轉眼間又要過(guò)年了，回想上次過(guò)年，仿佛還在昨天。說(shuō)起過(guò)年我就想起放炮，對于廣大熊孩子來(lái)說(shuō)，放炮是童年印象最深刻的娛樂(lè )活動(dòng)之一。放炮最重要的一點(diǎn)就是要有一個(gè)性能優(yōu)良的打火機，說(shuō)起打火機，你知道打火機是怎么點(diǎn)火的嗎？
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1
Q
電打火機的發(fā)電原理是什么？
by 機鋒
A
電打火機工作的時(shí)候主要是通過(guò)電火花點(diǎn)燃丁烷。所以，點(diǎn)火的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生電火花。打火機中產(chǎn)生電火花的裝置原理如圖，其核心部件是壓電陶瓷。壓電陶瓷是一種可以將機械能轉化成電能的材料，當壓電陶瓷受到外界的壓力時(shí)，陶瓷中正負電荷中心發(fā)生分離，導致它的兩個(gè)表面上分別積累正負電荷形成電勢差。
如果電荷積累足夠多，產(chǎn)生的電勢差將足以把空氣擊穿產(chǎn)生電火花，打火機正是利用這種電火花來(lái)點(diǎn)火。在打火機的點(diǎn)火裝置中，通過(guò)按壓頂部按鈕在彈簧后中儲存勢能，然后通過(guò)突然釋放儲存的勢能撞擊壓電陶瓷從而在一瞬間實(shí)現陶瓷兩側電荷的積累產(chǎn)生放電。完成點(diǎn)火。
By Nothing
2
Q
為什么一個(gè)鏡子碎掉后也不會(huì )出現很多個(gè)我，而很多個(gè)鏡子里卻會(huì )有很多個(gè)我？
by 王炸蟹圓
A
我們只在幾何光學(xué)的范圍內討論這個(gè)問(wèn)題，不考慮干涉衍射等效應，并假設鏡子可以被無(wú)限分割下去。
想要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)回顧一下平面鏡成像的原理和特點(diǎn)：
一個(gè)平面鏡會(huì )制造一個(gè)和物等大正立的像，像和物關(guān)于鏡面對稱(chēng)。
顯然，鏡面可以被看做由無(wú)數小的鏡子拼接而成，每個(gè)小鏡子都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)像。那為什么我們沒(méi)有看到無(wú)數個(gè)不同的像呢（即便是改變觀(guān)察的位置也只能看到一個(gè)像）？原因在于，每個(gè)小鏡子產(chǎn)生的像都在一個(gè)位置，所以我們看起來(lái)好像只有一個(gè)像。通過(guò)平面鏡成像的特點(diǎn)我們可以看出，要想一面鏡子每個(gè)部分所成的像都在一個(gè)位置，要求鏡面是完美的平面，哪怕一個(gè)部位有稍微的突起或者凹陷就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)和其他部位的像不重合的像。
當面鏡子裂開(kāi)但是并沒(méi)有支離破碎時(shí)，雖然鏡子上有裂痕出現，但是各個(gè)碎片還大體處于一個(gè)平面上，所以看起來(lái)只有一個(gè)像。
但是對于多面鏡子，想要把它們完全置于一個(gè)平面上是不容易的，所以往往會(huì )看到多個(gè)像。當然，如果你能把很多鏡子完全擺在一個(gè)平面上，也將只能看到一個(gè)像。
By Nothing
3
Q
什么是壓電效應跟晶體結構有關(guān)嗎?
by 平均分
A
某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內部會(huì )產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會(huì )恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱(chēng)為正壓電效應。當作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現象稱(chēng)為逆壓電效應。如圖所示：
要注意的是需要將逆壓電效應與電致伸縮效應區分開(kāi)。由于誘導極化的作用，任何介質(zhì)在電場(chǎng)中發(fā)生形變，產(chǎn)生的形變與外電場(chǎng)的平方成正比，與外電場(chǎng)的方向無(wú)關(guān)，這就是電致伸縮效應。逆壓電效應產(chǎn)生的形變與外電場(chǎng)成正比，形變與電場(chǎng)方向有關(guān)，當電場(chǎng)反向時(shí)，原來(lái)伸長(cháng)得變?yōu)榭s短，原來(lái)縮短的變?yōu)樯扉L(cháng)。
壓電效應與晶體結構直接相關(guān)，在32種晶體點(diǎn)群中，只有20種點(diǎn)群的晶體具有壓電效應，這20種點(diǎn)群都不具有對稱(chēng)中心。因為具有對稱(chēng)中心的晶體，其正（負）電荷的排列是中心對稱(chēng)的，等效來(lái)看，正負電荷中心都在原點(diǎn)，其正負電荷中心重合，總電矩為零，宏觀(guān)形變在不改變微觀(guān)晶體結構的情況下，其正負電荷中心永遠重合，不會(huì )產(chǎn)生總電矩，因此不具有壓電效應。無(wú)對稱(chēng)中心是壓電效應的必要條件。
By 勿用
4
Q
尖銳的刀刃在微觀(guān)下是不是也是一個(gè)個(gè)圓形原子組成的？如果是這樣子的話(huà)是不是自然界中沒(méi)有絕對尖銳事物了？
by young #
A
一般來(lái)講，普通的刀尖其刀刃部分是達不到單層原子排列的極限，即使是很鋒利的刀，不考慮磨刀者的手藝，不管是鐵原子還是碳原子，當其形成單層原子暴露在空氣中時(shí)，特別容易被氧化，很難穩定存在。就目前而言，筆者所了解的最尖銳的事物分別是掃描隧道顯微鏡的針尖和原子力顯微鏡的針尖，其尖端在一定情況下可以達到只有幾個(gè)原子，可以進(jìn)行微觀(guān)下單原子的操作。
把原子看作一個(gè)個(gè)剛性小球時(shí)，單個(gè)原子對應的尖端可以認為是宏觀(guān)條件下最為尖銳的東西了，這種情況下的確不存在絕對尖銳的事物。但實(shí)際上，單個(gè)原子或者說(shuō)基本粒子的形狀是否為圓形是有爭議的，或者說(shuō)在極限條件下考慮粒子的形狀是沒(méi)有意義的，這種情況下，“尖銳”對應的概念也需要重新定義。如果硬要回答的話(huà)，我相信這個(gè)答案可能會(huì )更好。
By 勿用
5
Q
為什么零攝氏度的蒸餾水劇烈撞擊后會(huì )結冰？
by follies
A
冰點(diǎn)，標準大氣壓下，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的溫度——0℃（273K）。這里的水指純水，當水中含有雜質(zhì)時(shí)，冰點(diǎn)會(huì )降低，比如當海水中的鹽度達到24.695時(shí)，海水的冰點(diǎn)時(shí)-1.332℃。
結冰包括兩個(gè)過(guò)程：液態(tài)水變成固態(tài)水，這是一個(gè)相變過(guò)程，在低于冰點(diǎn)的溫度下是自發(fā)的，自由能降低（就像上課鈴一響，大家各自坐到自己的座位上這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程）；形成冰-水之間的界面，這是一個(gè)界面過(guò)程，由于界面能的存在，產(chǎn)生這個(gè)界面是反自發(fā)的過(guò)程，自由能升高。
蒸餾水中雜質(zhì)較少，結冰過(guò)程中，晶核表面形成冰水界面，在凝結核較小時(shí)，比表面積大，界面過(guò)程占據主導，晶核的形成使得系統自由能升高，這是一個(gè)非自發(fā)的過(guò)程，不會(huì )自發(fā)進(jìn)行。當晶核足夠大時(shí)，比表面積減小，相變過(guò)程占主導，此時(shí)才會(huì )自發(fā)結冰。
零攝氏度的蒸餾水處于冰點(diǎn)，其溫度漲落提供的能量不足以使冰核形成足夠大的尺寸，不能夠自發(fā)結冰。當劇烈撞擊時(shí)，外界提供能量使得過(guò)冷水局部能量漲落形成足夠大的晶核，從而自發(fā)結冰。
By 勿用
6
Q
現在電動(dòng)自行車(chē)限速了，很多人想買(mǎi)一臺變速自行車(chē)，請問(wèn)變速自行車(chē)的速度跟車(chē)輪大小有關(guān)系嗎？
by 許
A
自行車(chē)速度的大小和車(chē)輪是有關(guān)系的，但并不是簡(jiǎn)單的正相關(guān)或者負相關(guān)的關(guān)系。下面只討論自行車(chē)可以達到的最大速度和車(chē)輪大小的關(guān)系。設想你正在以一定的速度(腳踏板的轉速恒定)蹬自行車(chē)，那么大的輪胎直徑一定會(huì )增加車(chē)速。但是相應的問(wèn)題就是你需要更大的力維持腳踏板恒定的轉速，因為大輪胎相當于增加了阻力臂?？梢钥闯?，雖然在轉速相同的情況下大的輪胎速度更快，但是大的輪胎直徑會(huì )降低最大轉速。極端情況是，輪胎非常非常小，你可以蹬得飛快（不可能無(wú)窮快）但是車(chē)的速度非常??；輪胎非常非常大時(shí)，干脆就蹬不動(dòng)了，速度可以看作零。所以只有合適的輪胎大小才能讓你騎得飛快。一般爬坡時(shí)小輪胎合適，平地時(shí)大輪胎合適。不過(guò)我們很難在運行過(guò)程中隨時(shí)調節輪胎大小，這時(shí)變速自行車(chē)的變速起就可以發(fā)揮作用啦。它可以通過(guò)調節齒輪比達到和改變輪胎大小同樣的效果。
By Nothing
7
Q
為什么時(shí)間長(cháng)了暖氣的正上方墻面會(huì )變黑？為什么放一塊木板可以減輕這種現象？
by 華
A
因為暖氣片附近的溫度高，加熱空氣，熱空氣的密度低，向上流動(dòng)，然后撞上墻壁。而空氣中的灰塵也隨著(zhù)熱空氣撞上墻壁，所以暖氣正上方的墻面相比于其他地方就容易積攢灰塵，看起來(lái)也就更黑。放一塊木板可以減輕這種現象是因為木板在“代人受過(guò)”，并且破壞了熱空氣的運動(dòng)方向。白熾燈和日光燈管上方的墻壁容易變黑，也是同樣的原因。
By 重光
8
Q
請問(wèn)引力是什么？怎么產(chǎn)生的？引力作用是超距的嗎？
by 瞿亮
A
“引力是什么”這個(gè)問(wèn)題對于不同年齡段有不同的回答。
1. 幼兒園——引力就是你感受的重力鴨（并不是。
2. 初中——引力就是牛頓提出的萬(wàn)有引力。
3. 本科生——引力相互作用就是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程。
4. 理論物理學(xué)家——emmmmm，我不知道啊。
考慮到能打開(kāi)我們物理所公眾號的水友們人均博士，那就主要以本科生地方式回答。對引力的詮釋?zhuān)F在市場(chǎng)上主流的觀(guān)點(diǎn)是用幾何進(jìn)行解釋的。并且現在都是9102年了，什么東西都要和quantum（量子）扯一扯，但是遺憾的是目前較權威的引力理論仍舊是愛(ài)因斯坦當初提出的經(jīng)典理論。引力和幾何有關(guān)，這乍一聽(tīng)很不可思議，就像你女朋友告訴你打折就是不要錢(qián)一樣～
但是你能像勾選條款一樣同意并相信下面兩個(gè)事實(shí)，你會(huì )相信引力可能真的和幾何有關(guān)：
1.光走極值的路徑。（Fermat's principle）
2.光收到引力相互作用，會(huì )彎曲。
我們都知道光是沿直線(xiàn)傳播的，但是這個(gè)有一個(gè)條件就是在歐式幾何，也就是平直空間，在彎曲的空間就不再是直線(xiàn)傳播（是的，你的常識又給你產(chǎn)生了一種偏見(jiàn)）。比如在二維球面空間，眾所周知，光走大圓的優(yōu)弧?，F在想象你在某個(gè)時(shí)空中觀(guān)測到光線(xiàn)彎曲傳播，你能從光的角度說(shuō)明是收到了引力相互作用還是這個(gè)時(shí)空本身就是彎曲的么？
如果你能看完我的瞎扯，并帶著(zhù)引力和幾何有關(guān)的想法開(kāi)始學(xué)習或者準備學(xué)習廣義相對論，等你學(xué)完以后，能夠花上一點(diǎn)時(shí)間推出水星的進(jìn)動(dòng)角并和實(shí)驗比較做比較的話(huà)
你會(huì )相信引力就是時(shí)空彎曲帶來(lái)的物理結果，而導致時(shí)空彎曲的便是物質(zhì)，這些都包含在愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程里。
至于引力作用是否是超距的。從幼兒園我們就知道，狹義相對論的假設之一即任何物體的速度不會(huì )超過(guò)光速。換句話(huà)說(shuō)，有效信息的傳播速度不會(huì )超過(guò)光速，而引力相互作用能改變物體的運動(dòng)狀態(tài)，肯定是不會(huì )超光速的。
最后得說(shuō)一下，引力幾何的闡述是比較主流的觀(guān)點(diǎn)，也存在其他觀(guān)點(diǎn)，比如近幾年提出的引力是一種熵力（有興趣并且有勇氣可以看On the Origin of Gravity and the Laws of Newton - Erik Verlinde），還比如來(lái)自Steven. Weinberg的觀(guān)點(diǎn)，在他的《Gravitation and Cosmology》一書(shū)中有這樣的話(huà)：
“…I found that in most textbooks geometric ideas were given a starring role,…Of course, this was Einstein’s point of view,…However, I believe that the geometrical approach has driven a wedge between general relativity and the theory of elementary particles….I have based the discussion of general relativity on a principle derived from experiment…”
by 香菜大法好
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