书城童书中华少儿科普知识读本:数理化
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第8章 踏遍物理世界(2)

当然是大象所受到的空气阻力大。因为尽管空气对羽毛的阻碍效果更加明显,但 空气对下落中的大象的实际阻力要比对羽毛的阻力大很多倍。这是因为,比起较小的 羽毛来说,大象要划开更多的空气。而且,较重的大象穿过空气下落得越快,空气阻 力就越加增大。羽毛很轻,或许只有十几克,它所受的空气阻力很快就增大至与重力 大小相同。此时,羽毛就达到了它的最终速度--加速终止,且在以后的下落中速度和 空气阻力都不再变化。另一方面,一只从高树上落下的大象,所受的空气阻力,比如 说达到20牛顿--比羽毛所受阻力大得多,但与质量为2吨左右的大象所受重力比起来 是可以忽略不计的,因此大象在落下地面的过程中一直在加速。

15.钢铁与水泥的激战

比较两辆相同的汽车以同样速度迎面对撞以及一辆车以上述速度撞上一堵质量很 大的混凝土墙的情况。在这两种情况下,哪个所产生的冲击力大?

两种情况是等价的。汽车会在不肯让步的物体面前完全停下来。两种情形中突然 的冲击和减速都是一样的。

为了理解这一点,我们考虑与一辆质量相同、但速度比你慢的车迎面碰撞的结果 ,然后再考虑那辆车以比你快的速度与你迎面碰撞的结果。当你与速度慢的车迎面碰 撞之后,你将继续前进,在这个碰撞里带有某些”弹性“,你将减速而逐渐停下,这 当然要比与没有弹性的大质量的墙碰撞好一些。相反,当你与一辆高速的汽车相撞时 ,冲击力会更大,这比慢慢停下来或突然停住要糟--你将在”反弹性“下突然转为反 向运动。这比起与巨大静止的墙碰撞会产生更大的加速度,也更危险得多。此外,如 果你与一辆迎面而来的车相撞,同时这辆车的质量和速度都与你的车相同,那么在碰 撞中你既不会继续向前也不会后退。这和同巨大静止的墙相碰比起来,情况既不会更 好也不会更糟。两种情形下你都会突然停下来。

16.本是一母同胞

电动机和发电机都是由转子和磁铁组成的,转子能在磁铁产生的磁场中旋转。当 转子旋转的时候电动机也是发电机,对吗?

电动机也是发电机。事实上,为你提供输入能量的动力公司,对于你反输给它们 的能量已经作了补偿,按净电流,即净消耗的能量收费。如果你的电机没有外加负载 而自由转动,它产生的电流几乎与输入的电流一样大,因此电机中净电流是很小的。 当电机没有摩擦时,返回电流限制了空转电机的转速;返回的电流与输入的电流抵消 ,电机就能保持一定的转速。但是当电机与负载相联做功时,提供给电机的电流和能 量比输送回去的要多。如果负载太大,电机就会变热。再进一步来讲,如果在电机终 端联接一个很大的负载(例如紧紧地挤压在木料中的圆锯),使得电机停转,不产生 返回电流,这时净电流会很大,足以熔化电机的绝缘绕组,烧毁电机。

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电动机和发电机的基本差别

电动机是输入电能,输出机械能;而发电机是输入机械能,输出电能。不论用机 械能或者电能使转子旋转,都要产生电流。

17.同姓并非同母

有很高的电压,但同时没有很大的电流,这种情况可能出现吗?

这种情况一般是存在的。

正电荷与负电荷互相吸引;但正电荷之间互相排斥,负电荷之间也互相排斥。为 了使正电荷与负电荷分开,一定需要能量;只要电荷是被分开的,这种能量就贮存着 ,正像打桩机的重锤在提起的时候总贮存着能量一样。贮存的能量称做势能。对于打 桩机,我们说被提起的重锤相对于地面有重力势能;对于电荷被分开的情况,我们说 电荷相互间有电势能。单位电荷具有的电势能称为电势,其单位为伏特,伏特=焦耳/ 库仑。假如有一个充足了电的12伏特电池,电池的电极上带有1库仓电荷,该电荷就 具有12焦耳的电势能。

此时,电流的情况如何?没有电流。如果在正负电极之间形成一个导电回路,那 么电荷就会流动,形成电流。

18.嫦娥舞姿倩,可怜伴孤影

在第一次登月以前,科学家们曾担心,登陆舱有可能被月球表面悬浮的粉尘层所 吞没。在距月球特定距离的区域内,是否有带电粉尘或电子呢?

若月球带负电,那么月球就会对靠近它的电子产生静电的排斥作用,同时对电子 仍有引力作用。假定电子在月球表面上某一高度处,引力与排斥力严格地保持平衡, 使电子可以在那里漂浮着;则当电子在月球上的高度增大时引力仍与静电力平衡,电 子继续漂浮。下面作具体分析:

静电力与引力不可能仅在一个与月球有特定距离的区域恰好相平衡。因为,如果 二者在距月亮一定距离处平衡,那么在距月球两倍远的地方,引力和静电力将以同样 的倍数减小,它们仍保持平衡。如果粉尘由于静电的作用能漂浮在月球表面以上1米 的地方,它就能在任意高度漂浮,当然也能漂离月球。事实上,靠静电场、引力场或 磁场的某种组合的综合作用,来维系一个物体是不可能的,因为它们都服从平方反比 定律。

19.力拔山兮气盖世

秦末项羽力大超群,是一位盖世的英雄。当他在兵少粮尽被汉军包围时,便慷慨 悲歌:”力拔山兮气盖世,时不利兮骓不逝。“项羽能拔山吗?

我们利用物理当中作用力和反作用力的原理分析一下,就能做出科学的判断了。

且不说山的质量有多么巨大。项羽要拔山,势必要悬浮空中,无处依托。如果离 开了地球,人无支撑点,那么就无法传递反作用力。不要说拔山,就连拔起一根草也 是不可能的。所以,项羽是不是有些”失言“呢?至于把”力拔山兮“作为文学的夸 张说法来看待,那就另当别论了。

古希腊有一个神话故事,讲的是一个大英雄离开了地球,他便失去了力量,道理 正在于此。

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旗和鼓的威力

古代将领既没有电话,也没有无线电通讯设备,他们靠什么来指挥千军万马,同 敌人作战呢?你一定想不到,他们靠的是旗帜和战鼓。不同颜色和形状的旗帜,不同 旋律和音色的鼓声代表着不同的命令,士兵看到或听到这些”命令“,就知道如何行 动了。

20.小丑不倒的秘密

每当看马戏表演时,都被台上的小丑逗得哈哈大笑。一顶尖帽子、一双大皮鞋, 在台上前仰后合,醉态百出,总像要摔倒的样子,可却总也摔不倒。这里有什么奥妙 ?

小丑之所以摔不倒,主要是他的那双大皮鞋保护了他。小丑的鞋很大,无论他如 何跌撞,重心的竖直线都在鞋的支面内,或者说是在两只脚之间的连线内。这就保证 了小丑的全身(包括衣服、鞋等物)的重心,在竖直方向的作用线始终落在一个可靠 的支面范围内。

小丑在舞台上的各种千姿百态的表演,貌似摔倒,实则不倒。恰像物理力学中的 稳定平衡一样。如果小丑在台上的表演宛似一肉球在台上”滚来滚去“,小丑则是随 遇平衡了。

21.沉的伟大,抑的光荣

当一辆汽车加速前进时,车头总是会上仰,这是为什么?刹车时,车头下沉,又 是为什么?

当汽车在加速前进时,轮胎给路面一个向后的推力,路面反作用于轮胎一个向前 的推力。此力不但使汽车加速,而且还产生一个相对于重心的力矩;无论这个力是加 在前轮还是后轮,或同时施加在前后轮子上,该力的作用线都是沿路面方向,产生使 汽车头上仰而汽车尾部下沉的转动。

在各种情形下,使汽车加速的摩擦力总是使它有逆时针转动的倾向。力的方向是 与车前进方向相反的,产生的力矩将使汽车头下沉。

这种翘头效应,在机动船的运动中表现得更加明显。当船加速时合力向前,力矩 要使船逆时针转动;而当船减速时,水的阻力占主导地位,合力是向后的,力矩使船 顺时针转动。

汽车上仰仅仅是在它加速的时候,一旦它获得一恒定的速度时,汽车又恢复到水 平的位置。但摩托艇始终是上翘的。为什么会这样呢?当船速恒定下来时,摩擦力作 用在船底,它和作用在螺旋桨上的力大小相等方向相反。而螺旋桨是在水中较深处, 要比船底距船的重心远些,所以船底的摩擦力和螺旋桨受到的力共同作用产生了一个 力矩。

22.阴魂不散,与人为善

当我们脱毛衣或衬衣时,有时会发出噼啪的响声,在黑暗中还能见到闪光。把塑 料垫板在衣服上摩擦几下,然后把它放到头顶上,头发会被吸得立起来。有时手触到 门把手或汽车的门把手,会有麻酥(sū)酥的感觉。这是为什么?

这些都是因为摩擦起电的缘故,我们把这种电叫做静电。

物质都是由很小很小的微粒组成的,我们把这种微粒叫做原子。每个原子都是由 带正电的粒子和带负电的粒子构成的。平时,这两种带电的粒子相等,正负电荷互相 抵消,所以不显出电性。当两个物体互相摩擦时,其中一个物体里带负电的粒子会跑 到另一个物体里。这样,得到这种粒子的物体负电增多,带负电;而失去这种粒子的 物体正电相对显得较多,所以就带正电。这种带电的物体,就能够吸引别的物体了。 至于看到的闪光和发出的噼啪声,是物体之间放电所造成的,这与闪电和雷电的形成 是一个道理。

23.穿着”锌“衣的”我“

收录机、手电筒、剃须刀、呼机……都离不开干电池,干电池是我们每个人的好 帮手,干电池为什么能产生电呢?

干电池的外壳是用金属锌做成的,里面装着好几种化学物质。锌筒的中央立着一 根黑色的碳棒,碳棒的顶端露出来,上面有一个黄颜色的铜帽。

干电池里装的化学物质发生变化时,使碳棒上聚集了许多正电荷。使锌筒表面聚 集许多负电荷。我们把带正电荷的碳棒叫做正极,把带负电荷的锌筒叫做负极,分别 用”+“和”-“来表示。

当用导线把小灯泡接在电池的两极上时,负极的电荷就会沿着导线经过灯泡流向 正极,因此,灯泡才亮了。

小朋友使用干电池时要注意,千万不能把电池的正、负极接反了,否则可能把电 器烧坏。

24.小心才能安全

安全用电至关重要,电即是我们日常的好朋友,然而有时也会发怒,如手湿时摸 电器特别危险,这是为什么?

连接电器的电线有两条,一条是火线,另一条是地线,只有两条线都接通时,电 流才能从电器中通过,电器才开始工作。人的身体是导体,可以通过电流。当电流从 身体一部分通过时,比如通过手,手指尖的肌肉会收缩,感到麻木。如果一只手摸着 火线,另一只手摸着自来水管,或者是光着脚站在地上,那就十分危险了,因为等于 同时又接通了地线,两条线都接通后,电流会从人的身体通过。电流流过心脏,心脏 要出毛病,人会因此而死亡。所以电业工人都要穿上不导电、绝缘很好的胶鞋。

铜和铝都是很好的导电体,电流十分容易通过。人体虽然也导电,但导电的性能 并不是十分好的,一般的水很容易导电,如果手上沾了水再摸电线,电流就特别容易 通过,这是很危险的。

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电是从哪里来的?

电是用发电机发出来的,发电的方法有很多种,利用水力、风力、火力、核能都 可以发电。

水力发电是在河流的上游建一个大水坝(bà),把水拦住,利用水的力量来推动 发电机发电。火力发电是以石油或煤作为燃料,利用它们产生的热推动气轮机带动发 电机发电。风力发电是用风的力量推动风车带动发电机发电。核能发电是将原子核发 出的能量转变成电能。

25.鸟能胜天,人莫能及

人遭电击会立刻死亡,停在裸露高压线上的鸟却不会遭到电击,这是为什么?

你可能会认为,虽然鸟本身有足够高的电阻,但若在鸟的两端加上足够高的电压 ,如20000伏,那么在鸟的体内就会产生具有伤害性的电流。但实际上相对于地面的 20000伏电压是加在导线整个长度上的。导线上的鸟处在20000伏的高压线上,但它两 脚之间的电势差很小(等于它所握这一小段导线两端的电势差),因而它体内几乎没 有电流。如果鸟伸开翅膀,碰到了具有不同电压的邻近导线,鸟很快就会死的!而空 中的高压线相距都很远,超出了鸟展开翅膀后的限度,因此鸟不会受到电击。

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电流、电压两者都会导致电击。

当电流流经人体时发生电击,如果没有电流就没有电击。但是,什么原因产生导 致电击的电流呢?是电压。因此,所加的电压和由此而产生的电流都是引起电击的原 因。

26.奇特的”同性恋“

当电流在两平行导线中沿同一方向流动时,两根导线会因相互吸引而靠拢,这是 为什么?

两导线会互相靠拢。如果电流沿相反方向流动,情况会怎样?导线会互相排斥。 磁学的基本定律通常认为南北极相互吸引,而南极与南极或北极与北极是相互排斥的 .产生磁性的根源是电流,用产生磁性的电流来说明磁力的规律不是更简单吗?正是 这样。我们知道,当电流沿着铁柱体流动时,如图所示,铁柱的一端为北极,另一端 为南极。

现在,若两个圆柱是这样地安排在一起,使其电流在铁柱内流动方向相同,此时 一个柱体的北极对着另一个柱体的南极,它们彼此就靠近。我们可以说,南北磁极是 相互吸引的,也可以说同向流动的电流彼此要靠近。

当两个圆柱是这样放置,使其电流反向流动时,一个柱体的北极对着另一个柱体 的北极,它们相互排斥。我们可以用同极相斥来解释排斥,也可以说反向流动的电流 彼此分开。

27.俏佳人为何泪满面

干电池使用一段时间后会变湿这是为什么?

日常生活中,我们的随身听、半导体收音机、手电筒,还有一些电动玩具等等都 需要有干电池,才能工作,当干电池用完时,你会发现它们的外壳都湿了,有时还会 流出黏稠的液体,即使用纸擦过之后,仍旧是黏的,这是怎么回事呢?

原来,电池的外壳是一个用锌板压成的圆筒,它里面装有含着大量氯原子的糊状 液体,氯原子和锌板上的锌在液体中化合,产生了电。因为干电池上面用蜡封住了, 所以,里面的液体一般不会流出来。

由于我们对电池的使用,电池内部的化学反应不断进行,每产生两个电子,便会 消耗掉锌皮中的一个锌原子,锌不断地缺损,所以当干电池快用完时,锌皮也就到了 不能阻止里面液体渗出的程度,干电池就变湿了。

你可不要小看这干电池上的”黏水“,它对电器有着腐蚀损坏的作用,凡是它能 接触到的地方,电器轻则上锈,重则无法工作,所以,当干电池暂时不用时,千万别 忘了把它从电器中取出来呀!

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谁发明了直流电源?

世界上第一个使人类获得稳定持续电流的是伟大的意大利物理学家、发明家伏特 (1745-1827)。