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科普教育
中学生科普故事大全集
发布日期:2015-09-25  作者:综合处   阅读数:
中学生科普故事大全集
 
前言
 
    你看过电影《阿凡达》么?你是否也希望能够和影片中的男主角一样,通过先进的科学设备,让自己的思想可以控制另一个身体,在外星人的世界里飞檐走壁、“仰手接飞猱,俯身散马蹄”?
 
    你看过动画片《驯龙高手》么?你是否也想有口吐火焰的巨龙作为坐骑,让它带着你看一看云端的世界多么美妙?
 
    看一看好莱坞的大片,你就会发现几乎所有热门题材都与未来世界有关。人类的生存、地球的前景、能源的开发利用等,都依赖科技去预测和改善。如果你想置身科技之外,你就将成为这个世界的“旁观者”,唯有那些掌握了最核心科技的人,才是未来世界的主导者。
 
    20年前,互联网还只是浮云,但是今天,它已经成为我们生活中不可或缺的一部分;再过20年,将会有越来越多类似的科技,包括生命医学研究成果,改变我们的生活。
 
    也许,其中就有你创造的成果!
 
    当然,要成为科技的创造者,首先要拥有最基础的科学知识。有的人可能想:将来我并不想做一个很牛的科学狂人,我只想去使用他们创造的iPhone、wifi、各种电子卡和电子身份。可是,就是这样一个简单的愿望,也需要很多科普知识作为基础!你认为除了科学家,大多数人都与科普知识无关么?请好好读一读我们的科普故事,你会发现科普知识竟是无处不在!
 
    作为一名中学生,我们对这个世界知道得太少了,但就算是大科学家牛顿和爱因斯坦,在老年的时候也依然会惊叹造地球的神秘和伟大。也许我们整个人类的历史叠加起来,也不及这个世界真相的万分之一,但只要你还抱有一颗好奇心,这个世界中就永远有惊喜等着你!
 
    不论你将来想成为医生,还是律师,或者是面包师、理发师,或者你干脆将来不在地球上工作,而去月球上上班,有一些知识都是我们一定要知道的——科普知识不分年龄、性别和职业,对所有的人来说都是一道美味又营养的知识大餐。
 
    本书精心挑选了众多科普小故事,内容涵盖物理、化学、太空、地球、气象、动物、植物、科技、历史、数学以及人体奥秘等多个方面,既涉及青少年朋友应该了解的科技动态,又包含了一些在我们的日常生活中经常会遇到的问题。每个故事之后,我们还附有“知识点睛”等版块,旨在帮助读者在短时间的阅读中获取大量的信息,更好地掌握知识。
 
 科普故事之物理篇 1
 
    第一章
 
   
 
    力学世界
 
    力学又称经典力学,是研究通常尺寸的物体在受力情况下的形变,以及速度远低于光速的运动过程的物理学分支。
 
    力学知识最早起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。
 
    力学不仅是一门基础科学,同时也是一门技术科学,它是许多工程技术的理论基础,又在广泛的应用过程中不断得到发展。力学是物理学、天文学以及许多工程学的基础。机械、建筑结构、航天器和船舰等的设计都必须以经典力学为基本依据。
 
    力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分。静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动;动力学讨论物体运动和所受力的关系。
 
    1.死海不死
 
    你们知道死海吗?那是西亚一个非常有名的地方。
 
    古时候国家与国家之间经常发生战争。战争失败后被抓住的俘虏,身体强壮的就留下做奴隶,身体差的就全部处死。
 
    有一次战争之后,他们抓了许多的俘虏,这时一位将军就把决定处死的俘虏全部扔到死海里淹死。那些俘虏被扔进死海后,让人吃惊的事情发生了,那些人总是浮在海面上,就是不沉入海里。这位将军很生气地说,把他们都绑上大石头,然后再往海里扔。将军心想,这回他们肯定要死了,但是结果令所有的人都没有想到,那些俘虏仍然浮在海面上,没有被淹死。
 
    那位将军认为是上帝不让俘虏死,心想如果坚持处死俘虏的话,上帝会惩罚自己,所以就决定放了他们。
 
    事情经过很多年以后,人们才知道,那根本就不是上帝的“旨意”,因为死海里的盐分含量相当大,所以死海的密度很大,浮力也就大得惊人。人被扔进去后,总是浮在海面上,不会沉入海里,即使绑上石头也不会沉下去,所以也就不会被淹死了。
 
   
 
    木头为什么能够浮在水面,而铁块不行呢?那是因为木头的密度比水小,铁块的密度比水的密度大的缘故。
 
   
 
    死海其实是一个湖。死海位于亚洲的西部,湖面比海平面低422米,是世界上最低的湖泊。死海的含盐量高达23%~25%,由于湖水的含盐量高,湖水的密度已经超过了人身体的密度,所以跳进湖里的人会浮在水面上,不会游泳的人在死海里也不会被淹死。既然人都淹不死,为什么还叫它死海呢?这是因为湖水太咸,不但湖里没有鱼虾,连湖边也不长草,鸟更不会飞到这里来,整个湖区死气沉沉,没有一点生气,所以得了个死海的名字。
 
    2.杂技团的秘密
 
    一个小城镇里来了一个杂技团,每天都表演一些惊人的动作。小明与小寒听说之后,就立即去看。刚进去,就见一个人用硬气功表演“刀砍不伤”的节目。表演开始,气功师举起刀来,就地取材,在案板上剁断五根木筷,让被砍断的木筷飞溅一地;然后,气功师又猛然跃起,操刀砍下两根指头粗细的树枝,削萝卜、剁木头,让观众的心紧缩,相信这把刀是锋利无比的真刀。接下来,气功师玩“真”的了。把上身的衣服脱光,露出一身强壮的肌肉,这是常年锻炼的结果。表演者摆出一副强悍的姿态,使右手持刀,运气于左胸,胸大肌高高凸起绷紧。气功师挥起大刀,死命地朝左胸砍去,人们只听见“嗵嗵嗵”直响,可是气功师的胸上除了有点红印儿外,连一点伤痕也不见。等气功师表演完了,小明和小寒上前察看,更是惊讶不已。
 
    令他们疑惑的是,大刀锋利到能砍断一捆竹筷、劈下一根树枝,为什么不会伤了皮肉?
 
    带着这样的疑问,他们找到自己的物理老师问了个究竟。听完老师的解说之后,他们才明白,原来大刀的刀尖处是锋利的,而其他部分则是钝的。挥刀砍下,接触气功师身体的那部分是钝的,面积增大,压强减小,再加上挥刀时有技巧,看似重砍,实为轻打。
 
   
 
    缝衣服的时候不小心,针扎破了手指,你所受到的压强与某些高压锅炉里蒸气的压强相比一点也不小;手轻轻拉动刮胡子的刀片,施加在胡子上的压强会达到每平方厘米几千牛顿。
 
    压力和压强看上去类似,实际上相去甚远。压强是单位面积上的压力,针尖的面积是钉子尖面积的几百分之一,所以能用针缝衣服,不能用钉子来缝衣服。
 
   
 
    压强是指单位面积上受到的压力,计算公式:P=F/S。
 
    其中P为压强,单位为帕斯卡(Pa);F指物体受到的压力,单位为牛顿(N);S指施力与受力物体之间的接触面积,单位为平方米(m2)。
 
    3.救命的阻力
 
    如果说一个飞行员从几千米高的飞机上无伞跳下竟没有摔死,你会相信吗?然而,这的确是一个真实的故事。
 
    第二次世界大战中,一架袭击德国汉堡的英国轰炸机被击中起火。坐在飞机后座的机枪手一时拿不到放在机舱前面的降落伞,但又不想活活被烧死,于是他果断地无伞跳出了机舱。他刚刚离开,飞机就爆炸了。这时飞机的高度是5500米。一分半钟以后,他飞快地落到地面。
 
    当他从昏迷中醒来的时候,发现自己并没有摔死,只是皮肤被划破,有多处地方被挫伤。闻讯赶来的德国人也感到惊叹不已,他们对所有的数据进行了精确的测量,这都是一个奇迹。从飞机上无伞下落没有摔死的事例不只这一例,一家报刊也曾登载过幼童从四楼窗口跌下来没有摔死的新闻。
 
    后来,人们经过分析才发现,机枪手下落时幸运地掉在了松树丛林里,而离他不远就是开阔的平原。他先在松树丛上砸了一下,然后掉在积雪很深的雪地上,把松软的积雪砸了一个一米多深的坑。这样一来,机枪手和地面碰撞的时间被延缓了上千倍,冲力也大为减少,只有千分之几。当然也还有一个原因,他受到空气阻力的保护,如果没有空气阻力,从5500米高的地方落下,落地时的速度要达到每小时180公里左右,而空气的阻力使他的落地速度大大减少,这也是产生奇迹的原因。
 
    这样一分析,大家就会发现,许多没摔死的奇迹都有它的道理。
 
   
 
    一只瓷碗从桌面上掉在水泥地面上,肯定摔得粉碎;但是落在木板地上,也许可以幸免;如果落在沙土地上,就肯定摔不坏。
 
    因为从一定高度落下的瓷碗下落到地面时动量是一定的,让它停下来所需要的冲量也是一定的。记住,冲量是力和时间的乘积。瓷碗跟不同的地面相碰的时候,冲击时间大不相同:和硬的水泥地面碰撞时间只有千分之几秒,而和沙土相碰时,时间可以延长到十分之几秒,这就是说冲击时间延长了上百倍,冲击力也就减少到只有百分之一或百分之几,这就是碗在沙土地上没有被摔坏的原因。
 
   
 
    空气阻力Fw是空气对前进中的汽车形成的一种反向作用力,它的计算公式是:Fw=1/16•A•Cw•v2(kg)。
 
    其中,v为行车速度,单位:m/s;A为汽车横截面面积,单位:m2:Cw为风阻系数。
 
    空气阻力跟速度平方成正比关系,也就是说,速度增加1倍,汽车受到的阻力会增加3倍,因此高速行车对空气阻力的影响非常明显。车速高,发动机就要将相当一部分的动力,或者说燃油能量用于克服空气阻力。换句话讲,空气阻力小不仅能节约燃油,在发动机功率相同的条件下,还能达到更高的车速。空气阻力的大小除了取决于车的速度外,还跟汽车的横截面积A和风阻系数Cw有关。
 
 科普故事之物理篇 2
 
    4.多普勒效应
 
    我们坐火车的时候,当一列鸣着笛的火车和你乘坐的火车相遇急驰而过时,你听到的笛声是有变化的。你特别注意过吗?其实,这种变化的界限是非常明显的。当车朝你驶来时,笛声的音调很高,汽笛离你而去时,音调立即降低。车的速度越快,音调的变化越明显。这种变化的发现应该感谢奥地利科学家多普勒。
 
    在1842年,多普勒曾邀请音乐家在车站听火车的笛声变化。由于音乐家的耳朵训练有素,他们甚至能确定1赫兹声音频率的变化,这在当时无精确测量仪器的情况下,对科学家是非常有意义的。后来人们为了纪念他,把这种现象叫做多普勒效应。
 
    然而,人们会带着疑问问道:为什么会产生多普勒效应呢?
 
    音调变高,就是声音的频率加快。按说,声音的频率是由声源决定的,声源振动越快,频率越高。其实,我们听到的音调的高低主要决定于每秒进入我们耳朵的声波数。
 
    多普勒用一个行进的队伍来代表一列声波,两个人间的距离是一个波长。当你站着不动,队伍从你的身边经过,每过去一个人,相当于一个声波进入你的耳朵里。如果你迎着队伍行走,在相同的时间里通过的人数增加;反过来你和队伍同向行进,这时通过你身边的人数变少。所以在火车迎着你开来时,相当于声波被压缩了,频率变高,背离时声波拉长了,频率变低。
 
    当你看到这里之后,应该明白多普勒效应了,在现代社会中,多普勒效应运用十分广泛,它用来测量运动物体的速度:警察用雷达波的多普勒效应测量高速行驶的汽车是否超速行驶,成为超速行车的克星。水文学家用它测量河流的流速,在医院里则可以测量血液在血管里的流速,从而对疾病进行诊断。天文学家利用遥远星体射来的光波频率的微小变化,可以推知星体是向着地球运动还是背着地球运动,并且能知道星体运动的速度,从而验证宇宙大爆炸假说。
 
   
 
    蝙蝠能在黑暗的夜空中捕食飞虫,是依靠超声波的回声定位原理。蝙蝠在空中飞,飞虫也在飞,从蝙蝠发声到接到回声只是一眨眼的工夫,在这么短的时间内,蝙蝠不仅知道了飞虫所在的方位,还能知道它的飞行速度和方向,所以才能准确无误地抓住飞虫。
 
   
 
    多普勒家族在奥地利的萨尔茨堡从事石匠生意,多普勒出生后,按照家庭的传统会让他接管石匠的生意。然而他的健康状况一直不好,相当虚弱,因此他没有从事传统的家族生意。多普勒在中学学习阶段,数学方面显示出超常的水平,1825年他以各科优异的成绩毕业。在这之后他回到萨尔茨堡,后去维也纳大学学习高等数学、力学和天文学。
 
    当多普勒在1829年在维也纳大学学习结束的时候,他被任命为高等数学和力学教授助理,他在四年期间发表了四篇数学论文。之后又当过工厂的会计员,然后到了布拉格一所技术中学任教,同时任布拉格理工学院的兼职讲师。到了1841年,他才正式成为理工学院的数学教授。
 
    多普勒是一位严谨的老师。他曾经被学生投诉考试过于严厉而被学校调查。繁重的教务和沉重的压力使多普勒的健康每况愈下,但他的科学成就使他闻名于世。1850年,他获委任为维也纳大学物理学院的第一任院长,可是他在三年后1853年3月17日在意大利的威尼斯去世,年仅49岁。
 
    5.人造卫星为什么会绕地球飞
 
    北京市某小学组织同学们参观天文馆,孩子们都兴致勃勃。解说员领着同学们来到人造卫星的面前,提出了一个问题:“同学们,你们知道我们无论向上抛什么物体,总会落回地面,这是因为地球引力的作用。地球上的任何物体都逃脱不了地球引力的束缚。那么,人造卫星是怎么飞出地球,逃脱地球引力的束缚的呢?”
 
    一时间,同学们议论纷纷,都找不到最合适的答案。正在同学们眉头紧锁时,解说员说:“其实,这可以从月球得到启发。你们知道,月球和地球之间也有万有引力,为什么月球掉不下来呢?原因在于月球不断地绕地球旋转,在月球旋转的时候,它产生了离心力,这股离心力足以抗衡地球引力对它的束缚。所以它高高地悬挂在天上而不会掉下来。
 
    “因此,科学家们要让发射的人造卫星绕地球旋转而不掉下来,就需要使它具有能抗衡引力的离心力。经过科学家计算,离心力的大小与圆周运动速度的平方成正比。据此可以算出,要使物体不落回地面的速度是7.9千米/秒,也就是说,人造卫星如果达到7.9千米/秒的速度,它就会永远绕地球运行。科学家正是通过赋予人造卫星很快的速度,使它不从天上掉下来。”
 
    听完这些,同学们都受益匪浅。
 
   
 
    物体要脱离地球的束缚,飞向行星际空间,需要达到11.2千米/秒的速度才能实现。
 
   
 
    人造卫星的运行轨道(除近地轨道外)通常有三种:地球同步轨道,太阳同步轨道,极地轨道。
 
    ①地球同步轨道是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。其中有一种十分特殊的轨道,叫地球静止轨道。这种轨道的倾角为零,在地球赤道上空35786千米。地面上的人看来,在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星、广播卫星、气象卫星选用这种轨道比较有利。地球同步轨道有无数条,而地球静止轨道只有一条。
 
    ②太阳同步轨道是绕着地球自转轴,方向与地球公转方向相同,旋转角速度等于地球公转的平均角速度(360度/年)的轨道,它距地球的高度不超过6000千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。
 
    ③极地轨道是倾角为90度的轨道,在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空,可以俯视整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星、军用卫星常采用此轨道。
 
    6.留住自行车的摩擦力
 
    有一天,周妈妈带着儿子小强来到海边玩,小强出门时一定要带上自己心爱的自行车。
 
    到了海边,小强骑上自己的小自行车,但在沙滩上始终骑不动。这时,妈妈走过来,微笑着对小强说:“会骑自行车的小朋友都知道,自行车在沙滩上是寸步难行的,不管你用多大力气,轮子都是转不起来。下车看一看,你就会发现,自行车轮子的下边陷进了沙子里。车轮转不动,就是这些沙子在捣乱,是沙子用摩擦力拽住了轮子。”
 
    回到家后,妈妈又给小强做了一个有趣的实验,妈妈用一个搪瓷缸、一把筷子和一大碗米来做实验:把筷子放在搪瓷缸里,用大米把筷子压实,向上提筷子,筷子没拿出来,倒把整个缸子提起来了。这也是摩擦力在作怪。
 
    妈妈接着说:“自行车陷进了沙滩,就像筷子插在压实的大米里一样,在车轮和沙子之间会产生很大的摩擦力,正是这个摩擦力拽住了车轮子。”
 
    看完实验之后,小强从此不再骑自行车去海滩上玩了。
 
   
 
    如果没有摩擦力,人们的生活又会发生什么样的变化呢?
 
    首先,也是最基本的,我们无法行动。脚与地面没有了摩擦,人们简直寸步难行。自行车车轮与地面间光滑,怎么才能开动呢?汽车还没发动就打滑,要么就是车子开起来了就停不下来,没有阻碍它运动的力,就只能无限滑下去,最后与其他车相撞造成一起又一起的交通事故。飞机无论是活塞发动机或者涡轮喷气发动机都无法启动。
 
   
 
    计算摩擦力的大小时,应先判断该摩擦力是滑动摩擦力还是静摩擦力。
 
    最大的静摩擦力可以视为滑动摩擦力,计算公式为F=μN。其中μ指的是滑动摩擦系数,它只跟材料、接触面粗糙程度有关;N为正压力,单位为牛顿(N)。
 
    7.名侦探的解密之道
 
    《福尔摩斯探案集》是世界上一本非常具有影响力的小说,作者是柯南•道尔。
 
    有一次,柯南•道尔在英国北部旅行的时候,一位男爵夫人找到他,希望帮助解开一个五年未解的谜。
 
    “五年前,我的丈夫去世了。他生前爱好高尔夫球,曾嘱咐要给他造一个像高尔夫球那样的墓,我照着做了。墓地是一块很大的长方形的石面,石面上凿有一个浅浅的坑,坑里放着一个直径80厘米的大理石球。墓是朝南的,在球上朝南的一面雕刻了一个十字架。墓地四周有高高的铁栅栏,平时无人进入。”男爵夫人说。
 
    “夫人,发生了什么事呢?”柯南•道尔问。
 
    “自从我的丈夫去世之后,每年冬天我都去法国南部,那里的冬天比较暖和,这样我心情也会舒服些。我每年春天回来给自己丈夫扫墓时,都会发现大理石球的南面都向下转了一点,你看看,现在的十字架都有一部分被压到了下面。这个现象只发生在冬季,其他季节没有。到底是谁滚动了大理石球呢?难道说是我丈夫的灵魂要出来,想与我一起去法国南部温暖的地方过冬吗?”
 
    于是,柯南•道尔跟随男爵夫人到墓地查看。那石面上的浅坑里存着一些水,周围长满苔藓。大理石球,他估计有几百斤重,如果有人撬动它,也不是件很容易的事,是什么目的让别人去撬动它?真是她丈夫灵魂的力量吗?作为侦探家,他更求助于科学的解释。
 
    这时,柯南•道尔的目光又落在浅坑的积水上。忽然他找到了解谜的“钥匙”。他说:“夫人,那不是灵魂的力量,而是冰和水的原因。在这里,冬天的夜晚温度常在0℃以下,浅坑里的积水总要结冰,而冰的体积要比原来水的体积大1/10还多。到了白天,由于阳光照射,球南面的冰会融化成水,而球北面受不到阳光照射,冰仍旧不变。这时,球两边受力不再平衡,南边没有冰的支持,它就比较容易向南滚动。到了夜晚,如果再积水再结冰,结冰时膨胀的力量更容易使球向南滚动。一冬积累起来,球就转动得比较明显了。”
 
    男爵夫人的谜被解开了。
 
   
 
    在力学系统里,平衡是指惯性参照系内,物理受到几个力的作用,仍保持静止状态,或匀速直线运动状态,或绕轴匀速转动的状态,叫做物体处于平衡状态,简称物体的“平衡”。因稳定的不同,物体的平衡分为稳定平衡、随遇平衡、不稳定平衡三种情况。
 
   
 
    柯南•道尔(1859—1930),英国杰出的侦探小说家、剧作家。毕业于爱丁堡医科大学,行医十余年,收入仅能维持生活。后写侦探小说。《血字的研究》几经退稿才发表,以《四签名》闻名于世。1891年弃医从文,遂成侦探小说家。代表作有《波斯米亚丑闻》《红发会》《五个橘核》等。1894年决定停止写侦探小说,在《最后一案》中让福尔摩斯在激流中死去。不料广大读者对此愤慨,提出抗议。柯南•道尔只得在《空屋》中让福尔摩斯死里逃生,又写出《巴斯克维尔的猎犬》《归来记》《恐怖谷》等侦探小说。他塑造的福尔摩斯已成为世界上家喻户晓的人物。
 
 科普故事之物理篇 3
 
    8.泄露秘密的玻璃
 
    曾一度辉煌的拿破仑在经历1815年滑铁卢战役失败后,被流放到大西洋南部的圣赫勒拿岛。看管的将军是英国人罗埃,对拿破仑的管理十分苛刻,只准一个仆人照料。
 
    一天,快到中午时分,仆人还没回来做午饭,拿破仑气得直跺脚。正在这时,一个英国军官来说:
 
    “阁下,你的仆人偷了长官的十枚金币,他被逮捕了。”
 
    “混蛋!”曾经风光一世的拿破仑怒不可遏,破口大骂,“我的仆人绝不会干那种事!罗埃他连个仆人都不想给我留!”说罢就气冲冲地去找罗埃。他虽是囚犯,但仍留存着昔日统帅的威严。
 
    “你给我讲讲仆人偷金币的过程!”拿破仑吼道。
 
    罗埃说了事情的经过。原来,那天上午,仆人来找罗埃,要他给拿破仑请医生。当时罗埃正在清查收缴的金币,便叫秘书把仆人领到东边套间等候。罗埃告诉拿破仑:“我将金币放进抽屉里锁上,就去厕所。三分钟不到就回来了,发现钥匙忘在桌子上。收好钥匙,我叫你的仆人过来谈话。他走后,我又把抽屉里的金币清点一遍,发现少了十枚。不是你的仆人偷的,还会有谁呢?”
 
    “在我的仆人身上搜到金币没有?”
 
    “没有,想必是他藏起来了。”
 
    拿破仑仔细看了看这个长官室,它的东西各有一个同样的套间,在通往套间的门上,门闩都在长官室这边,门上都装着相同的毛玻璃。东边的一间,他的仆人刚才呆过;西边的一间,罗埃的秘书正在办公。这两个套间又各自有门通向外边。拿破仑的手触摸到内门上的毛玻璃时,他发现东间的门上,是毛玻璃的粗糙面在长官室一边;而西间的门上,是毛玻璃的光滑面在长官室一边。于是,拿破仑果断地走进西间,以不容辩解的口气朝秘书厉声喝道:“你把偷的十枚金币交出来!”
 
    那秘书先是一愣,然后狡辩起来。拿破仑说:“毛玻璃粗糙的一面,是凸凹不平的。当光线射上去以后,就会向四面八方反射回来。这就是漫反射。这样,很少有光线透过玻璃,所以隔着毛玻璃很难看清对面的东西。如果将水涂到粗糙面上,水就会将凸凹不平的地方填平,使漫反射大大减少,增多透过玻璃的光线,人就能隔着它看到对面的东西了。东间门上的毛玻璃粗糙面在长官室一边,我的仆人绝不可能将水涂到粗糙面上,而你在西间则可以办到,所以你可以清清楚楚地看到罗埃把金币放在哪里。就在罗埃上厕所的当儿,你从西间迅速出门,由屋外面进入长官室,拿起桌上的钥匙开了抽屉偷走金币,然后再由屋外回到西间。”这番话让罗埃的秘书哑口无言,只好交出金币。罗埃只得把拿破仑的仆人放走。
 
   
 
    车前部两侧的反光镜通常是凸镜,它的视野比平面镜更大一些。车内中央的后视镜常是平面镜,车灯的反光罩是凹镜,它能会聚光线。在汽车上有的地方也要防止光的反射,如挡风玻璃做成斜向,从光学角度来说可有效防止外部强光的反射影响驾驶员看清前面的路。
 
   
 
    随着工业技术的改进,玻璃生产技术也不断得到提高。应用最新全息技术开发而成的创新装饰玻璃产品镭射玻璃就是新型的装饰玻璃。它是应用镭射全息膜技术,把预制之镭射全息膜夹在两层玻璃中间,形成表面透明、但在各种不同角度上看可呈现不同的颜色、图案和视觉效果的特种玻璃。
 
    镭射玻璃目前多用于酒吧、酒店、商场、电影院等商业性和娱乐性场所,在家庭装修中可以把它用于吧台、视听室等空间,如果追求很现代的效果也可以将其用于客厅、卧室等空间的墙面、柱面。
 
    9.上下坡的车痕
 
    倪宁非常喜爱骑自行车。有一天,他工作了一个通宵,到清晨才完成。他想骑自行车散散心之后再回家休息,就上街了。
 
    突然他发现一个警察躺在路旁,腹部被刺伤,鲜血直流。他连忙停下车,用自己的围巾捂住他的伤口。警察忍着剧痛说:“十分钟之前……一个青年……突然用刀刺我……抢了我的自行车……向那边逃走了……”说完就闭上了双眼。
 
    这时,天也亮了,恰巧有个上早班的人经过,倪宁招手向他求助,让他照料死者,自己骑车去追凶犯。走到前面,路分成左右两个岔道,而且都是上坡路。凶犯去哪条道了呢?他下车仔细察看哪条道有自行车压过的痕迹。
 
    刚下过雨,路上有松软的黄沙,车痕清晰可见,两条路上都有。
 
    “这两条都是上坡路,”倪宁镇静地想,“两边的车痕有什么不同之处吗?”
 
    他发现右边路上的车痕,两个轮子所压的深浅差不多,而左边路上的车痕,两轮所压的深浅差别很明显。他忽然明白过来。这时,正好有警察赶到。倪宁告诉他们:“凶犯是从右边道上走的!”
 
    刑警便从右边道上追去,追到了凶犯之后,便找到倪宁问了个究竟。倪宁分析说,平常骑车时,身体的重心离后轮近而离前轮远,所以人的重力分别压到两个轮子上时,分解给后轮的力大,而分解给前轮的力小。这样,后轮的压痕深,前轮的压痕浅。上坡时,身体要向前倾,重心前移,使前后轮所受的压力相差不多,两轮的压痕也就差不多一样深浅。左边道上的车痕是下坡的痕迹,绝不会是凶犯的车留下的。
 
   
 
    什么情况下汽车在路面行驶不会留下痕迹呢?那就是失重的状态。影片中大侠们“腾云驾雾,飞檐走壁”的绝技在太空飞行中可是易如反掌,你只要轻轻一点脚,人就会腾空而起,在空中自由地飞来飞去,本领之大,超过人们的想象。以上种种的现象就是人们通常所说的失重。
 
    判断物体是否完全失重一个最重要的标志是,物体内部各部分、各质点之间没有相互作用力,即没有拉、压、剪切等任何应力。
 
   
 
    重力的大小跟物体的质量成正比,计算公式为:G=mg。
 
    其中G为重力,单位为牛顿(N);m为质量,单位千克(kg);g为重力常数,等于9.8N/kg。
 
    在静止的情况下,物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力也等于物体受到的重力。
 
    10.科学家断案
 
    大科学家伽利略因主张“日心地动说”而被天主教法庭审判,他的著作也被查封,70多岁的他也被软禁在家中。
 
    在他被软禁的日子里,有一天接到女儿的一封信,他看过之后拖着病弱的身体去了附近一个修道院——女儿就在这里当修女。
 
    “出事的现场在哪里?”老人问。
 
    “在钟楼第四层的阳台上。”女儿一边用手指着一边说。
 
    伽利略预测了一下,阳台高度大约15米,阳台的下边是条大河,对岸大约在40米以外。
 
    根据女儿在信中的描述,他们是昨天早晨发现索菲尔死在阳台上的,她的右眼被一根细细的针刺过,针丢在尸体旁。那天晚上风很大,而钟楼下面的大门是从里面闩好的,没发现有第二个人在里面。是自杀吗?不可能,索菲尔是个虔诚的教徒,她绝不会违背教规而轻生的。突然他萌生了一个假设,是凶手从河对岸将毒针射过来。
 
    “她为什么一个人在晚上去钟楼呢?”父亲问女儿。
 
    “听说她对您支持哥白尼的‘日心地动说’(地球是围绕太阳转动的星球)的著作很佩服。她经常偷偷阅读这本书,但又不能被院长所发现,那晚她一定是上钟楼去观察星星和月亮了。”
 
    伽利略曾经发明了一种望远镜,用它来观察,能将30米远的物体拉近到1米远,相当于把物体放大将近1000倍。他用来观察星星、月亮和太阳,做出了许多重大的天文发现。
 
    “有人对她恨之入骨吗?”他反问道。
 
    “好像有个同父异母的弟弟,为遗产分配的事特别恨他姐姐。出事的前一天,她弟弟送来一个小包,我不知道是什么。整理遗物时不见了。”
 
    伽利略好像猜到了什么,说:“也许能在阳台下面的河底找到一架望远镜。”
 
    果然不出所料,真的找到了一架望远镜。这是一架经过改装的望远镜。
 
    “望远镜与杀人有什么关系?”女儿仍然一头雾水。父亲讲了他的推测。
 
    伽利略在排除了索菲尔自杀的可能,排除了凶手现场杀人的可能以后,猜想凶手一定用狡猾的方法,让索菲尔在观察星空时,无意中用自己的手向自己射出毒针。他对女儿说:“索菲尔的弟弟事先在望远镜的镜筒里装上毒针。为了看清星星,索菲尔会在右眼贴近镜筒时,转动镜筒。镜筒中有螺纹,螺纹是斜面的一个应用:沿斜面移动较长的路程,镜筒才沿着‘斜面的高’向前移动较短的路程,以保证精确地调节镜片之间的距离。就在转动镜筒时,将连着毒针的压缩弹簧拉断,弹簧发生形变时储存的能量把毒针射出。索菲尔疼痛难忍,望远镜失手落水,她急忙将毒针拔出,但不敢喊救命。等毒性发作,就死去了。”
 
    伽利略丰富的科技知识帮助他破了案。
 
   
 
    在古代,弓箭为什么一拉就射出去了呢:那是因为人的力量让弓形成一个弧形,松开时,拉力变成了弹力,让箭射出去了。古代很多的战斗武器,如投石器等,都是利用这一原理设计的。
 
   
 
    伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播哥白尼的日心说,伽利略献出了毕生精力。他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他被称为“近代科学之父”。
 
 科普故事之物理篇 4
 
    11.画家脖子上的短剑
 
    曾经两次获得奥林匹克马拉松冠军的阿贝贝,两次都打破了世界纪录,但后来的一次车祸改变了他的人生,让他终生都在轮椅上度过。他出席在英国举行的残奥会期间,曾受命去拜访一位世界著名的画家,这位画家也是坐在轮椅上的残疾人。
 
    画家住在伦敦郊外的古城堡里,阿贝贝与使馆人员共同前往。画家的秘书出来迎接,并用电话与城堡最高层的四楼联系,那是画家的画室。
 
    画家在电话里客气地说:“请阿贝贝先生用茶,请稍等会儿,我这就乘电梯下来。”
 
    当电梯下到一楼,门自动打开时,他们都惊呆了:画家坐在轮椅上奄奄一息,脖子上刺着一把短剑,剑柄上拴着一根很粗的橡皮筋。他们立即把画家推出来并放置好。
 
    “奇怪,画室里只有画家一个人啊!”秘书说,并告诉阿贝贝和使馆工作人员,除了电梯,楼里还有一个螺旋楼梯。
 
    “我们分别上去看看。”阿贝贝建议。他坐着轮椅进入电梯,画家秘书领使馆人员由螺旋楼梯上去。他们在四楼会合,没发现有什么可疑的地方。
 
    “我去看看电梯上下经过的竖道里有什么异常情况。”秘书悲伤地说,并托使馆人员用电话报警。
 
    秘书打开楼梯的天花板,爬到四楼顶上去了。使馆人员在报警后也跟着上去,却找不到秘书。阿贝贝忽然想起刺在画家脖子上的那把剑,想到上面的橡皮筋,想到电梯顶棚上的通风口,便对使馆人员说:
 
    “那个秘书就是杀人犯!”
 
    这时,警察也迅速赶到,面对阿贝贝肯定的语气,“你为什么判断那个秘书就是杀人犯呢?”使馆人员和警察同时向阿贝贝提出这个问题。
 
    阿贝贝分析说,秘书一直觊觎(jìyú,企图得到不应得的东西)画家的成果,他想利用这次来访之机,借刀杀人,转移警察视线,就预先在楼顶拴上一根又粗又长的橡皮筋,它的下端拴上一把锐利的短剑,通过电梯上面的通风口悬挂在电梯里。画家乘电梯时,因为是坐轮椅,他的位置只能在电梯间的正中,恰好在短剑的下方。当他进入电梯时,一般不会抬头向上看,难以发现头顶上的短剑。当电梯下降时,短剑挡在电梯里,橡皮筋被拉长,短剑受到向上的拉力,压在电梯顶部。当橡皮筋的伸长远远超过它的弹性限度时,就被拉断。这时,悬空的短剑就会下落刺中画家。秘书假装不知,抽身逃走,这反倒露出马脚,终于受到应有的法律制裁。
 
   
 
    一般情况下,凡是支持物对物体的支持力,都是支持物因发生形变而对物体产生弹力,所以支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体。
 
   
 
    胡克定律(弹性定律),是胡克最重要发现之一,也是力学最重要的基本定律之一。在现代,它仍然是物理学的重要基本理论。胡克定律指出:“在弹性限度内,弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比,即f=-kx。k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。”为了证实这一事实,胡克曾做了大量实验,包括各种材料所构成的各种形状的弹性体。
 
    12.安全驾驶
 
    天渐渐黑了,小李开着车飞驰在机场高速公路上,这次是开车去接一位教授。一路上,小李想象着这位客人是什么模样,怎样能找到他。谁知,一走神,汽车朝一堵墙开去,原来是走到了一个丁字路口。怎么办?他非常冷静地处理这种突发的情况,在行驶的方向上急刹车以争取停在墙的前面。
 
    经验和直觉让他迅速急刹车。“吱”的一声车停在墙前,好险啊!幸亏周围没人没车,他下来检查一遍,除了因刹车使车轮磨损较大以外,其他的地方都没有损伤。他再次上车,将车倒回公路上,又上路了。他全神贯注地开到机场,顺利地接到了教授。
 
    在回来的路上,又走到丁字路口,他倒吸一口凉气:“刚才好险啊!”教授问明情况后,解释说:“你很沉着果断。不过,急刹车磨损太大,你还有更好的办法可以采用!”
 
    “什么办法?是不是急转弯?”小李问。
 
    教授说:“不能急转弯。如果不减速而急转弯,势必会碰到墙上。因为,按转弯半径等于刹车所用的距离来考虑,使汽车转弯所需要的力,是向前急刹车所需要的力的两倍(将来利用高中物理的公式可以很容易推出这个结论)。这力哪里来?只有依靠车轮与公路的摩擦力。既然这个摩擦力只能使汽车刚好停在墙前,那么靠同样大的摩擦力就不可能在碰墙之前转过弯来,必然撞墙。所以不刹车而急转弯是最不安全的办法。为了减少急刹车造成的磨损,可以适当刹车同时转弯。刹车时,能把车轮与地面的滚动摩擦变为滑动摩擦,摩擦力增大了,转弯半径就可以减少。在这种情况下,怎样才能做到适当刹车也不是容易掌握好的。还有,向哪个方向转弯更安全些呢?向右转弯?向左转弯?当然是向左转弯,因为我们都是靠右行驶,向左转弯的半径比较大,相对来说更安全些。总之,如果掌握得恰到好处,那么适当刹车的同时向左转弯,结果会更好些。”
 
   
 
    在我们坐车时,为什么车向左拐时,我们的身体向右倒呢?其实这也是惯性造成的。“子弹离开枪口后还会继续向前运动”,“水平道路上运动着的汽车关闭发动机后还要向前运动”这些都是惯性。惯性与力有着极大的差别:①惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质;而力是指物体对物体的作用。惯性是物体本身的属性,始终具有这种性质,它与外界条件无关;力则只有物体与物体发生相互作用时才有,离开了物体就无所谓力。②惯性只有大小,没有方向和作用点,而大小也没有具体数值,无单位;力是由大小、方向和作用点三要素构成,它的大小有具体的数值,单位是牛顿。③惯性是保持物体运动状态不变的性质;力作用则是改变物体的运动状态。
 
   
 
    牛顿第一定律(即惯性定律)是:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质就叫做惯性。
 
    13.被抛出去的尸首
 
    林肯这个名字在美国家喻户晓,他是美国第16任总统,还领导了黑奴解放的革命战争。
 
    林肯24岁时在一个乡村邮局当代理局长。那时,他每天的工作就是把信件一一送到收信人的手中。
 
    一天早晨,他给刚来这里不久的一位神父送信,却一直叫不开门。神父自己单独住一间小屋,他心想神父也许出去散步了,于是便去田野间寻找神父。还没走多远,他就远远看见神父倒在地上,背上还插着一支箭。
 
    林肯马上报了警,当警察来到时,一看那支箭,就知道是与这个村有仇的一个土著酋长在实施报复。
 
    细心的林肯发现,杀人现场既没留下凶手的脚印,也没有被害人的脚印。脚印哪里去了?
 
    警察说:“没有凶手的脚印,这不奇怪。因为凶手是从远处射的箭。可是昨晚下过雨,土是湿的,如果神父走过,一定会留下脚印的。”
 
    “莫非神父是昨晚下雨以前就被害了,雨把脚印冲掉了?”林肯猜测着。
 
    “不,如果是那样,神父的衣裳和身体也应该是湿的。”
 
    “是风吹干了吗?”
 
    “也不是。你看神父伤口凝固的血,并没有被雨水冲洗的痕迹。”
 
    身高1.93米的林肯环顾四周,他看到在3米远的地方有块高2米的板墙。板墙的那边是个破旧的大院,院子里有棵大树,树上还挂着一个秋千。林肯细心地观察,在板墙的附近也没有脚印。
 
    由于警察个子不够高,他看不到院里的情况。林肯把看到的情况说给警察听。
 
    突然,林肯说:“我知道为什么没有神父的脚印了。”
 
    他抱起警察让他看板墙的那边,但是警察仍然大惑不解。林肯解释了一遍,警察连连点头表示信服。后来的事实,证实了林肯的推断。
 
    到底为什么没有神父的脚印呢?
 
    原来,神父早晨散步来到院子里,心里高兴,就荡起秋千。藏在远处的凶手,正好在神父荡到最低点,就是离地面最近时射中了他。荡秋千的过程,是重力势能与动能互相转化的过程。经过最低点时,势能最小而动能最大,所以此时人的速度最大。神父被箭射中后,失了手,在惯性的作用下,被斜向上抛出,在脱离秋千踏板后,被抛过2米高的板墙,落在板墙外3米远的地上,所以没有留下他的脚印。从理论上讲,若以与地面成45°角斜向上抛出,则抛得最远。
 
   
 
    你们知道故事中动能讲的是什么吗?其实,动能定理是描述物体在空间运动的位移过程中,合外力对物体做的功与物体功能变化之间关系的物理规律。
 
   
 
    重力势能是物体和地球组成的系统所共有的,而不是物体单独具有的。重力势能的大小是相对的,即它的大小与参考平面的选取有关。原则上,参考平面可任意选择,一般选择大地为参考平面;而重力势能大小的改变是绝对的,即它的大小与参考平面的选取无关。
 
    14.身陷绝境,裹毯滚坡
 
    公元263年,邓艾和钟会是魏国的两员大将,他们分别率领大军去征讨蜀国。当钟会率领的大军攻到剑阁时,遇到了蜀国大将姜维的顽强抵抗,姜维把守险要的关口,居高临下,钟会难以推进,只得在剑阁外安营扎寨。这时,邓艾发现钟会想独占征讨蜀国的军功,便前去见他。
 
    钟会劈头就问:“邓将军,我这里剑阁受阻,你有何攻蜀良策啊?”
 
    邓艾说:“将军必须出其不意,攻其不备。你可以派兵走剑阁西面的阴平道,直取成都。这条小道全是悬崖峭壁,蜀军几乎没有设防。”
 
    邓艾说完,钟会马上意识到邓艾想引自己误入绝境,便想顺水推舟,于是他说:“那就先请邓将军引路吧!”他预料,邓艾纵有三头六臂也难以通过这条险路,让他抢头功去吧。
 
    听完钟会的话之后,邓艾决定率精兵而去,他一路逢山开路,行军非常艰难。有一天,邓艾率领的大军来到了摩天岭,将士们向下一看,全是陡峭的大斜坡,已经是无路可走。这时,许多人坐在山头上大哭起来。
 
    邓艾近前一看,心中暗暗吃惊,但他镇定地对大家说:“我们至此已无退路。前面虽险,但只要通过眼前的斜坡,便可直取成都,大家同去享受荣华富贵。众将士,跟我来!”
 
    说罢,邓艾就用毛毯把全身裹起来,沿坡滚下,刹那间便通过了险坡。众将士也不敢怠(dài)慢,先将兵器扔下去,然后各自取出所带的毛毯,裹住身体滚坡而下。几千名将士终于从绝境中闯了出来。不几天,邓艾大军直逼成都,迫使蜀后主投降。
 
    看到这里,人们都会非常惊讶,邓艾率领的将士们怎么没有摔伤呢?其实原因是这样的,人向下滚坡时,难免与凸凹不平的坡路碰撞。由于速度很快,必须要防止撞伤,为此就要设法减少相互碰撞时的作用力,毛毯就起着这种作用。
 
    为说清其中的道理,先看鸡蛋下落掉地的情形。当鸡蛋从相同的高度落到石头上时,每次都会碰破;而落在棉花堆上就碰不破了。两者的不同在于碰撞时间。所谓碰撞时间,就是鸡蛋从触地瞬间的下落速度到静止所用的时间。碰上坚硬的石头,鸡蛋立即静止了;碰上柔软的棉花,则是先将棉花压缩,“慢慢地”静止下来。
 
    物理学原理告诉大家,物体的速度迅速变化时,它受到的力一定大,而缓慢变化时,它受到的力一定小。这样大家就可以明白,人在裹上毛毯滚坡时,一来,毛毯避免了人体与山坡的直接接触;二来,毛毯的柔软松厚能延长碰撞时间,以减小碰撞时的作用力。这与鸡蛋落在棉花上类似,只不过这里不是鸡蛋碰棉花,倒像是棉花碰鸡蛋了。
 
   
 
    人走路时,脚与地面之间有何作用?这些是什么性质的力?力是存在于两物体间的相互作用,甲物体对乙物体有作用力,乙物体也必对甲物体有作用力。它们相互以对方作为自己存在的前提,不能孤立地存在。我们把其中任意的一个力叫做作用力,另一个力叫做反作用力。
 
   
 
    根据牛顿第三定律:两个物体间的作用力和反作用力大小相等、方向相反,在一条直线上。
 
 科普故事之物理篇 5
 
    15.手不沾水取出硬币
 
    在明光中学的实验课上,老师在桌子上放着一只大而浅的盘子,盘子里有一枚硬币。张老师一边向盘子里倒水一边说:“水面已经超出硬币了。条件是不许把手沾湿,而把硬币取出来,哪位能做到?”
 
    话音刚落,学生们就纷纷议论起来,又说又做,真想出了不少办法呢!
 
    小余的办法是:带上橡胶手套将硬币取出来。
 
    小赵的办法是:用手拿着镊子把硬币夹出来。
 
    小刘说,等水蒸发完了,再用手拿硬币。
 
    小李干脆把盘子拿起来,小心地把水倒掉,等硬币上没水了,再用手拿。
 
    小程拿一条干毛巾把盘子的水吸干,然后用手拿出硬币,并说这是利用毛细现象吸水。
 
    小柳拿一只玻璃杯,把点燃的纸团放进去,等杯子烧热了,将它倒扣在硬币旁边的水上。只见盘子里的水被吸到杯子里去了,硬币上没水了,便可用手取出。他说这是利用大气压力将水压到杯子里去了。
 
    小梁拿了一条橡皮管,先没在脸盆里,使管子里充满水,用手指分别堵严两边的管口,一头放入盘子的水里,一头下垂在盘子的下面,然后松开手,盘子里的水便自动顺着管子流出,直到全部流干净为止。硬币干了,再用手取出。他说这是利用虹吸现象排水,本质上也是大气压力的作用。
 
    一下子想出这么多办法,张老师很高兴。他对大家说:“其实想实现让手不沾水取出硬币的方法很多,大家还可以继续想。各种问题都可以从不同的角度多想几种方法去解决,这就是所谓的发散思维。至于哪种办法好,这不能一概而论,要根据实际的要求和条件去判断。大家还要注意,有了许多办法,应该把它们整理一下,作一个分类归纳的工作,这样就容易抓住每种思路的实质,便于沿着正确的方向再找新的方法。你们把上面的各种方法归纳一下吧。”
 
    这种方法可以归纳为两条思路:一是把手隔离起来再与湿的硬币接触,如戴手套、拿镊子;二是使硬币脱离水,变干,手就可以直接拿了。这后一条思路又可分为两种:一是水不动,使硬币离开水,如用木棒将硬币从水中拨出来;二是硬币仍在盘中而把水引走,如靠蒸发、毛细现象、虹吸作用等。
 
   
 
    大气压的变化跟哪些因素有关?它是怎样变化的?
 
    大气压的变化跟高度有关。大气压是由大气层受到重力作用而产生的,离地面越高的地方,大气层就越薄,那里的大气压就应该越小。不过,由于跟大气层受到的重力有关的空气密度随高度变化不均匀,因此大气压随高度减小也是不均匀的。
 
   
 
    大气压不是固定不变的。为了比较大气压的大小,在1954年第十届国际计量大会上,科学家对大气压规定了一个“标准”:在纬度45°的海平面上,当温度为0℃时,760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。既然是“标准”,在根据液体压强公式计算时就要注意各物理量取值的准确性。
 
    从有关资料上查得:0℃时水银的密度为13.595×10.3kg/m3,纬度45°的海平面上的g值为9.80672牛顿/千克。
 
    第二章
 
   
 
    声学天空
 
    声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质,可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质;机械波是指质点运动变化的传播现象。
 
    现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用,以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质,也有量子性质。
 
    声学的中心是基础物理声学,它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射,机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关,从海洋学到语言音乐,从地球到人的大脑,从机械工程到医学,从微观到宏观,都是声学家活动的场所。
 
    声学的边缘科学性质十分明显,边缘科学是科学的生长点,因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。
 
    1.来路不明的客人
 
    美国电话电报公司当今在国际上是500强的企业,这家公司是在1925年由美国科学家贝尔成立的。
 
    1928年,电信工程师卡尔•央斯基来到了美国电话电报公司的实验室。
 
    “你负责搜索和鉴别电话的干扰信号,”公司领导对新来的央斯基说,“这样才能更好地改进电话性能。”
 
    央斯基愉快地点点头:“好的。”
 
    央斯基在单调乏味的工作岗位上,默默无闻、无怨无悔地干了三年,然而他是一个做事非常认真的人,平凡的工作他也干得有声有色。
 
    1931年秋天的一个上午,卡尔•央斯基像往常一样,仔细地接听、辨别接收机里的各种信号。突然,他的耳机里传出一种奇怪的“咝咝”声。
 
    这奇怪的杂音引起央斯基的注意,他心想:“这是什么声音,难道有什么新的干扰吗?”
 
    细心的央斯基发现这种噪音不同于一般噪音,显得很平稳,一直保持着那种“咝咝”的声音,而一般噪音的干扰是不稳定的。
 
    “这里一定隐藏着什么。”他一边想着,一边在心里小声地说。
 
    一般人对一件小事,或者一个细节都很容易忽略,但年轻的央斯基却紧抓不放。这微弱的声音,却对后来的天文学界产生了巨大的影响。
 
    “真是一件怪事,这种干扰信号竟然每隔23小时56分4秒就出现最大值,信号就特别强。”央斯基既非常困惑,又非常惊喜,并对这一“噪音”产生了很大的兴趣,希望能够破解其中的奥秘。
 
    央斯基继续集中精力来监听这一声音。起初,他推测这一微弱的声音可能来自太阳,后来发现这一声音每次总是提前4分钟来临,又推测它不是来自太阳。
 
    “这个来路不明的‘客人’到底是谁呢?”央斯基彻夜未眠,他总想找到身份不明的干扰源。
 
    时间一天一天过去了,央斯基的研究仍然没有结果。后来,他去一位朋友那里做客,当他谈及心中的难题时,这位研究天文学的朋友说:“恒星时的周期比太阳时的周期每天要短4分钟。”
 
    朋友的话就像什么东西刺到了他的神经,让他马上产生了灵感。他想:“这个奇怪的信号,一定是和某颗恒星有关。这个无线电波一定是来自太阳系以外的一个地方。”
 
    他经过一年多的精确测量和周密分析,工夫不负有心人,终于确认这种“哨声”来自地球大气之外,是银河系中心人马座方向发射的一种无线电波辐射。
 
    这个意外的发现,引起了天文学界的震动,从此拉开了射电天文学研究的序幕。
 
   
 
    央斯基发现射电波给我们最大的启示,在于让我们懂得现代科学的各门学科之间是相互交错,又相互联系的,某一学科的偶然发现往往是另一门学科诞生或有重大突破的开始。
 
   
 
    广播节目的发送在广播电台进行。广播节目的声波,经过电声器件转换成声频电信号,并由声频放大器放大,振荡器产生高频等幅振荡信号;调制器使高频等幅振荡信号被声频信号所调制;已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线,天线将高频能量转换成无线电波辐射出去。
 
    2.乐师驱“鬼”
 
    在古代,洛阳有个和尚买了一个磬(qìng,形状类似于钟,是能发出声音的乐器)放在房间里。自从这个磬放在房间以后,经常无缘无故地发出“嗡嗡”的声音。这件奇怪的事情在寺庙里渐渐传开了,寺里的和尚都认为这是鬼在作怪。他们想了许多办法要把这“鬼”驱走,但都没有实现。
 
    这时,买磬的和尚也被吓出了病。有一天,他的一位朋友来探望他,这个人是个乐师。乐师拿起磬敲了敲,左看看,右看看,折腾了好长时间也没搞清楚是什么原因,他也只好无奈地起身告辞。这时,寺里的大钟响了,那个磬也跟着“嗡嗡”地响起来。乐师看了看磬,紧皱的眉头舒展开了。他笑着说:“你不用担心,明天我来把‘鬼’赶走。”
 
    第二天,乐师果真来了,他从怀中取出一把锉刀,在磬的不同地方狠狠地锉了几下。自从锉过以后,那个磬再也没有发出“嗡嗡”的声音。
 
    这时,寺里的和尚都前来问乐师缘由,乐师告诉他们,那是因为寺里大钟的频率和磬的频率一样,产生了共振。把磬锉了以后,它与大钟的频率就不同了,也就不会随便地响了。
 
   
 
    如果队伍走路的步伐一致的话,也会产生一定的频率,很可能和其他物体产生共振,并且威力有可能大得吓人。队伍过桥的时候,一定不能走正步,就是这个原因。
 
   
 
    乐器频率
 
   
 
 科普故事之物理篇 6
 
    3.从暖瓶到管乐
 
    小英在家是个勤劳的孩子,打水、洗碗等家务活全会干。一天,她打水时,无意中用耳朵听了听暖瓶的声音,发现暖水瓶里有声音,她非常疑惑。她打了很长一段时间的水,灌暖水瓶的时候,热气腾腾,很难看清水是否灌满,但是几乎都听得出来,水是不是灌满了。
 
    刚一开始水瓶是空的,水撞击瓶底发出低沉的咚咚声,随着水位的升高,声音变得尖细起来。因此,小英通过听声音的变化,就可以准确地知道暖水瓶是不是灌满了。
 
    这是为什么呢?为了寻求本源,小英找到了自己的物理老师,恰巧他们下周就要上声学课了,老师说:“下周实验课时,我给你解谜吧!”时间很快就到了实验课上,老师开课就和同学们说:“让我们先寻找一下这个声音是怎么发出来的。用一支铅笔轻轻地敲一下玻璃瓶胆,瓶胆发出的声音和灌水时听到的完全不一样。看来,那声音不是玻璃瓶胆发出来的。”
 
    同学们都议论纷纷,小英体会最为深刻,她可想得知这瓶胆里还有什么?空气和水?似乎也不像流水发出的哗啦哗啦的声音,“嫌疑犯”就是瓶子里的空气吗?老师说:“别看空气看不见摸不着,但空气是我们这世界中声音的主要发生和传播者。”
 
    老师接着又说:“小英,你现在可以利用这个知识解释灌暖水瓶时听到的声音了。”小英说:“水灌进暖瓶里,扰动了空气,使空气振动,随着水位的增加,上方的空气柱变短,所以音调变高。”
 
    老师说:“现在,我们进一步把这个道理推广开来,便可知道,这也是许多管乐器发声的原理。
 
    “其实,笛子是用一根竹管做成的,在侧面开了许多孔。吹笛子的时候,用手指堵住不同的侧孔,就能改变音调。堵住侧孔的作用,就是在控制笛子内空气柱的长度。笛子管内空气柱的长度是从吹口处到第一个被打开的侧孔计算的。如果用手指把侧孔全部堵上,空气柱最长,音调最低,把最靠吹口的一个侧孔打开,空气柱最短,这时候音调最高。你再想想,单簧管、双簧管等管乐器,不也是用这个道理吗!
 
    “原始的号也是一样,这种乐器很长,西藏喇嘛寺举行庆典的时候,吹的法号有十几米长,发出的声音很低沉。如今把号管卷起来,这也是一个聪明的发明。”
 
    一节课之后,小英和她的同学都增长了不少知识。
 
   
 
    中国古代学者曾经利用空气柱的长度和体积来统一全国的度量衡。他们选择十二个音律管中的第一根,即黄钟律管,作为度量衡的标准。把它的长度定为九寸,用它作为全国度量衡的基准。各地方都保存着由中央统一翻造的黄钟律管,好随时对照。
 
   
 
    当发声体振动时,在空气中产生声波,如果空气振动的频率和另一个发声体的固有频率相同或接近,该发声体也会振动起来,发出声音,这种现象叫做声音的共鸣。
 
    4.聚焦声音
 
    在意大利的西西里岛上,有一个石窟,人们给它起了一个怪名字,叫做“杰尼西亚耳朵”。人们只要站在石窟入口处的某个地方,就能听到很远处窟底的声音,就连很微弱的声音,甚至人的呼吸声都能听到。在古代的传说中,暴君杰尼西尼就把囚犯都关在这里,犯人所说的话都可以窃听到,在当时的情况下,他们一直不明白是谁泄露了犯人之间的秘密,后来人们才发现这是声音聚焦的原因。
 
    随着后来科学的发展,哪怕街上有两个人正在低声交谈,远处的人听不清楚他们在说什么,只要屋里的一个人打开一把大号阳伞,伞口对准窗户外面的说话人,在靠近伞柄的地方,谈话声就会变得清晰起来。这是美国某一个商店推出的一种新型的窃听设备。
 
    一个凹面镜可以把阳光会聚到一个点上,声音也可以用一个类似凹面镜的东西会聚在一起。在科技馆里,有相距十几米远彼此相对的大凹面镜,在一个镜子的前面小声说话,站在另一面镜子面前的人就可以清楚地听到说话的声音。这就是声音的镜子。
 
   
 
    天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。这里只说说天坛圜丘。圜丘是三层的石台,每层都有台阶可以拾级而上,每层台子的周围都安着栏杆。最高层离地5米多,半径15米。
 
    人们登上台顶,站在圜丘的圆心石上喊话,这时听到的声音特别洪亮,秘密在哪里呢?原来台顶不是真正水平的,而是从中央往四周坡下去。人们站在台中央喊话,声波从栏杆上反射到台面,再从台面反射回耳边来;或者反过来,声波从台面反射到栏杆上,再从栏杆反射回耳边来。又因为圜丘的半径较短,所以回声比原来的声音延迟时间更短,以致相混。据测验,从发音到声波再回到圆心的时间,只有0.07秒。说话者无法分辨它的原音与回音,所以站在圆心石上听起来,声音格外响亮,但是站在圆心以外说话,或者站在圆心以外听起来,就没有这种感觉了。
 
   
 
    北京天坛的回音壁是中国迄今保存较完好的具有回音效果的古代建筑,回音其实是声音反射作用的结果。中国各地某些半圆形拱门、拱桥、英国伦敦圣保罗教堂等都是声学与建筑学结合的产物。
 
    回音壁有回音效果的原因是皇穹宇围墙的建造暗合了声学的传音原理。围墙由磨砖对缝砌成,光滑平整,弧度柔和,有利于声波的规则反射。加之围墙上端覆盖着琉璃瓦使声波不至于散漫地消失,更造成了回音壁的回音效果。
 
    5.声音杀手
 
    在20世纪50年代,曾在马来半岛的马六甲海峡上发生了一件令世人大哗的奇案,一艘名叫“乌兰•米达”号的荷兰货船在经过马六甲海峡时,船上的全体船员以及携带的一条狗全部死亡。经调查发现,他们没有外伤,也没中毒的现象,倒像是心脏病突然发作而死亡的。几十年都过去了,侦破工作仍然没有丝毫的进展,直到最近,案件才侦破,你们知道这个杀手是谁吗?那就是看不见、听不着的“次声波”。
 
    次声波是一种声波,它比普通的声音振动得慢一些,每秒钟振动不到20次。因为它振动得太慢,人的耳朵就听不到它了。虽然用耳朵听不到,它对人体的危害却非常大。专门提供的实验告诉人们,用强力次声波照射人体可能引起感觉失常,人会感到步履维艰,似乎有个力在强迫其旋转,这时眼球也不由自主地转动。在次声波强度很高时——超过100分贝的“响度”——所有这些现象都被观察到了。
 
    当“乌兰•米达”号驶过马六甲海峡时,海面发生了强大的风暴,产生了这一事件的杀手次声波。在外界次声波的不断激励之下,心脏吸收了次声波的能量而强烈地颤动起来,由此导致心脏狂跳、血管破裂,最后心脏停搏、血液停止流动而导致死亡。
 
    次声源基本上是天然产生的,也许你们还一直不十分了解它。最近几十年来地球物理学的发展加速了科学家对次声的研究。
 
   
 
    次声波会产生危害,但是也可以被我们利用。由于次声波波长大,容易绕过障碍物而继续传播,因此它能传播得很远,即使“旅行”千里,它的强度减弱也很少。人们可以利用这一特点。以台风为例,台风中心的巨大海浪可以产生8Hz~13Hz的次声波。它以比台风快得多的速度向海岸传来,这样接收次声的仪器可以指出台风的袭击方向和强度,使人们早有准备。
 
   
 
    人类周围的次声波:①自然次声。如狂风暴雨、闪电雷鸣、极光放电、流星爆炸、火山爆发以及地震、海啸、台风等都可以发出频率在0.01Hz~10Hz的次声波。②人体次声。人体本身也是次声源,如心脏跳动可发出5Hz~20Hz的次声波。我们称之为人体次声。
 
    6.大摆钟告密
 
    贝多芬的耳朵变聋之后,他在暑假时一般都去维也纳附近的乡村避暑。在这里,有贝多芬的好友哈莱曼,他双目失明,也是孤身一人,所以他们经常在一起弹钢琴。
 
    一天晚上,贝多芬正弹着钢琴,坐在一旁倾听的哈莱曼忽然听到二楼上有不正常的声音。他对贝多芬说:“楼上有贼!”便拿出防身的手枪要上楼。贝多芬拉住他说:“你去太危险,还是我去吧!”
 
    “不。你看看二楼有灯光没有?”
 
    贝多芬回答:“一片漆黑。”
 
    “太好了。”哈莱曼说着就上楼去,贝多芬跟在后面。打开二楼的门,一点声音都没有,除了一座大钟的滴答声。贝多芬心想,窃贼在哪里呢?他还正在紧张地在黑暗中搜索目标,突然哈莱曼悄悄地走过来,向贝多芬比划了位置,随着枪声响了,接着是一声惨叫,有人扑通倒地。贝多芬急忙打开灯,看到窃贼躺在大座钟的前面,屋里的橱子、箱子已被撬开,东西散落一地。他们立即向警察报警。
 
    窃贼一枪命中,贝多芬对哈莱曼非常佩服。他问:“你是怎样知道窃贼的位置的呢?难道你听到他心脏跳动的声音了?”
 
    “不,朋友。虽说盲人的听觉敏锐,可还听不到这么远的心跳声。应该说,正是因为听不到声音才使我知道他在哪里的。”
 
    聪明的贝多芬环顾了四周,又看了看大座钟,恍然大悟:“噢!我明白了……”
 
    哈莱曼为什么能发现窃贼的位置呢?因为声音在空气里是从声源向四面八方沿直线传播的,当时,窃贼恰好站在大座钟的前面,挡住了滴答作响的钟摆声,使哈莱曼注意到这时声音不如平常那么清晰了,他以敏锐的听觉,准确地判断了窃贼在钟前的位置。
 
   
 
    声音是由振动产生的。当你说话时,就引起空气振动,振动传播出去,只要某人的耳朵接收到了这种振动,他就会听到你的声音。声音能够在固体、液体中传播,也可以通过空气或其他气体传播。随着声音的传播,空气中的分子被挤压在一起,接着被分开,然后又被挤压,再被分开,如此反复,就产生了声波。
 
 科普故事之物理篇 7
 
   
 
    贝多芬,1770年12月16日出生于莱茵河畔离法国国境不远的小城市波恩,他早期(1792—1802)的创作,比较著名的有《悲怆》《月光》和《克罗采奏鸣曲》及《第三钢琴协奏曲》等。在这期间,他对社会与政治诸问题又有进一步的理解,已能意识到他努力探寻的目标,从此他的创作进入了成熟时期。中期(1803—1817)创作出大量优秀的作品——第三至第八交响曲、第四第五钢琴协奏曲等等。从1818年起,在贝多芬一生的最后10年当中,他又创作了一些很有独创性的作品,包括一些钢琴奏鸣曲和弦乐四重奏、《庄严弥撒曲》,还有一部总结了他一生的创作活动的《第九交响曲》。
 
    7.土著人的哨声
 
    有两个英国人随殖民军来到非洲掠夺金刚石矿,不巧的是,刚进来就被当地的土著人包围了,被逮到了一间黑屋子里。
 
    “我也想不通,他们是怎样发现我们的呢?为什么一下子过来这么多人包围我们?”矮个子说。
 
    “我们太大意了吗?没有啊,我们一直高度警惕啊!”高个子自问自答,“上一次,我们得手了,只要听到土著人吹哨的声音,就知道他们发现了我们,并且召集他们的人来包围我们。可我们及时撤退了。”
 
    “是啊,他们是用哨音来传信的。”
 
    “经我观察,他们见到外人时,就吹一声长长的哨音告诉其他的土人;见我们走了,他们就吹两短声,其实他们还挺聪明的。”他们虽然被抓了,但还是看不起土著人。
 
    “这次……看来这个部落的土人比那个部落更聪明。”
 
    “他们到底是怎样传信的呢?”
 
    “我看见他们在吹放在嘴里的一个东西。”
 
    “是什么东西?”
 
    “看不清。那东西很小,吹的时候好像十分费力,但是听不到声音。吹哨的人还带着一条大黄狗,这狗很听主人的话,跟在后面一声不吭,只是偶尔抬头看看主人。”
 
    “奇怪,人不喊,狗不叫,那么远处的人怎么知道我们来了呢?”
 
    “唉,落得这个下场,也是罪有应得!”
 
    “人家的金刚石,当然不愿意被别人抢走!”
 
    土人传消息之谜,他俩始终也没弄明白。
 
    其实,当地土人也是靠哨音传给远方同伴的,不过,他们用的哨子很小,发出的不是普通的声音,而是每秒钟振动几万次的超声波。
 
    人耳听到的声音,最低是每秒钟振动16次的声音,最高是每秒钟振动2万次的声音,再低再高就都听不见了,但狗能听见超声波,土人训练狗,使它一听到超声波就抬头蹭蹭主人,主人知道情况有变,就吹哨向远方发出超声波,一站接一站,各处的土人很快都知道了,一起赶来包围偷金刚石的殖民者。
 
   
 
    超声波是频率在20KHz以上的声波,它不能引起人的听觉,是一种机械振动在媒质中的传播过程,具有聚束、定向、反射、透射等特性。它在媒质中主要产生两种形式的振动即横波和纵波,前者只能在固体中产生,而后者可在固、液、气体中产生。
 
   
 
    超声提取方法是应用超声波强化提取植物的有效成分,是一种物理破碎过程。超声波对媒质主要产生独特的机械振动作用和空化作用。当超声波振动时能产生传递强大的能量,引起媒质质点以大的速度和加速度进入振动状态,使媒质结构发生变化,促使有效成分进入溶剂中;同时在液体中还会产生空化作用,即在有相当大的破坏应力的作用下,液体内形成空化泡的现象。
 
    第三章
 
   
 
    光学乐谱
 
    光学是关于光和视觉的科学,早期只用于跟眼睛和视觉相联系的事物。今天常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的,关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示,以及跟物质相互作用的科学。
 
    光学分成几何光学、物理光学和量子光学。同时由于光学有着广泛的应用,所以一系列应用背景较强的分支学科也属于光学的范畴。
 
    光学是物理学的一个重要组成部分,也是与其他应用技术紧密相关的学科。
 
    1.雾都的贡献
 
    在20世纪30年代,自行车在英国风行一时,但英国是一个多雾的国家,自行车的出现给交通安全带来了很大的隐患。因此,英国政府为了想出一个办法解决这个问题,悬赏征集建议。
 
    由此,诞生了我们现在使用的尾灯。
 
    尾灯看起来是一片塑料,其实作用和构造很奥妙。当汽车灯光照向自行车时,自行车的尾灯能强烈地发亮,引起司机的注意。你也许认为那与镜子的作用相同。其实不然,要想看见镜面发射的光,入射光线必须垂直于镜面,观察的人也必须正对着镜面,若光从侧后方照射时,由于光反射向另一侧,观察者就看不到反射光。
 
    小平一直很注意观察周围的事物,她非常想了解尾灯的原理,就找到自己的物理老师。于是,她的老师做了一个实验:把一个夹角为90°的偶镜直立在柜子上,让镜子的中间部分距地面的高度和人的眼睛距地面的高度相同。取一个手电筒,把它靠在人头部的一侧,让它和眼睛在同一水平线上。打开手电筒,让光线水平地入射到偶镜中,人会从偶镜中看到炫目的反射光线。不管你站在什么方向,只要保证光线沿水平入射,用光的反射定律可以证明,反射光线总是沿着原来的方向返回。老师说:“如果光线不沿水平入射,反射光也就不沿原路返回,而射向另外一个方向,这种情况怎么办呢?这并不难办,只要把三面相互垂直的镜面装在一起,就像一个箱子的一角一样,问题就解决了。”这种装置叫“角反射器”。三面镜子组成的角反射器有三条公共的棱边,相当于三个偶镜,因此光线无论从什么角度射到它上面,都会沿着原方向反射回来。
 
    仔细观察尾灯的红色塑料片上有很多突起的部分,每个突起的部分都是一个角反射器。汽车的前灯照在它上面的时候,就能把光按原来方向反射回去。其实公路上的“猫眼”就是一些简易的角反射器。
 
   
 
    月球上也有“猫眼”,这个“猫眼”就是角反射器。1969年7月,“阿波罗”11号的宇航员首次登上月球时,他们把角反射器装在了月球上。这个角反射器的质量是30千克,由100块熔融石英直角棱镜组成。自那次以后,又陆续送上去四块,它们的面积更大。
 
   
 
    在天空飞行着的数十个人造卫星上,也都装有大大小小不同的角反射器。当从地面向月球或这些人造卫星发射激光时,无论月球或人造卫星运行到什么方位,这些角反射器总能把光线反射到原来发光的地方,在它们的帮助之下,地球上的人们可以精确地测定它们的距离、速度与加速度。
 
    2.宝藏在哪里
 
    古代有个财主,家中有世代相传宝物,这个宝物的样子像一个铜制的圆筒,圆筒上顶着一个盖子,盖子上趴着一条龙,盖子和筒口之间有一段距离,他们能向筒里放东西,但看不到筒底,因为盖子挡住了视线。
 
    听说在筒底刻着字,谁能看见那些字,就知道祖先留下的财宝在哪里。不过这只是祖辈传下来的一个故事,谁也没有真的相信,更不想弄坏这个传家宝来证实这个莫须有的传说。
 
    当这个传家宝到了第十二代时,这个人终于揭开了谜底,他在没损坏宝物的情况下看到了筒底祖先刻下的字。
 
    原来,一天他无意中把水倒进筒里,发现筒底好像升高了,透过圆筒和盖子的缝隙可以看到筒底的文字。上面写着:“宝藏在知识里。”
 
    这个传说也许不是真的,但科学道理是对的。现在可以用一个实验来证实它:把一枚硬币放在一个搪瓷口杯里,把口杯放在桌子上向前推,直到看不见杯底的硬币为止。此时不要晃动你的头,向杯子里倒水。你会重新看见那枚硬币,觉得硬币升高了大约1/4。
 
    其实这是光线耍的把戏,当光线从一种媒质斜射到另一种媒质的时候,会偏离原来的方向发生折射,才使你看到了硬币。实验指出:当光线从空气射向水的时候,光线靠近法线(和分界面垂直的线);当光从水中射向空气的时候,光线远离法线。筒底的文字反射的光在从水里射向空气的时候,由于折射向筒边偏了一些,所以才能穿过盖子和筒边的空隙,使这位好奇的主人看到了它。
 
   
 
    光在不同的媒质里传播速度不同,就好像车子行在不同质量的道路上,在柏油路上的速度快,在沙石路上速度慢。假如我们把一辆两轮车斜着从平坦的道路推到沙土路上时,在道路的分界面上,车子会拐弯,原因是一个轮子会先遇到沙土,它的速度立即减下来,而另一个轮子按原来的速度前进,两个轮子的速度不同。等到两个轮子同时进沙子地后,车子又会沿直线方向前进。
 
   
 
    光线从空气中(精确地说是从真空中)进入某一种透明物质,传播速度减少得越多,折射得就越厉害。光在真空中的传播速度和某种媒质的速度之比称为折射率。水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.5。
 
 科普故事之物理篇 8
 
    3.迷人的钻石
 
    小张和小关准备结婚了,小张想给自己爱人送一样代替心意的礼物,他左思右想,还是决定去商场买个钻戒。钻石戒指代表着高贵,价格不菲,小张听说现在有很多假钻石,于是他请上了高中的同学,这位同学是这方面的行家,他向小张分析怎样辨别真假钻石。
 
    他说:“钻石又叫金刚石,它的‘出身’并不高贵,成分和煤一样,但是由于只有在高压下,碳才会变成金刚石,所以天然的金刚石极为稀少。目前已经可以用人工的方法在高压下制成小颗粒的钻石。
 
    “对一般人来说,最感兴趣的是钻石的光学魅力。白天在阳光下,它光芒四射,八面生辉,变幻不定的七色彩虹璀璨夺目;在夜晚,由于没有光的照耀,任何东西都失去了光彩,唯独金刚石熠熠放光。‘夜明’使金刚石又蒙上了一层神秘的色彩。
 
    “其实,天然的金刚石并不这样美丽,必须经过加工磨制。例如钻石的某一种样式,它有50多个棱边。装饰在英王杖上的一颗取名为‘非洲之星’的名钻有74个棱面。从一开始人们不知道怎样加工这种世界上最硬的东西。”
 
    这位同学说:“磨这么多的棱边不仅是赋予金刚石一个美丽的外形,其中还有许多光学的奥秘,在当时人们并不了解其中的科学道理。”
 
    “如果把普通玻璃也磨成这种形状会不会有这种效果呢?钻石的独到之处是对光的折射率在所有透明物质中名列榜首。当光线从一种媒质进入另一种媒质,由于在两种媒质中的传播速度不同就会发生折射。折射率大的物质,不仅能把光线折射一个大角度,而且很容易出现全反射现象。实际上,钻石的魅力都源于它的全反射能力。”这位同学分析道,“夜晚,如果屋子里没有光,但是外面的远处某些地方肯定有光。当这些光射入到钻石后,由于金刚石的透光本领特强,折射率最大,所以光线被它的众多棱面反射、折射到与入射光完全不同的意想不到的方向。你看到它发出的闪闪亮光,但想象不出光源在哪里,感到十分神秘,就像钻石自己能发光一样。如果把钻石饰品带在身上,随着身体的转动,反射和折射的光线变化莫测,色彩也随之不断地变化,光芒闪烁会更加迷人。”
 
    听完这一段分析之后,小张明白了该怎样辨别真假钻石。
 
   
 
    普通的玻璃全反射的临界角在50°左右,全反射现象不明显。所以,就是外行也可以区别玻璃跟钻石。但是,现在用人工的方法能制造出折射率很接近金刚石的玻璃,用这种玻璃制成的饰品,在光学效果上很接近钻石,达到乱真的地步,但是硬度和其他的性质则完全不同于钻石。买钻石的时候你可别上当啊!
 
   
 
    据记载,印度早在距今三千年前便已发现钻石。18世纪以前,印度是世界钻石的唯一产地。1827年巴西发现钻石。1866年非洲发现第一颗钻石。中国发现钻石只有两三百年的历史。
 
    4.盲人辨黑白
 
    这天,太阳暖洋洋的,有位盲人家里腌菜的坛子破了,他决定吃过早饭之后就上街去买个新的。走在大街上,他就听到有人在西边的墙脚下喊:“卖坛子!有黑的,有白的,质量第一,做工漂亮,价钱适宜,童叟无欺!”一面喊还一面用小棍敲着摆满一地的坛子,发出清脆的声音。
 
    “你这两种坛子大小一样吗?什么价钱?”盲人走过去问。
 
    “大小形状都一样。不过,白坛子要比黑坛子贵,黑的10块钱一个,白的18块钱一个。”
 
    “这我知道,白坛子烧制的时候,火要更旺,它的质地比黑的更坚硬。”盲人说。
 
    “先生是个行家啊!你要哪一个?”
 
    “要白的,你给我挑一个吧!”
 
    卖坛子的人拿了一个白坛子,刚要给他,忽然灵机一动,心想我倒要见识这位盲人的真本事。于是他随手换了一只黑坛子递过去,还用小棍敲了敲,声音同样清脆,说明是好的,也没有裂纹。
 
    盲人凭耳朵听出这是个好坛子,接过来里里外外摸了一遍,然后他又摸了摸地上的几只。这一摸,盲人生气了:“这是个黑坛子!你竟然是个骗子。”
 
    “先生请不要生气,”卖坛子的一看事不好,赶忙解释,“我不是存心骗您,真的不是,而是想见识一下您的本事。果然身手不凡,非常佩服。向你道歉了,这坛子送给你,不要你的钱。”
 
    “谁要你送,钱一分不少你的。”
 
    “敢问先生以前烧过陶器?你又看不见,却如何分辨黑白呢?”
 
    “有神仙帮助!”盲人还在生气呢。
 
    卖坛子的人一再道歉,盲人相信了他的确不是有意欺骗,就告诉他:“我是靠手的感觉判断的。你的这些坛子让太阳一晒,都变暖和了。可是,黑色吸热多,白色吸热少,所以黑坛子就比白坛子更暖和些。盲人眼看不见,就只有靠耳朵听,靠手摸,久而久之,耳朵和手比你们的灵。我摸了几个坛子,就很容易分辨哪个是黑的,哪个是白的。其实,我不用手摸,只靠耳朵听也能分辨出这两种坛子。”他边说边用小棍敲坛子,“你听,虽说两种坛子的声音都清脆,因为白坛子质地更坚硬,声音就更高些、更脆些、更实些。当然啦,用手摸不是更简单吗?”原来,盲人是靠热辐射的规律而分辨黑白的。
 
    最后盲人付了钱,抱了一个白坛子满意地回家了。
 
   
 
    在太阳光底下,两个人分别穿上一件白衬衣和黑色衬衣,哪个人的温度会更高?这肯定是穿黑色衬衣的人,因为黑色吸热快,所以他的身上温度高。
 
   
 
    1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩(WilhelmWien,1864—1928年),以表彰他发现了热辐射定律。热辐射是19世纪发展起来的一门新学科,它的研究得到了热力学和光谱学的支持,同时用到了电磁学和光学的新技术,因此发展很快。到19世纪末,这个领域已经达到如此顶峰,以至于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。
 
    5.白衬衫与蓝墨水
 
    小庆只有一件白衬衫,非常爱惜,只有少先队队日才穿出来。白衬衫穿久了也渐渐发黄,妈妈给他洗衣服的时候会在水盆里滴几滴纯蓝墨水,漂洗过后白衬衫显得更白。小庆一直不知道为什么。
 
    带着疑问,小庆找到自然老师,于是老师带着小庆一起来到了实验室。
 
    老师说一个小实验便可以揭开这个谜。在一碗水里放一些增白剂,调匀。在一个暗屋子里用强光照射,小庆发现溶有增白剂的水会发出蓝盈盈的光。
 
    其实,增白剂不是真正地把衣服上的黄色褪掉,而只是欺骗了你的眼睛。原来增白剂在阳光中紫外线的照射下会发出蓝色的荧光,这种荧光和衣服上的黄光混合起来再进入你的眼睛里,就感觉到是白色的,所以增白剂不损坏衣料。许多洗衣粉和肥皂里都加有增白剂。
 
    两种颜色不同的光混合以后,人感觉到的就是另外一种颜色。用两只手电筒罩上蓝、黄不同颜色的玻璃纸,把一束蓝光和一束黄光照在墙壁上,如果光的强度配合好,重合的部分就是白色的。
 
    自然界里大多数的颜色都可以用红、绿、蓝三种颜色的光按不同的比例混合而成,所以红、绿、蓝三种光又称作三基色光。
 
   
 
    彩色电视机屏幕上的五光十色,就是利用了红、绿、蓝三种光按不同比例混合得到的。不信,你可以在看彩电的时候做个实验。用一个放大镜或爷爷的老花镜凑近正在播送节目的电视屏幕看看。在放大镜里你会看到屏幕上的彩色图像,变成了一些紧紧挨在一起的彩条,它们是由红、绿、蓝三种颜色的彩条组成的。
 
   
 
    洗衣粉含有荧光增白剂等化工原料。荧光增白剂是致癌物质,可使人体细胞发生畸变,也可引发皮炎和皮肤瘙痒。此外,接触洗衣粉久了,可能会造成动作呆滞、脾脏缩小。对含磷洗衣粉来说,磷酸盐会对皮肤产生不良刺激,导致湿疹、皮炎。应使用无磷洗衣粉,在洗衣时多漂洗几遍,做到衣物中不残留洗衣粉;不可用洗衣粉来清洗茶杯、餐具,更不要用来洗禽肉和水果蔬菜。
 
    6.神奇的光纤
 
    小明是个爱思考的孩子,他在家里或者外面见到自己好奇的事物就会刨根问底,他爸爸一点都不感到厌烦,对于儿子喜欢动脑的习惯非常赞同。
 
    有一天,小明见妈妈在家打电话,他的脑海中萌生了一个疑问:电话是通过什么东西传输信号呢?于是,他冲到书房找爸爸问个究竟。
 
    爸爸说:“电话的信号是由光纤来传输的,光纤是细如发丝的玻璃纤维。最早提出利用光纤进行通讯设想的是英籍华人高锟,他还用最好的玻璃制成了第一批光纤。把若干根光纤合在一起就成了光缆。与电缆相比,光缆有重量轻、成本低的优点,而且能节省大量资源。利用光纤通信,还有传输信息量大、传输损耗小、无电磁辐射及保密性好、抗干扰等优点。”
 
    “儿子啊,光纤传送信息的本领有多大呢?”爸爸问道。小明当然很开心地说想知道。爸爸说:“据计算,如果用一根由32条光纤组成的、直径不到1.3厘米的光缆,可以同时传送50万路的电话和5000个频道的电视节目。如果将光纤接入家庭,那么你可以在‘滴答’的1秒钟内,给朋友传送去50多张DVD的内容,真是快得惊人!”
 
   
 
    人们发现,光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输;人们还发现,光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?
 
    这些现象引起了科学家丁达尔的注意,经过他的研究,发现这是全反射的作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。
 
    后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。1979年9月,一条3.3公里的120路光缆通信系统在北京建成,几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路,利用光导纤维进行通信。利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送1000多路电话,而根据理论计算,一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通100亿路电话!
 
    另外,利用光导纤维制成的内窥镜,可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管,它有输送光线、传导图像的本领,又有柔软、灵活,可以任意弯曲等优点,可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来,医生就可以窥见胃里的情形,然后根据情况进行诊断和治疗。
 
   
 
    光纤结构一般分为三层:中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm),中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm),最外是加强用的树脂涂层。
 
 科普故事之物理篇 9
 
    7.钞票防伪技术
 
    自从彩色复印机出现,每个国家都担心这种机器会为犯罪分子造假钞提供方便。
 
    于是,每个国家都在想着新的办法对付这些犯罪分子。很多的学者都对这方面进行研究,导致后来防伪技术的出现——超微棱衍射图案技术,让人们在钞票上面印的字从正面看是红色的,稍一倾斜就出现了绿色或黄色。这种纸币在复印后,则会失去变色的功能。
 
    小寒对生活中的点点滴滴都观察得非常细心,在一次光学实验课上,她看见老师拿出一张旧唱片做实验。老师介绍道:“一般唱片是黑色的,但是从某一个角度望去,它上面会呈现出绚丽的色彩。你相信吗?怎样才能欣赏到唱片的彩虹呢?
 
    “你们站在窗前,把唱片水平地举到和眼睛差不多高的位置,以一只手为轴,慢慢地转动它,同时注意观察从唱片凹槽上反射过来的远处光线。转到角度合适的时候,你会看到一大片彩虹。这是由许多组光谱组成的,每组光谱都包括由红到紫的七色。
 
    “为什么会出现这种七色呢?那是因为唱片上刻有密集的凹槽,它们均匀地排列在唱片上。光波射到这些凹槽上的时候,就会向四面八方散射开来。这些散射的光波相遇后会发生加强和减弱,结果就把白光分解成了彩色的光谱。这个实验有力地证明了光的波动性。”
 
    此时,老师又说:“1821年,德国物理学家夫琅和费首先利用很多彼此平行的细金属丝制成了第一个‘衍射光栅’。金属丝的数目每厘米是136条。在科学实验中常常要使用优质的光栅。它是在一块玻璃的镀银面上用金刚钻刻成的。那上面的刻痕要求排列均匀,而一个供科学实验用的衍射光栅在一厘米宽的间隔内则有上万条或更多的刻痕。光栅在科学实验中最重要的用处,是对从物质发出来的不同颜色的光进行精确的分析,从而判断物质的化学成分;科学家还利用光栅分析分子和原子的结构。”
 
    这时,小寒从唱片想到了钞票的颜色变化,于是她向老师表示了自己的疑问,老师解释道:“唱片是一个粗陋的光栅。一个慢转密纹唱片在一厘米宽的平面上只有120条凹槽,但是激光唱盘的凹槽要密得多,所以在激光唱盘上很容易看到彩色。
 
    “钞票防伪使用了光栅技术。超微棱衍射图案技术就是在钞票的某一个部位通过印刷形成有规律的凹凸不平的光栅,所以才能产生变换的色彩。复印的伪钞票失去了这种光栅效应,所以可以立即识别。”
 
   
 
    光栅是一种折射率周期性变化的光学元件。最常用的光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝组成的,通常是在一块平面玻璃上用金刚石刻制、复制或用全息照相等方法制成。
 
   
 
    光栅不仅适用于可见光波,还能用于红外和紫外光波,常被用来精确地测定光波长及进行光谱分析。以衍射光栅为色散元件组成的摄谱仪和单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一。光栅衍射原理也是晶体X射线结构分析和近代频谱分析与光学信息、处理的基础。
 
    8.小儿辩日
 
    相传在春秋时期,孔子东游走过了一个又一个村庄。当他到达一个村庄时,见到两个小孩在村头争得面红耳赤,谁也不服谁。
 
    孔子走过去问:“你们因什么事情争得这么激烈?”
 
    “我说太阳刚出来的时候离人近。”穿白色衣服的小孩抢着说。
 
    穿着黄色衣服的小孩也说:“不对,太阳中午时离人近。”
 
    “老夫子,您说谁说得对?”问着问着,孩子们又争起来了。
 
    “孩子们,都别争了,你们认为自己对,就把理由说出来。”孔子说。
 
    穿白色衣服的小孩又抢着说:“一个东西都是近了看着大,远了看着小,不错吧?太阳刚出来的时候,像车盖那么大(注:古代车上支起的车盖,圆形,可遮阳遮雨,好似今天的伞。车盖圆径有一丈,约合2.3米),而到中午变得像个菜盘子。这不证明太阳早晨近而中午远吗?”
 
    穿黄色衣服的小孩争辩道:“离火炉近了热,远了凉,这不错吧?太阳刚出来的时候,凉凉的,而到中午热得像在开水锅里一样。这不证明太阳早晨远而中午近吗?”
 
    两个小孩子追问孔子:“老夫子,谁说得对呢?”
 
    孔子讷讷地说:“你们都很有道理,但也不是全对……所以我不能判定谁说得对。”
 
    两个小孩子笑了:“都说老夫子见多识广,原来也有不知道的事啊!”
 
    孔子说:“知之为知之,不知为不知,这才是应有的态度啊。”
 
    就这样,小儿辩日的故事在我国已流传了2000多年了。两个小孩各执一词,都有道理,日远日近却只能有一个答案。我们不能责怪孔子连小儿的问题都回答不出,就是到今天,要清楚地解释这个问题也不是件容易的事,它牵涉到光的折射、光的吸收、眼的错觉等方面。经过历代人的不懈探索,现在已经可以回答这个问题了。
 
    太阳中午离得近而早晨离得远,相差大约是地球的半径这么长,但考虑到地球的大小与太阳相比,是太小太小;与太阳和地球的距离相比,是太小太小(参见下面的数据),所以实际上应该说,中午和早晨太阳离我们同样远近。
 
    地球的直径:12741千米=1.3万千米
 
    太阳的直径:1390000千米=139万千米
 
    日地的距离:149600000千米=14960万千米
 
    为什么早晨的太阳看起来大呢?这是眼的错觉造成的。
 
    造成错觉的原因有三:①背景原因:早晨太阳在地平线,有房屋树木作对比,显得大;而中午高悬空中,周围空旷,显得小。②亮度原因:早晨太阳亮度与周围的亮度接近,显得大;中午太阳亮度与周围相差悬殊,显得小。③视线原因:看早晨的太阳是平视,显得大;看中午的太阳是仰视,显得小。
 
    为什么早晨感觉凉而中午感觉热呢?那是与太阳的斜射、直射有关,与地面得到太阳热量的积累有关。对同一地面来说,斜射时得到的太阳光少,直射时得到的多。早晨太阳初升,地面本来是凉的,而到中午,太阳已照射半天,地面积累的热量多,再加上太阳几乎是直射,就感到热了。
 
   
 
    日出日落时间和太阳的高度在一年内不断变化,而且随纬度不同而不同。1955年,我国著名天文学家戴文赛教授对这个问题作了深入的研究,并发表了论文《太阳与观测者距离在一日内的变化》。
 
   
 
    孔子(前551—前479年),中国春秋末期伟大的思想家和教育家,儒家学派的创始人。名丘,字仲尼,鲁国人。孔子归鲁后,鲁人尊以“国老”,初鲁哀公与季康子常以政事相询,但终不被重用。孔子晚年致力于整理文献和继续从事教育。鲁哀公十六年(前479年)孔子卒,葬于鲁城北泗水之上。
 
    9.汉武帝梦想成真
 
    汉武帝开辟了汉朝繁荣昌盛的一个高潮,他一上台,就加强对地方和边境的控制,发展农业和水利,强化对百姓的统治,推崇儒家学说,派张骞出使西域,巩固边防,使得天下充满了祥和的氛围。有一桩心事搅得他不得安宁,他的爱妾李夫人年纪轻轻就离他而去,武帝时常在深夜思念她。李夫人长得窈窕俊美,能歌善舞,深得武帝宠幸。她生病时,武帝亲自前去床前问候,死后得以重葬。武帝又令人画李夫人像,并摆在甘泉宫。虽说皇帝妻妾成群,可他丝毫没有减少对李夫人的思念。一日,他将少翁叫到面前。
 
    少翁是个出名的方士。方士是我国古代好讲神仙方术的人,什么修炼成仙啊,长生不老啊,能见鬼神啊,不一而足,很得统治者的信任。武帝试图用这种方法来减少自己对李夫人的思念,这位方士据说活到了200岁仍然面如童子,所以称之少翁。
 
    “朕思念李夫人,能否再见她一面?”武帝问。
 
    “可以,但只能在远处看,不能同在一个帷帐内;只能夜晚见,不能在白天相逢。”
 
    “那怎么才能见到呢?”
 
    “在深海里有一种潜英石,青色,有暗花,它轻如羽毛,极冷时它温暖,极热时它又冰凉。取来潜英石,将它制成人的模样,便像真人的神态一样,皇上就能见到李夫人了。”
 
    少翁的一席话,让武帝颇为心动,立即派人去寻找潜英石,少翁拿到潜英石之后,立马就动工按李夫人的图像刻成人形。
 
    入夜,一切准备就绪,少翁让武帝坐在一个帷帐里观看。他面前灯烛齐明,在另一帷帐内列案摆着美酒肉脯。少翁口中念念有词。这时,李夫人出现在前面的帐中,武帝不觉心花怒放。可是时间不长,李夫人就徐徐退去。武帝没能靠近她,她又匆匆离去,使他更添相思之苦,悲戚中作诗曰:“是也非也,泣而望之,偏何姗姗其来迟?”后来,据专家分析,可能是利用影像在屏幕上表演,并认为这是我国历史上最早的影戏记载。我们就叫它石影戏吧,后来还有手影戏、皮影戏。
 
    其实,可以用物理现象来解释少翁的影戏。
 
    首先我们要明白影是怎样形成的:光线传播的过程中,如果被物体挡住,物体后面就出现影。所以,成影要具有三个条件:光源、物体和屏幕。在少翁的影戏中,光源是灯烛,被光照射的物体是潜英石刻像,屏幕是帷帐。刻石的影投射到帷帐上,就显现出李夫人的大体模样。移动刻石时,它的影也移动,好像李夫人在走动。当然,以上只是一种可能的解释,这种解释也还有明显的漏洞。再说,即便是以今天的技术重现了古时的现象,也还不能肯定已经破解了古代之谜。科学是极为严肃的事,不能想当然地下结论。
 
   
 
    皮影艺术始源于秦、晋、豫黄河三角地带,传统的皮影分布在四川、陕西、福建、广东、山西、湖南、河北和北京等地区。其中陕西的皮影比较著名,它的形象继承传统画像砖的概括手法,脸谱、服装吸取了传统戏曲的精华。
 
    
 
    汉武帝,名刘彻。是西汉的第五位皇帝,是具有雄才大略的一代雄主。他生于公元前156年,死于公元前87年,活了70岁。他的父亲是景帝刘启,祖父是文帝刘恒,曾祖父是高祖刘邦。他4岁立为胶东王,7岁立为太子。公元前141年景帝病逝,16岁的刘彻登基,是为武帝。他是公元前141~前87年在位,共计54年。
 
    10.光的速度
 
    “光的传播是不需要时间的。”当你听了这句话之后,一定会觉得不可思议,可是,天文学家开普勒,数学家、哲学家笛卡儿等一些大科学家都这样认为。为什么会产生这种错误的结论呢?主要是光速太快了。
 
    后来,伽利略认为,光的传播仍然需要时间。他提出了一个测量方法:两个人分别提一盏闪光灯站在相距甚远的两个山头上,甲先举灯闪光,并从闪光时开始计时。当乙看到甲灯闪光时马上举灯闪光,在甲看到乙灯闪光时,结束计时。这样就知道了光往返两个山头所用的时间,用这个时间去除两山头距离的2倍,就可算出光的速度了。
 
    光的传播速度实在是太快了,光往返于两个山头的时间太短,比人看到对方灯亮后再举起自己的灯并让它闪光的时间还要短,所以伽利略用“举灯法”测量光速是不行的。
 
    要想测出光传播的时间,必须让光通过很长很长的距离才行,既然在地球上的距离仍嫌太短,就要利用天上的星星,利用天体发生的现象去测量光速。伽利略也曾经这样设想过,丹麦天文学家罗默第一个测出了光速的数值,尽管误差很大,却是人类第一次测光速的尝试。
 
    法国物理学家菲佐说:“我要在地面上精确地测量光速。”后来他设计出巧妙的方法,成为在地面条件下测量光速的第一个人。
 
    关键在于如何测量极短极短的时间。他在一个山顶安放了光源和一个高速旋转的齿轮。在5英里(合8.633千米)以外的另一个山头安放了一面镜子。让光源发出的光通过齿孔(假定是A和B两齿的齿孔)射出去,射到镜子上再原路反射回来。当齿轮不动时,返回的光仍能通过齿孔;当齿轮转动时,就会被挡住,使观察者看不到反射光。如果齿轮转速加快,达到一定转速,会在光线返回齿轮时,B齿恰好转到原来发光时A齿的位置,反射光线正好又遇到齿孔;通过齿孔,又使观察者看到光。
 
    菲佐在实验中所用的齿轮有720个齿,当转速达到每秒钟12.6转时,反射光线恰好回到齿孔。他根据这几个数据,就算出了光的速度为313300千米/秒。这个测量数据在当时已是相当精确的了。
 
    现在的公认值,光在真空中的速度是:
 
    C=299792.458±0.01千米/秒
 
    菲佐在实验中就已知齿轮转速是12.6转/秒,可知齿轮每转一周所用的时间为1/12.6秒,每转过一个齿所用的时间为1/12.6×720×2秒。这里应该注意到,这个齿轮的每一个齿只占周长的1/2×720,而不是1/720,一个齿和一个齿孔加在一起才占周长的1/720。光的总路程是:2×8.633千米。那么,光速:
 
    C=t=(2×8.633)×(12.6×720×2)千米/秒。
 
   
 
    光的直线传播规律——光在同种均匀介质中是沿直线传播的。同种、均匀两个条件必须同时满足。光在同种不均匀介质中传播也会发生弯曲、海市蜃楼、天体位置的视差等,都是由于大气层不均匀使光折射造成的现象。
 
   
 
    光的传播速度很快,光在1秒钟内传播的距离相当于绕地球7圈半。
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