轉(zhuǎn)眼間又要過年了，回想上次過年，仿佛還在昨天。說起過年我就想起放炮，對于廣大熊孩子來說，放炮是童年印象最深刻的娛樂活動之一。放炮最重要的一點(diǎn)就是要有一個性能優(yōu)良的打火機(jī)，說起打火機(jī)，你知道打火機(jī)是怎么點(diǎn)火的嗎？
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1
Q
電打火機(jī)的發(fā)電原理是什么？
by 機(jī)鋒
A
電打火機(jī)工作的時(shí)候主要是通過電火花點(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(jī)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(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的材料，當(dāng)壓電陶瓷受到外界的壓力時(shí)，陶瓷中正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，導(dǎo)致它的兩個表面上分別積累正負(fù)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(jī)正是利用這種電火花來點(diǎn)火。在打火機(jī)的點(diǎn)火裝置中，通過按壓頂部按鈕在彈簧后中儲存勢能，然后通過突然釋放儲存的勢能撞擊壓電陶瓷從而在一瞬間實(shí)現(xiàn)陶瓷兩側(cè)電荷的積累產(chǎn)生放電。完成點(diǎn)火。
By Nothing
2
Q
為什么一個鏡子碎掉后也不會出現(xiàn)很多個我，而很多個鏡子里卻會有很多個我？
by 王炸蟹圓
A
我們只在幾何光學(xué)的范圍內(nèi)討論這個問題，不考慮干涉衍射等效應(yīng)，并假設(shè)鏡子可以被無限分割下去。
想要回答這個問題，我們先來回顧一下平面鏡成像的原理和特點(diǎn)：
一個平面鏡會制造一個和物等大正立的像，像和物關(guān)于鏡面對稱。
顯然，鏡面可以被看做由無數(shù)小的鏡子拼接而成，每個小鏡子都會產(chǎn)生一個像。那為什么我們沒有看到無數(shù)個不同的像呢（即便是改變觀察的位置也只能看到一個像）？原因在于，每個小鏡子產(chǎn)生的像都在一個位置，所以我們看起來好像只有一個像。通過平面鏡成像的特點(diǎn)我們可以看出，要想一面鏡子每個部分所成的像都在一個位置，要求鏡面是完美的平面，哪怕一個部位有稍微的突起或者凹陷就會產(chǎn)生一個和其他部位的像不重合的像。
當(dāng)面鏡子裂開但是并沒有支離破碎時(shí)，雖然鏡子上有裂痕出現(xiàn)，但是各個碎片還大體處于一個平面上，所以看起來只有一個像。
但是對于多面鏡子，想要把它們完全置于一個平面上是不容易的，所以往往會看到多個像。當(dāng)然，如果你能把很多鏡子完全擺在一個平面上，也將只能看到一個像。
By Nothing
3
Q
什么是壓電效應(yīng)跟晶體結(jié)構(gòu)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(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。如圖所示：
要注意的是需要將逆壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)區(qū)分開。由于誘導(dǎo)極化的作用，任何介質(zhì)在電場中發(fā)生形變，產(chǎn)生的形變與外電場的平方成正比，與外電場的方向無關(guān)，這就是電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變與外電場成正比，形變與電場方向有關(guān)，當(dāng)電場反向時(shí)，原來伸長得變?yōu)榭s短，原來縮短的變?yōu)樯扉L。
壓電效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)，這20種點(diǎn)群都不具有對稱中心。因?yàn)榫哂袑ΨQ中心的晶體，其正（負(fù)）電荷的排列是中心對稱的，等效來看，正負(fù)電荷中心都在原點(diǎn)，其正負(fù)電荷中心重合，總電矩為零，宏觀形變在不改變微觀晶體結(jié)構(gòu)的情況下，其正負(fù)電荷中心永遠(yuǎn)重合，不會產(chǎn)生總電矩，因此不具有壓電效應(yīng)。無對稱中心是壓電效應(yīng)的必要條件。
By 勿用
4
Q
尖銳的刀刃在微觀下是不是也是一個個圓形原子組成的？如果是這樣子的話是不是自然界中沒有絕對尖銳事物了？
by young #
A
一般來講，普通的刀尖其刀刃部分是達(dá)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(dāng)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(wěn)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(dá)到只有幾個原子，可以進(jìn)行微觀下單原子的操作。
把原子看作一個個剛性小球時(shí)，單個原子對應(yīng)的尖端可以認(rèn)為是宏觀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，單個原子或者說基本粒子的形狀是否為圓形是有爭議的，或者說在極限條件下考慮粒子的形狀是沒有意義的，這種情況下，“尖銳”對應(yīng)的概念也需要重新定義。如果硬要回答的話，我相信這個答案可能會更好。
By 勿用
5
Q
為什么零攝氏度的蒸餾水劇烈撞擊后會結(jié)冰？
by follies
A
冰點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)水中含有雜質(zhì)時(shí)，冰點(diǎn)會降低，比如當(dāng)海水中的鹽度達(dá)到24.695時(shí)，海水的冰點(diǎn)時(shí)-1.332℃。
結(jié)冰包括兩個過程：液態(tài)水變成固態(tài)水，這是一個相變過程，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自發(fā)的過程）；形成冰-水之間的界面，這是一個界面過程，由于界面能的存在，產(chǎn)生這個界面是反自發(fā)的過程，自由能升高。
蒸餾水中雜質(zhì)較少，結(jié)冰過程中，晶核表面形成冰水界面，在凝結(jié)核較小時(shí)，比表面積大，界面過程占據(jù)主導(dǎo)，晶核的形成使得系統(tǒng)自由能升高，這是一個非自發(fā)的過程，不會自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)晶核足夠大時(shí)，比表面積減小，相變過程占主導(dǎo)，此時(shí)才會自發(fā)結(jié)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(jié)冰。當(dāng)劇烈撞擊時(shí)，外界提供能量使得過冷水局部能量漲落形成足夠大的晶核，從而自發(fā)結(jié)冰。
By 勿用
6
Q
現(xiàn)在電動自行車限速了，很多人想買一臺變速自行車，請問變速自行車的速度跟車輪大小有關(guān)系嗎？
by 許
A
自行車速度的大小和車輪是有關(guān)系的，但并不是簡單的正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)的關(guān)系。下面只討論自行車可以達(dá)到的最大速度和車輪大小的關(guān)系。設(shè)想你正在以一定的速度(腳踏板的轉(zhuǎn)速恒定)蹬自行車，那么大的輪胎直徑一定會增加車速。但是相應(yīng)的問題就是你需要更大的力維持腳踏板恒定的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榇筝喬ハ喈?dāng)于增加了阻力臂?？梢钥闯觯m然在轉(zhuǎn)速相同的情況下大的輪胎速度更快，但是大的輪胎直徑會降低最大轉(zhuǎn)速。極端情況是，輪胎非常非常小，你可以蹬得飛快（不可能無窮快）但是車的速度非常??；輪胎非常非常大時(shí)，干脆就蹬不動了，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。不過我們很難在運(yùn)行過程中隨時(shí)調(diào)節(jié)輪胎大小，這時(shí)變速自行車的變速起就可以發(fā)揮作用啦。它可以通過調(diào)節(jié)齒輪比達(dá)到和改變輪胎大小同樣的效果。
By Nothing
7
Q
為什么時(shí)間長了暖氣的正上方墻面會變黑？為什么放一塊木板可以減輕這種現(xiàn)象？
by 華
A
因?yàn)榕瘹馄浇臏囟雀?，加熱空氣，熱空氣的密度低，向上流動，然后撞上墻壁。而空氣中的灰塵也隨著熱空氣撞上墻壁，所以暖氣正上方的墻面相比于其他地方就容易積攢灰塵，看起來也就更黑。放一塊木板可以減輕這種現(xiàn)象是因?yàn)槟景逶凇按耸苓^”，并且破壞了熱空氣的運(yùn)動方向。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”這個問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有引力。
3. 本科生——引力相互作用就是愛因斯坦場方程。
4. 理論物理學(xué)家——emmmmm，我不知道啊。
考慮到能打開我們物理所公眾號的水友們?nèi)司┦?，那就主要以本科生地方式回答。對引力的詮釋，現(xiàn)在市場上主流的觀點(diǎn)是用幾何進(jìn)行解釋的。并且現(xiàn)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(quán)威的引力理論仍舊是愛因斯坦當(dāng)初提出的經(jīng)典理論。引力和幾何有關(guān)，這乍一聽很不可思議，就像你女朋友告訴你打折就是不要錢一樣～
但是你能像勾選條款一樣同意并相信下面兩個事實(shí)，你會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，會彎曲。
我們都知道光是沿直線傳播的，但是這個有一個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傳播（是的，你的常識又給你產(chǎn)生了一種偏見）。比如在二維球面空間，眾所周知，光走大圓的優(yōu)弧?，F(xiàn)在想象你在某個時(shí)空中觀測到光線彎曲傳播，你能從光的角度說明是收到了引力相互作用還是這個時(shí)空本身就是彎曲的么？
如果你能看完我的瞎扯，并帶著引力和幾何有關(guān)的想法開始學(xué)習(xí)或者準(zhǔn)備學(xué)習(xí)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)動角并和實(shí)驗(yàn)比較做比較的話
你會相信引力就是時(shí)空彎曲帶來的物理結(jié)果，而導(dǎo)致時(shí)空彎曲的便是物質(zhì)，這些都包含在愛因斯坦場方程里。
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(shè)之一即任何物體的速度不會超過光速。換句話說，有效信息的傳播速度不會超過光速，而引力相互作用能改變物體的運(yùn)動狀態(tài)，肯定是不會超光速的。
最后得說一下，引力幾何的闡述是比較主流的觀點(diǎn)，也存在其他觀點(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），還比如來自Steven. Weinberg的觀點(diǎn)，在他的《Gravitation and Cosmology》一書中有這樣的話：
“…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
