「物理动图」一组动态图揭开现象背后的物理原理

方法:找一个玻璃瓶,装上一些水,狠击瓶口,就把瓶底压破了。

原理:瓶体在短时间内获得向下运动的速度,但瓶中的液体由于惯性没有跟上瓶纸的步伐(水的黏度很小),就在瓶底形成大量接近真空的低压气泡,这一现象的术语叫做空化。然后瓶外的大气压就想把水往瓶底压,同时还受自身重力开始奋力往下追,由于液体不太容易被压缩,所以力最后都啪唧拍到了瓶底上。标准大气压约为 101 千帕,相当于 81 千克的重力砸在直径 1 分米的瓶底,妥妥地就可以把瓶底压破啦。

空手碎酒瓶背后的科学原理

视频时长:6分40秒

NO.2

滴水成冰

方法:在容器中滴一滴水滴,观察它的结冰过程。

原理:圆圆的水滴结冰时会发生什么?它们总是会形成一个尖顶,上图中显示的就是这一现象。研究者把水滴滴在两块平行的玻璃板之间,然后拍摄它结冰的截面图,从而避免了球形水滴会使画面扭曲的问题。他们的结论是最后形成的锥尖的顶角与液滴的大小无关,与底板的温度或浸润角(液体表面和容器壁接触时形成的角度)无关,与结冰的速度亦无关,因此这个现象是普遍的。论文随后定量地推导出锥顶角的大小为131°,多次实验验证显示,理论值与实际结果相符。

实验结论:结冰面总是和液滴表面保持基本垂直的,因此它往上推进时就会由凸变凹,最终收出一个尖顶来。也就是说,尖顶现象主要是几何上的结果而非动力学效应。

NO.3

原子动画

方法:《男孩和他的原子》是 IBM 在 2013 年发布的一部“世界上最小”的定格动画,影片长约 45 纳米,宽约25纳米,用一台两吨重的扫描隧道显微镜在5开氏度的低温下将一氧化碳分子排列在铜基板上,总共扫描了 242 张图片,构成了这段一分多钟的电影,花费4位研究员2周时间制作完成。

原理:这种能看到原子的图片并不是用多么强大的光学手段拍摄,而是用一个极细的针尖在材料表面“摸”出来的。针尖也并非直接和材料表面接触,而是悬空了很小一段距离,此时在材料和针尖之间加上电压的话,就会有微弱的电流流过(在量子力学中叫作隧穿电流),并且这一电流的强度对针尖和材料表面的距离十分敏感。因此我们就可以慢慢地移动针尖,如果测到电流开始增强,说明我们在接近一个凸起的表面,于是我们就把针尖调高一些,让电流回到原来的大小。这样保持电流大小不变不断调整针尖的高度一路扫描下来,我们就能得到材料表面的“高度图”。

扫描隧道显微镜的恒电流工作模式,另外还有恒高度工作模式,即保持针尖高度不变,然后根据隧穿电流大小的变化得到材料表面的高度。这种模式的优点是扫描速度快,缺点是有可能碰坏针尖。

针尖不仅能“摸”出原子,也能移动原子,移动的方法有横向操纵和纵向操纵两种。横向操纵是调高隧穿电流,然后针尖就会“吸”着原子在材料表面游走。纵向操纵则是把原子提起再放下,一般是通过加强电场然后改变电场的极性来实现。通过探针移动原子,就拼出了图中的小人。

NO.4

玩坏显像管

方法:用一块大磁铁在老式电视或电脑屏幕前方移动,观看银幕画面变化。

原理:老式电视机和电脑使用的都是显像管屏幕。显像管(CRT)的原理:首先阴极发射出电子束,在阳极的吸引下加速,然后在电磁场中偏转指定角度,最后打在荧光屏上发光。不同能量的电子可激发出不同颜色的光,形成电视屏幕上的彩色图像。

大块钕磁铁能产生很强的静磁场,根据磁铁正面在电视机上制造的画面我判断这个磁铁是轴向磁化的,磁铁的两面分别把画面推到右上角和右下角,受力分析图如下:

强磁铁会让显像管屏幕出现故障,使得电视内部的一些金属器件被永久磁化了,正确的修复方法是消磁(degauss),有的电视机自带这个功能,即产生一个方向快速变化的磁化场,然后磁化场的强度慢慢减弱,最后任何方向的剩磁都被抹平了。

NO.5

半锅煎蛋

方法:如果把鸡蛋直接放在电磁炉上加热,不能煮熟鸡蛋。

原理:电磁炉的工作原理并不是让自己升温,而且利用电磁感应加热。电磁炉首先将市电转化为高频交流电(20~40 kHz,对于交流电属于高频,但对于无线电波属于低频,所以电磁辐射少),然后交变电流通过线圈建立交变磁场,交变的磁场感应出涡旋的电场,此时将导体放在线圈上的话就会形成涡电流,涡电流流过导体时因电阻产生焦耳热。空气、蛋白质、陶瓷等非导体有很高的阻抗,因此电磁炉几乎不在它们上面输出功率。所以,直接把鸡蛋打在电磁炉上是熟不了的,陶瓷或玻璃锅也不能被加热。

铁锅具有导磁性强,漏磁少的特点,并且除了涡电流之外还有磁滞损耗效应来产热,因此使用铁锅有更高的加热效率。

而铜或铝不行的原因是电阻太小了(高中学理科的童鞋应该体会过阻抗匹配,即外电路电阻和电源内阻相等时输出功率才最大,太大或太小都不行)。铜铝的趋肤效应(交变电流喜欢贴在导体表面流动的现象)比铁弱,意味着涡电流在锅底流通的厚度更宽,所以阻抗更小,加热效率更低。

NO.6

蛇摆

视频时长:1分44秒

视频中的现象叫作“蛇摆”,在这一系列的单摆中,我们可以观察到小球从一字长蛇阵到逐渐趋于混乱、再形成整齐的分组的过程。我们知道单摆的周期的公式为

原理:首先设定一个蛇摆整体恢复的大周期T,然后假设让最长的摆在T时间内摆10次,那么次长摆就在同样时间内摆上11次,次次长的摆12次,以此类推,每个摆各自的周期是T/(10+n)。下面,我们先以三个摆为例画一张位移-时间图(横轴是时间,纵轴你说是位移或者摆角都行):

只用三个摆就可以看出,在半个大周期的时刻出现了一个“分组现象”。这不难理解,在 t=T/2 时各小球摆过的路程是 (10+n)/2,因此n为偶数的球都整除,而n为奇数的球都正好余半个周期。

而在上面的动图中,这样的单摆共有15个,那么我们就来画上15个cos函数:

在这里,我选了因子多的整数 12 作周期,并按分数倍周期标注了横轴,这样你们就能看出分数恢复的现象了。分数恢复和半周期恢复的原理类似,用数论的语言来解释就是,在每个分数周期,属于相应同余类的号球会恰好摆完相同的进度。例如在 t=T/3 时,各小球摆过的路程是 (12+n)/3,因此按余数应分3组,只不过余 2/3 周期的组折返回来刚好和余 1/3 周期的组相遇,所以在该时刻会观察到小球整齐地排成了两排。

THE END
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