呢？
Q10 最近想刮胡子了，但是身边同学说胡子会越刮越粗，想知道这是不是真的？

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Q1

突然关灯啥也看不见，为啥过一会就能看清周围?

by 饭思思

答：
夜晚熄灯后我们会突然眼前一黑，短暂的出现伸手不见五指的黑暗时刻。但是短暂缓解就会有所恢复，这是眼睛的一个适应过程，和我们看到物体的感光细胞类型有关。
感光细胞分为锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞负责在明亮环境中感知颜色和细节，适应亮光条件。它们不适合低光环境。杆体细胞在暗光环境中更为活跃，负责夜间视力，对低光条件非常敏感，但不适合处理颜色细节。
当光线突然消失时，我们的的眼睛最初依赖锥体细胞，它们在弱光条件下效果不好，因此可能什么也看不见。在黑暗中，眼睛需要时间来适应新的低光环境。这是因为杆体细胞的光敏物质视紫红质（rhodopsin）在明亮环境中被破坏。这种光敏物质存在于杆体细胞中，负责感知光线。它在光照下被分解，会导致杆体细胞对光的敏感性降低。而在暗适应的过程中需要时间来重新合成。
随着时间的推移，杆体细胞的视紫红质逐渐恢复，使我们能够对低光环境做出更强的反应。会逐渐看清楚周围的物体，但是细节和颜色当然不如明亮的环境中清晰。
参考文献：
姚克,吴燮灿.光感受器细胞及其感光机理[J].国外医学.眼科学分册,1982,(04):193-199.
郭才陶.人眼视觉暗适应的主要机制[J].四川师院学报(自然科学版),1984,(02):91-93.
by serendipity
Q.E.D.

Q2

为什么水的密度比冰大？

by 奋斗.高中生💪

答：
实际上热胀冷缩只是一个经验性的概括，有很多物质都有凝固以后反而密度变小的性质，例如硅、镓、锗等。
某一物质的密度取决一方面取决于分子间平均距离，另一方面取决于分子的排列方式（就像一个教室里能坐多少学生一方面取决于学生之间的距离，另一方面取决于学生是按列整齐排队还是扎成一堆）。
一般情况下，冰的结构如图1所示，每个水分子之间有4个水分子与之相邻，大量水分子通过通过氢键形成一个巨大的整体：晶体。上述结构的水分子之间有较大空隙，水分子的排列不够紧密，因此冰的密度较小。
当冰受热融化时，大约15%的氢键发生破裂。冰的晶体结构被破坏，变成一个个由若干水分子通过氢键抱团形成的缔合水分子，融化成了水，如图2所示。缔合水分子之间没有氢键相互作用，可以更紧密地排列，如图3所示。因而水的密度会更大，当温度继续升高时，这些较大的水分子内的氢键会继续被破坏，形成更小的缔合水分子，密度继续增大。
在4摄氏度以上，由于较大的缔合分子被破坏的差不多了，排列方式对密度的影响变小，分子间距离逐渐占据主导。随着温度升高，分子热运动越来越剧烈，分子间距离逐渐增加，水就膨胀啦。此时就是我们常说的“热胀冷缩”。
综上：水分子在升温过程中密度的反常变化是分子间平均距离增大与体系结构改变这两个因素相互竞争的结果。
参考文献：
宋维才,王仕双.水的反常膨胀的微观机制[J].唐山师范学院学报,2007,(05):17-19.
吴茂江.氢键缔合水分子与水的反常膨胀探析[J].山西大同大学学报(自然科学版),2011,27(03):33-36.
潘道皑.物质结构[M].北京：高等教育出版社,1983
by 渣渣昊
Q.E.D.

Q3

涡喷，涡桨，涡轴和涡扇发动机有什么区别？为什么都带“涡”字?

by 刺猬

答：
所谓涡喷、涡桨、涡轴、涡扇即涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋发动机、涡轮轴发动机，都是航空领域的“大力士”，我们可以从共性和特性两个角度来区别它们。
首先，它们名字里的“涡”，是“涡轮”的“涡”。涡轮是它们的大心脏，是这些发动机的核心部件，通过旋转产生动力，推动整个发动机运转。
典型航空发动机的比耗油量图
它们用着涡轮心脏在各自领域发光发热。涡喷是高速飞行的专家，完全靠燃气流产生推力，像火箭一样——进气、加压、燃烧、再喷气，fiu~往前飞！因为气流速度很快，所以适合战斗机这种需要飙速的飞机。（不过现代战斗机也通常使用红外辐射强度较低的低涵道比、带加力燃烧室的涡扇发动机了）；
涡扇发动机就像是涡喷plus。它在涡喷的基础上增加了一组大风扇，这些风扇能够吸入更多空气，并通过外涵道提供额外的推力。这样一来，涡扇发动机不仅推力大，还更省油了，是现代民航客机的心头好。
同理，顾名思义，涡桨即涡轮加桨叶，更多是靠螺旋桨转动拉着飞机前进。这种发动机在低速飞行时效率极高，适合运输机、巡逻机等需要长时间、低速度飞行的飞机。
涡轴发动机则专为直升机设计，通过涡轮带动一根长轴，这根长轴再连接到直升机的旋翼上，从而驱动直升机飞行。涡轴发动机的优点是结构紧凑、重量轻，非常适合直升机这种需要垂直起降的飞行器。
总而言之，四种发动机各有千秋，共同构成了现代航空动力系统的基石。
参考文献：
焦华宾,莫松. 航空涡轮发动机现状及未来发展综述[J]. 航空制造技术,2015(12):62-65.
by 4925
Q.E.D.

Q4

什么是能带？怎么形成的?

by 小宇

答：
能带是一个用来描述固体中电子的能量状态的概念。物质由原子组成，而每种原子拥有固定数目的电子。经过量子力学的推导，单个原子的电子的能量不是连续的，而是分立的。所以对于孤立原子，其电子的能量状态可以由一条条水平线表示电子的各个分立能量值。
但是对于拥有极大原子数量的固体，其中任一原子不再是孤立的，而是受到其他原子影响，为了描述出海量原子相互影响的体系中的固体中的电子能量状态，以能带为核心概念的能带理论应运而生。能带理论认为固体中的电子不再像在孤立原子中一样，被束缚在某原子核周围，而是在整个固体中运动，被称为共有化电子。同时考虑晶体的平移对称性，每个电子运动在晶体的周期性势场中，即可化繁为简，利用单电子近似和平均场近似求解晶体中电子的能量取值。
举个例子，我们可以得到电子的能量分布不再是一条条分立的线，而是一条条有宽度的带。在固体中，电子能量大小的取值由下图中的红色条带的区域所包含，而在红色条带之间的灰色取值区域是不可能存在电子能量值的。这也就是能带之名的由来：在一定能量范围内的许多电子能级（彼此相隔很近）能形成一条带，称为能带。
by 小线
Q.E.D.

Q5

金属宏观上的定义是什么？微观上，金属元素的定义是什么？

by 看美女O4

答：
从宏观上讲，金属是指一类具有高导电性和导热性、可塑性、延展性的具有金属光泽的固体物质。比如，正在吃饭的你手里的铁勺或者不锈钢筷子。金属物质具有高光反射率，因此具有金属光泽；因为导热性好，所以用铁锅炒菜热得快；因为它延展性好，人们将其拉成铁丝或打成薄片；导电性好，所以一般我们在电线中可以看到银、铜之类的金属存在。综上，宏观上，我们可以简单把具有这些性质的固体物质定义为金属。
现在我们戴上科学家的眼镜，看看微观层面上金属元素是什么。大多数金属都是晶体固体，具有简单的晶体结构、原子紧密堆积和高度对称性。它们最外层的电子通常不足满电子数的一半。通常，微观上是否属于金属元素就是看金属键是否存在。而在金属键中，每个金属原子的最外层电子壳与相邻原子重叠，使价电子可以在整个晶体中自由移动，也就是“自由电子”。
这些自由电子就像金属内部的信使，它们快速传递能量和信息，让金属拥有了光泽、导热、导电等优异特性。所以，微观上也可以说金属元素就是那些内部拥有自由电子的原子种类集合。
参考文献：
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "metal". Encyclopedia Britannica, 14 Sep. 2024.
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "metallic bond". Encyclopedia Britannica, 29 Nov. 2024.
Mahan, Gerald D.. "crystal". Encyclopedia Britannica, 16 Jul. 2024.
by 4925
Q.E.D.

Q6

什么是极性和非极性?

by 拉瓦锡

答：
极性是指分子或物体在电荷分布上的不均匀性。在化学中，极性通常描述的是分子中电负性差异导致的部分正负电荷的形成。例如，水分子由于氧原子对电子的吸引力较强，导致其一端呈现部分负电荷，另一端则呈现部分正电荷。这种极性影响分子的相互作用和溶解性，极性分子更容易溶解于极性溶剂中，如水。
非极性指的是分子中电荷分布相对均匀，没有显著的部分正负电荷。这通常发生在分子中各原子的电负性相似时，或者在某些对称的分子中。例如，氧气(O₂)和氮气(N₂)都是非极性分子。
参与成键原子的电负性不同，又分为极性键和非极性键。极性键电负性差异大，电子分布不均匀，存在电偶极矩。非极性键电负性差异小或相同，电子的分布均匀，没有电偶极矩。
参考文献：
覃术文.摭谈“极性分子与非极性分子”的判断方法[J].中学化学,2023,(11):26-27.
by serendipity
Q.E.D.

Q7

绝缘材料被电击穿过程中发生的变化有哪些呢？什么是电击穿什么又是热击穿呢？

by YBL

答：
电击穿：是指绝缘材料在外加电场超过某一临界强度时，突然失去其绝缘性能，变得能够导电的现象，在其过程中会经历一系列物理和化学变化，具体如下：
（1）载流电子动能变大，材料导电能力大大加强：电击穿的发生是因为绝缘材料中的电子在强电场的作用下加速运动，积累了过大的动能，电子的动能足以破坏的分子结构，使得更多的电子被电离出来作为载流子，此时绝缘材料的绝缘性质被破坏，导电能力大大加强，这个过程是个瞬时过程，很快便发生。
（2）材料损伤：电击穿分为可逆的与非可逆的，可逆的电击穿即当电场变到到临界强度以下后，绝缘材料也变到电击穿之前，绝缘能力恢复；不可逆的电击穿是指，电场变小或撤去后绝缘材料受到了永久的损伤，无法恢复到电击穿发生之前，而通常的电击穿都是不可逆的，如碳化、烧毁或电击穿孔等。
热击穿：与电击穿相似，热击穿也是一种使绝缘材料绝缘能力消失的现象，只是成因与电击穿不同，热击穿是指绝缘材料在温度过高超过临界值的情况下，电流增大，绝缘材料完全失去绝缘性。绝缘材料的热击穿与电流引起的热效应有关，通常发生在材料无法有效散热的情况下。此外，绝大部分热击穿都是不可逆的损伤，同时绝缘材料可能发生热分解、气化或碳化等现象。
参考文献：
李玉民, 刘德辉. (2010). 绝缘材料电击穿特性及其影响因素研究. 高电压技术, 36(1), 45-50.
王磊, 张旭东. (2015). 绝缘材料热击穿行为与热稳定性分析. 电工技术学报, 30(4), 72-77.
by 凉渐
Q.E.D.

Q8

泡沫展板中间的缝是怎么形成的呢？

by 书兴

答：
泡沫板中的气泡主要是通过发泡剂在生产过程中形成的，发泡剂在加热时会分解并释放出气体，这些气体在材料中形成气泡。
我们常见的聚苯乙烯泡沫板就是这种具有微细闭孔的结构特点，主要用于建筑墙体、屋面保温、冷库、空调、车辆、船舶的保温隔热,地板采暖,装潢雕刻等用途非常广泛。他的生产主要包含以下几个过程：
1，将聚苯乙烯颗粒、发泡剂、抗氧化剂、消光剂等按一定比例混合均匀。
2，将混合好的原料放入发泡设备中进行预发泡处理，通过加热和搅拌使原料颗粒膨胀，并与发泡剂反应生成气泡。
3，挤出成型：将预发泡的聚苯乙烯颗粒通过挤出机进行挤压，形成泡沫板的造型。挤出机内的高温和压力使原料发泡并形成所需的形状和尺寸。
4，模具成型：通过模具将挤出的泡沫板进行切割、成型，使成品符合设计要求的尺寸和形态。最后通过表面处理和冷却固化，就可以包装起来存放了。
在泡沫形成的过程中，表面活性物质有亲水和疏水基，在气泡周围形成一层，疏水端朝向气泡，亲水端朝向水，起到了降低气泡和液体之间界面张力的作用，稳定了气泡存在。当气泡升至液体表面时，因空气和液体界面间也存在着表面活性分子，因而就形成了包括气泡上的表面活性剂层和液体表面活性剂的稳定双层，这些稳定双层分别由空气-液体界面上的表面活性剂单层与液体-空气界面上的表面活性剂单层组成。这种结构有助于泡沫的稳定性，使得泡沫板中的气泡能够保持较长时间。
参考文献：
桑丹.聚苯乙烯泡沫在土木工程中的应用[J].塑料助剂,2023,(04):24-25+35.
李静生,高菲,张凯,等.聚苯乙烯泡沫模具制作及数控加工技术[J].中国战略新兴产业,2018,(20):165.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q9

抛开人的感官，仅从物理或者数学的角度，如何分辨气体和液体呢？

by 匿名

答：
从数学与物理的理论角度，可从以下几个关键因素来区分气体和液体：
（1）分子间距与分子间相互作用：气体分子的平均间距较大，分子间的相互作用力通常可以忽略不计。分子主要以独立的方式运动，彼此之间的相互作用非常微弱。液体分子之间的距离较近，分子间的相互作用力较强。可视为理想气体的气体满足理想气体方程PV=nRT，其中， P是气压，V 是体积，n是物质的量，R是气体常数，T是温度。液体分子之间存在较强的吸引力和排斥力，使得液体的分子运动受到更多约束。
（2）可压缩性：气体是高度可压缩的，即在外力作用下，气体体积可以大幅度缩小。理想气体状态方程一定程度伤定量地描述了气体的压缩性；液体几乎是不可压缩的，即在一定范围内，外界压力的变化对液体的体积影响非常小。虽然液体分子间有较强的吸引力，但其体积几乎不会随着压力的增加而显著变化。
（3）分子运动与自由度：气体分子以无规则的直线运动为主，分子的运动自由度较高，具有较高的动能；液体分子的运动自由度相比气体更受限。液体中的分子仍然在相互碰撞中运动，但这种运动更多表现为分子的振动和小范围移动。此外由于气体分子的动能较大，因此气体的扩散速度较快，具有更强的流动性，反之液体的扩散速度相对较慢，流动性较差。
（4）相对密度：气体分子间距大，相对密度较低；液体分子间距离小，相对密度较高。
参考文献：
陈卫东, 李明. (2014). 气体和液体的物理性质比较及相态转变研究. 物理学报, 63(5), 152-158.
王晓琳, 张晓辉. (2017). 气体和液体的热力学性质及其模型分析. 化学物理学报, 30(3), 88-95.
刘军, 张丽. (2019). 流体的分子运动特性及其在气液态区分中的应用. 应用物理学报, 38(4), 202-209.
by 凉渐
Q.E.D.

Q10

最近想刮胡子了，但是身边同学说胡子会越刮越粗，想知道这是不是真的？

by 匿名

答：
这个只是错觉而已啦~，毛发多少、粗细都是由基因决定的，与如何修剪无关并且修剪毛发的频率和毛发的长短不会影响毛囊发育。之所大家会觉得胡子越刮越粗，是因为刚刮过的胡子末端有棱角分明的断面，用手触摸时会有粗糙扎手之感，随着胡子末端棱角不断被磨损，断面变得圆滑，扎手的感觉会小很多，同时胡子长到一定长度，也会逐渐变得柔软（参考头发）。
从力学角度来讲，人们是用手向胡子施加压力并将其推向不同方向，然后通过皮肤感受到的反作用来来判断胡子的软硬程度。胡子短时，较小的形变就能产生较大的弹力；胡子变长后，胡子形变的力分散到单位长度上的就相对较少，产生的弹力即反作用力也较小，因此短胡茬的手感会比长胡子硬。
例外的一种情况是，青春期男性的胡子会越刮越粗，这是因为这个年龄段的男性刚长出的胡子比较细软，类似汗毛。随着身体发育成熟，胡子也会越来越粗。
参考资料：
廉明.胡子越刮越粗是真的吗[J].初中生必读,2024,(06):42.
by 蓝多多
Q.E.D.