生活篇

01.為什么晚上看路燈時會看到光“芒”（就是往外發散的那種線條）？

人眼能看見光芒的主要原因有兩個。

第一個原因關乎衍射，這是任何光學系統都無法避免的問題。利用基爾霍夫衍射公式，我們可以較為精確地計算出不同形狀光圈所產生的衍射圖案，即光芒線的條數和延伸長度。拍攝很遠處的物體時，入射光近似于平行光，對光圈做二維傅里葉變換可以近似得到衍射圖案。

當然，要拍出光芒，你并不需要懂得這些復雜的數學。定性來看，光源越亮，光圈越小，由衍射造成的光芒現象也會越明顯。

對人眼來說，這里的光圈可以替換成瞳孔。正常情況下瞳孔是圓形的，理論上不應該看見光芒，而應該看見“光暈”。不過，由于眼球或眼鏡片表面不潔凈，這種不對稱的衍射現象仍有可能發生。

我們可以做個實驗：在相機鏡頭前粘上幾根頭發絲，看看能照出什么現象來。

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02.和金屬做的碗相比，為什么塑料碗比較容易積聚油漬呢？

高中化學課會講“相似相溶原理”——極性分子和金屬離子較易溶于極性溶劑，而非極性分子較易溶于非極性溶劑，即極性相似的分子間一般親和力更強。這里也有類似的原因。

絕大多數油脂都是非極性分子或弱極性分子，而生活中常見的大多數塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚酯等有機高分子材料）亦是如此。因此，油脂和塑料之間的相互作用較強，而與金屬材料的相互作用較弱，油脂更容易附在塑料表面。許多陶瓷材料以離子晶體為主，一般來說也會體現一定的極性，因此不容易粘上油脂且易于清洗。此外，某些塑料分子上會有一些易于和油脂親和的基團，這些基團也會起到一定的“粘”油的作用。

綜上所述，一般情況下塑料會更粘油。當然也有例外，比如，聚全氟烯烴等塑料不易“粘”任何東西。

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03.人體的安全電壓是36V。為什么沒聽說過有安全電流呢？到底是電壓危險還是電流危險？

考慮到人體的情況，高電壓不一定會殺掉你，但是強電流一定會殺掉你，而低電壓一定不會在人體產生強電流，所以低電壓一定是安全的。（哇……真像繞口令。）

那為什么不直接寫安全電流呢？因為電網的標準里只有電壓是恒定不變的，這樣有利于電網中的負載正常運轉，而電流是隨電網中的負載隨時變化的。所以綜上所述：第一，安全電壓不是保障安全的直接原因，卻是安全的充分條件；第二，設置安全電壓在可操作性上比設置安全電流強得多。

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04.下雨時是部分地區下雨，那為什么我們平時看不見或者接觸不到下雨與不下雨的交界處？

其實下雨的地方和不下雨的地方是有比較明顯的分界的，物理君在開闊的荒野中就經常看到。只是一些原因讓我們不太方便看到這個現象。

首先，云層距離地面幾百到幾千米不等，非常高，雨滴在下落過程中會因為受到風的擾動而隨機散開，導致邊界模糊；其次，邊界區域相對于云朵整體面積而言，占比較小，觀察者不容易碰巧處在邊界附近；最后，云朵在風力作用下移動，速度可輕松達到幾十米每秒，邊界快速移動，對觀察者而言也是一晃而過。

總之，當天氣晴朗、土地干燥時，如果突然遇到陣雨且雨滴較重、風速較小，我們很容易看到云朵下雨區域的干濕交界。這也符合日常生活的經驗。

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05.為什么自行車車胎充氣后騎著輕，沒氣時騎著重？

理想情況下，自行車在公路上行駛不需要外力驅動。實際情況下，理想的條件不能被滿足。當自行車胎沒氣時，行駛過程中車胎一直處在壓扁——釋放——壓扁——釋放的狀態，這個過程使大量的機械能轉化成內能，能量利用率降低，所以自行車騎起來會變重。

有人可能會問：為什么不直接去掉車胎？答案很簡單，首先，如果去掉車胎，輪轂和地面就形成剛性接觸，受力非常不均勻，容易造成輪轂損傷。其次，騎車的人會覺得顛簸很厲害，騎行體驗不好。最后，輪胎可以增加車輪和地面的摩擦力，減少打滑。

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06.為什么流動的水不易結冰？

這個和結晶過程需要水分子在凝結核周圍有序地聚集有關。靜水在達到冰點時，如果水中存在凝結核，水就會慢慢在凝結核周圍結晶成冰，凝結過程正是從這些凝結核開始擴散到整個水存在的區域的。但是如果水流動起來，造成的擾動就會對水分子在凝結核周圍的有序聚集起到一定的破壞作用，從而使得冰凍過程變得困難。

比較有意思的是，水在缺少凝結核的時候會形成過冷水（低于冰點卻不冰凍的水）。與之相對應，水在缺少汽化核的情況下會形成過熱水（高于沸點卻不沸騰的水）。

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07.網傳冰糖的摩擦熒光是真的嗎？如果是，還有哪些晶體存在摩擦熒光？

冰糖是真的有摩擦熒光。

想見證奇跡的朋友可以做一個小實驗：找一個透明的、內部干燥（一定要干燥，越干燥現象越明顯）的礦泉水瓶，用其1/4的容量裝大塊冰糖。在一個月黑風高的夜晚，拉上窗簾，關上燈，讓室內伸手不見五指，然后迅速地搖晃塑料瓶，這時你就會看到瓶中的冰糖一下下地發出藍紫色的閃光。搖得越快，現象越明顯！

你可能不知道，摩擦熒光（Triboluminescence）的研究歷史已經有幾百年了，早在17世紀就有人發現摩擦糖塊會發出亮光。其機理在大衛·哈里德（David Halliday）的《基礎物理學》（Fundamentals of Physics）里面有所敘述。由于冰糖晶體的非對稱性，冰糖在斷裂過程中斷面會帶上正負電荷，這相當于把振動摩擦的機械能轉化為了電勢能。而電荷中和的放電過程激發了空氣中的氮分子，將能量以熒光形式放出。能以相似機理摩擦發光的晶體還有LiF、NaCl、SiC等。

雖然多種晶體都有相似的發光現象，但是這背后蘊含的機理問題很多。比如，晶體的壓電效應、扭曲和位錯都能引起發光；還有些晶體不像冰糖這樣靠激發氮分子來發光，而是因晶體本身被激發而發光。摩擦熒光也不限于非對稱晶體，在某些對稱晶體上也能觀察到該現象。這些問題都有待人們去研究。這么看來，一個不起眼的小現象說不定蘊含著很多大學問呢！

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08.夏天，地面附近會有類似火焰一樣的透明的跳動。這是為什么？

太陽光透過空氣加熱地面。→地面通過熱傳導加熱緊挨著地面的空氣。→空氣受熱膨脹，體積增加、密度變小。→密度變小之后，空氣開始上浮，并與上方的冷空氣不斷碰撞。→空中形成了很多不同密度空氣的交界面，這些交界面隨著冷熱空氣的碰撞不斷改變。→不同密度的空氣有不同的折射率，光線穿過交界面時發生折射。→于是，你就看到了像火焰一樣透明的跳動。

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09.為什么會有風？

因為有太陽。

太陽光加熱了地球表面，地球表面加熱了空氣。這里有個關鍵點：地球表面不一定是同質的。比如，海水比熱容比陸地大，所以陸地在同樣的日照情況下升溫比海洋快，這就使陸地上方的空氣比海洋上方的空氣更熱。我們剛剛說了，熱空氣要往上運動，它們走了之后在地面留下一個低氣壓區域。雖然海洋上方的空氣也在往上運動并制造低氣壓，但它們沒有那么熱，所以上升得不如陸地上方的空氣快。相對于地面來說，它們處在高氣壓區域。于是氣體從高壓區域流向低壓區域，海風就從海洋吹向陸地了。而到了晚上，陸地迅速降溫，這時海洋表面比陸地熱，風又會從陸地吹向海洋了。

本質上講，風就是太陽光驅動的熱對流現象。

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10.我該如何說服長輩手機電磁輻射是基本無害的？

從物理的角度來說，手機輻射是非電離輻射，而且功率很小，不會破壞有機分子，也不會對人體造成傷害。

從醫學實驗的角度來說，沒有顯著證據證明手機輻射與生理性疾病存在因果關系。

就說是物理君說的。

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11.電磁爐的波對人有危害嗎？請問（城市萬伏變壓）變壓器旁邊的電磁輻射對人的影響有多大？

科學未發現生活中常見的輻射來源——手機、電腦屏幕、Wi-Fi、電磁爐、微波爐、信號基站、高壓變壓器，等等——對人體有任何輻射傷害，只要使用者規范使用不作死。

作死舉例：（1）強行打開正在運行的微波爐；（2）跑進變壓器里玩捉迷藏；（3）把臉貼到正在運行的電磁爐上。

當然，這里不排除其他傷害，比如被變壓器砸死什么的。

真正會帶來輻射傷害的常見物品包括地鐵與機場的X射線安檢儀（不包括金屬探測器）、煙草、醫院的X光機、胸透儀、CT儀、高空宇宙射線、放射性礦物質。

當然，不談劑量就談毒性也是非常不科學的。目前已證明的對人體健康明顯有害的輻射劑量最小值是100毫西弗。一個普通的正常人一年能承受的輻射劑量一般為2～3毫西弗。地鐵安檢儀泄漏的輻射劑量可忽略不計。坐飛機往返一次東京或紐約大約要承受0.2毫西弗，和一次胸透差不多。一次頭部CT掃描大概1毫西弗，而與一個每天吸30支煙的人同居一年吸入的二手煙的劑量也有1毫西弗。一次胸部CT大概5毫西弗，全身CT10～20毫西弗。一個每天吸30支煙的吸煙者一年承受的輻射劑量為13～60毫西弗。

另外，放射性職業工作者一年累計全身受職業照射的上限是20毫西弗，受輻射達到200毫西弗時白血球減少，1000毫西弗時出現明顯的輻射癥狀（惡心、嘔吐、水晶體混濁等），2000毫西弗時致死率會達到5%，3000～5000毫西弗時致死率大約是50%，10000毫西弗以上基本上就“妥妥滴”了。

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12.一個火車頭為什么能拉動這么多的車廂呢？

物理君要先告訴大家一個有點反直覺的模型：在平整的剛性地面上，有一個正圓、剛性、質量均勻的輪子在無滑動滾動，即便不給輪子施加外力，它仍然可以一直維持勻速直線運動狀態，直到永遠。

由此可見，理想情況下，維持一輛車的運動并不需要額外施力（此處不考慮內部摩擦）。當然，對于實際情況，我們所設置的一系列條件（剛性、平整、正圓等）都不能完全滿足，但是因為輪子的存在，維持火車的運動并不會“特別難”。再不濟，我們還可以增加牽引車頭或者使用更重的牽引車頭。

事實上，火車頭拉動車廂最難的階段是在啟動的時候，讓車廂從靜止狀態轉變到運動狀態要比維持運動難得多。不過，啟動時所有車廂并不是同時啟動的，而是車頭帶動第一節車廂，然后車頭和第一節車廂共同帶動第二節車廂，直到最后一節車廂被帶動，這樣就完成了整車的啟動，這種“逐個擊破”的手段保證了較輕的車頭也能拉動較重的車廂。

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13.為什么硬的東西都是脆的？

這個問題好有趣。要回答也不難，我們要先定義一下什么叫“硬”，什么又叫“脆”。所謂“硬”，就是抵抗壓強導致的形變的能力。所謂“脆”，就是忍受形變的能力很小，延展性差，稍有形變就會遭到破壞。

不過需要說明的是，這個問題本身并不普遍成立。比如，鋼鐵硬而韌，石墨軟卻脆。這里只針對成立的情況做一些說明。

為了說得更清楚，我們先列舉幾個硬東西：金剛石、大理石、藍寶石、水晶、玻璃。我們再列舉幾個延展性好的軟東西：橡皮筋、塑料袋、你的臉。

不知道你注意到沒有，這兩類東西最大的區別在于，硬的東西都是直接通過原子的共價化學鍵相連的（注意，玻璃不是晶體，但其內部也是通過共價鍵相連的，只是沒有周期結構而已），而軟的東西都通過氫鍵和分子間力拴在一起。

這樣問題就很簡單了，共價鍵的強度遠大于氫鍵和分子間力，因此共價鍵很難被拉開，分子間力卻很容易被破除。在產生相同的形變時，以共價鍵相連的物體需要更多的功，于是表現得“硬”。但共價鍵本質上是原子外層電子波函數的疊加，所以作用范圍非常小，跟原子的尺度是一樣的。也就是說，共價鍵稍微被拉遠一些就無法繼續保存了。而分子間力不要求波函數直接疊加，所以作用范圍大得多（比如橡皮筋中的分子間力主要依靠熵增）。于是，硬的東西往往比軟的東西“脆”。

注意，我在這里回避了金屬鍵的軟硬問題，因為金屬的軟硬分析比較復雜，要分析具體的晶體結構，要分析位錯的生長，以及具體的雜質帶來的位錯釘扎。

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14.坐在火車上透過玻璃往外看，離得越近的東西“走”得越快（比如鐵軌和路桿），而遠的東西（比如建筑和樹）好像就“走”得比較慢。這是為什么？

因為它們“走”過你視野的快慢不同。

所有這些靜止的物體相對于你的速度都是一樣的，此其一。你的視野范圍大致在一個圓錐里面，距離越遠（越接近圓錐的“大頭”），你能看到的范圍就越大，此其二。

假設火車的速度是10米/秒，對于離你只有2米遠的景物，你的視野是一個半徑幾米的圓，所以2米遠處的路桿可以在1秒內從你的視野中出現又消失；而對于離你1000米的景物來說，你的視野是一個半徑數千米的大圓，于是這棵樹會優哉游哉地在你眼中待上好幾分鐘。

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15.1秒有多長？1秒的定義很復雜嗎？

在歷史上，1秒曾經的定義是地球自轉一圈的1/24的1/3600。后來，隨著生產和研究的發展，我們需要越來越精確的時間度量。地球自轉一圈的時間并不是很精確，它是會上下浮動的。地球12月底自轉一圈的時間比春分、秋分時長了幾十秒。那我們到底該用哪一天的自轉來定義秒呢？

所以，我們把1秒的定義改成了銫133原子基態在0K時的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間。這個時間間隔非常非常精確，而且在全宇宙都是一樣的。之所以用9192631770這么奇葩的次數，是為了和歷史上秒的定義時長盡量吻合。在2018年召開的國際計量大會上，千克也由普朗克常數重新定義，定義比秒復雜得多，但是對于科學家來說，這些定義更加精確，能更好地為科研服務。

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16.下雨時打電話真的會引來閃電嗎？

閃電產生的原因是云層和大地之間的強電壓電離了空氣，產生了放電通道。手機電磁輻射的能量跟這個相比是可以忽略不計的，所以手機輻射不會對閃電的放電通路造成什么影響。

另外，有人覺得電話的尖端放電效應會引來閃電，這個也是經不起推敲的。正常人在使用手機時手機的高度都不會超過身高，現在的手機外殼也沒有什么尖銳的部件，所以手機也沒有引來閃電的額外尖端效應。（唯一的尖端效應恐怕來自你自己的身高。）

我們的結論是，下雨天打電話會引來閃電是一個比較常見的謠言。

其實這個謠言這么流行的原因物理君想過，可能有兩點。

第一，最早的手機，也就是大哥大，有很長的外置金屬天線。這根天線在打電話的時候還要拉開，這個可能真的有尖端效應，會引來閃電。所以，早期的手機廠商會提示消費者，下雨天在戶外最好不要打電話。很多人雖然不明就里，但記住了這一點，直到今天還記著。可是如今的手機早已今非昔比。

第二，謠言的傳播是有模式的。廣為流傳的謠言一定有一個特點，就是謠言的接受成本遠遠小于其分辨成本。（哦？下雨天打電話引雷？那我不打就好了，難道還要我專門去學一下電磁學嗎？大家都很忙的。）如果商家說“家里面錢太多會引來閃電”，那我敢說這個謠言肯定流行不起來，因為不管真懂還是假懂，所有人下意識地都想反駁它。接受成本太高啦。

所以，辟謠不光是一個知識量的問題，它更是一個成本與行為模式的經濟學問題。要真正消滅謠言，第一要提高謠言的接受成本，第二要降低謠言的分辨成本。

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17.開發商總說樓層中間地帶是揚灰層，那么灰塵在空氣中能夠達到的高度有多高？

灰塵在空氣中達到的高度受到很多因素的影響（風速、風向、氣溫、濕度），而且不同尺寸、不同電荷、不同pH的灰塵能達到的高度也是不一樣的。這里并沒有一個簡單通用的公式。但至少，某些樓層（比如經常被提起的9～11層）是揚灰層這個說法是謠言，因為每一個地方情況都不一樣，同一個地方不同的灰塵可能在不同層聚集，也可能在所有層都差不多。

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18.為什么紙張沾了油會變透明？

這個問題很好呀！

紙張是一種充滿了孔隙的雜亂纖維，孔隙中有很多空氣，而空氣和纖維的折射率不同。于是，當光線照到紙上的時候，一部分會被紙張纖維吸收，一部分在紙張的孔隙中不斷散射，在雜亂的纖維與空氣界面發生雜亂的折射和反射。

油（植物油）和纖維的折射率差別不大，分別接近1.47和1.53（空氣折射率是1.0）。如果孔隙中充滿了油，那么油和纖維的界面上的折射和反射就大大減少了，光線差不多可以直射過紙張，紙張就變得透明了。

其實你們還可以觀察到這一點：紙張浸水之后也會變得透明，但又不如浸油后透明度高。為什么呢？答案很簡單，因為純水的折射率大約是1.33。

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19.路面有水，水會減少汽車輪胎與路面的摩擦力，引發打滑現象。但是，人工清點紙幣時，干燥的手指在紙幣上卻打滑，將手指沾水后反倒不打滑了。這是為什么？

兩種現象的主要差別在于水層的厚度。水層是不是足夠厚，可以讓水自由地在層間流動？如果是，那水自然就會打滑。如果不是，比如只在手指上、玻璃上涂了很薄的一層水膜，那這時表面浸潤和張力會讓水增大摩擦。

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20.在電梯里手機為什么沒信號？

因為電梯把電磁信號屏蔽了。

大家都學過中學物理中的靜電屏蔽效應，即導體空腔內外的電荷分布不會互相影響，因為導體中的自由電荷會隨著導體內外的電荷產生的電場而做出“調整”，達到“屏蔽”的效果。

電梯中的信號問題與這有些類似，電梯可看作一個封閉的導體空腔，由于自由電荷的影響，電磁波不容易穿過導體。在手機信號的頻率波段下，電磁波在導體中的穿透距離很小，強度衰減得很快。因此，手機發出的信號很難傳到電梯外，電梯外的電磁信號也難以傳到手機上。

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21.關于樂器的聲音，音調、響度有確定的物理量去分析，那么如何定量分析“音色”？

音色的類型是由振源的特性和共振峰的形狀共同決定的。

首先，你需要了解不同樂器的音色為什么不同，以及“泛音”是什么。樂器的聲音并不是由單一成分的頻率構成的，而是由一組滿足倍數關系的頻率構成的。所有樂器都靠駐波發聲——因為琴弦的兩端被固定住了，所以琴弦振動部分的長度必然是半波長的整數倍。我們知道頻率等于波速除以波長，當我們撥動琴弦時，也許有80%的能量被轉換為整個琴弦的振動，產生了基音，同時會有10%的能量被轉換為2倍頻的振動，5%的能量被轉換為3倍頻，而2倍頻的成分從某種意義上講也可以是基音，又可以轉換為4倍、8倍的成分……每種樂器的能量分配比例都不同，于是每種樂器都是獨一無二的存在，擁有獨一無二的音色。

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22.請問，孕婦防輻射服有必要穿嗎？

完全沒有必要。

可能有很多人會出于各種目的向您及您的家人鼓吹穿孕婦防輻射服的必要性。但我們要說，完全沒有必要。

首先，只有電離輻射對人體有害。電視電腦也好，手機微波爐信號塔也好，這些日常生活中的輻射都是非電離輻射，而非電離輻射對人體是無害的。（你只需要注意別被微波爐烤熟就行了。）

再則，常見的電離輻射有安檢時的X射線輻射，坐飛機時的高空宇宙射線輻射。但這些輻射我們接觸的劑量很小，是可以忽略不計的。

最后，如果您不幸生活在福島，那么那么薄的孕婦防輻射服，第一防不住γ射線，第二防不住β射線，唯一能防的也就是α粒子。但α粒子您的皮膚也能防。現在很多所謂的防輻射孕婦服在衣服里面加金屬絲，思路還是用感應原理隔絕非電離輻射。這又回到第一點了，也即非電離輻射是無害的。

（PS：市場上連防引力波輻射孕婦服都有了。如果這東西真能吸收引力波，那我們科學院要先買一打呀，因為這貨掛起來就是引力波探測器，豈不美哉？）

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23.雷電是怎么產生的？

雷雨的積雨云下層以及地表富集著大量的相反電荷，這使得云和大地之間形成了非常大的電勢差（幾十兆伏），這樣高的電壓產生的電場有可能讓空氣分子電離。電離出來的離子在電場加速下高速撞向旁邊的分子，把旁邊的分子也給撞電離了。然后，這種雪崩一樣的情況把空氣沿著一條線變成了導體，電荷通過這條線迅速放電，就形成了閃電。放電產生的熱量把空氣加熱，使得空氣膨脹摩擦并發出聲響，這就產生了雷。

雷雨云中為什么會富集如此大的電荷量？目前有很多理論，但是每個理論都不能解釋所有的現象，雷雨云的起電機制現在還是一個有爭議的問題。

想了解更多的朋友可以去看看《費曼物理學講義》的第二卷，書中有更加易懂的講解。

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24.北極的冰屋里面真的不冷嗎？

冰屋確實能起到很好的御寒作用。

冰屋幾乎沒有縫隙可以讓寒風吹進室內，而且冰屋的建成材料冰磚是熱的不良導體，能起到很好的隔熱作用。冰屋門的朝向一般與風向垂直，而且十分低矮，寒風無法進入室內形成對流。

北極的室外溫度低至零下幾十攝氏度，而冰屋內的溫度可以達到零下幾攝氏度到十幾攝氏度，這對于有獸皮保暖的因紐特人來講已經足夠了，普通人應該也沒什么太大問題，畢竟冬天我國南方室內不開空調跟這個溫度應該差不太多。室內一般也不會出現冰塊融化的問題，因為冰壁附近的溫度總是低于熔點的，如果想讓室內更暖和，因紐特人會在內壁掛上獸皮，這樣盡管室內很暖和，但獸皮和冰壁之間的空氣因獸皮隔熱而無法升到較高的溫度。雪洞保暖也基于同樣的原理，若是條件合適，挖雪洞避寒也是很好的野外生存技巧。

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25.液態氧和固態氧為什么是藍色的呢？

考慮氧的顏色就要考慮氧分子的吸收光譜。氧氣的吸收光譜主要存在于紅外區域，氣態的氧便呈現無色透明的狀態。但是在液態和固態中，由于凝聚態的雙分子耦合作用，產生了紅到黃綠光區域的四個吸收峰，所以液態氧和固態氧顯示藍色。

另外一個原因是氣態的氧分子在空間分布的密度很低，所以即使吸收同樣顏色的光，顏色也太淺，肉眼根本看不出來。

參考文獻：

E.A.Ogryzlo J. Chem. Educ.,1965,42(12),p647

Ahsan U.Khan,Michael Kasha J.Am.Chem.Soc.,1970,92(11),pp3293–3300

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26.為什么燃燒后的火柴具有磁性，可以被磁鐵吸引？

這和燃燒沒有關系，沒有點燃的火柴頭也會被磁鐵吸引。

把火柴頭放到水里，旁邊放上磁鐵，火柴頭會因受到吸引而運動。顯然，火柴頭里加入了磁性物質，考慮成本問題，鐵粉的可能性最大。那么為什么燃燒后現象變明顯了呢？從分析來看，有下面兩個原因：第一，火柴燃燒后大部分可燃物被氧化，火柴更輕了；第二，磁性粉末分布更加集中，磁化效果更強。

為什么火柴頭里要加入磁性粉末呢？細心的朋友會發現，火柴一般都是頭朝一邊躺在火柴盒里的。沒錯，加入鐵粉后，我們用磁鐵吸一下就可以高效地把火柴頭順到一邊了。我國早在20世紀80年代就擬定了技術標準，顛倒頭的火柴是不允許裝盒的。傳統的方法依靠火柴頭尾重量差，用振動實現順頭。這種方法一是分離不完全，二是容易失火，安全性差，三是會出現大量的殘余，造成浪費。所以，現在大家都采用摻磁性粉末的方法解決這個問題，這個點子還在1991年的時候申請了國家專利呢！

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27.為什么飛機飛過天空后會留下云？

云的形成過程大致是這樣的：大氣中的水汽過于飽和，不斷聚集在凝結核上，形成了小水滴或者小冰晶，然后這些水滴或者冰晶會反射和散射太陽光，我們就可以看到云了。

飛機飛過留下的云可以稱作“飛機尾跡”，我們經常看到的是噴氣式飛機的尾跡。噴氣式飛機在高空飛行時會排出大量含有水蒸氣的高溫廢氣，而機艙外的環境溫度通常是零下幾十攝氏度。高溫廢氣與空氣混合，溫度下降，水蒸氣達到過飽和的條件，在凝結核上凝結成小水滴或者小冰晶，于是就形成云了。尾跡一旦形成，一般可以維持30～40分鐘。

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28.北半球的水渦都是向左旋轉的嗎？聽說這是由地球自轉和不同緯度的不同線速度決定的，這種解釋科學嗎？

地球自轉的確會產生一種改變運動方向的力，這被稱作科里奧利力（或者地理學中的地轉偏向力），但這種力的來源不是各處不同的線速度。關鍵在于，地球是一個轉動的非慣性系，而且只有相對地球運動的物體才會受到科里奧利力。北半球的氣旋逆時針旋轉（左旋），南半球的順時針旋轉（右旋），這的確是因為科里奧利力。

但是，如果你指的是洗手池、浴缸、抽水馬桶等在放水時形成的水渦，那么它們的旋轉方向與科里奧利力無關。這是因為這些東西排水時涉及的尺度與速度太小，科里奧利力太小，不足以影響水流方向。水渦的旋轉方向主要由排水孔內部的結構決定。

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29.為什么用紙或塑料遮住手機Home鍵，指紋識別依然可以使用？難道這樣也導電嗎？

所謂指紋識別，即通過識別模塊收集你的指紋信息，與之前存儲在手機中的指紋信息進行對比。根據收集指紋的方式不同，指紋識別模塊主要分為這幾種：光學式指紋模塊、電容式指紋模塊、射頻式指紋模塊。

光學式指紋模塊利用光學反射成像識別指紋，但其識別精度并不理想，且占用空間較大，所以手機上很少用這種識別模塊。

電容式指紋模塊利用硅晶元與手指導電的皮下組織液構成一個“電容器”。我們知道，兩個電極之間的距離遠近會影響電容器的電壓；根據這個原理，指紋的高低起伏會在不同的硅晶元上形成不同的電場，這樣就把指紋信息轉化成了電信號。目前大多數手機的指紋識別使用的都是電容式指紋模塊。

射頻式指紋模塊有無線電波探測型和超聲波探測型兩種，原理是靠特定頻率的信號反射探測指紋的具體形態。這種技術通過傳感器本身發射出微量射頻信號，穿透手指的表層，探測里層的紋路。其優點是手指不需要和識別模塊接觸。

了解這些之后，我想你已經知道問題的答案了。首先，你的手機指紋識別模塊是電容式的，對于這種模式的指紋識別，只要“中間介質”沒有厚到讓產生的電場太弱而檢測不到，那就不會影響指紋識別。你可以做個小實驗，看加多少張紙后，指紋識別功能才會失效。

“濕手無法指紋識別”的現象也很容易理解：水有導電性，這時模塊識別的是水的“紋路”，而不是你手指的。

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30.為什么導電的固體大多不透明，而透明的固體大多不導電？

透明的含義是什么？

從能量的角度講，透明意味著材料中的電子無法吸收可見光所對應的能量并進行躍遷。可見光紅紫兩側對應的能量分別約為1.6eV和3.1eV。固體中的原子常常整齊地排列形成晶體，其中的電子會處在一系列準連續的能級上，這被稱為能帶。以金屬為代表的導電固體之所以呈現金屬性，是由于其中的電子填充了半滿的能帶，電子只需吸收很少的能量即可躍遷到與之最近的能級上。當然，電子也可以吸收更多的能量躍遷到更高的能級上，而這些能級對應的能帶范圍連續且很寬，經常在整個可見光范圍內都有吸收，因此就不透明了。

不導電固體，以水晶為例，其電子填充了整個能帶，能帶與能帶之間隔著一定的能量，這就是帶隙。這意味著電子吸收的能量至少需要接近帶隙對應的能量才能發生躍遷。水晶的帶隙較大，約為9eV，遠遠超過可見光能量，其電子無法通過吸收可見光躍遷，于是水晶表現出了透明的性質。

半導體與絕緣體相似，但是帶隙比絕緣體小，具體情況需要具體討論。比如，Si帶隙對應1.1eV，小于紅光能量，整個可見光段在此都有吸收，故不透明；而SiC帶隙對應2.4eV，2.4～3.1eV范圍的可見光在此被吸收。綠光能量為2.37eV，這意味著紅橙黃綠藍靛紫的全譜中，藍靛紫在此被吸收了，紅橙黃綠依然透過，材料依然透明，但會顯示顏色。至于塑料等以分子為主的材料，分析方法與之類似，只是這種材料未形成能帶，而是有一系列分立的能級，需要根據具體情況分開討論。

這個問題還可以從另一個不嚴謹但是更直觀的角度理解：導電說明電子可隨電場自由移動，當然也可以隨光的電磁場運動，從而吸收光的能量，表現為不透明；而透明物體對光無明顯吸收，說明其中的電子不易隨光的電磁場運動，那么它們在普通的電場中也不易自由移動，物體也就不導電了。

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31.物體的熔點能改變嗎？

當然可以。固體怎么就熔化了呢？固體中的原子或分子因各種相互作用而手牽手整齊排列，溫度相當于引入了原子或分子的振動；溫度越高振動越強，振動太大、偏離平衡位置太遠，原子無法繼續牽手，隊伍就亂掉了，固體也就熔化了。因此，一切可以影響原子或分子間相互作用的物理量，包括壓強、雜質、外場、襯底，甚至顆粒尺寸都可能對熔點造成影響。

例如，冰在通常狀態下熔點隨壓強增大而降低，所以掛著重物的鋼絲勒在冰柱上很容易使冰局部熔化并緩慢嵌入。而在很高的壓強（如20000個大氣壓）附近，冰的熔點隨壓強增大而升高，可超過室溫，這叫作“高壓熱冰”。雜質的加入可以改變熔點，在冰中加入少量鹽或酒精就可以降低熔點，這一原理可用于道路除雪和拖拉機水箱防凍。電場和磁場也可以改變冰的熔點。在不同的襯底上，物質的熔點也會有所差異，例如，低溫下吸附在不同金屬襯底上的固態氧薄膜熔點不同。另外，固體表面附近的熔點一般比體相要低，這一原理可應用于超細粉末固相燒結。納米顆粒因表面相比例很高，熔點可大幅降低，降幅甚至可達幾十至幾百攝氏度。

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32.耳機降噪的原理是什么？

降噪方法分為被動降噪和主動降噪。前者指的就是普通的隔音，利用硅膠塞等在耳洞內形成封閉空間，阻擋外部噪聲傳入。這種方法的特點是容易濾去高頻噪聲，而對低頻噪聲過濾效果不佳。不信你可以試一試：用手指堵上耳朵，尖厲的聲音明顯減弱，而機器轟鳴等低沉的聲音卻依然明顯。

不過我猜你更關心的應該是主動降噪，對此物理君只能搖搖頭……不是不知道，而是請你一起搖頭。

注意：搖頭的時候你還可以看清手機屏幕上的字嗎？差不多可以，這說明頭部轉動并沒有給眼睛帶來太大的擾動，這是為什么呢？因為眼睛感受到視野變化的信息后，會及時傳給大腦，大腦給眼睛一個反向轉動的命令，抵消腦袋轉動的影響，從而減少視野的晃動。主動降噪耳機的原理與之類似，麥克風接收周圍的噪聲，傳給芯片，再讓揚聲器發出一個與噪聲等振幅、反相位的聲音，從而與原噪聲相互抵消。這種方法在過濾低頻噪聲時效果非常好，但噪聲頻率太高時，可能會遇到電路延遲及波長減短帶來的相位誤差問題。因此，兩種降噪方法合二為一時效果更佳。

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33.為什么電池會有保質期呢？沒用過的電池超過保質期使用起來會有什么反應？電池里的電去哪兒了？

電池當然會有保質期！

這個問題和干電池的自放電現象有關。我們先來復習一下在中學時代學過的銅鋅原電池：銅做正極，鋅做負極，中間連上導線，把電極浸泡到電解液中，我們就會在外電路得到電流輸出。如果我們把導線去掉，讓銅鋅電極直接接觸，并把它們完全浸泡在電解液中，會出現什么情況呢？我想你肯定知道，這和原電池沒有什么不同，只不過我們沒法利用由此而來的電能了。如果銅電極很小，只在鋅的表面有一些分布，那就會形成無數個微小的原電池，從而消耗電池的化學能。電化學腐蝕的原理也是如此。沒錯，干電池的自放電就是電解液中的雜質或者電極的不均勻表面造成的。電池的正負電極都會出現微電池腐蝕的情況。但通常情況下，自放電主要發生在負極，如果電極表面存在析氫電位低的雜質，就會出現析氫反應。鐵、鎳、銅、砷等雜質都是有害的。所以，電池工業對電極和電解液中雜質濃度的控制相當嚴格，對工藝流程和生產環境的要求也很高。

電池經過較長時間的貯存后，自放電會造成雜質在電極表面沉積，電解液變質，從而出現開路電壓變低，持續穩定放電時間變短等情況。電能嘛，最終都變成熱能跑掉嘍。

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34.為什么汽車在公路上行駛時，打開窗子風會從外面吹進來，而客機在空中破口時，風會將人往外吹？

汽車在公路上行駛，車內外氣壓都接近一個大氣壓，壓差主要由運動引起。實際情況會比問題中所述更復雜些。具體來講，由于汽車相對空氣運動，前方空氣被輕微擠壓，壓強略高，從前邊車窗吹進來，或者被前擋板推向兩側；由于伯努利原理，汽車側面存在一個低壓區，部分空氣向外流出并逐漸平衡，尤其是當汽車或火車快速經過隧道時，你的耳朵對此會有明顯的感覺。另外，車窗周圍還存在一些因相對運動而灌入的空氣，以及在車窗邊形成的渦流。汽車尾部也存在一個低壓區，汽車行駛速度很快時甚至可形成湍流，并影響加速，這是賽車提速需要考慮的重要因素。我們很容易通過車尾揚起的塵土觀察到這部分空氣的運動情況。

客機飛行高度為10000米左右，此處空氣壓強只有標準大氣壓的1/4到1/3。你可以想象一下珠穆朗瑪峰頂的低溫低壓環境，人在這種環境下會呼吸困難。為了保證人的生命安全和正常活動，飛機采取密閉充氣的方法，保證飛機內壓強在2/3標準大氣壓以上。因此，飛機內的壓強始終比外部高，且這個壓差較大，不可忽略。一旦客機在空中發生破損，強大的壓差就會讓空氣迅速涌出，形成向外吹的大風。

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35.鏡子的反射率與什么有關？這個量有理論上限嗎？

光介質的反射率是指當入射光垂直打入介質時，其反射光強與入射光強的比值，與其對應的是光介質的透射率，根據能量守恒我們知道二者之和為1。一般光介質的反射率與透射率是通過求解光入射到介質表面的麥克斯韋方程組的邊界條件得到的，其大小與介質的介電常數、磁導率，以及入射光的頻率有關。不過在大多數情況下，磁導率和光波頻率的影響可以忽略不計。至于鏡子，我們知道，鏡子一般是由鏡片（一般為玻璃）和鍍在鏡面上的金屬膜（最常見的是銀）構成的。玻璃的透射率很高，而金屬膜的反射率很高，光打到鏡子上以后，很大一部分透過了玻璃，由金屬膜反射回來，所以鏡子的反射率是由玻璃的透射率和金屬膜的反射率共同決定的，一般鏡子的反射率都在90%左右。用途特殊的鏡子，如實驗室中的一些反射鏡，反射率能達到95%以上，甚至99.9%，但是絕對無法達到100%。

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36.當光通過水的時候，水的流速會對光線傳播產生影響嗎？

首先說結果，水的流速確實會對光傳播造成影響，光線會被介質的運動“部分拖曳”。其實風也會把聲音吹跑，“順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰”乃是對經典情況下介質運動對聲波的影響的精妙總結。光的情況稍有不同，假設光線和介質速度共線，光相對于我們的速度為c'=c/n+v（1-1/n2），其中c'為經過介質時光的速度，n為折射率，v為介質運動速度。1851年，斐索從實驗中得到了該結果。它并不是介質中的光速和介質運動速度的直接線性疊加，這是相對論修正帶來的結果。有的同學可能會問，光速不是不變的嗎？但是這個結果告訴我們，“光速”不僅對于不同介質是可變的，而且對于運動速度不同的同種介質也是可變的。這是因為速度始終要符合相對論的速度疊加公式，我們不能簡單地認定“光的速度是不變的”。

為了形象地說明光會被拖曳，我們在此介紹一個觀察實驗。一束光正入射在以一定速度流動的水的表面，如果流動沒有對光傳播造成影響，那么光必然會繼續垂直射入水中。現在，我們到和水流相對靜止的參考系中觀察，這時候由于和光源相對運動引起的光行差效應，光以一定角度射入水面，而這會發生折射，使光的傳播方向發生改變，這顯然是不可能的。所以我們推斷，光必然會被水流拖曳。如若考慮水流動過程中的不均勻因素，光的折射方向還會不斷改變，當然，這是另外一回事了。

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37.近視眼在水下看東西會感覺一切都很清楚。怎樣從光學的角度解釋這個現象呢？

我們需要先講一下人的視覺系統是怎么“看到”東西的，光線進入人眼，經過晶狀體的折射來到視網膜。視網膜上的感光細胞感受光信號，然后由視神經傳遞到大腦，這樣我們就看到了物體的像。可以看出，晶狀體在視網膜上成像的質量對于我們是否可以看清物體至關重要。近視的產生就是因為眼部調節晶狀體形狀的能力變弱，使得經過晶狀體折射的光線過早地匯聚，落在晶狀體上的像變得模糊不清，此時人眼看到的像也是模糊的。近視鏡的作用就是令光在進入眼睛之前提前發散一次，發散后的光在經過（不健康的）晶狀體之后反而可以在視網膜上形成清晰的像。

我們在水下睜開眼睛時，由于水的折射率大于空氣，光從水中進入眼睛產生的偏折效應比在空氣中小。這就相當于對光進行了一次發散，其結果就是我們看得清楚了。當然，這只對近視眼有效果，對遠視眼效果相反，大家可以自行分析其中的原因。最后，請大家思考一下：為什么大多數魚是“近視眼”？

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38.為什么電扇背面沒有風？為什么對電扇說話聲音會變得怪怪的？

電風扇背面也是有風的，只是相對正面而言要小很多。扇葉快速旋轉，以斜面的形式給空氣一個推動力，直接令空氣加速，形成風從正面吹出，這個速度比較快；而風扇后方的空氣，則要去填補被扇葉吹出去的那部分空氣原來所在的空間，靠壓差形成風，這個速度比較慢。而且，前面的風比較集中，幾乎都朝一個方向吹，而后面的風則是從風扇背面各個方向過來的，比較分散，也就沒有那么強了。如果你把風扇放在一個長型管道中，前后的風速差別就要小很多了。

對著電風扇說話時，聲音會怪怪的。這一方面是因為前面吹的風影響了我們說話時吐出的氣流的速度甚至方向，另一方面是因為以我們的口腔為共振腔，產生了一些駐波，這會發出聲音。為了減少干擾，你可以試著面對風扇，嗓子不主動發聲，空做類似“嗚嗚”的小口型和“哇哇”的大口型，聽聽不同的聲音。這個有點類似于對著空啤酒瓶吹氣，吹的速度和方向不同、瓶口的大小和深度不同，發出的聲音也不同。當然，風很大時，口型都控制不穩了，聲音就更怪啦！比如，喝西北風。

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39.為什么尺子和橡皮放在一起久了會粘在一起，接觸的地方還會有油一樣的物質？

當然是因為它們性情相近、真心相愛，而且還有“油”做媒啦！（再也無法直視這對CP了。）

其實吧，尺子所用的材料多為聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，橡皮的主體成分為聚氯乙烯等，總之都屬于高分子聚合物塑料，所以性情相近嘛。而橡皮之所以擁有如此光滑柔嫩有彈性的肌膚，離不開一種特殊的物質，它被稱作塑化劑或增塑劑。

你想啊，一般的高分子聚合物鏈很長，如果它們之間的相互作用太強，就容易糾纏在一起，阻礙長鏈的相互滑移，從而影響其塑性。塑化劑的主要作用就是削弱它們之間的作用力，此外還可以降低聚合物的結晶性，最終增加材料的塑性，因此塑化劑在橡皮的制作過程中必不可少。然而常用的酯類化合物塑化劑，比如酞酸酯系列，對塑料有一定的溶解作用，因此可以很好地充當“媒人”，將尺子和橡皮黏結在一起！

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40.風扇為什么逆時針旋轉？

這是個很有趣的現象，應該與螺紋方向有關。工業上為了降低成本，各種零件會盡量遵循標準化的原則。常見的螺紋都是右螺旋的。因為規模效應，右螺旋的螺紋成本比左螺旋的更便宜。如果電機向外伸出的轉軸末端為普通右旋螺紋，且與風扇配套，那么你很容易發現，當風扇逆時針旋轉時，風扇與轉軸之間的作用力趨于將兩者擰得更緊；而當風扇順時針旋轉時，螺紋連接處會越來越松。雖然現在的風扇連接方式越來越多，但這種方式依然作為主流保留了下來，甚至可能成為行業規范。

工業中很多機械的設計都會考慮到螺紋松緊的這種效應，尤其是旋轉和振動比較頻繁的結構。有趣的是，自行車左右兩個腳踏板對應的曲柄與齒輪的連接處，分別安裝了左螺紋和右螺紋部件，這樣可以保證兩邊踩踏時都不會松動。不過我也確實碰到過一輛劣質自行車，可能是為了節約成本，或者是從一開始就有設計缺陷，總之兩側都用了右螺紋，騎了才幾天腳鐙就掉了。

再給大家講一個有趣的小知識。

其實剛開始的時候，左螺紋和右螺紋的成本和裝配便捷程度可能都差不多，但是這樣相應的機床、螺絲、螺母等就不能任意配對了。一旦某一個環節打破了平衡的局面，比如市場上出現了一大批右螺紋的機床或者螺母，那么相應的螺釘就需要是右螺紋的了，左螺紋的賣不出去，長此以往，市場自動調整為單一種類的螺紋以降低成本。

生物界也有類似的例子。比如蝸牛的螺殼旋轉方向，原本左右都有，然而由于其生殖器官位置的關系，只有螺殼旋轉方向相同的蝸牛才能方便地交配。長此以往，整個種群在這一點上就逐漸趨于統一了。這是不是也算一種對稱破缺？

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41.為什么純水不導電，而普通水會導電？

導電是一定數量的載流子的定向移動產生的。常溫下，水的電離全部來自水分子電離。水的離子積常數為10-14，所以c[H+]=c[OH-]=10-7摩爾/升，由此可以計算得到電離度1.8×10-7%。這樣的水離子濃度太小，幾乎是不導電的。純水電阻率量級為10M（歐姆·厘米）。

而普通水中含有一些雜質離子，一般是天然的Na+、Ca2+、Mg2+，以及消毒處理引入的Cl-。水本身存在弱電離平衡，強電解陽離子或者強電解陰離子都會使電離平衡重新建立，強電解質對導電也有貢獻，會使水的電解率增大，這個時候普通水當然導電了。

此外，哪怕你真的拿著純水接上高壓，只要人體接觸純水，身上的鹽和酸也會對純水造成污染，那個時候導電不導電就不僅僅是水純不純的問題了。

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42.為什么有的時候用手機或相機拍電視中的圖像會出現黑色條紋？

這就是傳說中的莫爾條紋（Moiré Pattern）啦。一言以蔽之，就是空間頻率相近的兩組圖案相互干涉，會有更低頻率（更寬間距）的圖案顯示出來。其中空間頻率是指特征條紋間距的倒數。

說得這么玄乎，其實道理很簡單啦！比如，在兩張透明塑料紙上分別畫一排豎線，上面那張每隔1毫米畫一條，下面那張每隔1.1毫米畫一條，你很容易發現，豎線每隔11毫米就會重疊一次。細線重疊位置附近，露出的間隙較大，顯得明亮；而細線不重疊的位置附近，露出的間隙較小，顯得灰暗。這樣就形成了周期為11毫米的明暗分布，整體看上去就是一排間距更大的粗條紋。

以上只是一維周期圖案對應的情況。那么二維情況如何呢？我想你在生活中一定盯著兩層重疊的窗紗看過吧？細心的你一定會發現，在原有細密條紋的基礎上隱隱約約有間距更寬的粗條紋出現。當兩層窗紗不完全平行或者自身有所起伏時，這些條紋還會變得彎彎曲曲的。用攝像頭拍電視屏幕時也有類似的情形：電視屏幕上縱橫的像素網格相當于第一層窗紗，手機攝像頭里的CCD傳感器陣列相當于第二層窗紗，手機顯示屏相當于第三層窗紗，于是拍攝得到的圖案也就有莫爾條紋啦。再加上角度偏離時的透視、鏡頭成像時的畸變，以及屏幕本身的微小形變，這樣拍攝到的莫爾條紋同樣是彎彎曲曲的。

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43.為什么冷水沖不開咖啡？

冷水能沖開咖啡，只不過需要你持續不斷地努力折騰，比如充分攪拌、大力搖晃。

我們要知道，沖泡咖啡的過程是咖啡溶解于水的過程。影響溶解的因素有很多，溫度就是其中之一。一般來說，溫度越高，溶解越快。這是因為溫度升高，分子熱運動加劇，咖啡分子更容易跑到水分子之間的空隙中，宏觀上就是咖啡比較快地溶解了。冷水中的低溫環境會減緩這個過程，但它并不是不能完成。物理君強烈建議你買一包咖啡泡在礦泉水瓶里，蓋上瓶蓋，大力搖晃，仔細觀察，細細品味。嗯，熱水沖開咖啡之后不會沉淀，這個涉及溶解度的問題。溶解度是一定溫度下每100克水能溶解溶質（咖啡）的克數。要想溶解后出現沉淀，則需要在溶劑達到飽和（最大溶解度）之后再加入溶質（咖啡），這樣才能析出溶質（咖啡）。

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44.打水漂時，為什么石頭不會立刻落進水里？

因為有水的作用力啊。

就像沖浪一樣，石頭片向前快速運動的過程中，水給它一個向上的分力，讓它暫時不會下沉。打水漂，核心是漂，說到底，就是石頭在水面一跳一跳地“沖浪”。其中主要的幾個因素，一是形狀，二是角度，三是速度，四是穩定性。

首先，打水漂用的石頭都是扁平的，就像沖浪板一樣，這保證它與水面有足夠大的接觸面積，以便充分接受水的托力。

其次，拋出去的扁平石頭片還需要與水面呈一定的傾角，稱為“攻角”，就像沖浪板前端輕微翹起形成的角度，這樣它向前運動時，水面就會給它一個向上的分力。攻角在20°左右為宜。攻角太小時，豎直方向上的分力不夠，難以起跳；攻角太大時，水平方向上阻力太大，失速嚴重；攻角為負數時，石頭會像刀片一樣直接插入水中。需要注意的是，攻角與拋射角有關，但二者是不同的，不可混淆。

再次，石頭片速度越大，與水面接觸時所受到的沖力也越大，這樣向上的分力才足以讓它彈跳起來，速度越大動能越大，這樣它才承受得起多次跳躍中的能量損耗。

最后，石頭片要在連續跳躍中保持穩定，需要其攻角相對固定，從而要求石頭片整體方位角保持穩定。這也就是打水漂時讓石頭片高速旋轉的目的了——給它一個較大的角動量，讓它像陀螺一樣保持相對穩定的姿態。

正是以上四個條件，讓石頭片充分借助水的力量，在水面連續跳躍，不至于立刻下沉。

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45.不透明的磨砂玻璃為什么貼上膠帶就變透明了？

要明白磨砂玻璃怎么變透明的，就得先看一下磨砂玻璃為什么透光卻不透視。磨砂玻璃也叫毛玻璃，其特點就是有一面是磨砂面。磨砂面表面粗糙，不像普通玻璃那樣光滑。這個很容易理解，如果身邊有磨砂玻璃的話，你用手摸一下就能感覺到明顯的差別。正是這“粗糙”的表面，造成了磨砂玻璃“透光卻不透視”的特點。

如果了解反射，你一定聽過反射里面兩個相對的詞——鏡面反射與漫反射。

由于鏡面平整，鏡面反射反射的光束很“整齊”。漫反射反射面粗糙，反射線“亂七八糟”，這些“亂七八糟”沒規律的反射線進入眼睛，我們就看不清它反射的物體是啥了。所以，鏡子都用光滑的玻璃制作，而不會用粗糙的毛玻璃制作。“透光不透視”的原理相似，光線是能透過磨砂玻璃的，在磨砂玻璃的“毛面”，由于界面不規則，折射光線“亂七八糟”，我們也就不能透過磨砂玻璃看清東西了。

想要“破壞”這種“漫”效應，就得消除玻璃表面的粗糙。方法嘛，就是用折射率相近的“東西”來填充表面的“凹陷”使其變得光滑。石英玻璃的折射率是1.46，和水的折射率1.33比較接近，所以用水刷一下磨砂玻璃表面，也能使其變透明。因此，浴室裝磨砂玻璃時，磨砂面都朝外。如果用膠帶貼上磨砂玻璃的“毛面”，膠帶的膠會填充“毛面”，使其不再粗糙，這樣也有透視的效果。

看來用磨砂玻璃保護隱私，還是挺不靠譜的。

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46.為什么下雪后會感覺很安靜？

能發現這個問題，提問者一定是一個心細如發的人。

雪花是水的一種常見的物態，人類對雪花的研究開始得比較早，認識也比較深入。雪花很輕，是從天上“飄”落到地面上的。它千奇百怪的形狀，還有這種輕輕“飄落”的性質，決定了積雪不能致密（人踩過車軋過的不算），只能處于蓬松多孔的狀態。

那么接下來我們就要講到聲音的吸收了。我們知道聲音是一種機械波，是靠空氣的振動來傳播的。而空氣的這種振動最害怕遇上蓬松多孔、容易發生非彈性形變的物質（如海綿），因為聲音傳到這些小孔腔里之后，會經過多次反射，直至把能量耗光，只有較少的一部分能逃出小孔腔，繼續傳播。市面上很流行的泡沫隔音板就利用了類似的原理。下雪比較安靜也是因為這個。

關于吸音，其實還有很多可以說的。我們這里再簡單提一下。

我們身邊有很多場所是需要做吸音處理的，例如會議室、音樂廳。這里用到的吸音原理就比較多了，不單單是上面所說的小孔腔吸音。其中較常用的原理是共振吸音，一些功能性場所需要吸收特定頻率的聲音，這時可以用一些材料，其固有頻率比較接近需要吸收的聲音的頻率，該頻率的聲音傳播到材料上時，吸音材料就會發生共振，把聲音吸收然后耗散掉。

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47.空調為什么能吹出冷熱兩種不同的風？

空調是一種典型的通過做功把熱量從低溫熱源搬運到高溫熱源的逆工作熱機。其中的原理是：在循環過程中，工作物質在低溫區汽化吸熱，然后在高溫區液化放熱，從而實現熱量從低溫區向高溫區的流動。

空調主要由四個部分組成：壓縮機、膨脹閥、室內機和室外機。在制冷過程中，壓縮機將低壓氣體壓縮送入室外機液化放熱變成高壓液體，再通過膨脹閥變成低壓液體，然后工作物質經過室內機汽化吸熱，變成低壓氣體，重新進入壓縮機完成循環。工作物質不斷經過此循環，從而使室內溫度降低，這時室內機是蒸發器，而室外機是冷凝器。要完成制熱過程，只需工作物質反向循環就可以了，切換工作物質循環方向是通過一個叫四通閥的元件完成的。這時室外機是蒸發器，室內機變成冷凝器。

空調的工作效率受熱力學第二定律限制，室內外溫差越大，則制冷（制熱）效率越低。所以，物理君請大家在夏天把溫度調高一兩攝氏度，在冬天把溫度調低一兩攝氏度，省電省錢，節能環保，愛護地球，造福子孫后代。

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48.為什么浪花是白色的？

我們先講講水和海洋。我們都知道，水是無色透明的，而海洋是藍色的。那么為什么海洋是藍色的呢？因為海洋中發生了瑞利散射，所以我們看到了藍色的大海。

那么，你肯定會好奇為什么浪花是白色的。首先，浪花其實是破碎的波浪，波浪破碎的時候會卷進一些空氣，所以浪花的組成成分不僅僅有水，還有氣泡，這些氣泡對浪花的顏色有著至關重要的影響。氣泡的表面是膜狀的，上面的小水珠就像一個個棱鏡；當光線照在浪花上的時候，浪花表面會發生多次的反射以及折射，最終光線從不同方向反射出來。各種顏色的光反射概率相等，浪花就變成了我們所熟悉的白色。

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49.在一個溫度相同的環境中，不同的東西為什么摸起來溫度不一樣？

熱力學第零定律告訴我們，和同一個物體分別處于熱平衡的兩個物體之間也處于熱平衡，即兩個物體溫度相同，大量的實驗都證明這條定律是正確的。那么為什么在同一個環境里不同物體摸起來溫度不一樣呢？問題一定出在“摸起來”上。

準確地講，這是測量方法的問題。測量物理量的原則之一就是盡量少讓被測量系統產生擾動。我們用“摸”的方法去獲取一個物體的溫度往往會違背這個原則。以觸摸冬天室外的木塊和鐵塊為例，手的溫度比較高，所以當你感受到木塊的溫度時，實際上你感受到的是被手加熱過的木塊的溫度，同樣的道理也適用于手摸鐵塊的情形。兩者給人的感覺不同，原因在于鐵塊和木塊導熱能力不同，鐵塊優異的導熱能力使得熱量剛傳遞到與手接觸的部分就被其他部分帶走，而木塊導熱能力差，吸收的熱量會積累在木塊和手接觸的部分，所以木塊摸起來更暖和一點。因此，盡管兩者原本處于相同的溫度，但手對兩者的影響不同，所以兩者摸起來溫度不一樣。

精確的測量方法應使用溫度計。雖然溫度計也會對被測量物體產生擾動，但是溫度計本身可以提供的熱量很少，所以對被測量體系擾動不大，這時，我們可以認為測量到的溫度就是物體的真實溫度。

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50.云的本質是什么？為什么白色的云不容易下雨，而黑色的云容易下雨？

云的物理本質是浮在空中的小水滴和小冰晶群。我們肉眼觀察到的云形是大量小水滴和冰晶群組成的輪廓，其內部在不斷運動和變化。

夏天，我們經常看到天上烏云密布，然后下起暴雨，之后雨過天晴，天上飄著白云。其實，高溫使地面的水蒸發到空中，而高空溫度較低，白云就是空氣中水蒸氣圍繞凝結核（比如說細小顆粒、塵埃）形成的小水滴，這些水滴聚集多了就變成了我們肉眼觀察到的白云。隨著水蒸氣繼續聚集，水滴越來越大，白云就變成了烏云。

那么為什么水滴變大可以使白云變成烏云呢？我們知道水滴直徑是微米級的，因為粒子線度大于10倍的入射光波長（考慮人眼可以觀測到的400～760納米段），所以我們應該利用Mie散射理論來解決這一問題。根據Mie散射理論，光強和顆粒大小成反比，因此水滴變大會導致光強變小，也就是亮度變低。

我們常說的“天黃有雨”也源于灰塵和水滴聚集。

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51.為什么推一下筆，筆往前走，它還會來回滾幾下再停？它受到了什么力？

首先表揚一下這位題主，你對生活細節的觀察很到位。

我們通過理論計算發現，如果筆桿是嚴格意義上的圓柱形（重心位于中心），桌面也是嚴格意義上的平坦（平坦不代表光滑，也就是說摩擦力依舊存在，不然筆也停不下來），那么筆桿一定會直接停下來，而不是來回滾幾下再停，這是牛頓力學所決定的（有興趣的讀者可以簡單推算一下）。

因此，出現來回滾動幾下再停只可能是因為筆桿的重心并不是剛好在正中心，或者桌面有一些很細微的凹凸，或者二者皆有。筆桿大致呈圓柱形，與桌面的接觸面積很小，對上述的兩種擾動十分敏感，而筆桿最后停下來的位置肯定是勢能最低的地方（重心最低），因此筆桿一般情況下會來回滾動以調節自身的位置，從而最終找到一個穩定平衡的位置。

另外，物理君反復試驗發現，一般情況下第一個原因是主因，即筆桿的重心不是剛好處于正中心。當然，讀者也可以自己做個小實驗看看，方法很簡單，在筆桿上做個標記，然后多滾動幾次筆桿，看看是不是每次筆桿最終停下來時都是同一部位貼著桌面。

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52.水滴滴到淺水中為什么會出現小露珠？

這就是所謂的“反氣泡”。我們都知道，氣泡是液體包著氣體形成的，而反氣泡則相反，它是由一層氣體包著液體形成的。當液滴周圍的一層空氣進入液體時，液滴和液體不會馬上相融，而會暫時保持原狀，周圍的氣體隔開當中的液滴，形成反氣泡。當出現在液體表面時，如果有空氣層的有效隔絕，液滴也不會馬上與液體相融，而會在表面上滾動幾下，這應該就是題主所說的小露珠了吧。

應該說，降低表面張力是有效形成反氣泡的途徑之一。這是因為表面張力會使表面繃緊，呈現縮小趨勢，而降低表面張力可以使表面易于變形，便于空氣介入。物理所公眾號2017年7月1日“正經玩”欄目里就有關于反氣泡的小實驗。洗潔精就是一種表面活性劑，有降低表面張力的作用。感興趣的同學可以復習一下。

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53.假設熱水器里放出來的水溫度基本恒定后是35攝氏度，關掉水，等一會兒再打開，水溫可能會從33攝氏度變成37攝氏度再變成35攝氏度。這是為什么？

物理君在第一次用熱水器的時候也遇到過同樣的疑問，其實這是一個非常典型的理想條件和實際情況有差別的例子，用理想情況下的結論解釋實際現象難免會出現一定的偏差。我們先看一下熱水器是如何把冷水加熱的：熱水器包含水箱（為簡化敘述我們只討論一個水箱的情況）、進水管、出水管和加熱裝置（加熱管等）。當熱水器正常工作時，冷水進入水箱，被加熱裝置加熱，然后熱水通過出水管流出，整個過程達到一種短時間的動態平衡，加熱裝置的熱量持續地被冷水帶走，這樣我們就可以獲得溫度恒定的熱水。

但是，當我們關閉出水口時，這種平衡就被打破了：水箱中的水不再有新的冷水補充，不過這時加熱裝置并沒有立刻停止加熱，因為即使斷電了，加熱裝置的溫度還是高于設定溫度，這部分多余的熱量會對水箱里的水持續加熱，從而導致水的溫度高于設定溫度。當你重新打開熱水器，首先流出的是出水管殘留的被冷卻的水，然后是水箱殘留的過熱的水，接下來是剛進入水箱還沒來得及加熱的水，最后才是穩定的熱水。這就是奇怪的溫度變化出現的原因。

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54.為什么磁鐵高溫加熱后會失去磁性？

磁鐵中有一個又一個極微小的磁鐵（磁矩或磁疇）。你可以想象有這樣的兩股力量：一股是小磁鐵之間的力量，由于小磁鐵同向時能量比較低，兩個小磁鐵之間就有一股力量讓對方與自己同向；另一股是熱運動的力量，溫度越高小磁鐵的運動越劇烈，越不能老老實實地處于一個方向不動。前者有利于磁鐵整體擁有磁性，后者卻破壞磁鐵整體磁性。如果在絕對零度，沒有后者，所有小磁鐵都在相互作用下老實待在同一個方向，磁鐵整體也就具有磁性；大于絕對零度而在某個特定溫度以下，雖然小磁鐵具有熱運動的力量，但溫度不足以讓小磁鐵完全不老實，在小磁鐵之間的相互作用和熱運動的共同影響下，磁鐵仍然在某個方向上具有整體磁性。但溫度大于特定數值以后，小磁鐵就獲得了完全不老實的力量，不會整體趨于某個方向，而是處在雜亂的狀態。這個特定的溫度，就叫作居里溫度。

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55.為什么超過聲速會產生音爆呢？超過光速會產生光爆嗎？

當物體在空氣中運動時，它實際上會擠壓在其前方的空氣，形成所謂的激波。激波以聲速在空氣中傳播，當物體的運動速度超過聲速時，被壓縮的空氣就會在物體前方堆積，產生極大的阻力。物體運動時產生激波的波前會分布在一個圓錐面（馬赫錐）上，在這個錐面上，空氣的壓強、密度等參數都會有很大變化，當激波面穿過人耳時，耳朵的鼓膜會感受到這種壓強的變化，因而會聽到巨大的轟鳴聲，這就是音爆。事實上，在介質中，帶電粒子的速度超過介質中的光速時，也會產生類似的現象，這就是切連科夫輻射。

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56.為什么激光的光斑看起來是很多細微的小光點？

恭喜慧眼如炬的你發現了激光散斑現象！這本質上是光的干涉效應。激光具有良好的單色性和相干性，當它照射到一般物體的粗糙表面上，再從凹凸不平的地方反射到眼睛里時，會有一個微小的光程差，光波因而相互干涉，有的相長，有的相消，從而形成有明暗分布的斑點。這里提到的粗糙是相對于光的波長（幾百納米）而言的。與之類似，激光透過表面粗糙的玻璃（如浴室的毛玻璃）時，你從背面也可以觀察到細小的散斑。然而以上知識點太簡單了，我們可以稍加深入，做一些有趣的拓展。

當反射面或透射面上的凹凸起伏隨機時，散斑沒有明顯規律；而如果在被照射的透明板上特意設計和制作圖案P，就可以讓射出的無數束光相互干涉（其實就是衍射）形成特定的圖案P'，二者可以用傅里葉變換聯系起來。玩具激光筆的前置圖案頭、酷炫的全息圖等都與這個原理相關。

舉個最簡單的例子，你可以在鏡子上劃一道痕跡（若有人因此挨打，物理君概不負責）或者放一根頭發（脫發的朋友請珍重），用激光照射鏡面，并讓光線反射到墻上，這樣你很容易觀察到明暗相間、整齊排列的單縫衍射條紋，運氣好的話，照到圓形的坑點或細小的灰塵，激光會在墻上映出一系列類似牛頓環的同心圓來。麻雀雖小，五臟俱全，可別小看普通的激光筆哦，在家里完成這些實驗毫無壓力，快去試試吧！另外特別提醒一下，由于波長越長衍射效應越明顯，選用紅色激光會比綠色、紫色的更容易觀察到現象哦。

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57.哪種材料可以取代硅，成為下一代支持微電子產業發展的材料？

隨著加工技術的進步，硅材料在微電子產業領域還能發展很長一段時間，硅材料的加工工藝已經相當成熟，不是說取代就能取代的。我們現在研究新材料，并沒有抱著取代硅的目的，只是希望能找到性能更好的材料來滿足不同領域的需求。

任何一種材料都有自己獨特的性能，現在還沒有一種材料能面面俱到，我們只能對新材料因材施用，取長補短。舉個例子，現在比較火的石墨烯與硅相比遷移率高，電導率高，柔性透明，因此在透明柔性導電膜領域有著潛在的應用價值，但石墨烯也有它的問題，其開關比很低，無法用于邏輯器件。再舉個例子，現在興起的類石墨烯二維半導體材料與石墨烯相比雖然遷移率不夠高，但光電性能非常獨特，在單光子激光器等光電器件的研究中非常重要。

畫重點：信息社會是一個多樣化的社會，材料也是多樣化的，各種材料互幫互助，能滿足社會進步的需求才是最重要的。

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58.兩平面鏡夾成一個小于180°的角，夾角中放一物體，為什么在夾角中看到不止兩個物體的像？

很明顯，兩個鏡子共形成了三個虛像。

我們把左中右三個虛像記為像1、像3、像2（不要懷疑你的眼睛，數字沒有標錯），把左右兩面鏡子記為鏡1、鏡2。這個現象可以這樣解釋：物體在兩面鏡子中分別形成兩個虛像（像1和像2）；然后像1在鏡2中、像2在鏡1中分別形成虛像。兩個虛像相互重合疊加形成像3。像3繼續在鏡1、鏡2中成像，但是新的像和之前的像都是重合的。所以，最終結果就是兩面鏡子形成了三個像。

你可能會問，虛像怎么在鏡子中成像？其實物理過程是這樣的：物體反射的光經過鏡1的反射形成像1，反射光對鏡2而言和擺在像1處的物體發出的光完全一樣，所以鏡1的反射光又經過鏡2反射形成了像3，而像3的位置就是擺在像1位置處的物體經過鏡2所成虛像的位置。說句人話就是，通過畫光路你會發現像1和像3與鏡2鏡面對稱，所以也可以說像3是像1在鏡2中的虛像。一般來說，當夾角可以被360整除時，虛像個數是（360/度數）-1，讀者可以自行分析無法整除的情況。