雲彩為什麼不會掉下來？

蘋果會往地上掉

憑啥雲彩就不會？

它們都比空氣重啊。

嗯，古人說「騰雲駕霧」

仔細品來，似是

隱隱地悟到了雲的秘密

1

Q

為什麼水能滅火？冷水和熱水哪個更容易滅火？

By 翱翔 鳥瞰蒼穹 Herobrine大帝

A

燃燒有三條件：可燃物、空氣和溫度達到可燃物著火點。滅火原理則是反過來，使三個條件不能同時滿足。水滅火的原理，一是降低溫度，二則隔絕空氣。從這一角度講，熱水滅火的效果要比冷水好，因為熱水噴在燃燒物上，能夠快速在燃燒物周圍產生水蒸氣、起到大面積隔絕四周空氣的作用。燃燒物一旦缺少空氣，火勢很快就會變小。然而若要判斷二者是否有明顯差異，沒有定量的分析和實驗是不能輕易下結論的。另外，對於一些化工類產品，需要作額外的考慮，以上結論未必成立。

2

Q

月球上有沒有磁場，可不可以用指南針或者類似指南針的東西辨別方向?

ByJhin

A

首先我們了解下指南針辨別方向的原理。我們都知道，指南針的紅色端是磁針的北極，白色端為磁針的南極，而地球的地理南北極與地球磁場的南北極除一個很小的偏角外剛好是相反的，因此由於同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引的原理，指南針紅色端指北。

我們現在通常認為月球幾乎不存在磁場。月球表面附近磁感應強度約為10-9T ~10-8T，遠小於地球表面附近，約 5x10-5T。另外月球不同位置處磁場強度明顯不同，磁場分布極不均勻，不存在磁極，因此在月球上指南針應該是不起作用的。

3

Q

火車經過隧道時耳膜會脹痛，那麼此時車廂內氣壓是怎樣變化以及為何這樣變化呢？

By擊水三千

A

火車快速駛入隧道中時，隧道中的空氣受到擠壓並迅速被火車劈向兩側，從而火車側面氣流速度增加，側向壓強減小。由於火車並非完全密閉，其中空氣會向外漏出，氣壓減小，引起耳膜脹痛等不適，此時可做吞咽動作或者張大嘴巴減緩不適感。需要注意的是，這個過程中，不同位置處氣壓變化的原因也有所不同。火車前方因受力壓縮，氣壓高於常壓；後方因氣體無法及時補充，氣壓低於常壓，且常因邊界層分離導致附著渦流甚至湍流；而側面因氣體流速快，氣壓低於常壓。在分析流體力學問題時，經常會用到伯努利原理，但是使用該原理時還是要注意其適用條件。伯努利方程是基於定常、無粘、沿流線、不可壓4個前提，對微流團所受的重力和壓力、及其動量改變數進行分析得到的，本質上是機械能守恆的結果，具體過程建議讀者簡單推導一下。

4

Q

為什麼電池會有保質期呢？沒用過的電池超過保質期使用起來會有什麼反應？耗的電去哪了？

By 果殼2019

A

電池當然會有保質期！這個問題和乾電池的自放電現象有關。我們先來複習一下中學裡面學習的銅鋅原電池：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，把銅鋅電極直接接觸並把他們完全浸泡在電解液中會發生什麼情況呢？我想你肯定知道，這和原電池沒有什麼不同。只不過我們沒法利用產生的電能了。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，乾電池的自放電就是由於電極表面或電解液中的雜質或者電極表面不均勻造成的。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，工藝流程和生產環境要求也很高。

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

5

Q

電磁爐為啥配鐵鍋？

By佚名

A

要明白為啥用鐵鍋，我們首先來看一下電磁爐的加熱原理。電磁爐的原理是電磁感應現象，即利用交變電流通過線圈產生方向不斷改變的磁場，處於交變磁場中的導體的內部將會出現渦旋電流，這是渦旋電場推動導體中載流子運動所致；渦旋電流的焦耳熱效應使導體升溫，從而實現加熱。

如果單純只是靠渦旋電流，那麼豈不是所有導電材料都可以？為啥非得用鐵鍋呢？電磁爐用鐵鍋有如下三點優勢：1.鐵質或者合金鋼，可以用其高磁導率來加強磁感，從而大大增強渦旋電場及渦流熱功率。2.鐵對磁場的吸收充分，屏蔽效果也非常好。3.鐵還是人體必需元素之一。以上三點是鐵質或者合金鋼的獨特優點，這些都是其他金屬不完全具備的。此外，商用電磁爐是為鐵質平底鍋專門設計的，如果用其他材質的鍋，都會因電阻率不匹配等原因導致電磁爐負荷異常、啟動自動保護，不能正常工作。

既然鐵鍋有這麼多優點，還與電磁爐這麼搭，那還是繼續在電磁爐上面用鐵鍋的吧，鋁鍋什麼的就不要考慮了。

6

Q

雲的主要成分是水滴和冰晶，水和冰都比空氣重，為什麼不掉下來呢？

By時光的河入海流

A

答主童年時也疑惑過，天上辣么大塊棉花糖咋不掉下來捏？不過其實雲是會掉下來的，只是掉下來的速度很慢很慢，這歸根結底是空氣阻力的原因。雲中的水滴半徑r很小，約幾微米到幾十微米，重量很輕，空氣阻力不可忽略，並隨速度增加而增大，因此最終平衡時的速度，即收尾速度v很小。這還只是空氣靜止時的情形，實際中雲層附近還會有風和上升氣流，雲基本上是隨風而飄了；也有一些在這個過程中消散了，畢竟小水滴也會蒸發的。其實可以更直觀地想：懸浮的小水滴，在天上叫雲，在地上叫霧，你看看霧滴的運動，是不是很慢？而即使是大雨滴，也砸不死人，可見空氣阻力的作用還是很明顯的。

具體地，水滴受到與半徑和速度成正比的粘滯阻力6πηrv，方向向上，其中η為空氣的粘滯係數；還受到重力和浮力，合力大小為，方向向下。三力平衡可得收尾速度，可見該速度與r2成正比，當r很小時，速度也很小。雲中典型的水滴直徑約為10-50 um，相應的下落速度約為：3.0 mm/s-7.5 cm/s, 這個要落下來得好久好久。而一旦小水滴凝聚在一起，即可很快下落，如直徑5 mm，則速度約7m/s。不過這是用另一套公式計算的，因為此時空氣阻力以壓差阻力為主，與r2v2成正比，前述公式已不適用。

有趣的是，利用超微液滴收尾速度很慢且與外力成正比這一規律，可以精確地測定微小的力。還記得大名鼎鼎的密立根油滴實驗嗎？在物理上具有重要意義的元電荷e的大小就這麼定出來了！1923年的諾貝爾物理學獎就是這麼誕生的。

7

Q

絕對零度存在嗎？

ByRencontre

A

根據熱力學第三定律，我們知道絕對零度（系統的熵為零）肯定是不存在的。熱力學的四個定律是屬於最基礎的客觀規律，就像萬有引力定律一樣，我們不能從嚴格的邏輯上去證明它，只能藉助一些物理圖像去理解它（這就是定理和定律的區別）。最直觀的理解是從不確定性原理出發，我們知道體系的溫度是對應於系統中粒子的平均動能，當溫度越低時平均動能越小，但是不確定性原理告訴我們，溫度越低時，系統的量子行為越明顯，粒子的動能永遠不可能低於其零點能，故絕對零度不可達到。儘管如此，我們在處理很多多體問題時還是會用到零溫近似，我們認為玻色子的零溫分布為所有粒子凝聚到基態，費米子零溫分布為所有粒子填滿最低的一系列能級（泡利不相容原理）。畢竟很多系統只有在零溫下才能有嚴格解。

8

Q

計算機如何生成隨機數字？

By π和薛定諤的貓

A

我們都知道，計算機產生的是偽隨機數。從本質上來說，演算法是確定的，給定相同的輸入，一定會得到相同的輸出。本質上說，都是產生了一個種子（包含一個長整型的值），並且通過一定的特殊的演算法使得種子中長整型的值變為一定的整型、長整型或浮點型數據。在Java中，種子產生有兩種方式：輸入一個長整型參量或是不輸入。當不輸入的時候，計算機會讓計算機的時間（當前時間與某個時間的差值，單位為納秒）通過一定的運算後產生一個參量輸入到產生種子的代碼中。從這一點來看，很容易確定計算機所產生的的「隨機數」是偽隨機數：當兩個不同的種子，使用的是同一個數字作為產生的參量的時候，他們每一次得到的同類型的「隨機數」都是相同的。

在每次產生一個隨機數後，種子都會將本身的值作為一個參量輸入到一個偏移器中，從而使種子中長整形的值產生一個不固定的增加（增加的值與原種子相關）。通過這樣的方法，就產生了一串偽隨機數。

一些命令可以產生高斯分布的偽隨機數。其中一種經典的方法是Box-Muller演算法。其基本思路是產生兩組獨立的隨機數U,V。這兩組數據在（0，1]上均勻分布，再用U,V生成兩組獨立的標準常態分布變數X,Y

即是一組期望為0，方差為1的偽隨機數。（這個演算法的原理是二自由度的卡方分布）

本期答題團隊：

物理所李治林、Aaron Chen、可愛的你、葛自勇、大化所J.Baker、北理工文卿

寫下您的問題，下周五同一時間哦~

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編輯：PXL

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