书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第28章 有趣的热学(2)

“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,黑的十块钱一个,白的十八块钱一个。”

“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。

卖坛子的一再道歉,盲人相信了他的确不是有意欺骗,就告诉卖坛子的:“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?”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。

【物理碰碰车】量子论的基础——热辐射理论

1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩,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,最终量子论也是从这个理论中抽象出来的。

煤炭转行去制冷

煤炭一向是为我们提供温暖的,有一天,它心血来潮忽然想要走另一种路线,它想去制冷,那么它能成功吗?

煤炭当然可以制冷,不过得换个样子之后才可以。在工厂里,工人们把煤放进锅炉里,煤燃烧生成很多烟,这些烟的主要成分是二氧化碳,而二氧化碳就是制冷的原材料。

干冰就是固态的二氧化碳,是在低压下的液态二氧化碳迅速冷却而成的。干冰虽然叫冰,其实并不像冰。它有三个特点最不同于冰:第一是外形,干冰的外形更像压缩的雪;第二是密度,它比普通的冰重,在水中不是漂浮而是下沉;第三是触觉,虽然干冰有-78℃的低温,但小心地拿在手里并不会觉得冰凉,这是因为干冰一接触皮肤就会升华为二氧化碳,相反会对皮肤有保护作用,只有握紧它时,人的手指才可能会冻伤。

干冰的作用主要是依靠它的物理特性:干、冷和不可燃。干冰总是干的,这是因为固态二氧化碳受热后会直接升华为气体,在正常大气压下液态二氧化碳是不存在的,因此二氧化碳可以干燥食物,它不会润湿周围的任何物体。除此以外,干冰的最大特性是温度低,可以用来冷藏食物,加上干的特点,用干冰冷藏可以防止食物发潮和变质,二氧化碳还可以抑制细菌生成。最后,二氧化碳的不可燃可以用作灭火剂,它甚至可以熄灭燃烧着的汽油。

【物理碰碰车】如何把二氧化碳变成干冰

将煤燃烧形成的烟做净化处理,再加上碱性溶液后,就提取出了二氧化碳。然后加热,二氧化碳会从溶液中析出,最后经过70个大气压的高压冷却、压缩、液化后,装入厚壁筒就可以送往汽水厂了。液态二氧化碳的温度很低,还可用于冻结土壤和修筑地铁。

把世界放进嘴巴里暖一暖:热能与温度的关系

暴走的分子们

物体形态的变化与分子的运动有着不可分割的关系,温度越高,分子的运动也激烈,那么分子运动的时候是不是像阅兵一样整齐划一呢?著名的生物学家布朗揭开了这个物理学中的问题。

1872年深秋的一个晚上,英国著名的生物学家布朗在自己的花园里散步。当他走在花园的水池边,发现水面上浮着许多花粉,这一幕深深地吸引住了布朗,他赶忙从房中取出显微镜仔细地观察。这时,他发现一种奇怪的现象:这些细小的花粉在水面上无规则地运动着。

“花粉的运动,可能是因为花粉具有生命力的缘故吧!”这个现象引起了布朗的极大兴趣。他把目光集中在一个细小的花粉颗粒上,发现这些小颗粒的运动是无规则地跳跃着,而且是非常短暂的。

布朗回到实验室,坐在椅子上想了很久:“是不是没有生命的花粉就不会运动了呢?”他把花粉放在酒精里浸泡,过了一段时间,酒精挥发了,花粉也干燥了,他认为花粉已经失去生命力,才开始做实验。结果他在显微镜下发现,花粉仍在杂乱无章地不停运动着。

“原来,花粉无规则地运动,不是生命力的原因引起的。”这个结果是布朗意想不到的。于是他又做了一个实验:他把玻璃磨成粉末,然后撒在水面上,实验证明,这些不具有生命力的玻璃粉末,仍然在做无规则的运动。

这种奇怪的现象使布朗非常困惑,便将这个令他费解的问题公布于世。遗憾的是,直到他去世,这个问题也没有得到解决。

过了很多年以后,物理学家才把这个问题搞清楚:任何物体都是由分子组成的,分子在不停地作无规则的运动。为了纪念布朗,把这种现象命名为“布朗运动”。

【物理碰碰车】解决物理问题的生物学家

布朗1915年出生在巴西。在英国接受教育,毕业于牛津大学。先后任伯明翰大学教授、伦敦国立医学研究所所长等职务。1827年,他发现水中的花粉及其他悬浮的微小颗粒不停地作不规则的折线运动。不过,长期以来人们都不知道其中的原理。50年后,德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致运动的。

会伸缩的铁轨

什么季节的铁路更长?这个问题很多人都能回答出来,因为热胀冷,夏天的铁轨更长一些。当然,如果不考虑钢轨和钢轨之间的缝隙长度,单单计算钢轨的长度,这个答案是正确的。

在这个前提下,俄罗斯的地质学家测量了夏天和冬天的十月铁路铁轨长度,结果发现从莫斯科到圣彼得堡之间的这段铁路所有的铁轨都会膨胀,膨胀后的长度要比冬季长300米左右。由于金属的延展性,钢轨会随着温度的上升而延长。通过测量,当温度上升1℃时,铁轨会增加自身长度的1/100000。这样一来,无论是在温度高达30℃甚至40℃的夏季,还是在温度低至-25℃左右的严冬,铁轨的长度都在发生改变。而变化值的范围可以通过计算冬、夏两个季节的温差得出。

不过需要提醒的是,长度的变化针对的是铁轨的长度,而不是两个地点之间的路程。我们都知道铺就铁路的两根铁轨不是紧密连接在一起的,而是要在钢轨的结合处留有空隙。设计师们之所以这样做,是因为他们考虑到了铁轨受热变长、受冷收缩的情况而预先留出来的。

【物理碰碰车】罐头为什么很难打开

买来的罐头常常很难打开,这种现象是由于热胀冷缩造成的,并不是因为你的力气太小。工厂生产罐头的时候放进去的原材料都是热的,气体膨胀,冷却后罐头瓶里面的气体体积减小,此时罐头瓶内外的大气压就不再相等,而是外面大气压大于内部,所以很难打开,因为你是在和大气压斗争,其实要想打开也很容易,只要把罐头稍微加热一下就可以了。

埃菲尔铁塔有多高?

在了解了金属会热胀冷缩的原理后,如果有人向你询问埃菲尔铁塔有多高,你在回答前一定要追问一下他问的是、是夏天的高度,还是冬天的高度。

埃菲尔铁塔是一座钢筋结构的塔,所以它必然也会发生热胀冷缩现象。这个庞然大物不可能在任何时候都维持着同样的高度,所以说铁塔的高度应该是有变化的。我们常说埃菲尔铁塔高300米,这个数值是在常温下测量的结果。

我们已经得知温度每上升1℃,钢铁会增加自身长度的1/100000,也就是说长300米的钢筋会增长3毫米(300000×1/100000=3毫米)。换言之,埃菲尔铁塔周围的环境温度每上升1℃,它就会长高3毫米。

巴黎的夏天受到太阳照射时温度大概能够达到40℃,阴雨天气它的温度可能会下降到10℃,等到了冬天气温大概能跌倒0℃。巴黎铁塔对于温度波动的敏感程度,甚至比空气更敏感,所以它的高度几乎每时每刻都有微弱的变化。但总的来说它高度伸缩的幅度不会超过120毫米,也就是12厘米左右,当时巴黎的最大温差是40℃,3×40=120毫米。

正因为如此,埃菲尔铁塔高度的测量是个很大的难题,在测量时我们要借助一种由特种镍钢制成的钢丝。这种优质合金几乎不会随着温度的波动而发生长度变化,因此这种合金又被称作“因瓦合金”,“因瓦”在拉丁文中是不变的意思。

当你在参观埃菲尔铁塔时,不妨挑一个天朗气清的好天气,最好是在炎炎夏日,因为这样你可以花一样的价钱爬更高的高度。

【物理碰碰车】观察热胀冷缩现象

准备两个塑料瓶子、两个气球和两个装水的器皿。其中一个器皿中装的是热水、另一个器皿中装的是冷水。

1.将两个气球分别套在两个塑料瓶子中;

2.然后把两个瓶子分别放在热水器皿和冷水器皿中;

3.观察气球的体积变化。

不守规矩的水和锑

“我就不遵守规则,我要特立独行!”有些人喜欢与众不同,有些分子也是!自然界中,多数分子都老实遵守热胀冷缩规律,但也有一些偏偏不听话!

水是其中之一。不过水的叛逆并不彻底,因为多数情况下,水都遵守热胀冷缩规律,但在温度从0℃升高到4℃的过程中,水却是“热缩冷胀”的。这是怎么回事?难道,水分子忽然被定身了?当然不是。这是因为,在温度从0℃升高到4℃的过程中,水分子的密度竟然在增大,也就是聚集在一起的水分子多了,这个趋势打败了那些原本因为受热而跑开的水分子,于是,整体来看,水分子呈现出聚集在一起的状态,也就是冷缩了!

当然,水并不是最特别的,另外一个物质——锑更奇怪。锑是一种银白色的金属,有四个“孩子”:老大“灰锑”,老二“黄锑”,老三“黑锑”,老四“爆炸锑”。这四个兄弟各有所爱,喜怒无常。黄锑喜欢低温,如果温度超过80℃,它就活不下去了,马上变成黑锑;而黑锑,只要一加热,就会变成灰锑;而爆炸锑,简直是个小疯子,只要拿一个硬东西碰一下它,它马上“火冒三丈”,放出大量的热,然后变成灰锑。当然,除了奇怪的孩子,锑本身也很反常,它不但不符合热胀冷缩规律,甚至与之相反:液态锑在冷却凝固时,不但不缩小,体积反而越来越大,也就是热缩冷胀。不过这样才能显出物理的魅力——神奇又莫测。你说是不是?

【物理碰碰车】观察水的热缩冷胀

你需要准备如下的实验器材:一个500毫升的大烧杯、一只温度计、1毫升的红墨水、300毫升的4℃的清洁的水、一个100克的铁块、少许细铁丝、一块50克的冰。

1将水和红墨水混合,倒进烧杯里;

2将冰和铁用铁丝捆扎在一起,用铁丝提着,顺着烧杯的壁下滑到底部;

过一会儿,你就可以看到一股清流沿着烧杯壁向上飘动,这是因为冰块使水和红墨水的混合物降温,水的体积发生膨胀,所以会向上飘动。

买杯子也要讲科学

不知你有没有遇到过这种情况:向玻璃杯倒滚烫的热水时,玻璃杯会突然炸裂。这样的意外事故总是让我们措手不及,很有可能因此而被爆炸的玻璃划伤。那么究竟是什么原因导致玻璃杯炸裂呢?

原来,玻璃杯在接触到热水时,并不是整个杯壁一下子都接触到热水,而是由内及外依次变热。当滚烫的热水倒入玻璃杯中时,玻璃杯的内壁因为受热膨胀,而外壁还没有感受到水的温度,因而没有及时产生膨胀现象,于是承担了来自内壁的巨大压力。当这个压力达到一定程度时,玻璃杯就发生了炸裂现象。所以总的来说,玻璃杯发生炸裂现象是由于玻璃的不均匀膨胀导致的。

为了避免这种情况,我们在选购玻璃杯时,最好选择那些杯壁和杯底都很薄的杯子。因为厚玻璃杯要比薄玻璃杯更容易炸。原因很简单,薄壁的杯子受热比较快,玻璃内壁和外壁很容易达到温度平衡,同时膨胀,不会因为受热不均膨胀不均而发生炸裂。反之,厚的玻璃杯,热的传递的时间比较长,很容易因为受热不均而发生炸裂。

另外,在选择薄玻璃器皿时,一定要记得杯底也应该薄。只要你观察过炸裂的杯子总结一下就会发现,容易炸裂的不仅有杯壁厚的玻璃杯,还有那种带着一圈较厚底脚的玻璃杯。