手機(jī)進(jìn)電梯后，信號(hào)會(huì)陡然下降，這是因?yàn)榻饘匐娞菪纬闪朔ɡ诨\。那么用鋁箔紙能不能也實(shí)現(xiàn)信號(hào)屏蔽呢。

Q1

高壓輸電的原理是什么？為什么高壓輸電能減少電能的損耗？

by 胡同學(xué)

答：

電力輸送中的損耗主要來自于焦耳熱，高壓輸電就是為了減小電力網(wǎng)絡(luò)中的電流，進(jìn)而減小電線發(fā)熱，降低損耗。我們簡(jiǎn)單地解釋一下。

眾所周知，焦耳熱來自于電阻，滿足，注意，這里有一個(gè)中考知識(shí)點(diǎn)，這是焦耳熱的定義式，其他使用了歐姆定律的變式是建立在純電阻電路的基礎(chǔ)上的，使用時(shí)要注意使用范圍。觀察這個(gè)式子，不難看出，想要降低焦耳熱，要么降低輸電線電阻，要么降低輸電線中的電流。電阻就不必多說了。對(duì)于電流，我們知道輸電線路中輸入端的功率是一定的，這取決于發(fā)電廠的發(fā)電功率。由可知，只要提升輸電線路兩端的電壓差，就可以降低輸電線路中的電流，因此高壓輸電就順理成章了。

不過提升電路中的電壓也會(huì)面臨一些問題，最常見的像電力設(shè)施的絕緣性問題、輻射問題、安全問題等等，因此，高壓輸電線路往往建設(shè)在人跡罕至的野外，并利用電塔架空，以保證安全。

by 霜白

Q.E.D.

Q2

為什么鐵塊是銀白色而鐵粉是黑色的？

by 閔小戴

答：

首先，鐵塊表面的高反射率來源于其較為良好的電導(dǎo)，由于歐姆效應(yīng)，電磁波在導(dǎo)體中傳播時(shí)存在衰減，只能穿透表面很淺的距離，這個(gè)距離也被稱為穿透深度。對(duì)于單質(zhì)鐵，可見光波段的穿透深度遠(yuǎn)小于波長，這也就意味著電磁波的能量幾乎完全不被耗散地反射回去，從而表面光滑的鐵塊呈現(xiàn)銀白色的金屬光澤。

然而，粒徑較小的鐵粉，例如實(shí)驗(yàn)室常用的粒徑約為1~100μm的還原性鐵粉，在可見光下常常呈現(xiàn)深灰色或黑色，這有三方面的原因：

首先，鐵粉沒有光滑的表面，可見光照射在鐵粉上發(fā)生漫反射，因而沒有閃亮的金屬光澤；其次，鐵粉具有更高的反應(yīng)活性，其表面通常附著有成分復(fù)雜的氧化層，深色的氧化層對(duì)可見光有較強(qiáng)的吸收率；最后，鐵粉具有較大的表面積和疏松的堆積結(jié)構(gòu)，使得射入的光線通常要反射多次才能射出，進(jìn)一步降低了反射率。

正是以上三點(diǎn)的綜合作用使得鐵粉呈現(xiàn)深色。

by 樂在心中

Q.E.D.

Q3

鋁箔紙全部包住手機(jī)能隔絕信號(hào)嗎？

by 匿名

答：

這是一個(gè)很好的電動(dòng)力學(xué)問題。電磁波照射到金屬表面，一部分被反射，一部分能夠透射進(jìn)入金屬內(nèi)部，產(chǎn)生吸收。

我們先來看看透射的部分。大多數(shù)金屬對(duì)進(jìn)入金屬內(nèi)部的電磁波都有比較好的吸收作用。對(duì)于靜電場(chǎng)，這種作用表現(xiàn)為高中學(xué)過的靜電屏蔽；對(duì)于電磁波，也就是變化的電磁場(chǎng)，這種作用可讓金屬在比較短的距離內(nèi)使電磁波的強(qiáng)度衰減為原來的1/e（約37%）。這個(gè)長度被稱為電磁波對(duì)金屬的穿透深度。，其中，f是電磁波頻率，手機(jī)5G信號(hào)在2.5GHz左右，是材料磁導(dǎo)率，是材料電導(dǎo)率。將鋁的相關(guān)數(shù)值帶入上面的公式，計(jì)算得到的穿透深度約1.6μm，而一般的鋁箔紙厚度有大約50μm。也就是說，鋁箔紙有大約30個(gè)穿透深度厚，這可以使電磁波衰減到原來的大約。

此外，在電磁波進(jìn)入鋁箔之前，已經(jīng)有相當(dāng)一部分被反射掉了。電磁波垂直入射到金屬表面，反射率是，對(duì)鋁而言，反射率，只有萬分之二的電磁波能夠進(jìn)入鋁內(nèi)部。斜入射的情況相對(duì)比較復(fù)雜，但是不會(huì)有量級(jí)上的差距，我們?cè)谶@里不再展開。

綜合考慮反射和吸收，使用家用鋁箔紙包裹手機(jī)，可以使手機(jī)接收到的電磁波變?nèi)?7到18個(gè)量級(jí)。但是手機(jī)本身工作的信號(hào)強(qiáng)度范圍僅僅可以橫跨7個(gè)量級(jí)。因此，鋁箔紙包裹手機(jī)理論上可以屏蔽手機(jī)信號(hào)——當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是很容易在家庭中進(jìn)行的。感興趣的朋友不妨來實(shí)（dǎ）驗(yàn)（liǎn）一下。

最后，希望這個(gè)問題提出的本意只是探究，而不是擔(dān)心手機(jī)輻射——畢竟真的沒什么好擔(dān)心的。

by 藏癡

Q.E.D.

Q4

為什么不近視的人戴上近視眼鏡會(huì)感覺物體變小了呢？

by 東方朔

答：

近視眼鏡本來就是“縮小”鏡啊。

近視眼鏡嘛，是用于矯正近視的機(jī)械。而近視，是屈光不正的一種。人眼晶狀體對(duì)進(jìn)入眼球的光線具有折射能力，這就是屈光，折射后的光線匯聚于焦點(diǎn)，焦點(diǎn)正落在視網(wǎng)膜上才能得到清晰的像。但如果由于年老、疾病等因素，使得焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜前或視網(wǎng)膜后，就會(huì)得到模糊的像，這就是屈光不正。其中焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜前的就是近視，落在視網(wǎng)膜后的就是遠(yuǎn)視。想要矯正近視，就要使成像向后移，落在視網(wǎng)膜上，這就是近視眼睛的原理。

簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)告訴我們，凹透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，經(jīng)過發(fā)散后的光線再經(jīng)過晶狀體后，就可以讓近視眼原本落在視網(wǎng)膜前的焦點(diǎn)向后移，通過調(diào)節(jié)凹透鏡的焦距可以使焦點(diǎn)剛好落到視網(wǎng)膜上，這樣就達(dá)到了矯正視力的目的。因此，我們用凹透鏡來制作近視眼鏡。

由于凹透鏡可以對(duì)光線的發(fā)散作用，它的焦距是負(fù)值，也就是焦點(diǎn)在物體一側(cè)，因此，透過凹透鏡觀察物體，會(huì)在透鏡物體一側(cè)觀察到一個(gè)縮小的虛像，如下圖所示：

凹透鏡成像光路圖，藍(lán)色的是物體，紅色的是像

反過來，用于矯正遠(yuǎn)視眼的老花鏡，其實(shí)是個(gè)放大鏡，透過它觀察近處物體（一倍焦距以內(nèi)），可以觀察到一個(gè)放大的正立的虛像，不過如果是觀察遠(yuǎn)處的物體，也有可能會(huì)得到倒立的縮小的實(shí)像，大家不妨試試。

by 霜白

Q.E.D.

Q5

為什么眼鏡上有了水汽看光源都會(huì)是一圈一圈的？

by Sirius 筱

答：

我推測(cè)應(yīng)該是光在水汽中發(fā)生多次折射反射后形成的。其實(shí)就是彩虹。

我想大概是類似這種效果吧。

這個(gè)現(xiàn)象的原理類似于彩虹，有關(guān)彩虹的原理之前的文章介紹得已經(jīng)比較充分了，大體就是陽光在小水滴中經(jīng)過兩次折射、一次反射出射后形成一個(gè)圓形條帶，這里我們就不再贅述了，感興趣的同學(xué)可以查看之前的文章No.164 Q6、No.271 Q1。

在本道題目中，水汽布滿整個(gè)鏡面，來自光源的光入射后，同樣會(huì)在其中經(jīng)歷兩次折射和一次反射，最終從不同的小水滴出射的光線形成一個(gè)圍繞光源的圓圈，這與彩虹其實(shí)也是一樣的，實(shí)際上完整的彩虹也是一個(gè)整圓，具體可以查看No.119 Q8。

下一個(gè)問題是，為什么是彩色的，其實(shí)這與彩虹也是一樣的，由于各單色光在水中的折射率是不同的，因此各單色光在經(jīng)過水滴的折射時(shí)折射角是不同的，經(jīng)過的路徑是不同的，因此最終出現(xiàn)這樣的彩色分布。當(dāng)然，對(duì)于燈光這種人造光源來看，它也可以反映出光源的顏色組成。

by 霜白

Q.E.D.

Q6

火是什么物態(tài)？

by zinero114514

答：

其實(shí)我們憑借對(duì)于固液氣態(tài)的直覺就可以判斷出火并不是固態(tài)以及液態(tài)。那么火最可能的物態(tài)形式就是氣態(tài)。然而，一定有很多讀者看到過“火是等離子態(tài)”這種說法。下面就讓我們把重點(diǎn)放在這個(gè)問題上：火究竟是氣態(tài)還是等離子態(tài)？

圖1 四種常見物態(tài)的溫度相對(duì)關(guān)系 | 圖片源自[4]

之所以可能混淆，因?yàn)闅鈶B(tài)和等離子態(tài)確實(shí)有很多共性，比如：形狀和體積不固定，會(huì)依著容器而改變等。然而兩者也有著根本上的不同：（1）組成：氣體基本是由中性的分子組成的，而等離子體是由正負(fù)離子（包括電子、質(zhì)子等）及中性分子共同組成的。（2）電導(dǎo)率：氣體電導(dǎo)率很低，而等離子體電導(dǎo)率很高。（3）速度分布：氣體的粒子碰撞頻繁，速度分布基本滿足麥克斯韋-玻爾茲曼分布，速度極高的粒子很少，而等離子體的碰撞并不頻繁，會(huì)有一定比例極高速的粒子。（4）相互作用：氣體間作用主要是兩粒子碰撞，而等離子體可以通過電磁力的長程作用集體互動(dòng)，產(chǎn)生波及其他有組織的運(yùn)動(dòng)。

圖2 一些惰性氣體在常溫下的速度分布 | 圖片源自[5]

那么，氣態(tài)如何才能過渡到等離子態(tài)呢？一般需要超過3×106V/m的電場(chǎng)強(qiáng)度或幾千攝氏度以上的高溫，因?yàn)橹挥性谶@樣極端的條件下氣體分子才會(huì)部分或全部失去電子形成正負(fù)離子。對(duì)于空氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下需要加熱到約1.4萬攝氏度才能轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子態(tài)。然而，我們常見的火焰溫度如下表所示：

可見，多數(shù)火焰的溫度距離使得空氣分子變?yōu)榈入x子態(tài)還有很明顯的距離。因此，我們所看到的多數(shù)火焰就是在發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)的氣體。氣體間或者氣體與木柴等固體可燃物的分子間發(fā)生碰撞而反應(yīng)。該反應(yīng)本身是放熱的，這些熱量又會(huì)加速其他氣體分子，從而繼續(xù)發(fā)生碰撞，這正是在燃燒時(shí)火焰中發(fā)生的事情。同時(shí)，火焰會(huì)發(fā)出一定顏色的光，這取決于燃燒介質(zhì)的組成，也與溫度有關(guān)。

當(dāng)然，這并不意味著火焰中不可能存在等離子態(tài)，某些高溫火焰可能帶有微量極低電離度的等離子體。

參考資料：

[1]焰 - 維基百科

[2]火是等離子體嗎？

[3]等離子體 - 維基百科

[4]等離子體 - 《中國大百科全書》第三版網(wǎng)絡(luò)版

[5]麥克斯韋-玻爾茲曼分布 - 維基百科

by 云開葉落

Q.E.D.

Q7

如果空氣中是純氧沒有其他雜質(zhì)會(huì)怎么樣？

by 思思

答：

山林中清新的空氣（氧含量略高）往往讓人更加心曠神怡。氧氣在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，生物演化史上，氧氣濃度的升高具有重要意義。一方面，其促進(jìn)形成了能有效阻擋紫外線的臭氧層，一方面，其促發(fā)了有氧呼吸的出現(xiàn)大幅提高了生物獲取能量的效率[1]。也讓我們不禁想，氧氣濃度是不是越高越好呢？乃至把空氣換成純氧行不行呢？

如果我們假定，地球的空氣一下子以等體積的方式換成了純氧。實(shí)際上這并不是一件美妙的事情。氧氣的分子量將導(dǎo)致氣壓升高，將帶來肺部不適甚至危險(xiǎn)；氧氣濃度變高之后還將導(dǎo)致動(dòng)物的新陳代謝加快從而加速衰老；長時(shí)間在過高的氧氣濃度實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物的氧中毒現(xiàn)象，因?yàn)檠鯕鈱?shí)際上是一種氧化劑，體內(nèi)要有足夠水平的還原劑與之相匹配。也即，人類若不立即采取緊急措施，將無法存活。此外，植物沒有了二氧化碳，將無法進(jìn)行光合作用從而無法繼續(xù)生長，只能在呼吸作用和光合作用之間維持平衡從而不能再為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)提供能量。此外，氮循環(huán)也是生態(tài)系統(tǒng)重要一環(huán)，沒有了氮?dú)馔瑯訒?huì)導(dǎo)致可怕的后果。當(dāng)然，厭氧生物也會(huì)表示非常不樂意。更麻煩的是，由于氧氣是助燃劑，高氧氣濃度將導(dǎo)致山火極易發(fā)生，可能幾次打雷就導(dǎo)致全球的森林毀于大火。

不同生物地球化學(xué)模型估計(jì)的顯生宙大氣含氧量變化|圖源自文獻(xiàn)[2]

也許這樣的假定不甚合理，怎么能突然替換呢，能不能以適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的方式慢慢替換呢？實(shí)際上，地球生態(tài)演化史上確實(shí)有過兩次“大氧化事件”，指氧氣含量占比在短期內(nèi)劇烈升高，被認(rèn)為在環(huán)境因素上促進(jìn)了生物的演化。值得注意的是石炭紀(jì)時(shí)期，氧氣含量達(dá)到了歷史的頂峰，有35%之高[2]，此時(shí)的生態(tài)非常有趣，比如存在各種巨型昆蟲。

雖然大氧化事件的起因尚有爭(zhēng)議，但是有理由認(rèn)為，高氧氣濃度促進(jìn)了這種巨型昆蟲的出現(xiàn)，也讓我們不禁想如果當(dāng)今世界的氧濃度增高，會(huì)不會(huì)也導(dǎo)致巨型生物的出現(xiàn)哈哈哈。但是也正因?yàn)檠鯕鉂舛雀撸沟眠@些巨型昆蟲滅絕于一場(chǎng)大火之中。唉！

大體看來，把空氣換為純氧有些瘋狂。如果只是提高氧氣濃度幾個(gè)百分點(diǎn)，尚且可以接受，但是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響仍然將十分巨大而需要仔細(xì)評(píng)估噢。

參考資料：

[1]羅根明,朱祥坤,王水炯,張世紅,焦超群.元古宙早期大氧化事件的成因機(jī)制與氣候生態(tài)效應(yīng)[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2022,52(09):1665-1693.

[2]宗普,薛進(jìn)莊.地質(zhì)歷史時(shí)期大氣氧含量與生物多樣性的協(xié)同演變[J].生物學(xué)通報(bào),2015,50(04):1-5.

by 小范

Q.E.D.

Q8

請(qǐng)問像劉慈欣《鏡子》里的那樣，如果模擬兩個(gè)完全相同的宇宙起點(diǎn)，結(jié)果真的會(huì)一樣嗎？by 匿名

答：

不一定一樣，量子力學(xué)的不確定性原理使得一切演化過程都變得隨機(jī)，只能用概率分布來描述。這點(diǎn)我們科普過很多次了，強(qiáng)烈推薦我們這周二發(fā)的介紹貝爾不等式的文章[1]，里面用通俗的語言介紹了科學(xué)家們是如何用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了量子力學(xué)不存在局域隱變量，并說明了它是真隨機(jī)，而不是變量過于復(fù)雜導(dǎo)致的偽隨機(jī)。

我們這里再介紹個(gè)諾頓穹頂?shù)哪Ｐ停砻骷词故窃诮?jīng)典物理的框架下，完全相同的初始條件也不一定能推出一樣的結(jié)果。

一個(gè)從諾頓穹頂上滾下的小球 | 圖源[2]

2003年，諾頓設(shè)想了這么一個(gè)神奇的曲面，讓一個(gè)球從它的頂部下落，它的下落高度h與下落路程r有關(guān)系 。現(xiàn)在我們把小球靜止地放在穹頂上，根據(jù)牛頓第二定律和靜止的初始條件：

你會(huì)發(fā)現(xiàn)解出來的演化方程居然多了一個(gè)無法確定的常數(shù)C，也就是說，這個(gè)小球會(huì)在t=C時(shí)刻下落，但我們沒有任何辦法確定究竟是哪個(gè)時(shí)刻下落。這件事還可以反過來想，一個(gè)球從下方沿著穹頂向上滾，等它來到穹頂時(shí)剛好能穩(wěn)穩(wěn)地停住，并靜止無限長的時(shí)間。順著這個(gè)思路再反回來想，球在穹頂從靜止變成下落的時(shí)刻是無法確定的。

其實(shí)歸根結(jié)底，這是因?yàn)榕ｎD運(yùn)動(dòng)定律對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)上的二階微分方程，我們一般認(rèn)為它加上初位置和初速度兩個(gè)初始條件就可以確定一個(gè)唯一解。但嚴(yán)格來說，這要求微分方程滿足Lipschitz條件，它是一個(gè)對(duì)函數(shù)光滑性更嚴(yán)格的條件，而諾頓構(gòu)造的這個(gè)穹頂正好不滿足這個(gè)條件。

編輯：黃飛