书城童书中华少儿科普知识读本:数理化
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第9章 踏遍物理世界(3)

1792年,伏特开始研究”动物电“及相关效应。他用不同的金属联成环,接触到 青蛙的腿及其背部,从而成功地使活的青蛙痉挛。这就证实了”动物电“产生于两种 不同金属的接触,从而有力地驳斥了当时社会普遍流行的”动物电“来自于动物体本 身的说法。经过长期实验、研究,终于在1799年研制出第一个长时间的持续的电流源 --伏特电堆。不久,他又发明了伏特电池。

28.”牛“气冲天,世人敬慕

牛顿为科学发展做出了突出贡献,被称为”近代力学之父“.因何而获殊荣?

”近代力学之父“是在世界历史上对人类文明作出了划时代贡献的英国科学家牛 顿。

牛顿(1642-1727),出生在英国林肯郡的一个农村,他从小酷爱读书,经常自 己动手制作小机械,也常常向老师问一些奇怪的有关自然的问题。18岁,进入剑桥大 学,23岁获学士学位。

在数学方面,他和莱布尼兹同时发明了微积分,并把它与力学相结合,用微分方 程式表示运动物体受力和产生的加速度之间的原因--结果关系,计算结果和实际情况 分毫不差;牛顿发现了光的本性,证明白色光线是由赤、橙、黄、绿、青、靛、紫七 种颜色的光线混合而成,且它们的折射率不同,所以形成了雨后的彩虹;在天文学方 面,牛顿推翻了前人的论点,证明不论天上、地上的物体,都要遵循惯性定律、质点 运动定律和作用与反作用定律,即”牛顿三定律“运动。同时他指出推动行星绕日运 动的是天体之间存在的万有引力,运用三定律和万有引力定律,不仅计算出了行星围 绕太阳的运动、卫星围绕行星的运动规律,还证明了地面上物体的降落和抛射运动, 海洋潮汐发生的成因,确定出彗星的轨道和运转周期。这些空间的成就使牛顿成功地 建立了近代力学和天文学。

29.谁主”沉浮“

过年过节的时候,大家都喜欢吃红烧鲤鱼。当清洗鲤鱼时,用剪刀打开鱼的腹腔 ,发现鱼腹中有一个鱼鳔。这个鱼膘起什么作用,它应用了物理中的什么原理呢?

鱼儿离不开水,可以说在水中最活跃的莫过鱼了。鱼在水中游来游去,上上下下 ,谁主”沉浮“,这完全归功于鱼鳔。

当鲤鱼下沉时,鱼鳔变小;鱼鳔若要变大,鱼则上升。鱼的总密度与水相近。因 此,鱼是靠鱼鳔的大小变化,在水中自由自在地上下游动的。

鱼鳔主”沉浮“,实际上是根据力学中的”浮沉“原理,潜水艇的浮沉,也是根 据这样一条物理定律。

第30.非并驾但能齐驱

一颗高速飞行的子弹从步枪中水平射出,同时另一颗子弹从同样的高度垂直落下 .哪颗子弹先着地?

这是因为两颗子弹以相同的加速度下落相同的垂直距离,因此它们同时着地。

把射出子弹的运动分解成两部分,就能更好地理解这个问题。在水平方向上没有 作用力(除了空气阻力),所以水平分量不变;另一部分是垂直分量,有加速度g,它 与水平分量无关。

我们还可以用另一方法分析这一问题。若步枪向水平线斜上方发射,则自由掉下 的子弹将先着地。若步枪向斜下方发射,则枪中射出的子弹毫无疑问先着地。在斜上 方和斜下方之间有一个不分先后的方向,这就是水平发射。

另外还可以从一个十分不同的角度看待这个问题:假设地面是在向上加速,而不 是子弹在下落,你看会有同样的结果吗?

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一颗从高速步枪中水平射出的子弹,能否一

点不下落地平直运行?因为物体的运动不可能摆脱重力的影响,甚至激光也在它 射出的瞬间就开始下落。而且,无论运动速度多大,下落率总是相同的。

31.并肩携手,大小一统

一个大石块比一个小石子重很多倍,就是说,作用于大石块上的重力是作用于小 石子上的重力的很多倍。然而当你同时扔下大石块和小石子时,它们却以相同的加速 度(忽略空气阻力)一齐下落,较重的大石块并不比小石子的加速度大。为什么?

完全是由于惯性。

如果加速度仅和作用力成比例,那么作用于大石块的较大的重力就会使它的加速 度超过轻的小石子。但物体的加速度还和它的质量有关,即和它的惯性有关,亦即和 它反抗运动变化的趋势有关。质量抵抗加速度--在给定力的情况下,质量越大,加速 度越小。这就是牛顿第二定律:加速度正比于净作用力,而反比于质量,即a=Fm.对 于自由下落物体,作用其上的唯一的力就是重力。而重力正比于质量(2千克物体所 受重力是1千克物体的两倍)。一个比小石子重100倍的大石块,其质量同样比小石子 大100倍。它可以受到比小石子大100倍的重力作用,但是它的惯性也大100倍,或者 说改变运动状态的困难程度要大100倍。

因此我们明白了,为什么所有自由落体,其重力质量的值都一样,进而加速度( 9.8米/秒2)也是一样的。当空气阻力不可忽略时(下一个问题将要涉及),落体的 加速度就小于9.8米/秒2.当空气阻力增大至和落体所受重力相等时,则作用于落体的 净力为零,而不再有加速度了。

32.”超人“超在何处

第二次世界大战期间,德国有一架战斗机去执行任务,途中遇敌方高射机枪的阻 击。为判断敌方所使用机枪的枪型,飞机上一”超人“在机舱中伸手将舱外的机枪子 弹抓住。”超人“真的高人一筹吗?

想一想,”超人“为何能伸手将子弹抓住?你能抓住子弹吗?”超人“真的是高 人一筹吗?

高射机枪的子弹在空中飞行速度很大(刚离枪口的子弹的速度至少是500米/秒) ,具有很强的穿透力。”超人“之所以能伸手将子弹抓住,并不是他有防弹手套,或 有其他特殊的本领,而是飞机在高空高速飞行时,它与子弹的飞行速度大小基本相等 .飞机和子弹之间的相对速度较小(或为零)。

因此,”超人“在飞机机舱上伸手抓子弹,就仿佛在陆地上的人,伸手抓到一个 飞来的、速度较小的乒乓球一样,或是随手从静止的地面上拿起一个皮球一样,不需 要什么特殊的本领。

倘若有人不信服,可以让他做一个简单的推理,使他口服心服。如果这位”超人 “不坐在高速飞行的飞机上,而是坐在陆地上,”超人“还能伸手抓住水平射来的高 射机枪子弹吗?答案是肯定的:”超人“抓不住子弹。

33.青春永驻的秘密

多少年来,人们一直在寻找一股神奇的泉水。据说喝了这种泉水,人可以长生不 老,永葆青春。但是,无论是至高无上的皇帝还是修炼有术的道士,都没有实现这一 愿望。到底有无青春永驻的秘密?到了科学日渐发达的19世纪,希望似乎已经破灭了 .

20世纪,这个秘密却意外地在相对论中被发现了。它与吃、喝以及呼吸完全没有 关系,通向青春之泉的路就是快速地行走。爱因斯坦认为,这种行走的速度要接近光 的速度!为了说明其中的奥秘,他讲了这样一个故事:在未来的某一个时间,有一对 20岁的双生子,参与了一项宇宙航行计划。双生子中的一人乘宇宙飞船到非常遥远的 地方去旅行,并以每秒29万公里的速度飞行;另一人留在基地进行观察。50年以后, 留在基地的人变成了一个弯腰弓背、白发苍苍的老人,当他去迎接回基地的兄弟时, 发现弟弟还是一个30多岁的年轻人!这就是说,虽然地面上的时间已经过去了50年, 但对弟弟来说,却只是过去了十几年!

狭义相对论向人们表明,在高速运动中钟表将放慢脚步。其实,人体本身就是一 只活的钟表,当人以接近光的速度运动时,心脏会跳得很慢,其他生理过程也放慢节 奏,也许消化一顿饭的食物要经过一年时间,两顿饭之间要经过若干年时间。由于生 理过程速度减小,年龄增长就慢得多了。因此,在狭义相对论的数学方程式中,存在 着人们梦寐以求的青春之泉。

34.质量越大引力越大

物体之间万有引力的大小,取决于物体的质量,物体的质量越大,彼此之间的引 力也越大。太阳和地球的质量都很大,它们之间的引力也很大,大约是3.54×1022牛 顿(约361亿亿吨力)。设想在地球和太阳之间用钢丝绳连结,用钢丝绳的拉力代替 太阳和地球之间的万有引力,那么需要一根直径9000公里的钢丝绳,才能承受这么大 的力。

既然任何物体之间都有万有引力,为什么我们感觉不到周围物体对我们有吸引作 用呢?那是因为比起地球和太阳来,人的质量太小了,所以引力也微小,人无法感觉 出来。例如两个体重都是85公斤的胖子相距1米时,他们之间的万有引力还不及一只 蚂蚁力气的1%.

总之,地球与任何物体之间都存在吸引力,这种吸引力叫做万有引力。任何物体 都受到地球的吸引,所以物体才有重量,它是万有引力的一种。

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1969年7月21日,人类第一次登上月球,当时宇航员穿的一套宇宙服重约80公斤 .在地面上的人,若是穿上这样一套衣服,就会寸步难行,然而到了月球上,宇航员 却行走自如。因为月球的质量只有地球质量的1/83.1,引力只有地球的1/6.这样,80 公斤的宇宙服,到月球上就只有13公斤重了。

35.魔术师为何能在天花板上行走

世界上只有苍蝇、蚊子等昆虫可以停留在天花板上,连鸟也不能倒抓在天花板上 .可是,魔术师却能借助于力学装置成为”人蝇“,倒吸在天花板上行走。它的奥秘 何在呢?

在剧场的天花板上挂着一块7.5米长的木板,木板朝下的一面漆着油漆并打蜡上 光,目的是使表面光洁平整,让吸盘可以牢牢吸在上面。表演开始时,一位小姐坐在 紧挨木板上头的秋千上,脚上穿着一双像溜冰鞋那样的高帮靴子。只见她在秋千上做 一个倒立动作,用脚蹬住那块木板。然后双手放开秋千,嗨!她居然头朝下,身体挂 在木板上了。一开始,她以很小的步子倒退着走,接着又往回返程,也是倒着走。几 个来回一走,博得满堂喝彩。

这个魔术成功的关键在那双靴子上,原来这双靴子的鞋底里装有气动装置,每只 气动装置所产生吸力足以支持两倍于表演者体重的重物。因此,当魔术师在天花板上 行走时,即使只有一只脚与木板接触,它也足以把她牢牢吸在上面。当然,靴子里还 有一套紧固装置,可以把表演者的双脚牢牢缚在靴子里,为了预防万一,天花板下设 有一张安全网。

36.”一帆风顺“直到永远

帆船顺风行驶,自然”一帆风顺“,而碰到逆风时能扬帆前进吗?

帆船逆风行驶时,船头的方向与风的方向成一个角度。当风斜着吹在帆面上时, 总要产生一个垂直作用在帆面上的压力。它对船有两个作用,一个是使帆船有横向运 动的趋势,如图中箭头P所示。由于船身横侧面积比较大,船在这个方向运动遇到水 的阻力很大,实际上风力在这个方向的作用几乎全都被抵消了。另一个作用是使船沿 着船向运动,如图中箭头Q所示。帆船就是依靠风力的这种作用逆风前进的。

逆风行船时,由于船头不能正对着风向前进,帆船要沿着”之“字形路线,左右 迂回前进。我们的祖先早就用逆风行船的驾驶方法,纵横于碧波万顷的南中国海和印 度洋,创造了航海史上的奇迹。

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如果用一把直尺,在直尺的边上放一块三角板。一只手将直尺按住,另一只手拿 一支笔,用笔头推三角板的一边。尽管我们用力的方向是向后的,可是三角板却沿着 直尺向前移动。这个道理和逆风行船的道理是完全一样的。

37.幻想旅行无法实现

北京有个学生,曾经提出一个到新疆旅行的方法:选一个无风的日子,在北京乘 坐气球离开地面升上高空。由于地球从西向东转,他在高空看着下面的大地向东移动 ,等到地球把新疆转到脚下时,马上下降,就到了新疆。

当然,这个幻想不可能实现,因为这里有个”惯性“的道理。

我们不妨再想象一些类似的现象:如果有人在高速直线运动的火车车厢内向上跳 ,落下时是否还在原来地方?也许有人这样想:当人在空中的这段时间里,火车已前 进一段距离,落地的位置应在原地后面。事实并不是这样,在行驶的火车里向上跳的 人,落下后仍在车厢原地。这究竟是为什么?

同样,当人乘坐的气球离开旋转着的地球表面后,由于惯性,人和气球仍然以地 球自转的速度继续运动着,所以还会降落在原先出发的地方。所以,希望借地球自转 来长途旅行的设想是不可能实现的。

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自然界中任何物体都有一种属性,叫做惯性。由于惯性,物体总要保持原来的运 动状态。人站在行驶的火车里,随火车以相同的速度运动,当他向上跳起的时候,由 于惯性,仍然保持原来的速度随火车前进,因此他落下时仍在起跳的原地。

38.苹果挡住了飞驰的子弹

世界著名的魔术师托里尼,每次演出的压轴戏总是”退尔枪“.由他儿子扮演瑞 士民族英雄威廉·退尔的儿子,将一只苹果放在他口中,用嘴咬住。托里尼请一位观 众拿起一把手枪,在众目睽睽之下将一颗子弹推上镗,随后让他对准苹果开枪。”乒 “的一声,子弹在烟雾中飞出,只见小托里尼安然无恙,而子弹却留在苹果中。

这个魔术的关键是制造假子弹,它既要在外形上与真子弹一模一样,又必须在枪 击的压力下碎成粉末。

人们从力学角度去思考,怎么也无法解释快速飞驰的子弹会被一只苹果挡住。其 实这个魔术的窍门在子弹上。总共有3颗子弹,2颗是真的,1颗是假的。起初,观众 拿的是一颗真子弹,当托里尼把它推上镗时换成了假子弹。这颗子弹看上去和真的一 模一样,只是一受到压力就会粉碎。因此,一开枪它就马上散成无数细粒,像灰尘一 样四处飞扬,观众看来还以为是子弹射出后的火药烟尘。当然,苹果中的子弹是事先 埋藏在里面的真子弹。它当然与托里尼向观众出示的那颗真子弹一模一样。

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有一位魔术师为节约成本,表演时用的子弹在”肥皂弹“的外面滚拌上石墨粉。 可是,有一天晚上演出时,”肥皂弹“出了事故。它没有粉碎,结果打在表演者的脸 上,使他受了重伤。原因在于那颗”肥皂弹“因放置时间较长,肥皂本身干固了,结 果射出以后没有粉碎。

39.你听听这是什么声音

你也许听过狗叫的声音,你也许听过鱼拨水的声音,你甚至听过大象走路的声音 ,但你一定没有听过虫子爬的声音。

虫子爬的声音?它太小了,根本就听不到。你一定会这么说。的确,仅凭我们的 肉耳是绝对听不到的。但科学家却能使你听到虫子爬的声音,甚至能听到比这还要小 的声音。

科学家使用的是一种叫”压电材料“的东西,它有一个神奇的特性:当你给它一 点压力时,它就会产生电压,而且压力越大,它所产生的电压就越大。

用压电材料可以做出”压电元件“.这种元件的灵敏度极高,只要轻轻摸它一下 ,它就会产生电压。当然,它所产生的电压是非常非常小的。

一个虫子在压电元件上爬行,可以产生几十到几百微伏的电压,如果接上电压放 大器,只要把这个电压放大千万倍,我们就会从喇叭里听到虫子爬的声音。

嘘--