電子發燒友App
手機進電梯后，信號會陡然下降，這是因為金屬電梯形成了法拉第籠。那么用鋁箔紙能不能也實現信號屏蔽呢。
Q1
高壓輸電的原理是什么？為什么高壓輸電能減少電能的損耗？
by 胡同學
答：
電力輸送中的損耗主要來自于焦耳熱，高壓輸電就是為了減小電力網絡中的電流，進而減小電線發熱，降低損耗。我們簡單地解釋一下。
眾所周知，焦耳熱來自于電阻，滿足，注意，這里有一個中考知識點，這是焦耳熱的定義式，其他使用了歐姆定律的變式是建立在純電阻電路的基礎上的，使用時要注意使用范圍。觀察這個式子，不難看出，想要降低焦耳熱，要么降低輸電線電阻，要么降低輸電線中的電流。電阻就不必多說了。對于電流，我們知道輸電線路中輸入端的功率是一定的，這取決于發電廠的發電功率。由可知，只要提升輸電線路兩端的電壓差，就可以降低輸電線路中的電流，因此高壓輸電就順理成章了。
不過提升電路中的電壓也會面臨一些問題，最常見的像電力設施的絕緣性問題、輻射問題、安全問題等等，因此，高壓輸電線路往往建設在人跡罕至的野外，并利用電塔架空，以保證安全。
by 霜白
Q.E.D.
Q2
為什么鐵塊是銀白色而鐵粉是黑色的？
by 閔小戴
答：
首先，鐵塊表面的高反射率來源于其較為良好的電導，由于歐姆效應，電磁波在導體中傳播時存在衰減，只能穿透表面很淺的距離，這個距離也被稱為穿透深度。對于單質鐵，可見光波段的穿透深度遠小于波長，這也就意味著電磁波的能量幾乎完全不被耗散地反射回去，從而表面光滑的鐵塊呈現銀白色的金屬光澤。
然而，粒徑較小的鐵粉，例如實驗室常用的粒徑約為1~100μm的還原性鐵粉，在可見光下常常呈現深灰色或黑色，這有三方面的原因：
首先，鐵粉沒有光滑的表面，可見光照射在鐵粉上發生漫反射，因而沒有閃亮的金屬光澤；其次，鐵粉具有更高的反應活性，其表面通常附著有成分復雜的氧化層，深色的氧化層對可見光有較強的吸收率；最后，鐵粉具有較大的表面積和疏松的堆積結構，使得射入的光線通常要反射多次才能射出，進一步降低了反射率。
正是以上三點的綜合作用使得鐵粉呈現深色。
by 樂在心中
Q.E.D.
Q3
鋁箔紙全部包住手機能隔絕信號嗎？
by 匿名
答：
這是一個很好的電動力學問題。電磁波照射到金屬表面，一部分被反射，一部分能夠透射進入金屬內部，產生吸收。
我們先來看看透射的部分。大多數金屬對進入金屬內部的電磁波都有比較好的吸收作用。對于靜電場，這種作用表現為高中學過的靜電屏蔽；對于電磁波，也就是變化的電磁場，這種作用可讓金屬在比較短的距離內使電磁波的強度衰減為原來的1/e（約37%）。這個長度被稱為電磁波對金屬的穿透深度。，其中，f是電磁波頻率，手機5G信號在2.5GHz左右，是材料磁導率，是材料電導率。將鋁的相關數值帶入上面的公式，計算得到的穿透深度約1.6μm，而一般的鋁箔紙厚度有大約50μm。也就是說，鋁箔紙有大約30個穿透深度厚，這可以使電磁波衰減到原來的大約。
此外，在電磁波進入鋁箔之前，已經有相當一部分被反射掉了。電磁波垂直入射到金屬表面，反射率是，對鋁而言，反射率，只有萬分之二的電磁波能夠進入鋁內部。斜入射的情況相對比較復雜，但是不會有量級上的差距，我們在這里不再展開。
綜合考慮反射和吸收，使用家用鋁箔紙包裹手機，可以使手機接收到的電磁波變弱17到18個量級。但是手機本身工作的信號強度范圍僅僅可以橫跨7個量級。因此，鋁箔紙包裹手機理論上可以屏蔽手機信號——當然，這個實驗是很容易在家庭中進行的。感興趣的朋友不妨來實（dǎ）驗（liǎn）一下。
最后，希望這個問題提出的本意只是探究，而不是擔心手機輻射——畢竟真的沒什么好擔心的。
by 藏癡
Q.E.D.
Q4
為什么不近視的人戴上近視眼鏡會感覺物體變小了呢？
by 東方朔
答：
近視眼鏡本來就是“縮小”鏡啊。
近視眼鏡嘛，是用于矯正近視的機械。而近視，是屈光不正的一種。人眼晶狀體對進入眼球的光線具有折射能力，這就是屈光，折射后的光線匯聚于焦點，焦點正落在視網膜上才能得到清晰的像。但如果由于年老、疾病等因素，使得焦點落在視網膜前或視網膜后，就會得到模糊的像，這就是屈光不正。其中焦點落在視網膜前的就是近視，落在視網膜后的就是遠視。想要矯正近視，就要使成像向后移，落在視網膜上，這就是近視眼睛的原理。
簡單的幾何光學告訴我們，凹透鏡對光線具有發散作用，經過發散后的光線再經過晶狀體后，就可以讓近視眼原本落在視網膜前的焦點向后移，通過調節凹透鏡的焦距可以使焦點剛好落到視網膜上，這樣就達到了矯正視力的目的。因此，我們用凹透鏡來制作近視眼鏡。
由于凹透鏡可以對光線的發散作用，它的焦距是負值，也就是焦點在物體一側，因此，透過凹透鏡觀察物體，會在透鏡物體一側觀察到一個縮小的虛像，如下圖所示：
凹透鏡成像光路圖，藍色的是物體，紅色的是像
反過來，用于矯正遠視眼的老花鏡，其實是個放大鏡，透過它觀察近處物體（一倍焦距以內），可以觀察到一個放大的正立的虛像，不過如果是觀察遠處的物體，也有可能會得到倒立的縮小的實像，大家不妨試試。
by 霜白
Q.E.D.
Q5
為什么眼鏡上有了水汽看光源都會是一圈一圈的？
by Sirius 筱
答：
我推測應該是光在水汽中發生多次折射反射后形成的。其實就是彩虹。
我想大概是類似這種效果吧。
這個現象的原理類似于彩虹，有關彩虹的原理之前的文章介紹得已經比較充分了，大體就是陽光在小水滴中經過兩次折射、一次反射出射后形成一個圓形條帶，這里我們就不再贅述了，感興趣的同學可以查看之前的文章No.164 Q6、No.271 Q1。
在本道題目中，水汽布滿整個鏡面，來自光源的光入射后，同樣會在其中經歷兩次折射和一次反射，最終從不同的小水滴出射的光線形成一個圍繞光源的圓圈，這與彩虹其實也是一樣的，實際上完整的彩虹也是一個整圓，具體可以查看No.119 Q8。
下一個問題是，為什么是彩色的，其實這與彩虹也是一樣的，由于各單色光在水中的折射率是不同的，因此各單色光在經過水滴的折射時折射角是不同的，經過的路徑是不同的，因此最終出現這樣的彩色分布。當然，對于燈光這種人造光源來看，它也可以反映出光源的顏色組成。
by 霜白
Q.E.D.
Q6
火是什么物態？
by zinero114514
答：
其實我們憑借對于固液氣態的直覺就可以判斷出火并不是固態以及液態。那么火最可能的物態形式就是氣態。然而，一定有很多讀者看到過“火是等離子態”這種說法。下面就讓我們把重點放在這個問題上：火究竟是氣態還是等離子態？
圖1 四種常見物態的溫度相對關系 | 圖片源自[4]
之所以可能混淆，因為氣態和等離子態確實有很多共性，比如：形狀和體積不固定，會依著容器而改變等。然而兩者也有著根本上的不同：（1）組成：氣體基本是由中性的分子組成的，而等離子體是由正負離子（包括電子、質子等）及中性分子共同組成的。（2）電導率：氣體電導率很低，而等離子體電導率很高。（3）速度分布：氣體的粒子碰撞頻繁，速度分布基本滿足麥克斯韋-玻爾茲曼分布，速度極高的粒子很少，而等離子體的碰撞并不頻繁，會有一定比例極高速的粒子。（4）相互作用：氣體間作用主要是兩粒子碰撞，而等離子體可以通過電磁力的長程作用集體互動，產生波及其他有組織的運動。
圖2 一些惰性氣體在常溫下的速度分布 | 圖片源自[5]
那么，氣態如何才能過渡到等離子態呢？一般需要超過3×106V/m的電場強度或幾千攝氏度以上的高溫，因為只有在這樣極端的條件下氣體分子才會部分或全部失去電子形成正負離子。對于空氣而言，在標準大氣壓下需要加熱到約1.4萬攝氏度才能轉變為等離子態。然而，我們常見的火焰溫度如下表所示：
| 燃燒材質 | 火焰溫度(°C) |
|---|---|
| 木炭火焰 | 750至1200 |
| 甲烷 （天然氣） | 900至1500 |
| 丙烷噴燈 | 1200至1700 |
| 蠟燭火焰 | 至1100（主要），熱點可能是1300-1400 |
| 鎂 | 1900至2300 |
| 乙炔噴燈 | 至2300 |
| 氧-乙炔 | 至3300 |
| 普通打火機火焰 | 280至500 |
可見，多數火焰的溫度距離使得空氣分子變為等離子態還有很明顯的距離。因此，我們所看到的多數火焰就是在發生劇烈的燃燒反應的氣體。氣體間或者氣體與木柴等固體可燃物的分子間發生碰撞而反應。該反應本身是放熱的，這些熱量又會加速其他氣體分子，從而繼續發生碰撞，這正是在燃燒時火焰中發生的事情。同時，火焰會發出一定顏色的光，這取決于燃燒介質的組成，也與溫度有關。
當然，這并不意味著火焰中不可能存在等離子態，某些高溫火焰可能帶有微量極低電離度的等離子體。
參考資料：
[1]焰 - 維基百科
[2]火是等離子體嗎？
[3]等離子體 - 維基百科
[4]等離子體 - 《中國大百科全書》第三版網絡版
[5]麥克斯韋-玻爾茲曼分布 - 維基百科
by 云開葉落
Q.E.D.
Q7
如果空氣中是純氧沒有其他雜質會怎么樣？
by 思思
答：
山林中清新的空氣（氧含量略高）往往讓人更加心曠神怡。氧氣在生態系統中扮演著至關重要的角色，生物演化史上，氧氣濃度的升高具有重要意義。一方面，其促進形成了能有效阻擋紫外線的臭氧層，一方面，其促發了有氧呼吸的出現大幅提高了生物獲取能量的效率[1]。也讓我們不禁想，氧氣濃度是不是越高越好呢？乃至把空氣換成純氧行不行呢？
如果我們假定，地球的空氣一下子以等體積的方式換成了純氧。實際上這并不是一件美妙的事情。氧氣的分子量將導致氣壓升高，將帶來肺部不適甚至危險；氧氣濃度變高之后還將導致動物的新陳代謝加快從而加速衰老；長時間在過高的氧氣濃度實際上會導致動物的氧中毒現象，因為氧氣實際上是一種氧化劑，體內要有足夠水平的還原劑與之相匹配。也即，人類若不立即采取緊急措施，將無法存活。此外，植物沒有了二氧化碳，將無法進行光合作用從而無法繼續生長，只能在呼吸作用和光合作用之間維持平衡從而不能再為整個生態系統提供能量。此外，氮循環也是生態系統重要一環，沒有了氮氣同樣會導致可怕的后果。當然，厭氧生物也會表示非常不樂意。更麻煩的是，由于氧氣是助燃劑，高氧氣濃度將導致山火極易發生，可能幾次打雷就導致全球的森林毀于大火。
不同生物地球化學模型估計的顯生宙大氣含氧量變化|圖源自文獻[2]
也許這樣的假定不甚合理，怎么能突然替換呢，能不能以適應生態系統的方式慢慢替換呢？實際上，地球生態演化史上確實有過兩次“大氧化事件”，指氧氣含量占比在短期內劇烈升高，被認為在環境因素上促進了生物的演化。值得注意的是石炭紀時期，氧氣含量達到了歷史的頂峰，有35%之高[2]，此時的生態非常有趣，比如存在各種巨型昆蟲。
雖然大氧化事件的起因尚有爭議，但是有理由認為，高氧氣濃度促進了這種巨型昆蟲的出現，也讓我們不禁想如果當今世界的氧濃度增高，會不會也導致巨型生物的出現哈哈哈。但是也正因為氧氣濃度高，使得這些巨型昆蟲滅絕于一場大火之中。唉！
大體看來，把空氣換為純氧有些瘋狂。如果只是提高氧氣濃度幾個百分點，尚且可以接受，但是對生態系統的影響仍然將十分巨大而需要仔細評估噢。
參考資料：
[1]羅根明,朱祥坤,王水炯,張世紅,焦超群.元古宙早期大氧化事件的成因機制與氣候生態效應[J].中國科學:地球科學,2022,52(09):1665-1693.
[2]宗普,薛進莊.地質歷史時期大氣氧含量與生物多樣性的協同演變[J].生物學通報,2015,50(04):1-5.
by 小范
Q.E.D.
Q8
請問像劉慈欣《鏡子》里的那樣，如果模擬兩個完全相同的宇宙起點，結果真的會一樣嗎？by 匿名
答：
不一定一樣，量子力學的不確定性原理使得一切演化過程都變得隨機，只能用概率分布來描述。這點我們科普過很多次了，強烈推薦我們這周二發的介紹貝爾不等式的文章[1]，里面用通俗的語言介紹了科學家們是如何用實驗檢驗了量子力學不存在局域隱變量，并說明了它是真隨機，而不是變量過于復雜導致的偽隨機。
我們這里再介紹個諾頓穹頂的模型，它表明即使是在經典物理的框架下，完全相同的初始條件也不一定能推出一樣的結果。
一個從諾頓穹頂上滾下的小球 | 圖源[2]
2003年，諾頓設想了這么一個神奇的曲面，讓一個球從它的頂部下落，它的下落高度h與下落路程r有關系 。現在我們把小球靜止地放在穹頂上，根據牛頓第二定律和靜止的初始條件：
你會發現解出來的演化方程居然多了一個無法確定的常數C，也就是說，這個小球會在t=C時刻下落，但我們沒有任何辦法確定究竟是哪個時刻下落。這件事還可以反過來想，一個球從下方沿著穹頂向上滾，等它來到穹頂時剛好能穩穩地停住，并靜止無限長的時間。順著這個思路再反回來想，球在穹頂從靜止變成下落的時刻是無法確定的。
其實歸根結底，這是因為牛頓運動定律對應數學上的二階微分方程，我們一般認為它加上初位置和初速度兩個初始條件就可以確定一個唯一解。但嚴格來說，這要求微分方程滿足Lipschitz條件，它是一個對函數光滑性更嚴格的條件，而諾頓構造的這個穹頂正好不滿足這個條件。
編輯：黃飛
工商網監
評論