现在来考考你,一辆以每小时100千米的速度在公路上行驶的汽车,请问它行驶得是快还是慢呢?
无论你回答是快,还是慢,都是不对的,这是个无法回答的问题,因为缺少一个参照物。参照物是可以任意选择的,对于同一个物体,选用的参照物不同,其运动情况的描述也就不一样。假如把行人或自行车当参照物,那汽车就是快的;如果把空中的飞机、火箭作参照物,则汽车就是慢的。
所以,很多时候,同一个问题从不同的角度来思考会有不同的答案。比如:在一条行驶得十分平稳的船的甲板上,头尾分别立有两个靶子。有两名射手,一个在船头,一个在船尾。假设子弹的飞行速度是一样的,那么,射手用同样的枪支同时向对面的靶子射击,谁的子弹先打中靶子呢?
回答这个问题,也需要分三种情况来讨论:第一种,如果船做匀速直线运动,因为射手在同一参照系中(船),所以,同时射中。
第二种,如果船做直线减速运动,船后的射手先击中靶子。
第三种,如果船做直线加速运动,船头射手的子弹先击中靶子。
奇怪的雪花
故事里的大学问
在一个寒冷的夜晚,在俄国首都彼得堡市中心的一个大厅里正在举行舞会,6000支燃烧着的蜡烛,把舞会气氛烘托得很温暖。
在悠扬的乐曲声中,各界名媛以及名流雅士拥满大厅,翩翩起舞。正在大家跳得如痴如狂的时候。一位小姐突然晕倒,旁边的人不知所措,突然,只听见有人大喊:“赶紧把窗户打开!”
于是,有人便把窗户打开了,刺骨的寒风涌入大厅,突然出现了奇怪的现象:大厅里竟然飘起了雪花,纷纷扬扬落到人们的头发和衣服上。在场的人无不目瞪口呆,面面相觑。你知道雪花是从哪里来的吗?还有,那个小姐为什么会突然晕倒呢?
真相是这样的
这个神奇的故事是怎样发生的呢?这一神奇的故事发生需要具备一定的条件。
首先,我们来说一说雪花的形成,这需要两个条件:
一是空气中要含有大量的水蒸气,因为大厅里的6000支蜡烛正在燃烧,就会产生水蒸气。还有大厅里有那么多人在呼出大量的水蒸气以及人们的汗水,这些都是水蒸气的来源。
二是水蒸气必须遇到很低的温度才能凝华成雪,“窗户打开了,刺骨的寒风涌入大厅”就提供了这个条件。
至于那个小姐为什么会突然晕倒,那是因为那么多蜡烛在燃烧消耗了大量的氧气,大厅里有那么多人,在封闭的空间活动,很容易造成缺氧,那个小姐因为缺氧就晕倒了。
刚才我提到了一个物理名词——凝华,凝华就是物质从气态不经过液态而直接变成固态的现象,这是一种比较常见的物理现象,比如树枝上的雾凇,从冰箱里拿出来的冰棍外表结了一层霜,自然界中霜的形成,冬夜室内的水蒸气常在窗玻璃上形成冰晶的窗花等,都是凝华现象。
通过以上的讲解,你知道了窗花是凝华现象形成的,可是你有没有仔细观察过,冰窗花的花纹有着不同的形状,为什么会这样呢?
首先,一面窗上的水汽或小水珠凝结会服从数学中的分形模型,也就是六角形小雪花的形状。仔细观察一下,你会发现,很多冰窗花都是由一些小小雪花或六角形小鳞片组成,这样的冰窗花很有立体感,摸起来凹凸不平。
其次,风力和重力也会影响冰窗花的形成形状。冰窗花在凝结时可能由于窗边的缝隙有细微冷风吹进,使凝结与融化形成一个动态平衡过程,造成细微冰水的流淌,这样形成的窗花多像山水画,很漂亮。
最后,玻璃的性质,尤其是玻璃的表面形态也能影响窗花的形状,如玻璃的表面不太平整,或者有污渍了,会直接影响上述小雪花的累积过程和形态,而且还直接影响到风的渗入和流淌情况,平时我们经常看到的各种怪蕨纹就是这样形成的。
原子弹爆炸后的蘑菇云
故事里的大学问
说起原子弹,大家首先会想到两个词:能量大、蘑菇云。至于它有多大的能量,或许我们从广岛原子弹爆炸中能够窥见一斑。1945年8月6日,美国将“小男孩”原子弹投掷在广岛引爆,这是人类历史上第一场核武器空袭行动。
在广岛,原子弹在离地面约600米的空中爆炸,烧焦了下面的泥土,烟雾上升6000米以上,原子弹爆炸造成广岛市十几万居民死亡,都市遭到毁灭性打击。
由此可见,原子弹爆炸的威力之大。那么,原子弹爆炸后为什么会形成蘑菇云呢?
真相是这样的
原子弹与其他炸弹的不同在于它爆炸时释放的无与伦比的能量。原子弹爆炸后,会在中心区产生数千万摄氏度的高温与几百万亿帕的高压。高温高压会对周围的空气产生巨大的影响,只需要约二万分之一秒的时间就能将它周围的空气升温膨胀而又快速上升,并且依靠上冲时的巨大能量使地面的粉尘、小石头等物质上升至高空而形成蘑菇茎。
在上升的过程中,因为与周围低湿空气的接触,会使热气团的温度逐渐降低到同周围气体相同的温度,这样粉尘等物质便向水平的方向散开,从而形成蘑菇顶,蘑菇云便形成了。随着高度的增加,地面的压力慢慢减小,蘑菇茎部分的物质就会纷纷落下,直到一切恢复正常。
在二战期间,美国投放在日本广岛和长崎的两颗原子弹,一下子就夺去了几十万人的生命,那么,原子弹会给人类带来哪些危害呢?
1.光辐射,是由原子弹爆炸时产生的高温火球所形成,会造成人暂时性失明、结膜炎、角膜炎和视网膜烧伤等,也能直接引起烧伤。
2.冲击波,是原子弹爆炸时产生的压力强大而迅速扩散的气浪,对人可产生直接损伤或因破坏建筑物而间接地引起损伤。
3.早期核辐射,是原子弹爆炸时放出的一种看不见的射线。这种射线穿透力较强,可以像X射线那样穿透人体杀死细胞,可引起各种程度的急性放射病和皮肤放射损伤,出现一系列症状。
一滴墨水的烦恼
故事里的大学问
晚上,天天在房间里做功课,不小心将一滴墨水弄到了白衬衫上,天天想着一会儿作业就做完了,做完了再洗吧。等他做完作业后发现,一滴墨水已经变成了一大片。他赶紧脱下衣服放进盆里,他想也许浸泡一会儿,更容易洗掉。
过了十分钟之后,天天再去看衣服,发现水盆里的水都变黑了。只是一滴墨水呀,为什么可以把衣服弄得这么脏,就连盆里的水都变黑了呢?他去问妈妈,妈妈解释说,这是扩散现象,天天挠着头,不明白其中的道理。
真相是这样的
你知道什么是扩散吗?扩散是物质内质点运动的基本方式,当温度高于绝对零度时,任何物质内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时,由于热运动而导致质点定向迁移即所谓的扩散。因此,扩散是一种传质过程,宏观上表现出物质的定向迁移。
举个很简单的例子,在厨房里做饭炒菜,你在屋子外面就能闻到饭菜的香味,你是怎样闻到香味的呢?这是因为在烹调的过程中,饭菜的分子有一部分被蒸发到空气中,并且渐渐地向四面八方运动,当它们钻进人的鼻孔时,香味就被闻到了。也就是说,气体的扩散现象让我们闻到了各种气味。
扩散现象不单发生在气体中,液体里也有,比如墨水滴入水中,干净的水就变黑了;煮汤的时候,滴进几滴酱油,整个汤里都染上了酱油的色泽。
此外,固体之间也有扩散现象,曾经有人做过这样一个实验:把一块铅片和一块金片,分别磨光,压在一起,在室温下放置五年,金片和铅片便连在一块了,它们互相混合的深度约一厘米。众所周知,在室温下,金和铅是不会熔解的,但它们的接触面形成了一层均匀的铅金合金,这就是扩散的结果。
其实,无论是哪一种形态的物质,它们的分子都在时时刻刻地运动,当它们互相接触的时候,彼此就要扩散到对方当中去,随着温度的升高,分子无规则运动的速度加快,扩散也加快。
扩散现象说明一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动,也说明物质的分子间存在间隙。
影响扩散的因素:温度越高,扩散越快(即分子无规则运动跟温度有关,温度越高分子无规则运动越激烈)。