為什麼暖瓶膽放在耳邊會嗡嗡響？

最新 06-30

話說暖瓶這東西

如今在城市裡

幾乎就剩大學生還在普遍使用了

趁著還沒放暑假

用奶奶用過的很土卻很科學的辦法

檢查一下它們的質量吧！

為什麼蒸發發生在液體表面？

By lazy fish

熱力學告訴我們，要描述一個體系的狀態，我們需要若干獨立參量。以水這種物質為例，只需要溫度和壓強就能完全描述它的狀態。水是處於液體、氣體還是固體乃至兩種或三種狀態共存都可以從這兩個參量直接看出來。

為了說明此題，我們先來討論下為什麼沸騰可發生在水內部。考察水裡的一個微團，當這個微團在某壓強下達到沸點時，由於繼續加熱，它的平衡要受到破壞，不能安分地作為液體存在，想脫離集體自由飛翔，也就形成了氣泡。事到這裡還沒完，因為氣泡里的水分子還有可能回到水裡，形成動態平衡而不沸騰，但是水蒸氣回到水裡要放熱，這些熱量又會加熱周圍處於沸點的液態水，使得周圍區域有氣泡產生，氣泡得以維持。加上沸騰的必要條件，源源不斷地加熱，就會使得氣泡不斷產生，看起來沸騰便可以發生在液體內部。

同樣，為了說明蒸發過程，我們還是考察水裡的某個微團。只不過此時沒有達到沸點，即使水分子動能比較大想要變成氣體，但一撞到周圍的水，事情就結束了，所以在水面下，平衡總會維持在液態，看上去不會產生氣泡。然而，水面上發生的就是另外一番景象了。水面上的分子動能比較大的，就會脫離表面束縛，變成氣態。因為液態水失去的是那些動能相對比較大的分子，所以剩下的平均動能就變小，於是溫度降低，這就是蒸發吸熱的原因。當然，也會有一部分氣態分子撞到液態水表面而被俘獲。但總的看來，跑掉的比回來的多，所以蒸發會一直進行，直到蒸氣達到飽和，跑掉的和回來的一樣多，蒸發停止。

為什麼保溫好的暖瓶膽放在耳朵邊上會嗡嗡響？

By Anonymous

要明白這個問題，首先看一下關於暖瓶另一個常見的問題：朝暖瓶里吹口氣放在耳邊，為什麼會聽到嗡嗡響？而且保溫好的暖瓶會響聲比較大、比較持久？

這是一個傳統的挑選暖瓶內膽的方法：向暖瓶內膽中吹口氣，將內膽放到耳邊，如果有很明顯的嗡嗡聲，說明這個膽的保溫性很好。這是老人們買瓶膽的方法，靠經驗總結的，卻很實用。

向內膽中吹氣會發聲這個現象很容易理解，就是吹氣的過程中引起瓶內空氣振蕩，而振蕩的空氣在「暖瓶」這個邊界條件下會形成固定頻率的駐波，這個駐波就是聲源。其實不僅暖瓶，任何有「空氣柱」存在的容器均可由此發聲，很多管樂就是這個發聲原理。

那麼為什麼保溫好的內膽聲音要響亮持久呢？這個要看保溫好的暖瓶和保溫不好的暖瓶的區別了。暖瓶保溫靠的是阻絕熱傳導：內膽由內外兩層組成，內外兩層之間盡量抽成真空。這裡的真空度越高保溫效果越好。這樣「響聲嘹亮持久」就容易理解了，內外兩層之間的真空不僅阻絕了熱傳導，也成功減少了「空氣柱」駐波的耗散，耗散較小的駐波，必然會發出更加嘹亮、更加持久的聲音。

那麼現在回到原問題：為啥在什麼都不做的時候，保溫好的暖瓶放在耳邊也會有嗡嗡響？這其實源於暖瓶內空氣柱對空氣中的「白雜訊」的選擇。我們周圍的空氣其實一直在「振動發聲」，不過這種振動是沒有固定頻率的，是一種沒有攜帶信息的「白雜訊」。而暖瓶中的「空氣柱」對這種白雜訊有種濾波功能，可以選擇出「空氣柱」固有頻率的聲音。在這裡，白雜訊就扮演了「吹氣」的角色。不過「空氣柱」選擇出的聲音很小，只有耗散更慢的保溫性好的暖瓶才能聽到。

對著手哈氣會感到暖，吹氣會感到冷。所以理應存在一個吹氣速度會感到不冷不熱，對嗎？這個速度能計算嗎？

By高貓

首先，這個問題的答案是肯定的：理論上可以定義一個吹氣速度，我們暫且把它定義為「均衡吹氣速度」。

均衡吹氣速度可能是非常難以定義的物理量。吹出的氣體在運動過程中，氣流的變化非常複雜，環境風速、溫度、壓強以及吹氣口型等等，都會影響到氣流到達手掌時的溫度。因此，把這些考慮在內，我們需要在一個穩定的環境中定義該數值：例如保證環境為標準狀態（273.15K，1atm），保持環境風速低於0.1m/s，保證手到口的距離為定值，以便定義這個量。

綜合以上考慮，外界的問題大多都解決了。這種條件下，總能使得吹出具有某個速度的氣體在到達手掌的時候達到一個合適的溫度，而且保持很小的誤差。注意這個溫度是物理的溫度，不是感受的溫度。

接下來，我們考慮感受的問題：由於個體差異，使得人對相同溫度的感受可能不同，因此，為了簡化，我們需要一個「標準人」來測定感受溫度（當然，如果不考慮普適，也可以為每個人測定一個獨自的均衡吹氣速度）。而且，不同的部位對溫度的感受也會不同，因此還需要選定一個標準部位。另外，由於人對「不冷不熱」的氣流可能不太敏感，因此這個均衡吹氣速度會是一個範圍，而且範圍大小因人而異。

所以，就定義均衡吹氣速度需要「標準人」這個事來說，定義這個量還是不現實的，因為「標準人」是很難定義的。其實，人對溫度的感受和環境密切相關，人的皮膚感受到的是熱流密度而不是溫度。熱流密度和溫差、傳熱係數密切相關。另外，風速對人體感受到的冷熱影響可以很大。人在溫度稍低且高風速的環境中比在溫度更低且低風速的環境中更容易凍傷。

為什麼激光的光斑看起來是很多細微的小光點？

By 炒米飯

恭喜你慧眼如炬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，從凹凸不同的地方反射到眼睛時，會有一個微小的光程差，它們相互干涉，有的相長，有的相消，從而形成明暗分布的斑點。這裡粗糙是相對於光的波長（幾百納米）而言的。類似地，激光透過表面粗糙的玻璃（如浴室的毛玻璃）時，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，我們可以做一些稍加深入而有趣的拓展。

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製作一些圖案P，就可以讓出射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繫起來。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迹（挨打概不負責）或者放一根頭髮（脫髮請自珍重），用激光照射並反射到牆上，很容易觀察到明暗相間、整齊排列的單縫衍射條紋；或者運氣好的話照到圓形的坑點或細小的灰塵，會在牆上投影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，在家裡完成這些實驗毫無壓力，快去試試吧！另外特別提醒一下，由於波長越長衍射效應越明顯，選用紅色激光會比綠色、紫色的更容易觀察哦。

當光通過水的時候，水的流速會對光線傳播產生影響么？

By LOVELESS

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，所謂「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影響的精妙總結。光的情況稍有不同，簡單假設光線和介質速度共線，光相對於我們的速度約為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。可以看出它並不是介質中的光速和介質運動速度的直接線性疊加，這是相對論修正引起的結果。有的同學可能會問，光速不是不變的么？但是這個結果告訴我們，「光速」不僅對於不同介質是可以變的，而且，對於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，而不能簡單地認定「光的速度是不變的」。

為了形象地說明光會被拖曳，我們考察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，那麼必然光會繼續垂直水面射入水中。現在，我們換到和水流相對靜止的參考系中觀察，這時候由於和光源相對運動而引起光行差效應，光就以一定角度射入水面，而這會發生折射，傳播方向發生改變，這顯然是不可能的。所以我們推斷，光必會被水流拖曳。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。

如何生動形象地理解晶格振動？

By 佚名

要生動地理解晶格振動？不曉得下面這張圖夠不夠生動哈~

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晶格振動，就是晶體原子在格點附近的熱振動。晶體中的原子很調皮，他們不喜歡在受力平衡的地方老老實實地待著，而喜歡繞著格點作小幅度的振動。

現在我們一般用聲子來描述晶體中原子的振動。我們將晶體中原子勢場做泰勒展開，只保留到二次項，然後由晶格的平移對稱性，可以得到結論：晶體中所有的振動都可以用有限多的振動模式疊加得到，每種振動模式代表了原子集體形成的簡諧波。這些振動模式的量子化就是我們所說的聲子（balabala~~如果看不懂的話可以跨過這一部分）。簡單來說就是複雜的晶體振動可以用有限種簡單集體波動的疊加來描述。這樣我們在做各種和晶體振動相關的理論時，只需要考慮這些振動模式就可以，不需要考慮具體的複雜振動了。

量子反常霍爾效應是什麼？

By 一物理愛好者

要明白量子反常霍爾效應，就得從霍爾效應說起。從1879年到現在，霍爾效應家族越來越龐大。要徹底地理解這個問題需要太多的專業知識，我們這裡只是粗淺說明一下。

經典的霍爾效應是指，對磁場 B中放置的導體，當電流I垂直於磁場 B時，在同時垂直於電流和磁場的方向上，導體兩側會產生電勢差，即霍爾電壓。這本質上是載流子在磁場中運動、受到洛倫茲力偏轉導致的效應。經典霍爾效應的霍爾電阻（霍爾電壓與縱向電流的比值）是隨著磁場連續變化的。

說完「經典」就可以說下「量子」了。量子霍爾效應指的是低溫強磁場時，霍爾電阻不再隨磁場連續變化，而是會在一些特殊值處出現不隨磁場變化的恆定值平台，這些平台出現在朗道能級被電子整數（或特殊分數）填充時。有趣的是，平台出現時，縱向電阻（就是電流方向的電阻）為零。這表明在平台出現時，電子輸運耗能極小。

可是量子霍爾效應運用到實際中有個很強的限制，需要外加強磁場！量子反常霍爾效應解決了什麼問題呢？就是在一些特殊材料中，材料本身就具有很強的內部磁場，這個時候就不需要再外加磁場，也能產生量子霍爾效應了，這也就是它的「反常」所在。量子反常霍爾效應不僅僅是物理理論上的突破，同時也是技術上的革命。低能耗的導電材料的應用前景不言而喻。

為什麼水中有旋渦，沙漠中卻沒有？

By Julian Assange

這是個相當深刻的數學問題，涉及到拓撲學中一個很重要的概念——歐拉示性數。首先，我們需要搞清楚渦旋的本質，事實上用數學語言去描述渦旋就是在流體的速度場中存在一個點的流速為零，而其周圍的點流速均不為零。而描述這一數學問題的手段就是用歐拉示性數來表徵。什麼是歐拉示性數？也許大家中學階段都做過一道習題，就是探索各種多面體的面數F、頂點數V與邊數E的關係。F+V-E的值就是該多面體的歐拉示性數。然後發現對所有多面體最後結果都是2，事實上這並不是巧合，因為歐拉示性數是一個拓撲不變數，所有與球面同胚（同胚的概念具體可參考茶杯與麵包圈，茶杯經過連續變形可變為麵包圈的形狀，兩者都有一個「洞」）的流形的歐拉示性數都是2。而對於簡單的單連通平面圖形（圖形內沒有被挖點），其歐拉示性數則為1（大家可以想像為在球面上挖掉一個點）。而歐拉示性數最重要的一個作用就是標記一個流形中，連續矢量場強度為零點的最少個數。如果我們僅考慮一個簡單的二維水面，其速度場即為我們研究的矢量場，那麼該水面水流速為零的點至少有一個，即至少有一個旋渦。不過水麵上是否一定要有旋渦，還是得看整個水面的幾何結構（比如環形結構就可以沒有渦旋）。而對於沙漠，我們一般認為沙子是不動的，因此這只是一個平庸的矢量場（所有點的失量場都是零），當然不存在旋渦一說。（思考題：大家可以依照以上討論，來思考一下為什麼每個人的頭上都至少有一個旋。）事實上，渦旋在物理學中有很重要的地位，篇幅有限不宜展開說明，有興趣的讀者可以自行進一步研究。

本期答題團隊：

物理所可愛的你、李治林、Automan-Ex、大化所J.Baker、北理工文卿

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