专栏名称: 环球物理

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【物理动图】一组精彩物理动图

环球物理 · 公众号 · 物理 · 2025-02-16 20:30

正文

光的慢动作

原理： 2014年12月4日的《自然》以封面文章刊登了目前世界上最快的只接收（receive-only）2D 超高速摄像机，它的拍摄帧数达到了1000 亿帧/秒，即10皮秒1帧（作为参考，真空中的光在 10 皮秒内走过的距离约为 3 毫米）。上图就是通过这种摄像机拍摄的激光脉冲被镜面反射的过程，整个过程实际只经历了 300 皮秒。为了显示光的轨迹，研究者利用干冰制造了白雾，我们观察到的实际是散射光。

危险： 对一般人不构成安全威胁，同时也是生活中完全没有机会观察到的现象……能够追上光速的摄像技术将再次推进基础物理学的研究发展。

声波悬浮

原理： 声音具有能量，高声强的声波具有非线性效应，这一效应可对声场中的物体产生压差，将轻小物体悬浮在声波驻波的波节附近。上图中的这次实验在上下左右都设置了超声波相控阵列，从而实现了对物体的三维移动。

花絮： 在原视频中，来自日本的研究者们还用这种装置悬浮了钉子君、螺母君、火柴君、电阻君、二极管君和肥皂泡君……够啦快放人家下来！声悬浮还有更多应用场合，例如利用它可以使液滴脱离容器的影响，由此便可以制备深度过冷的液体，并更好地控制晶体形成的过程。

危险： 较低。不过，假如硬要造出声场极强的设备来悬浮人类，则有可能造成人体爆炸或严重的内出血……

隐形球

原理： 让球隐身的关键在于相似的折射率。这里的小球是高吸水性材料，它们的吸水性实在太强，以至于吸满水时的折射率已经和纯水没有多大差别，因此当浸入水中时，它们自然就与背景融为一体了。

花絮： 事实上，只要调配一种折射率合适的液体，用同样的方法也可以让玻璃棒消失不见。植物油+婴儿油就是一种可行的方案。

危险： 很低。这些高吸水性材料广泛地应用在生活用品中，只要避免误食、误吸，就不会有什么危险。

神奇的小球

原理： 卡车上射出的炮弹到底是运动还是静止的？这取决于你选择的参考系。这是《流言终结者》节目中进行的一个经典的实验：在一辆时速60英里的卡车上向正后方以时速60英里发射一颗“炮弹”。在运动参考系的速度远低于光速的情况下，速度的合成按照伽利略变换，即对地速度 = 对车速度 + 车速，因此若车速和炮弹的出膛速度相反，炮弹君便会被无辜地遗弃在原地。

花絮： 在地面参考系看来，开炮后炮弹的动能反而减少了，这是因为火药爆炸的能量提供给车加速了。

危险： 中低。炮弹比较难找。

活塞打火

原理： 这是一种引火装置，在其中放入小片的引火物，并快速地压下活塞即可引燃。这可以看作是气体绝热压缩的过程，根据理想气体状态方程，绝热过程满足 TV(γ-1)=常数，也就是说，随着体积V的压缩，温度T会随之上升。空气的比热容比γ≈1.4，如果将空气的体积压缩为原来的1/5，则温度会升高到原来的2倍左右。假设室温为300K（26.85℃），2倍就是600K，即300℃以上。这一温度足以点燃很多常见易燃物，例如动图中的棉絮。

花絮： 点燃之后要迅速把活塞抽出，以免火种因为氧气耗尽而熄灭。

危险： 低。打火活塞是一种相对安全的引火方法，它在野外也很实用。注意不要用火棉（gun cotton）或气体燃料来引火，否则活塞可能会被猛喷出来。