问答:关于物理和化学现象的解释

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2024-05-31 11:24:17

本文通过问答形式解释了多种物理和化学现象,包括荧光矿⽯的发光原理、塑料筷⼦的材质特性、磁铁相互吸引的物理原理、⾎渍难以清洗的原因、直线加速器治疗后的射线残留问题、汽⻋撞死蚊⼦的可能性、温度对轮胎抓地⼒的影响、折痕难以恢复的原因以及悠悠球的工作原理。

我想知道,⻋应该怎么开才会撞死蚊⼦?

荧光矿⽯的发光其实是电⼦在搞怪。矿⽯中的某些元素或化合物在吸收紫外线或其他激发光源时,电⼦会受到激发,发⽣能级的跃迁改变。这些被激发的电⼦在某⼀能级上具有⼀定的寿命,超过⼀定的时间后就要释放能量。如果以光能的形式释放,且频率在可⻅光范围,就成了我们所说的会发光的矿⽯。常⻅的荧光矿⽯包括钙钡⽯、⽅解⽯和磷灰⽯,由于成分不同,会发出不同的颜⾊荧光。

荧光矿⽯的发光时间通常相对较短,持续⼏分钟到⼗⼏分钟不等。然⽽,有些特殊的荧光材料,如某些⼈⼯合成的荧光物质或者经过特殊处理的矿⽯,能够在⼀定程度上延⻓发光时间。

⽇常使⽤的塑料筷⼦有多种材质,如PPS、PET、PP、ABS、SPS等塑料筷⼦,他们也有不同的材料特性。PPS塑料筷⼦代表聚苯硫醚,这种材料耐⾼温、耐磨、耐腐蚀。耐热温度可达200-220度,尺⼨稳定性好,可以经受煮沸或蒸汽蒸煮。

符合⻝品接触要求,安全⽆毒,适合作为餐具使⽤。PET塑料筷⼦是聚酯类材料,具有耐蠕变、耐抗疲劳性和耐磨擦的特点。⾼温下易⽔解,耐热性相对较低,⻓期使⽤温度达120℃,70℃以上容易变形。PP塑料筷⼦代表聚丙烯,耐温⼤约在100℃左右,不防⽕。ABS塑料筷⼦是丙烯腈-丁⼆烯-苯⼄烯的共聚物,耐温⼤约在90℃左右。

可以看到PP、ABS以及PET塑料他们都不能耐很好的耐⾼温,⽽且还会产⽣双酚A种有害物质对身体不利,⽽且还容易变形,这些材料做的塑料勺⼦和筷⼦通常是盒饭配套的餐具。PPS筷⼦也叫合⾦筷⼦,它是由“⾼分⼦材料”和“玻璃纤维”合成后的材料制造⽽成。从外观看起来反⽽更像是合⾦,因为耐磨、耐⾼温、腐蚀的优秀特性。这种筷⼦已经普遍存在于餐馆中。

两个磁铁能够相互吸引是磁场相互作⽤的结果,⼆者在相互靠近的过程中是磁场能量和动能之间的转化。磁铁可以产⽣磁场,部分含有铁、钴、镍等⾦属可以形成永久磁铁,是因为在这些⾦属当中,其原⼦排列具有特殊的结构,相邻原⼦因为电⼦⾃旋产⽣强烈的相互作⽤,然后形成微⼩的磁畴,每个磁畴内电⼦的⾃旋磁矩⾃发朝着⼀个⽅向,因此磁畴对外具有很强的磁性。

当两个磁铁相吸时,事实上是磁畴内部粒⼦之间的⼀种吸引⼒;当磁铁同性相斥时,事实上是磁畴内部粒⼦之间的⼀种相斥。在磁铁内部,磁畴的规律排列决定了磁铁的南北极。

⾎液的组成包括⾎浆(细胞外基质)以及⾎细胞(红细胞、⽩细胞和⾎⼩板);⾎浆中包含⼤量的⽔和少量的溶质,如⾎浆蛋⽩、⽆机盐、⾮蛋⽩氮和不含氮的有机物。当⾎液暴露在空⽓中时,⾸先就是凝⾎因⼦被激活开始凝⾎级联反应,⾎⼩板开始粘附聚集形成⾎⼩板塞。凝⾎酶被激活将⾎液中的纤维蛋⽩原转化为不溶性的纤维蛋⽩,⾎红素中的铁元素被氧化为难溶的铁锈。随着⾎清的析出,⾎凝块收缩变得更加紧密和稳定。

先明确回答,这种担⼼是不必要的。⾸先,我们需要了解直线加速器射线的特性。这种射线具有很强的⽅向性,能量⼤部分集中在患者需要治疗的肿瘤部位,对周围环境的影响相对较⼩。此外,射线只有在设备开机并实际出束时才会产⽣,设备关闭后,射线也就随之消失了。其次,治疗室的设计也充分考虑了射线屏蔽的问题。

治疗室的墙体、⻔窗等都使⽤了含铅的防护材料,这些材料可以有效阻挡射线,防⽌射线扩散到治疗室外,保障了⼯作⼈员和其他患者的安全。另⼀个重要因素是直线加速器产⽣的射线类型。这种⾼能量的光⼦射线穿透⼒很强,但它并不会让物体变得有放射性。也就是说,它不会在治疗室内的物体中留下残留放射性。

经常开⻋的⼈就会发现,汽⻋前脸处总积累不少的昆⾍⼫体,其中不少就是蚊⼦,这种现象尤其发⽣在夏夜开⻋的时候。

基于这样的事实,这个问题的回答是肯定的。想到讨⼈厌的蚊⼦⼜多了⼀种消灭⽅式,笔者情不⾃禁地细扒了蚊⼦被汽⻋撞死的全过程。⾸先,我们假设导致蚊⼦身体损伤的压强与⼈体⽪肤所能承受的压强相同,约为1.1×10?Pa。蚊⼦在平⾯上的投影⾯积估计值为1×10??m2。根据压强p=F/S的公式,作⽤在蚊⼦身上的致死⼒F=pS=1.1×10?×1×10??=1.1N。

由于蚊⼦和汽⻋相⽐质量相差巨⼤,根据冲量定理Ft=mΔv,其中:F是相撞过程中蚊⼦受到的⼒,约为1.1N;t是撞击时间,约为0.00002s;m是蚊⼦的质量,估计值为0.000002kg;Δv为速度变化量,即⻋速(蚊⼦相撞前速度可忽略)。将数值代⼊,可求得Δv=F×t/m=1.1×0.00002/0.000002=11m/s,换算成千⽶每⼩时为11×3.6=39.6km/h,约为40km/h。

这个速度在⽇常驾驶中很容易达到。⾯对⾼速⾏驶的汽⻋,蚊⼦难以及时感知和躲避,只能被撞击致死。

其⼀,轮胎主要由橡胶材料制成。橡胶是⼀种粘弹性材料,具有独特的物理特性。当温度升⾼时,橡胶分⼦的运动会变得更加剧烈,使得材料变得更加柔软。这种柔软性增加了轮胎与地⾯的接触⾯积,从⽽提⾼了抓地⼒。其⼆,温度升⾼还会导致轮胎发⽣变形。

在汽⻋重⼒和离⼼⼒的作⽤下,轮胎胎⾯的橡胶会产⽣更多的变形,这进⼀步增加了胎⾯与地⾯的接触⾯积,从⽽提⾼了抓地⼒。与此同时,轮胎的橡胶材料具有迟滞效应,即在受⼒后会有⼀定的延迟反应。当温度升⾼时,迟滞效应会更加明显,使得轮胎能够更好地抵抗滑移,增加抓地⼒。最后,路⾯状况也会影响轮胎的抓地⼒。当路⾯温度升⾼时,特别是在炎热的夏季,沥⻘路⾯会变得较为柔软。

此时,轮胎更容易嵌⼊路⾯,增强了轮胎与路⾯之间的互动,从⽽提⾼了抓地⼒。

⼀般的纸张主要是⽤植物纤维做成的,其他的材料⼀样,植物纤维存在弹性极限,我们通常⽤强度(Strength)这个物理量来表征材料可以承受应⼒的⼤⼩,⽽⽤屈服强度来表示材料开始发⽣塑性变形时的应⼒。当外加应⼒⼩于屈服强度时,材料发⽣弹性形变,该过程满⾜胡克定律,去掉外⼒后材料能够恢复原样。

当应⼒⼤于屈服强度时,材料发⽣塑性形变,去掉外⼒后材料会发⽣永久形变,不再恢复原样。当我们⽤⼒折纸时,纸张内的纤维素会因外⼒⼤于屈服强度⽽发⽣严重的塑性形变,所以即使去掉外⼒折痕也不会消失。不过我们可以试图重新让纸张内的纤维变得松弛,来去掉折痕。⽐如⽤“熨⽃烫平”折痕处、⽤书本压平、将纸张打湿再压等⽅法。

拿传统的定轴悠悠球来说,绳⼦⼀端缠在轮轴上,然后⼀圈圈缠绕,另⼀端缠在⼿指上。

松开⼿后,悠悠球加速下落,重⼒势能转化为球的平动动能和转动动能,球会越转越快。当绳⼦完全展开时,悠悠球到达最低点,此时球不能继续下落,但由于惯性会保持旋转,于是绳⼦便反向缠绕在轮轴上,完成球的回收。有些悠悠球会在内部靠近轴的位置加上胶圈或者星纹,它这样做是为了增加摩擦⼒。当绳⼦碰到胶圈或星纹会相互摩擦,这更加有利于球的回收。

由于悠悠球上升过程中会遇到空⽓阻⼒,绳⼦和球身之间也会产⽣摩擦⼒,这些都会消耗⼀些能量使得球返回时不会上升到原来的⾼度,所以需要向上提⼀下才能让球回到⼿中。悠悠球为了能够实现各种花式动作,会在原有的设计上做⼀些改进。常⻅的会在轮轴处加⼊轴承,绳⼦套在轴承外⾯,不⽤系紧,然后⼀圈圈缠绕。

当发球到达底部后,轮轴带着球体⾼速旋转,此时绳套在轴承外圈打滑,轴承内的滚珠转动带动轮轴,减⼩轴承与轮轴之间的摩擦,球体⼏乎可以跟随轮轴空转。由于没有⾜够的摩擦让绳⼦缠绕起来,所以悠悠球会在底部保持旋转,俗称“睡眠”状态。上提后,球体发⽣摆动,绳⼦与胶贴或者星纹之间发⽣摩擦,进⽽向上缠绕,球就顺势回到⼿中了。

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