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第10章 踏遍物理世界(4)

如果你说悄悄话的时候,声音一定要压得低低的呀!因为”压电材料“已被用于 刺探情报。只要把它往墙上一贴,隔壁人的说话声被听得一清二楚。

40.低温、低温、超低温

提起低温,我们首先会想到电冰箱,里面的温度最低可达零下三四十摄氏度。接 着我们又会想到南极,那里是地球上最冷的地方,温度最低可达-95℃。人们又把眼 光瞄向了宇宙,从遥远的海王星上找到了更低的温度-229℃!

还有没有更低的温度呀?科学家们找遍了人类所能探测到的宇宙空间,也没有找 到比海王星上更低的温度了。于是,人们得到这样的结论:最低的温度约是-273℃, 并称之为”绝对零度“,意思是没有比它更低的温度了。

目前,人们已经得到了距绝对零度只差三千万分之一的低温,绝对零度就在眼前 啦!科学家们为什么如此痴迷地追求绝对零度呢?因为在低温世界里有一个个奇妙的 景象。

在-100℃~-200℃的低温下,猪肉、馒头、鸡蛋等会像宝石一样闪闪发光;钢铁 经过低温处理后,它的强度可增加两倍;平时柔软的铅,在-100℃时会变得像弹簧一 样富有弹性;特别是一些金属,在低温下电阻大大降低,甚至消失。人们把这种现象 叫做”超导现象“.

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超导现象会使人类节约大量的电力,对解决能源危机意义重大。如今人们已利用 超导现象制造了磁悬浮列车,下一步可制造出比现在发电机的输出功率高一百多倍的 超导发电机、体积小但功率大的超导电子元件--”冷子管“、高速运算的超导计算机 ……

41.不倒翁竟倒了

有趣的不倒翁,不管你怎样推,都不会翻倒;甚至把它横过来放,一松手又会立 起来。这究竟是什么原因?

不倒翁所以不会倒,一方面因为它的结构是上轻下重,底部有一个较重的铁块, 因而重心很低。另一方面,不倒翁的底面大而圆滑,当它向一边倾斜时,它的重心和 桌面接触点不在同一条铅垂线上,重力作用使它摆动起来。当不倒翁向左倒时,重心 和重力作用线在接触点的右边,在重力作用下,不倒翁就向右倒。当倒向右边时,重 心和重力作用线又跑到接触点左边,不倒翁又向左倒。不倒翁倾斜的程度越大,重力 作用产生的摆动越显著,直到摆动过程中能量逐渐损失,当动能、势能减少到零,重 力作用线恰好通过接触点时,它才不再继续摆动。

如果不倒翁失去了重心,它会出现什么情况呢?

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一块水平放置的砖头很稳定,如果把它竖立起来,就容易翻倒。这是因为砖头平 放时,接触地面的面积大,重量大部分集中在底部。也就是说,它的重心较低,不容 易翻倒。

其他物体也是这样,底部面积越大,重心越低,就越稳定。许多机器设备底部较 重,底座较大,就是为了防止翻倒。如实验用的天平,底部面积较大且重;往车或船 上装货时,要把重货物放在下面,轻货物放在上面,使重心降低,以保证行驶安全。

42.省力的”钥匙“

用手无法从木头里拔出钉子,必须要用工具。即使是大力士,也很难把几百公斤 的重物举到高处,如果借助工具,那就”轻而易举“了。

这些工具都是按照杠杆原理制作的。要把坚硬的铁皮剪开,使用普通的剪刀很费 劲,用长柄剪刀就比较省力。这是因为要使一个物体绕着固定轴转动时,用同样大的 力作用在物体上,力的作用点离轴越远,产生的转动效果越显著。比如用力推动房门 ,力的作用点离门轴越远,就越省力,所以门的把手总是安装在远离门轴的一侧。

人们还有这样的经验,上陡坡费力,上较平的坡省力。装卸工人在往卡车上装货 物时,往往放块斜板,把货物沿斜板向上推,这比直接把货物抬到车上省力。

斜坡、斜板在物理学上都叫斜面。利用斜面也可省力,这是因为放在斜面上的物 体,它的重力作用可用两个分力的作用来代替。一个分力垂直压在斜面上,另一个分 力使物体沿斜面向下滑动。人沿斜面推物时,只要克服后一个分力的作用就可以了。 由于这个分力比物体的重力小,所以人用的力小于物体的重力。经验告诉我们,如果 斜面的高度不变时,斜面越长就越省力。

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地面上有一块又大又重的石头,要把它移到旁边去,一个人推不动。这时只要用 一根结实的棒,把棒的一端插到石头底下,握住棒的另一端,用力向上抬;或是在棒 的下面垫上一块较硬的物体,用力压棒的一端,就能把石头撬起来。撬棒越长,用的 力气就越小。长柄剪刀、撬棒等工具都是省力的杠杆。

43.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,使声速也随深度下降,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。

44.虎跑泉的水满而不溢

在杭州市虎跑泉的茶室里,一批游客带着奇异的目光观看服务员表演。桌上一只 盛满虎跑泉水的碗,服务员轻轻地把硬币投入碗内。她一口气放了好几枚,水面已经 高出碗边好多了,可就是不溢出来。看到这一切,游客惊奇地叫了起来。虎跑水满而 不溢,是由于水中含有多种矿物质,水的表面张力特别大的缘故。

表面张力的作用,使得液面总是尽可能地缩小。如水滴在荷叶上,如果不能被荷 叶吸收,水滴的表面会尽可能缩小,最终收缩成球形,如晶莹透亮的珍珠一般。如果 将水滴在一张普遍的纸上,水滴和纸接触部分的弹性膜被破坏,水滴就会把纸湿透。 但如将水滴在蜡纸上,情况就和荷叶上相同了。

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原来,液体表面层分子的分布要比内部稀疏些,分子之间的吸引力和排斥力都减 弱了,其中排斥力减弱更多,所以表面层分子之间有相互吸引力,这种吸引力叫表面 张力,它使液面形成一层弹性薄膜。把一枚干净的缝衣针轻轻地放在水面上,水面这 层弹性薄膜就把缝衣针托住而不会下沉。

45.两船相撞,后果谁负

1912年秋季的一天,当时世界上最大的远洋轮之一”奥林匹克号“正在大海上航 行,离它100米的地方,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰”豪克号“平行疾驶。突然 ,意外的事故发生了:小军舰好像受到看不见的巨大力量的吸引,一个劲地向”奥林 匹克号“冲去,结果把”奥林匹克号“的船舷撞了个大洞。

是什么力量驱使两船相撞呢?原来流体流动时,内部的压强与流速有关,流速大 的地方压强小,流速小的地方压强大。由于这一原因,当两艘船平行向前时,两船之 间的水比外侧的水流得快,即两船之间的压强比船外侧水的压强小得多。由于船外侧 海水对船舷的巨大推力,迫使两船急速靠近乃至相撞。

气体作为一种流体,也具有这种特性。飞速前进的火车在车厢周围造成很强的气 流,会对旁边的物体产生吸引作用。如火车以时速50公里行进时,可产生很大的压强 ,所以当火车开来时人不能离铁轨太近,否则容易发生伤亡事故。

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了解流体的性质后,可以充分利用它来为人类服务,飞翔在天空的飞机就是一个 例子。飞机机翼的形状是流线型,下面平直,上面圆拱,飞行时流过机翼上方的气流 速度大,流过机翼下方的气流速度小,机翼下表面的压强要比上面大,形成上下的压 力差,使飞机受到一个向上的力--升力,进而在空中飞行。

46.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。

47.冬暖夏凉的”恒温服“

在没有这样一种衣服,像房间里的空调一样,能够调节温度,冬暖夏凉呢?科学 家们从衣服的材料上入手,已经发明了能随天气变换调节温度,而且十分轻便的衣服 .

这种轻便的恒温服分两种设计形式:一种是电子式的,一种是晶体纤维式的。

电子式的恒温服就像电热毯一样,但它是自动来调节温度的。这种衣料里编织有 微细的加热、冷却和通风的材料,并有许多微细的传感器。这些传感器和人的皮肤接 触,好比无数个体温计,记录着皮肤的温度。比如,当人感到寒冷而皮肤温度下降时 ,传感器便会及时发现,并自动地进行调整。

晶体式衣料是用经过特殊处理的纤维制造的。这种晶体材料会随着温度的变化, 变换着自己的排列结构,并能吸收或释放热量。

当温度上升时,晶体的形式发生变化并吸收热量。热量被它吸收了,人体就会感 到凉爽了;当温度下降时,晶体则恢复它原来的正方体形式并释放热量,人体也就感 到暖和了。

48.不烫手的”开水“

”开水“这个词常常与”烫手“联系在一起,不过这是指在地面上把水烧到沸腾 时,它是十分”烫手“的,因为它的温度达到100℃。

当你到高山或高空去烧水时,情况就不同了。尽管也把水烧沸腾了,但它并不一 定烫手。在海拔5000米的高度上,大气压力只有0.55兆帕,相应的水的沸点为82℃。 当我们处在世界最高的珠穆朗玛峰8848米的高度时,那里的大气压力大约只有0.03兆 帕,相应的水的沸点约为69℃。如果坐气球升到几万米高度去烧水,那里的大气压力 低到只有0.015兆帕,水的沸点只有11~18℃。那种”开水“温度还不及地面上的冷水 .因此,在高山或高空烧东西会出现许多怪现象:烧出来的”开水“不烫手;煮出来 的鸡蛋半生不熟;”用开水消毒“成了一句空话,温度不高的”开水“根本杀灭不了 细菌。

与此相反,在气压比地面大得多的深矿井底部,却可以得到十分烫手的”开水“ .例如,在深达300米的矿井里,水的沸点达到101℃。而在600米深处,水的沸点达到 102℃。

49.冰能”烧开“水

冰只能冷却水,怎么能”烧开“水?你也许会大惑不解,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。

50.卫星需要恒定的”体温“

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,因此,采取温控措施对卫星来说尤为重要。

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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“.

51.神奇的活性水

普通水中含有一定量的气体,含量多少随水温的变化而不同。在开口容器中把水 加热到90℃-95℃,水中的气体就会逸出;如果加盖封住容器口,不让它”吸气“,让 水冷却到室温。这时,水中气体含量会减少为普通水的一半,这种水叫脱气水。脱气 水的表面张力、密度、粘性、导电性等物理性质均发生了微妙的变化,它极易穿过细 胞膜进入细胞,其渗入量是普通水的好几倍,具有超常的生物活性,所以又称作活性 水。

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