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物理君大冒险-电子书下载

人文社科 热爱 读书 2年前 (2022-06-26) 1591次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

“物理君”深夜做完实验,路过M楼时,突然听到井盖处有小猫的叫声,循声过去却被一股神秘力量拉进了井中……醒来后,物理君发现自己穿越到一座悬浮在太空的岛上,他必须经过岛上的8个地点、8道关卡,到达悟理学院才能找到回现实世界的方法。他将碰到哪些难题呢……
中科院物理所趣味科普书又出大招,这次“物理君”形象亲自来到台前,通过更好玩的故事和更丰富的插图,把“老师不教、爸妈不会、不问憋得慌”的问题融入穿越情节中。书中包含了在家里、路上、餐桌上、学校里、电子产品里、天气里等生活场景中可能遇到的200多个问题。通过一趟趣味物理冒险之旅,你的物理知识又会增加了!

作者介绍

中国科学院物理研究所(简称“中科院物理所”)成立于1928年,是以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构。
在国内高校及科研院所中,中科院物理所是较早“玩转科普”的。其官方微信公众号“中科院物理所”依托学科优势,向喜爱科学的广大读者推送兼具科学性、趣味性的科普文章。目前,公众号已有100多万关注量。公众号内容活泼有趣,原创内容丰富,包含问答、正经玩、线上科学日等多个栏目。
“问答”是物理所公众号的王牌专栏。在物理所从事科学研究的一批优秀专业人员通过该栏目与读者互动,用幽默通俗的语言解答读者对科学的各种疑问,自推出以来一直广受欢迎。

部分摘录:
 01 .为什么下雨前白云会变成乌云?
首先,我们需要介绍一下为何白云是白色的。我们所见到的云,无论白云乌云,本质上都是非常小的水滴,而我们所认识到的乌和白的区别,无非就是一大群小水滴的光学性质差异罢了。云滴或小水滴的直径和光波波长接近,此时小水滴会对所有频段的可见光进行散射,具有这种特征的散射被称为米氏散射。太阳发出的光线本来就是白的,而云对太阳光的散射依然可以保持各种频段(颜色)比例的相对均等,所以白云和太阳光的颜色是一样的。
那么为什么白云会在降水前变成乌云呢?这就涉及光在云滴中的总透射率的问题。首先,乌云通常比较厚。在降水前,云中液滴的数量会增加,云也会变得更浓厚稠密,更厚的云就可以吸收掉更多的光线,让更少的光线进入人的眼睛,这就降低了云朵的亮度。其次,在降水前,液滴会变大(在变成降水下落前),更大的液滴会引起更大比例的光吸收,这就改变了云的光学性质,从而让云变暗。
 02 .为什么化掉的雪再次遇到低温就变成了冰而不是雪?
雪和冰虽然都是固态的水,但是从形成过程上来说,下雪和结冰还是有一定差别的。雪是天空中的水汽经凝华而来的固态降水,而结冰则是液态水凝固成固态的过程。水汽形成雪花需要满足水汽饱和和存在凝结核两个条件。在高空的低温环境下,冰晶生长所要求的水汽饱和程度比形成水滴要低,导致在高空中冰晶比水滴更容易产生,因而水汽饱和状态的空气在低温下,依附于空气中一些细小的固体颗粒上,就会形成降雪,这样我们就可以看到纷纷扬扬的“未若柳絮因风起”的雪花了。当雪花熔化后就会变成液态水,液态水在低温下形成固态的过程则被称为结冰。水由气态变为固态形成雪花,由液态变为固态则形成冰块,二者形成过程的差别导致了雪熔化后再遇低温形成的是冰而不是雪。
根据已知的两个条件,我们也可以创造一个环境来营造室内降雪。比如在18世纪的一个上层舞会中,由于室内人数众多(水汽含量很高),又点着很多蜡烛(燃烧形成的烟提供大量凝结核),室内闷热,一个男子打破玻璃,室外冷空气的进入使得大厅温度骤降,产生了一场室内的降雪。这在当时看来就像一场魔术,但当我们了解了这背后的物理知识时,也就觉得不过如此了。
 03 .飞机播撒碘化银为什么会实现人工降雨?
首先我们要知道,高空中的云是否下雨,不仅取决于云中水汽的多少,还和云中凝结核的含量有关。于是人们就根据云的具体情况,分别向云体播撒制冷剂(如干冰、丙烷等)、结晶剂(如碘化银、碘化铅、硫化亚铁等)、吸湿剂(食盐、尿素、氯化钙)和水雾等。播撒主要方式有两种,一是飞机播撒冷却剂或催化剂,二是向云层开炮或发射火箭。
飞机播撒碘化银,主要是将细粉末状的碘化银撒进云层中,相当于增加凝结核的数量并干扰云中气流,从而有利于小水珠增大,改变浮力平衡,此时上升气流不再能支持水珠的飘浮,就形成了降雨。
当然,随着科学的发展,人工降雨也有了不少新的方式,如高压电技术(产生等离子体)、静电催化(人工降雨消除雾霾)、细菌技术等。这里就不一一探讨了,有兴趣的小伙伴可以自行了解。
 04 .气凝胶密度比氦气还小,为什么不浮在空中?
因为你看到的气凝胶的密度不是它真正的密度,而是表观密度。比如某种叫作“碳海绵”的气凝胶密度是0.16mg/cm3,大约是空气密度的七分之一,看起来它似乎应该飘浮在空中。我们先看看碳海绵的密度是怎么测算出来的:将碳海绵放在真空中称重,然后除以表观体积。问题就出在这个表观体积上,气凝胶内部有很多孔隙,表观体积反映的不是气凝胶的真实体积,因此才会出现密度比空气小的情况。如果知道气凝胶的真实体积,进而算出其真正的密度,就会发现它的密度还是比空气大。气凝胶放置在空气中时,空气会填充里面的孔隙,所以想让气凝胶飘浮在空中,就得让它真正的密度小于空气才行。
 05 .臭氧的密度比较大,可是为什么地球的臭氧层不会下降呢?
臭氧层是大气层中位于平流层内的一个区域,主要吸收大量的紫外线辐射。臭氧层不会下降到地球表面(人站立的高度)的原因主要有两个:一是臭氧在常温常压下非常不稳定,会分解为氧气,且低层大气没有稳定的臭氧来源;二是平流层气流的稳定性。当然,最主要的还是原因一。
距离地面大约10~30km高度的气层是平流层,臭氧层主要分布在平流层的底部,其浓度为0.01‰,整个大气层平均臭氧浓度约0.0003‰。在平流层中,紫外线主要参与了两个化学反应:首先是紫外线将氧气分子离解为两个氧原子,该过程吸收紫外线,随后氧原子与氧气分子结合生成臭氧;其次是臭氧吸收紫外线分解为氧气分子和氧原子。反应过程如下:
在这三个过程中,臭氧分解时吸收的紫外线波长稍长。最终在紫外线的辐照下平流层形成了比较稳定的臭氧层,浓度维持在约0.01‰,其吸收的紫外线波长范围约200~315nm。虽然大气运动会将一些臭氧带到接近地表的区域,但其浓度已经远远低于臭氧层的浓度了。臭氧具有独特的鱼腥臭味,一般能被人感知到的浓度在0.0001‰,雷雨放电也会在低层产生臭氧,由于浓度低,我们感受到的就是空气的“清新”。
综上所述,低层大气自然状态下有臭氧的存在,但浓度很低;臭氧也可以随大气运动下降到达地表附近,但浓度很低;平流层气流较稳定,且紫外线不断辐照产生臭氧,臭氧浓度大,形成臭氧层,因此臭氧层看起来是一直待在那个高度范围的。
另外需要说明的是,紫外线频谱比较宽,400nm以下的均是紫外线;被臭氧层吸收的是对地球生物危害最大的那部分,被称为中波紫外线(UV-B),波长275nm~320nm;200nm以下的紫外线主要被氧气吸收,320nm~400nm的长波紫外线则到达地表。长波紫外线有益于皮肤产生维生素D,但过多照射则有害,所以假期出游享受日光浴的同时还要注意防晒,秋天的太阳也是很毒的。
 06 .是否可以释放大量臭氧来修补臭氧层空洞?
“女娲补天”是一个很好的创意,不过很遗憾,这个想法暂时不可行。形成臭氧层空洞的罪魁祸首是氯化物等卤化物,它们催化了臭氧分解,新闻里经常提的氟利昂便是其中之一。在南北极的上空,很多时候存在着非常强大的气旋。这些气旋就像一个罩子,导致极地上空的氯化物等一直待在极地,而且其作为催化剂在反应前后不会减少,有着“不死之身”,持续不断“进攻”臭氧,而地球其他地方的臭氧一时之间又很难前来支援,最终结果便是臭氧“弹尽粮绝”,形成“空洞”。
为什么不可以人工释放臭氧来“补天”呢?首先,制造这么多臭氧的成本太高了。其次,开动机器制造臭氧要消耗能量,制造“补天”的臭氧所带来的耗能,以及制造过程中可能会对自然界产生的新影响,例如大量的碳排放等,都很有可能会加剧温室效应等其他环境问题。再次,即使在对环境无伤害的情况下成功制造了足够的臭氧,也只是“补天”的第一步。臭氧层所在的平流层太高了,大约位于地表10km以上的地方(作为对比,一般中型民航飞机飞行高度是7~12km),想直接把臭氧送上去,堪称“难于登天”。最后,直接把这么多臭氧排到空气中等它们慢慢自由扩散上天,也是不可以的:臭氧会刺激和伤害呼吸道,损害神经中枢,在体内会导致细胞损伤,将会成为一个新的环境污染问题;而且臭氧在常温常压下非常不稳定,辛辛苦苦制造的臭氧很快就会分解为氧气。所以,综合考虑,目前暂不考虑释放臭氧来“补天”。
目前的“补天”方式主要如下:首先,应减少氟利昂等物质的排放,《蒙特利尔议定书》生效后,协议各国都采取各种措施限制其使用;其次,臭氧层的存在是一个动态循环的过程,依靠地球大气的循环,大气其他地方的臭氧可以支援到臭氧空洞处从而自然修复。地球母亲具有极强的自愈能力,相信并祝福她吧!

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