為什麼冷水沖不開咖啡，熱水沖開之後不會沉澱？

忙碌的生活中

泡上一杯咖啡

是工作之餘無比愜意的時光

你知道冷水沖不開咖啡嗎

熱水沖開的咖啡

放涼後為什麼不會沉澱呢？

1

Q

在火車停止的時候，在火車車廂半空中升起無人機，讓無人機懸浮靜止，然後火車發動，無人機會碰到車廂上嗎？相反，再火車高速行駛中，升無人機懸浮在車廂中間，無人機是會和火車速度同步，還是會發生別的？

By舊夢

A

我們先來分析下人坐在車裡的情況：在火車啟動時，座椅會對人施加一個推力，這個推力會把人往前加速，這樣可以使人和火車一直保持一個同步的狀態。對於懸浮在車廂中的無人機來說，火車在啟動時相對於地面一直在加速，但是和人坐車不同的是，沒有什麼物體在推著無人機向前加速（空氣的作用非常有限，可以忽略不計），所以火車相對於地面越來越快而無人機則一直懸浮在原處（相對於地面來說），結果就是無人機最終會撞到車廂上。

如果在火車勻速直線運動的過程中升起無人機，因為無人機原本就和火車具有相同的速度（無人機停在車廂里），所以升起過程中即便沒有其他物體的推動，無人機仍然可以和火車保持相對靜止（水平方向），這種情況下無人機就不會撞到車廂。但是如果火車在無人機升起後開始加速，這種情況下，無人機仍然會撞向車廂。

2

Q

為什麼冷水沖不開咖啡？熱水沖開之後不會沉澱？

By deeko

A

首先，冷水是能沖開咖啡的呢，需要你持續不斷的努力，比如充分攪拌，大力搖晃。我們要知道，沖泡咖啡的過程是一個咖啡溶解於水的溶解過程。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。這是因為溫度越高，分子熱運動加劇，咖啡分子越能跑到水分子之間的空隙中。宏觀上就是咖啡溶解了。冷水創造出的低溫環境會減緩這個過程，但並不是不能完成。強烈建議你買一包雀巢咖啡泡在農夫山泉礦泉水瓶里，蓋上瓶蓋，大力搖晃，仔細觀察，細細品味。嗯～熱水沖開咖啡之後不會沉澱，這個就要涉及到一個溶解度的問題。溶解度是一定溫度下每100g水中能溶解溶質（咖啡）的克數。要想溶解後出現沉澱，則需要達到飽和即最大溶解度之後再加入溶質（咖啡），才能析出溶質（咖啡）。希望能回答你的問題呀。

3

Q

為什麼在過冷水不結冰的情況下，往過冷水中放入幾個冰塊，過冷水就會結冰了？

A

題目中提到的是缺少凝結核的過冷水。在正常大氣壓下，有時將水降溫到零度以下仍然不結冰，這種狀態下的水就是過冷水。眾所周知，常壓下水的凝固點是零度，但是這裡指的是水的穩態，而過冷水是水的一種亞穩態。所謂亞穩態就是這個狀態雖然也可以保持不變，但它並不是真正的穩定狀態，如果受到外界的擾動，亞穩態就會向穩態轉變。例如，把硬幣立在桌面上就是一種亞穩態，雖然它可以一直立著，但是如果有晃動的話，硬幣就會倒下，倒下的硬幣才處在真正的穩態。水在結冰的過程中需要凝結核的參與，凝結核可以是雜質也可以是小冰晶。水首先向凝結核凝聚然後小核變大核，大核變成冰塊。當水中缺少凝結核時，結冰的過程就很難被觸發，所以即使是溫度很低也難以出現結冰的現象。當過冷水中加入冰塊後，水溫原本就低於凝固點並且冰塊可以充當凝結核，結冰的條件被完全滿足，亞穩態向穩態過渡的路徑被打通，這時過冷水就會在很短時間內自髮結冰。

4

Q

激光的方向性很好，為什麼激光發出光束的時候我們能從側面看到光束，能看到光束不是說明有光進入眼中嗎，那麼方向性好嗎？

Byjw耶百

A

首先，激光的方向性是很好的，對此產生疑問主要是方向性的概念不明導致的。激光的方向性是指其發散度小，在傳播時不會因為自身光線的發散導致光場減弱。在共振腔中，被反射的光線只有與共振腔相同方向的光線，只有這種光線被放大而在激光器中產生激光，因此激光器發出的光線只朝一個方向傳播，其發散度極小，約為0.001弧度，幾近於平行，激光方向性很好。

當激光傳播的路徑上有物質時，激光與其相互作用發生散射，一部分激光從側面射出，因此我們能從側面看到光束，這也就是所謂的丁達爾效應。丁達爾效應發生的條件是粒子尺寸與光線波長滿足一定關係時才會發生的現象，也就是說，我們能否在側面觀察到激光光束是與激光路徑上的粒子尺寸有關的，即在真空或粒子尺寸很小的情況下，激光不發生散射，沒有發散，激光的「方向性」很好。

那麼在發生丁達爾效應時我們還能說激光的方向性好嗎？當然！激光的方向性是指其發散度小，在傳播時不會因為自身光線的發散導致光場減弱。丁達爾效應中，粒子使激光發生散射，不是激光自身的發散。並且如果我們以發生丁達爾效應後激光的發散度來定義激光方向性的話，激光的方向性是會隨著路徑實際情況而改變的。

在此我們給出結論：激光的方向性很好，我們不能因為有粒子在激光傳播路徑上改變了激光的方向就否決了激光方向性好的事實。雖然說，一個巴掌拍不響，丁達爾效應是激光與粒子相互作用引起的，但追究責任時最差也得他倆共同負責呀，如果直接認為激光方向性不好，激光是會很難受的！

5

Q

如何計算地球質量?

A

質量，是物體所具有的一種物理屬性,是物質的量的量度，體現了物質的慣性大小。地球的質量，由於地球體積以及地理位置的限制，使得無法直接對其進行稱量，因此，即使有著「給我一個支點，我能撐起整個地球！」的豪言壯語，我們也無法在技術上實現這一偉大而艱巨任務。因此，在對地球質量進行測量時，我們需要利用間接測量的方法對地球的質量進行計算。

計算方法主要分兩種，一種利用質量與密度、體積的關係（1），利用平均密度對地球質量進行計算；另外一種利用萬有引力定律，通過地球與地球衛星的關係（2）或地球上的物體所受重力（3）來對地球質量進行計算，其中重要的一步是確定萬有引力常數G，這就是著名的卡文迪許扭秤實驗。

在公式（1）中，地球體積V可由技術測量決定，平均密度可由Schiehallion實驗決定；公式（2）中的r為衛星運動半徑、T為其運動周期；（3）中r為地球半徑、g為測量點重力加速度。

在對地球質量進行計算的過程中，我們一般需要考慮地球大氣層的質量，有時甚至還需要考慮隕石、大氣層逃逸、全球變暖等因素的影響。目前地球質量測算的精確值為(5.9722±0.0006)×1024kg。主要參考：https://en.wikipedia.org/wiki/Earth_mass；https://en.m.wikipedia.org/wiki/Schiehallion_experiment，有興趣可以自己去看看。

6

Q

氧氣會液化嗎？

A

先公布答案：氧氣可以液化。當把氧氣降溫至154.58K以下並加壓到5.04MPa以上，氧氣就可以被液化。如果在標準大氣壓下，則需要達到90.19K以下才能將氧氣液化。如果繼續降溫達到50.50K以下，液態氧就會變成固態。液態氧是淺藍色液體，並具有很強順磁性，同樣的，固態氧也是淺藍色。

在單質氣體家族中，氧氣並不是最難被液化的。最難被液化的是氦氣，直到1908年，昂內斯才成功液化了氦氣。液化4He需要達到5.20K以及2.26個大氣壓的苛刻條件，在常壓下則需要溫度達到4.21K。和氧氣不同的是，4He不能在常溫下轉變成固態，固態4He的獲得必須額外施加壓強。

氣體液化的進程伴隨著低溫技術的進步。低溫技術的成熟才使研究低溫物態成為可能，在低溫領域，最著名的當屬超導現象，儘管超導現象已經被發現了超過一個世紀，直到今天，超導領域仍然是凝聚態物理的前沿領域。

7

Q

無色和透明為什麼不是同一個概念？

By wolf

A

在生活中，我們經常會用「無色」、「透明」來描述水滴、玻璃等物品，這倆彷彿是一對孿生兄弟，經常一起出現，那麼「無色」和「透明」究竟有何區別呢？

首先，「透明」是指光線在穿過物體時不發生任何散射，體現物體與光線之間相互作用的性質。無色，字面上理解，無顏色，沒有顏色，表示物體本身的特性。這裡的顏色有兩種理解，第一種是指彩色系，即紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色或具有這七種顏色任一顏色傾向的色彩，如此一來，無色就是指純黑、純白或黑白任意比例混合（灰色），也就是常說的無色系。在這種理解下我們還是十分容易將無色和透明給區分開的，即區分白色（黑色）和透明。

還有一種理解是，物體不具有任何顏色，如此一來，人類就無法看到該物體，該物體就表現為所謂的透明了。但仔細分析發現，此透明非彼透明，物體不表現任何顏色，即吸收所有射向物體的可見光而不發出任何可見光，對於可見光而言，這不就是一個絕對黑體嗎？不難發現，這種理解下，無色和透明是無法在可見光波段同時發生的，在此情況下，人眼已經無法區分無色和透明了，這很有可能是無色和透明容易混淆的原因。

仁者見仁，智者見智，不管哪種理解，我們的目的是將「無色」和「透明」兩個概念區分開，即透明不一定無色，比如藍色硫酸銅溶液，無色不一定透明，比如白紙（第一種理解）、絕對黑體（第二種理解）。個人理解，虛心求教！

8

Q

在完全非彈性碰撞中，為什麼動量守恆而動能不守恆？損失的動能轉化成了什麼類型的能量？

A

眾所周知，動量只有一種，不管是哪個動量都叫做動量，動量經過轉化以後還是動量。但是能量有很多種類型，動能、勢能、熱能、電能都是能量，各種能量之間可以相互轉化。動能守恆在很多情況下會失效，但是如果把動能換做能量，能量守恆就是普遍成立的。在完全非彈性碰撞的過程中，原本所有的質點都朝著同一個方向運動，經過碰撞後，各個質點除了整體的平動外還參與各個方向的振動。但是我們測量動能從宏觀的角度審視，微觀質點振動所具備的能量不會被計入總動能中。這就是造成動能不守恆的罪魁禍首，但是如果把微觀振動所具備的能量和宏觀的動能全部加在一起，你會發現，總能量還是守恆的。我們一般把微觀振動具有的能量歸入內能中，也就是說損失的動能轉化成內能了。

本期答題團隊：

物理所螳吉呵呵、勿用、三隻豬

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編輯：J.C.

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