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第8章 生活与科技(7)

声音的传播速度与介质的性质有密切关系,它与介质的弹性模量成正比,而与介质的密度成反比。固体和液体的密度比气体的要大得多,从这个角度出发,声音在这类介质中的传播速度本应小于在空气中的传播速度。但是固体和液体的弹性模量一般远远大于气体的弹性模量,换句话说,声音传播过程中,介质分子依次在自己的平衡位置附近振动,某个分子偏离平衡位置时,周围其他分子就要把它拉回位置上来,也就是说,介质分子具有一种反抗偏离位置的本领。不同的介质分子,反抗本领不同,即弹性模量不同,反抗本领大的介质,传递振动的本领也大,它对于声音的影响程度远远超过了密度的影响,传递声音的速度就快。固体和液体的弹性模量大于气体的弹性模量,所以声音在固体和液体中跑得比在空气中快。

不过,也有例外,有一些固体物质的弹性模量很小,如铅在受到外力敲击后不能像钢铁那样恢复原来的形状,因而铅中的声速仅为1200米/秒。橡胶具有多孔性和特殊的化学结构,因此橡胶中声速更小,只有62米/秒。

声音的震动

下雪后,人们会发现雪不仅使大地显得异常洁净,而且雪后环境显得特别寂静,尽管车辆行人并未比平常减少许多。那么,这是为什么呢?

雪刚下时,地面上松软的积雪中有许多小空隙,雪中的小空隙吸收了周围环境中的声音,所以下雪后环境显得特别寂静。这同纤维材料和多孔材料能吸音的原理相同,通过小空隙的声振动不能恢复原状,因而不能正常反射,它的大部分声热转化为热能,当然,这种热能是极小的。

当雪被压得比较坚实的时候,这种吸音能力就减弱了。

水的沸点

人们常说,水在100度时才会烧开。这句话的真正意思是:在大气压强为1个大气压时,水的沸点是100摄氏度。

当我们用水壶或锅烧水时,容器里的水烧开后,水温达到100℃,这时一部分水变成了水蒸汽,水蒸汽冲破水面跑入空气中,就形成了水的沸腾现象。在100℃的水为液态和气态混合物,在100℃时水的气相与液相达到平衡。只要容器里还有液态的水,那么,加大火力或持续加热,只能导致水继续从液态变为气态,而水、气混合物的温度却不会升高。

钢轨铺设与热胀冷缩

常坐火车的人知道,每隔一段很短的时间就会听到“咯噔”一声响,在整个旅程中,“咯噔”声响个不停,催人欲睡,而每一声“咯噔”响起时,你还会感觉到车体有一些轻微的颠簸。靠近钢轨仔细观察,会发现每隔10余米,两截钢轨之间就会留有一点空隙。为什么要在钢轨间留一点空隙呢?

原来,这样做是为了解决钢轨的热胀冷缩问题。

在通常的情况下,各种物体在外界温度变化时会发生热胀冷缩的现象,即温度升高,体积增大,温度降低,体积缩小。在一定温度下,钢轨的长度是一定的,但当温度发生变化时,它的长、宽、高都会随之变化。如果安装时钢轨之间严丝合缝,确实能减少列车通过时令人讨厌的“咯噔”声和颠簸,但是,由于热胀冷缩现象的存在,夏天天气炎热时,钢轨长度增大,没有预留缝隙的钢轨只能向上隆起,显然这样对行车安全不利。为避免这种现象的发生,必须在钢轨之间预留缝隙。

钢轨间的缝隙到底应当留多大合适呢?为了行车安全,轨缝一般不能超过11毫米,由实验测定:钢轨温度每变化1℃,每一米钢轨就会伸缩0000011米。在中国,南方和北方的铁路线上,冬夏之间的气温通常可相差80℃左右,根据固体线膨胀关系计算下来,每一段钢轨的长度以125米为宜。

当然,为了提高行车速度,保证行车安全,也为了消除讨厌的“咯噔”声和颠簸,如果钢轨之间没有缝隙当然更好了。在炼钢时,设法改变钢材的性质,减少钢材的热膨胀系数,就可以大大消除钢轨的热胀冷缩现象,这样钢轨的长度就可以造得比较长,减少预留的缝隙。现在高速铁路的钢轨每一段较长,铁路上预留的缝隙也少,在这样的铁路上旅行,旅客会感到更加舒适。

低温世界

低温世界是一个奇妙的世界,与常温世界完全不同。把物体放在液化了的气体中冷冻,会发生许多让人意想不到的变化。

在室温下非常坚韧的物质,如各种金属,放到液化气体中,它们在低于77K的低温下会变脆,不堪一击;许多原本坚硬的金属,用锤子敲击,会变成粉末;平日里鲜艳而娇嫩的鲜花,在低温中变得像玻璃一样脆,用锤子轻轻一敲,立刻变成碎片;鲜蹦活跳的泥鳅,被放入液氮中,立刻僵硬不动,但是将它取出回到室温后,却又可以恢复生命活力。

如果用低温液化气体做实验,一定要注意,不要使手指和皮肤接触到液化气体,否则,手指就会坏死,从手掌上断掉,皮肤也会变黑、坏死。

光的种类及特性

什么是光呢?你也许会说。光不就是我们平时看到的太阳光、灯光、还有其它一些五彩缤纷的光吗。这只回答对了一部分,因为还有一些光是我们肉眼看不见的。

光,通常是指人眼可见的那个波段的电磁波,如紫光、蓝光、青光、绿光、黄光、橙光、红光。不过,光还包括一些紫外和红外辐射,它们是看不见的。

那么,究竟光是怎样的东西呢?不同时代的人对它的解释也不相同。在18世纪的时候,人们一般认为光是由微小的粒子组成的,并且认为这些粒子在均匀物质内作匀速直线运动。这就是所谓的光的微粒说。

但是,在19世纪前半叶,光的微粒说又被推翻了。这是由于光的干涉、衍射等现象的发现,有人提出了光的波动说。

现在人们对光有了较为全面的看法。由于光在很多方面(如干涉、衍射等)显示了它是电磁波;另外一些现象(如光电效应)则证明了它的粒子性。因此,人们认为光是具有波粒二象性的。

近视眼镜

你周围的人有眼睛近视的吗?你注意过他们的眼镜吗?是不是有的眼镜看起来好像很厚?

近视眼形成的原因很多,从医学角度来讲主要有以下一些原因,如眼球长度的变长,角膜曲率变大,眼内介质折射率的异常等。从几何光学来看,近视眼是眼睛不能把较远物体清晰地结像在视网膜上,而是将它聚集到视网膜前,但近视眼能把距眼近的物体成像在视网膜上。近视眼可以配戴适当的凹透镜加以矫正,因为加在眼睛前面的凹透镜可以改变物体发出的光的线路,使其可以成像在视网膜上,这样近视眼就可以看清物体了。

近视眼可以通过一定的仪器来测量其近视的程度,近视越厉害,所测得的度数就越高,所需凹透镜的弯曲度就越大,依照这样度数制作的眼镜看起来就会像酒瓶底一样有许多的圈。

光的折射

在生活中,有时不经意将筷子放在盛有水的盆、杯子或碗里时,筷子一半露在水面上,另一半没入水中,从斜上方观察筷子时,你会发现一个奇怪的现象,筷子好像折了一样,你知道这是什么原因造成的吗?

原来这是由于光的一些特性决定的。光在同一种物质中总是沿着直线传播的。但是,当光从一种物质进入另一种物质时,例如,从空气进入水或从水进入到空气,由于光在不同物质中传播速度不同,光在两种物质的分界面上会转个弯,再沿着一条直线传播。光的这种现象,就叫作光的折射。

没在水中的筷子反射的光线经过水与空气的分界面时,向水面偏折了一个角度,使我们看到筷子在水中的部分与在空气中的部分形成了一定的角度,就好像筷子折断了一样。所以,这种现象正是由光的折射特性所造成的。

这种现象在许多场合都可以观察到。

当我们站在水池或溪水边看水里的游鱼时,从鱼身上反射出来的光线,在光线从水与空气的分界面通过时,也形成了折射,光线改变了原来直线的方向,向水面偏了一个角度。我们所看到的,就是已经偏转了一定角度的光线。所以,沿我们的角度看到的鱼并不是真正的鱼,在我们视线的延长线上,是一虚假的“鱼”。

所以,渔夫在叉鱼时不会直接用鱼叉去叉所看见的“鱼”,而是向较深较远的地方刺去,这样才有可能刺到鱼。

立体电影

人们在观察周围景物时,是用左右两眼来观察的,这样就会在大脑中感受出立体的视觉结果。

立体电影就是根据人的双眼视觉原理,采用两个焦距相同,水平轴间距也近似人眼间距的摄影镜头,在同一条胶片上,拍摄同一物体的两个影像。然后把这两个水平视点和视野稍有差异的影像同时放映在银幕上,成为两个重叠在一起而又稍有偏离的立体画面信息。观众只要戴一副专用的偏光眼镜,使左眼只看到左面镜头拍摄的图像,右眼只看到右面镜头拍摄的图像,这样人就像用双眼看立体的物体那样,这时,图像就能在人们的大脑中产生出立体感。

但是有的立体电影并不需要观众戴眼镜,这又是怎么回事呢?原来,这种立体电影与别的电影并没有什么不同,只是它的银幕很特殊。它由无数多个小小的棱形或圆形的光学透镜排列成双层光栅银幕。这种银幕可以将左面镜头投射过来的图像反射给观众左眼,将右面镜头投射过来的图像反射给观众的右眼,并能在一个固定的汇聚点产生一个焦点范围,观众只要坐在这个焦点范围内,就可以使左右眼分别看到各自的图像了。

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