为什么倒水时水会沿着杯壁下流?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-07-03 10:54:28

本文讨论了光和颜色的本质、微波炉与蛋挞的兼容性、小孔成像的原理、彩虹和霓的形成、墨水颜色变化的原因、液体沸点与气压的关系、以及茶壶效应的物理现象。

光的本质是电磁波。而光的颜色实际上就是不同频率,也就是不同能量的电磁波。人眼能感受到具有不同能量的电磁波,是因为不同频率的电磁波会不同程度地刺激人眼中的视锥细胞,给大脑不同的感受。而给这些“感受”进行命名分类,就称作为“颜色”。同一个人,左右眼看相同物体,也可能是有色差的,这是正常的。

所以说颜色的本质不是看到的物质或是光本身的属性,而是人的感受,只不过说这种感受主要是由进入眼睛的光的属性影响的;而正常人的真实感受都在这个“主要感受”上下小范围波动。

蛋挞说白了就是一种以蛋浆做成馅料的西式馅饼,只是其馅料外露而已,单纯只是以制作蛋挞的原材料来说是可以放到微波炉中加热的。而与微波炉不兼容的其实是蛋挞最外面的那层用锡纸做的托。

像锡纸这类金属材料是不可以放到微波炉中加热的,在微波加热的过程中,由于金属电磁屏蔽导致的电荷重新分布可能会导致放电产生电火花,导致在使用过程中产生危险。所以如果将最外面的锡纸托换成其他材质的托就可以避免没有烤箱但又想自己做蛋挞的尴尬了。另外,在制作蛋挞液的时候还是按照各种食谱给的成分和比例来放,不要自己加一些奇奇怪怪的东西,而且最后倒进蛋挞皮里的时候不要倒得太满,否则你的蛋挞液可能会被炸飞。

你说的都对,这些概念是不冲突的,只需要理清“像”的这个概念,就可以理解小孔成的“像”和亮斑的说法。“像”英文表示为image,代表图像,映像。我们日常所说的实像、虚像、镜像无论其形成的原因是什么,用XX像表示代表其是真实物体的一个映射,不同的像代表真实物体不同的映射方式。小孔成像中,由于光沿直线传播,真实的光线通过小孔会在成像面上形成倒立的实像,这个实像是形状接近真实物体的亮色映像。

而亮斑,顾名思义,就是明亮的斑点,这里是指经由小孔成像形成的真实物体明亮的像,由于这些像是真实的光线形成的,所以是实像。值得一提的是,前几天刚发生的日环食,就可以利用小孔成像原理进行观察,此时,小孔成的像是实像,也是具有“太阳”形状的亮斑。也可以根据早期针孔相机(现代照相机的原型)的原理来理解小孔成像。针孔相机由不透光的容器、感光材料和针孔片组成,其利用针孔片来替代镜头。

真实物体的光线通过针孔片到达容器后的感光材料上,有光的地方感光材料发生变化,没光的地方材料不变,从而形成真实物体的倒立的图像。

彩虹外面那个颜色排列顺序相反的浅色彩虹叫做霓,也叫副虹。雨后的天空有很多小水滴,它们起到类似三棱镜分光的效果。具体的原理如下图,左边是霓的形成原因,右边是虹的形成原因。霓和虹都是阳光在水滴内经过多次折射和反射后形成的。

不同的是,彩虹是阳光发生一次反射和两次折射,霓是阳光发生两次反射和两次折射。因为霓的产生多了一次反射,所以它的颜色排列和彩虹刚好相反,并且出现在彩虹的外围。也正因为多了一次反射,它相比于彩虹显得更黯淡一些。

国产纯蓝墨水一般用酸性墨水蓝、直接湖蓝5B两种工业染料和防腐剂苯酚配制,蓝黑墨水中的主要成分是鞣酸亚铁、没食子酸亚铁、硫酸亚铁。

对于绝大部分作为墨水使用的染料来说,由于分子中存在各种特殊的结构,比如苯环系统或某些特殊基团等,使得染料吸收部分可见光波段的光,并呈现出未吸收的可见光的颜色。而不同的染料分子具有不同数量和类型的双键结构、助色团和发色团,使之呈现出不同的颜色。

虽然字迹在光照下发生退色、变色和失色现象的具体机理较为复杂,但是通过呈色原理我们可以将这些现象主要分为以下两个原因:一是字迹的色素成分在光照下与周围其他物质发生了化学反应,二是染料分子中的某些基团的结构发生了变化。

染料是由C、H、O、N等元素组成的有机化合物,其键能大小接近于可见光光子能量大小,因此光照可能会使电子发生跃迁,若分子处于激发态且回复到基态的寿命相对较长,就有可能会与其他物质发生反应或自身基团结构发生变化,此外太阳光中的紫外线能量比较高,容易诱发各种氧化还原反应,使字迹中的染料被氧化、分解反应加速,导致该分子吸收谱向短波长的光区移动从而引起染料颜色发生变化。

例如墨水中酚羟基被不断氧化会导致分子结构被破坏,长时间还会生成各种酸性物质,直至剩下氧化铁等成分,字迹变为暗褐色乃至渐渐变黄变浅。当然除了光之外,将墨水暴露在空气中也会由于其成分与空气中的物质发生反应而导致颜色发生变化。

要理解这个问题需要知道了解两个概念——饱和蒸汽压和沸腾。当液体汽化的速率与其产生的气体液化的液体速率相同时,其汽化气体的压强即为饱和蒸气压。沸腾是剧烈的汽化。

拿生活中最常见的烧水来说吧,判断水是否沸腾的现象就是是否有大量翻滚的气泡。气泡内部是水汽化形成的气体,气泡内部的气压等于饱和蒸汽压。要想形成大量的气泡,气泡内部的气压得要和外界的气压相当。倘若气泡内的气压低于外界的气压,则会被外界的气压压破而无法维持。

前面已经知道,气泡内部的气压等于饱和蒸汽压,而温度越高,饱和蒸汽压也越高,所以要想让饱和蒸汽压和外界气压一样大,则需要提高液体温度到某一个值,而这个值就是沸点。所以当外界环境的气压越高时,沸点也就越高。

这个问题叫做茶壶效应。每当我们非常缓慢地将茶从茶壶里倒出来时,茶水总是容易顺着壶嘴,贴着壶壁,向下流到桌子上。

是一个很有趣的现象,有不少物理学家都研究过它,2010年的一篇PRL(物理评论快报)就对材料的润湿性与茶壶效应的关系进行了深入的研究,这个回答也主要是参考了这篇文章。这篇文章指出了茶壶效应的3个影响因素,分别是流速、材料的润湿性和边缘的曲率。生活中的经验告诉我们,流速对茶壶效应有比较大的影响,如下图所示,当水流速度逐渐减小的时候,水就会贴着壶壁流下。

而材料的润湿性(也就是亲水性和疏水性)则是这篇PRL的关键点,如下图所示,如果壶嘴是亲水材料,那么流速降低的时候,水就会顺着壶嘴,贴着壶壁下流。如果壶嘴是疏水材料,就可以发现,就算流速很低的时候,水也不会贴着壶壁下流,而是像断了线的珠子一样。最后一个影响因素是壶嘴的曲率。结合生活经验就很好理解,如果壶嘴边缘越是圆润,就越容易出现贴着壶壁下流的现象;而茶壶边缘越是尖锐就越不容易出现茶壶效应。

这三个因素共同作用导致了茶壶效应,作者也对此建了个物理模型,感兴趣的读者可以将论文下载下来阅读,公式太多这里就不展开来说了。

UUID: e25924a1-1253-4142-a30f-65cef5275485

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院物理所公众号-pdf2txt/2020/中科院物理所_2020-07-03_为什么倒水时水会沿着杯壁下流?| No213.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0079 元