為什麼沒有透明的金屬？

暑假的時光總是短暫的

小編又開始了忙碌的科研生活

面對實驗室里各式各樣的器件

你可曾想過

為什麼沒有透明的金屬呢？

1

Q

如果用手指壓（不是推）一下乒乓球一側使其在平坦地面上向前滾動，前進一段就會迅速倒回，這是為什麼呢？

By 半圓芝夏

A

首先，我們先明確兩個概念，一個是乒乓球平動速度，它是指乒乓球的球心的速度，另一個是轉動速度，指乒乓球繞其球心旋轉的角速度，向前指從左向右看是逆時針旋轉。從我們日常的經驗來看，平動速度和轉動速度的方向之間並沒有必然的聯繫：比如車輪向前轉但車子在倒退或者車輪向前轉車子在前進均有可能，前者的例子是車在冰面上打滑後溜而後者的例子就是汽車的正常行駛。下面我們來分析乒乓球先是前進後是倒回的過程：乒乓球被擠出的瞬間既有向前的平動速度又有向後的角速度，乒乓球與地面接觸處相對於地面的速度是向前的，相應的地面施加在乒乓球上的摩擦力是向後的，這個摩擦力使得乒乓球的平動速度和角速度同時變小，乒乓球可以向後滾的關鍵在於如果平動速度先於角速度變為零，那麼這時向後的角速度就會使乒乓球從零向後加速，這就造成了乒乓球先是前進然後迅速倒回的現象。從我們的分析應該可以看出，乒乓球的運動狀態和它的角速度以及平動速度是否同向以及如何變化有關，讀者可以思考下有沒有擠壓乒乓球但乒乓球一直前進的或者推一個乒乓球使它先向前後倒回的可能性？

2

Q

水滴滴到淺水中為什麼會出現小露珠？

By 物質的遐想

A

這個現象其實就是所謂的「反氣泡」。我們都知道氣泡是液體在外麵包著氣體，而反氣泡則相反，是一層氣體包著液體。當液滴周圍包裹著一層空氣進入液體時，一瞬間不會馬上相融，而是保持一段時間，周圍的氣體隔開當中的液體，形成反氣泡。當液滴出現在液體表面時，如果有空氣層的有效隔絕，也不會馬上與液體相融，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得表面繃緊，呈現縮小趨勢，而降低表面張力可以使得表面易於變形，便於空氣的介入。物理所公眾號7月1號正經玩欄目里就是關於反氣泡的小實驗，其中洗潔精是一種表面活性劑，就有降低表面張力的作用。感興趣的同學可以複習一下。

3

Q

為什麼沒有透明的金屬？

By 你在何方

A

關於透明不透明的問題，可以說講上一年都不帶重樣的。時間有限篇幅有限，咱們這裡就簡單說明一兩點吧。

既然讓一個物理學的學生來回答這個問題，那麼就得適應一下物理學的節奏，我們首先來明確一下概念。透明和金屬。金屬好理解，這裡按維基上的說法來，金屬是一種具有光澤（對可見光強烈反射）、富有延展性、容易導電、傳熱等性質的物質。或許不太嚴謹，那就來個稍微專業一點的，元素周期表上所有帶金字旁的元素構成的物質。金屬有個性質就是有大量「全局共享」的「自由電子」。

啥子是「透明」呢？這個詞比較「意會」，咱們把它明確一下，就是透光不透光哈。這裡透不透的，針對的是可見光哈。畢竟對於X光之類，不透的還是比較少的了。

為啥會有可見光的「透過」與否呢？宏觀上幾乎所有電磁波問題都可以用麥克斯韋的電磁波理論來解釋。簡單理解就是麥克斯韋方程組加上邊界條件，然後就可以解出來電磁波在介質（是否透光的物質）中的傳播方程。而與介質相關的量，是電容率（介電常數）和磁導率。為啥透光呢？就是該材料的電容率和磁導率恰好能使麥氏方程有可見光波段的解，而不透光的就是沒有可見光波段的解。

如果小編在這裡就結束，然後告訴你就這麼巧，金屬恰恰滿足這個光不能透過的條件，你是不是會很不服？！

那就再滿足一下你的好奇心，稍微說一下電磁波在金屬中傳播的微觀機制。這裡涉及的專業知識及就比較多了，要想徹底弄明白這個問題建議大學報考物理學專業。我們就說幾個專業名詞來了滿足一下「高逼格」的追求好了。我們知道，金屬中有很多「自由電子」是「全局共享」的。而可見光在金屬中不能傳播，主要就由於這些個自由電子對電磁的響應特性造成的，這裡涉及到複雜的電磁相互作用，就不展開說了，其結論就是自由電子的電磁響應決定了金屬對低於某一個頻率的光子（可見光就在這個範圍內）具有較強的反射率，這也是多數金屬帶有金屬光澤的原因哈。

4

Q

洗澡的時候，熱水器里放出來的水溫基本恆定後假設是35度，關掉水，等一會再打開的時候，感覺水溫變化很奇怪，可能是從33度到37度再到35度，這是為什麼？

By 女王的男人

A

答主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，如果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：首先，熱水器包含一個水箱（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，然後，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的被冷水帶走，這樣我們就可以獲得溫度恆定的熱水。但是，當我們關閉出水口，這種平衡被打破：水箱中的水不再有新的冷水補充，不過這時加熱裝置並沒有立刻停止加熱，因為即使斷電了加熱裝置溫度還是高於設定溫度，這部分多餘的熱量會對水箱的水持續加熱從而導致溫度高於設定溫度。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後是水箱殘留的過熱的水接下來是新進入水箱還沒有來的及加熱的水最後才是穩定的熱水。這就是題主所說的奇怪的溫度變化的原因。

5

Q

為什麼現在沒有猴子變成人了？

By 小艷子

A

看到這個問題，答主心中冒出了另一個問題：進化史上為什麼會有猴子變成人？

我們與其他動物最大的不同，或許就在於我們的腦。但是腦這個器官的進化史非常奇特，甚至可以稱之為詭異。就現代人而言，腦作為身體的一個器官，所消耗的氧氣和能量遠超過其他同等大小的器官。而另一方面，短時間的缺氧，或是短時間的能量供應不足，即可對腦產生不可逆的傷害，嚴重到足以威脅生命。

在我們的祖先還在劃分部落的時期里，相較於於四肢發達的尼安特人而言，頭腦發達，四肢不夠有力的智人在自然選擇並不佔優。在一個缺乏食物的時期，腦會使得智人比尼安特人先餓死。那為什麼智人會進化出發達的大腦呢？這是一個待解決的問題。

補充一點點內容，智人所進化出來的具有語言中樞的腦發揮的作用也是巨大的。腦的語言功能可以聯繫兩個沒有血緣關係的種群，這使得合併後的種群在競爭過程中能夠獲取更大的優勢。但是我們需要注意的是，這是腦的語言功能有一定完備後才會產生的優勢。

所以所問的問題可能也是很多人的疑惑。它與答主所想的問題是同一個問題，這個問題現在還有待解答。

6

Q

為什麼電場線越密,電場強度越大？

By肅羽

A

我們以靜電場為例子來說明這個問題。電場線作為描述電場的可視化的手段具有直觀、形象的特點，但同時它丟失了對電場描述的精確性。高中課本中就提到過電場線密的地方電場強度大，但是我們也可以通過電荷的分布來求出電場強度的大小關係，這兩種方法看起來貌似是獨立的，那麼他們給出的大小關係是一致的嗎?答案是肯定的：在電場中某一點電場會有一個方向，沿著這個方向畫一條短線到達另一點，此處也有一個電場方向，再沿這個方向畫一條短線，以此類推可以得出一條電場線。如果我們在沒有電荷的電場中做一個垂直於電場的小圓，以圓周上各點為起點做電場線，我們可以得到一個由電場線圍起來的管道，從電場線的畫法我們可以看出，管壁上電場方向都是沿切向的，所以管壁上的電場對於整個管道的電通量沒有貢獻，電通量只來自於管道兩端。由高斯定理可以推斷出兩端的電通量大小相同符號不同，又因為電通量的定義是Φ=ES，所以面積小的一端電場就大，面積小就意味著管壁上的電場線離得近，換句話說就是電場線更密。所以電場線越密的地方電場強度越大。

7

Q

黑體輻射中，開了小孔的的空腔這個模型里，到底黑體指那部分，是小孔還是整個內腔（氣體），還是連著空腔一起了？

By 採納了會有回復嗎

A

這個模型裡面只有小孔保證是黑體。窖壁和空腔不能保證一定是黑體（當然也有可能）。但是在達到熱平衡時，也就是窖壁的輻射和和吸收相等的情況下，空窖內的輻射是平衡輻射，而平衡輻射就是黑體輻射（這個結論在此不會不做證明）。

其實直觀一點看，射入小孔的輻射並不一定一次性被窖壁吸收，而是無數次反射後才被吸收完全。所以窖壁可以不是黑體。至於內腔的氣體，其實完全可以看成窖壁的一部分。這個模型里地位上充當氣體角色的是輻射，也就是光子。

8

Q

By 藍山林

慣性質量和引力質量到底有什麼區別，不都是質量嗎？

A

雖然都是質量，但是在我們仔細思考「質量」的含義時，我們就會發現兩者的概念並不相同。慣性質量標誌的是力對物體產生相同加速度的困難程度，並不針對特定種類的力，只是表徵一個力的效果。而引力質量可以類比電荷，或可稱為「引力荷」，表徵的是產生引力和接受引力的能力大小。這樣看來兩者不是一回事，甚至並不一定有什麼關係。

不過牛頓注意到，單擺的周期只與擺長有關，而與擺錘的材質和重量都沒有關係（單擺問題本質上可以用F=ma來研究，引力質量包含在F里，而m是慣性質量）這說明，對於任何物體來說，引力質量和慣性質量的比是一個常數。以後的很多實驗也都證實了這一點。而根據萬有引力定律，我們可以把兩者的比值定為1，將常數收縮到萬有引力常數裡面去。

慣性質量和引力質量的等效性是作為廣義相對論第一基本原理——等效原理的基礎。如果沒有引力質量和慣性質量的嚴格相等，引力場和加速場的等效也就無從談起，愛因斯坦的電梯思想實驗也就完全是臆想了。

本期答題團隊：

物理所螳吉呵呵、可愛的你、大化所J. Baker、北理工文卿

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編輯：J.C.

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