《物理故事》

1、瑞雪兆豐年1773年冬天，彼得堡一個地方舉行大型集會，舞廳里悶熱悶熱的，參加舞會的人幾乎都要昏倒了。這時，一位青年為了通風(fēng)，索性打碎了窗上的玻璃，不料這時屋里竟飄起雪花來了。這是為什么呢？原來，舞廳里由于很多人的呼吸而儲存了大量的水蒸氣，冷空氣一沖進(jìn)來，立刻使水汽凝固，因而飄起雪花來了。大自然里的雪也是由于大氣高層的水汽遇到低溫直接變成固體而形成的。在初冬的雪里，空氣含量可達(dá)9098%。由于空氣不易傳導(dǎo)熱量，既可以減少熱量外流，又能阻擋空氣的侵襲，所以耕地上有一層積雪，就好像蓋上一床棉被，既能保護(hù)越冬作物安全過冬，又可保持溫濕的土壤，為明年春播作物的種子萌發(fā)提供了有利條件。據(jù)測定，每一升雪水里

2、含氮化物大約7.5毫克，而一升雨水里僅含1.5毫克。因此，在春回大地的時候，雪水滲入土壤里，等于均勻地施了一次氮肥?？茖W(xué)家經(jīng)過研究和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雪水是生物生長的刺激劑。用雪水浸泡過的莊稼種子，發(fā)芽率比用普通水浸泡的高出41%。在溫室里，定植后澆灌雪水的黃瓜，可以比澆灌普通水增產(chǎn)2倍以上。母雞飲雪水比飲普通水平均產(chǎn)卵數(shù)要多一倍，雞蛋的個頭也大。飲雪水的小豬也長得快，上膘多。生物物理學(xué)家解釋說，這是因?yàn)檠┧锏闹厮可伲瑢ι镉邢喈?dāng)強(qiáng)烈刺激生長的作用。我國西北的人民就是利用了祁連山、天山流下來的雪水，灌溉了萬頃棉田、耕地、果園、菜圃，才出現(xiàn)了“塞外江南”。所以，人們常說：“瑞雪兆豐年”。2“雙鷹2

3、號”的白衣黑裙1978年8月間，三位美國飛行家乘坐一只名叫“雙鷹2號”的大型充氦氣球，飄行萬里，首次成功地橫渡了大西洋。“雙鷹2號”的制作者們精心地設(shè)計(jì)了它的套袋。他們把球體的上半部分涂成銀白色，下半部分涂成黑色，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，就像穿上了白衣黑裙。白天烈日當(dāng)空，氣球吸熱后體積變大，就會上升。銀白色的上衣將太陽的大部分熱反射出去，可以防止氣球升得過高而發(fā)生危險(xiǎn)。到夜晚，氣溫降低，氣球收縮，又有可能急劇下降，落到海里。但是，夜晚海水的溫度比氣溫要高，所以黑色的裙子能夠盡量地吸收海面輻射的熱量，避免氣球的溫度下降太多。這身不被人注意的白衣黑裙，對于保證氣球的正常飛行，起了重要作用。飛到太空去的宇宙飛船，

4、更要考慮在飛行的時候，向陽那面的溫度會高到100多攝氏度，背陰那面的溫度卻要低到零下200多攝氏度，高低相差300多度。有什么辦法來調(diào)節(jié)這懸殊的溫差呢？你或者會說就像“雙鷹2號”氣球那樣，把飛船向陽的那一面涂成白色，背陰的那一面涂成黑色，行不行呢？不行。因?yàn)轱w船和氣球不一樣，它的向陽面和背陰面要時常變換。而且如果沒有可吸的熱，黑色將會起著很快向外散熱的作用呢！科學(xué)家們?yōu)轱w船設(shè)計(jì)了合適的衣服：在飛船殼體外表面，整個都涂上一層藍(lán)色或銀白色的涂料。陽光在它上面的時候，可以防止溫度劇烈升高；它背向太陽的時候，白色又可以起到減少向外散熱的保護(hù)作用。在飛船殼體的內(nèi)表面，都涂上了一層黑漆，就像一層黑色的衣服

5、里子。由于它吸熱和散熱的本領(lǐng)都比較大，可以使殼體內(nèi)部溫度高的那一面的熱量大量釋放出來，同時使溫度低的那一面大量把熱吸收進(jìn)去。這能使艙內(nèi)的溫度保持均衡。黑色和白色，深色和淺色，不僅把我們的生活點(diǎn)綴得絢麗多彩，而且在很多地方默默地幫助我們工作。夏天穿黑袍子的貝督固人在炎熱的夏天，應(yīng)該穿白色的衣服還是應(yīng)該穿黑色的衣服？似乎是人人都知道。當(dāng)然應(yīng)該穿白色的衣服?？墒巧钤谏衬械呢惗焦倘?，卻世世代代都穿黑色的袍子度過夏天。這件反常的事情，引起了科學(xué)工作者的興趣。他們在陽光下進(jìn)行測試，黑色袍子表面溫度（47）比白色表面溫度（41）要高，同時黑色的東西更容易吸收陽光的輻射。他們又測了地面附近空氣的溫度，那里

6、是38，這個溫度比袍子里空氣的溫度要低一些。這就是說，無論是黑袍子還是白袍子，里面的空氣溫度比地面附近空氣的溫度都高。這樣就會發(fā)生對流現(xiàn)象，袍子里的熱空氣上升，周圍的空氣來補(bǔ)充，袍子里面形成由下而上的氣流。貝督固人穿的袍子非常肥大，不會防礙氣流流動。由于黑袍子里的空氣和地面空氣的溫度差比白袍子里的大，對流也比白袍子里強(qiáng)一些。對流產(chǎn)生的氣流把衣服表面?zhèn)鱽淼臒崃繋?，并加速了汗水的蒸發(fā)。所以穿黑袍子的人比穿白袍子的人覺得更舒服一些，貝督固人也許早就知道這個道理。對流可以算是最古老的知識，但是使人感到意外的是，至今還沒有人詳細(xì)而定量地列出對流計(jì)算方程。科學(xué)界雖然涌現(xiàn)過無數(shù)有聰明才智的人，但是誰也沒有

7、最后解決這個問題。對流在許多領(lǐng)域里的應(yīng)用，還等待著人們。在地殼內(nèi)部，對流使海底產(chǎn)生一系列的裂變；巖漿的對流驅(qū)使著大陸慢慢飄動；在太陽上對流引起光球?qū)蛹ち业倪\(yùn)動；在鹽湖里，特殊的對流過程，使人利用鹽湖收集太陽光，提供大量電能熱釋光鑒定文物1971年初夏，在美國季山博物館發(fā)生了一樁奇怪的事情。一天下午，風(fēng)和日麗，游客如云。在寬敞的陳列室里，一位中年婦女在緩步瀏覽，欣賞著櫥內(nèi)陳列著的東方陶器。驀地，她像被什么東西吸引似的，停住腳步，仔細(xì)觀察。當(dāng)她看到里面陳列的是一件兩千多年前的中國戰(zhàn)國時代紋飾華麗的陶壺時，突然發(fā)出一聲呼叫：“不可能，這是假的！”管理人員聞聲趕來，用驚奇的眼光凝視了一番后，請她到客廳

8、敘談。原來，這位女士的丈夫霍特是英國的古玩收藏家。20多年前，夫婦倆高價(jià)買進(jìn)了幾件中國戰(zhàn)國時代的陶器。經(jīng)專家鑒別，均屬真品，于是陶壺更倍受贊賞，而今天卻出現(xiàn)和自己珍藏的那件完全一樣的壺，使她疑惑起來：世界上哪里會有兩件完全一樣的古物呢！這兩件陶壺究竟哪件是真，哪件是假，直到1972年，英國牛津大學(xué)考古學(xué)術(shù)史研究室用鑒定陶瓷真假的最新方法熱釋光法，對它們的燒制年代進(jìn)行科學(xué)測定后，才使真仿之謎徹底揭開。原來這兩件陶壺全屬贗品。熱釋光法是怎樣測定古陶年代的呢？因?yàn)闊铺掌鞯木钦惩粒蚀蠖鄶?shù)都含微量天然放射性物質(zhì)鈾和鉀等，以及一定數(shù)量的石英、長石等結(jié)晶體。晶體受到放射性物質(zhì)產(chǎn)生的射線輻照后，會把一部

9、分輻射能貯藏在晶體中。當(dāng)陶器加熱到一定溫度時，貯藏的輻射能就以微弱的光的形式放出來，這就是熱釋光。它大部分是可見光，但發(fā)光量極其微弱，必須用高靈敏度的儀器才能把它檢測出來。陶器在燒制時，經(jīng)過7001000的高溫，它在燒制時晶體中貯藏的輻射能全部變成光而消失了。所以，剛燒好的陶器，熱釋光等于零。但陶器中的放射性物質(zhì)是燒不掉的。從器物燒成那天開始，陶器中的晶體又重新把射線提供的輻射能貯藏起來，年代越久，貯存的能量越多，產(chǎn)生的熱釋光的量也就越多。因此，也有人把這個方法叫“熱釋光時鐘”。熱釋光測定技術(shù)，是近十幾年才發(fā)展起來的。它主要用于兩個方面：一是測定發(fā)掘出土的陶器的燒制年代；二是用于鑒定陶瓷藝術(shù)品

10、的真?zhèn)?。熱釋光鑒定真?zhèn)蔚奶匦砸蟛幌駵y定出土陶器的年代那么高，因此方法可以大大簡化，甚至在幾個小時內(nèi)就能完成。有些國家已利用這種方法進(jìn)行海關(guān)出口鑒定；有的博物館的館藏文物必須附有熱釋光鑒定書。塞納河大橋?yàn)槭裁础皟龆塘恕?927年12月，歐洲報(bào)紙上登出了這樣一條驚人的消息：法國遭到連續(xù)幾天的嚴(yán)寒的襲擊，巴黎市中心的塞納河橋受到嚴(yán)重的破壞。橋的鐵架遇冷收縮，因此橋面上的磚突起碎裂。橋上交通只得暫時斷絕。橋居然被凍短了！原來，這是冷縮的結(jié)果。我們知道，一般的物體都會遇熱膨脹，遇冷收縮。例如鋼軌的溫度從0升高到1，它的長度就會增加原長的0.000011倍。在炎熱的夏天，赤日照在鋼軌上，溫度可以達(dá)到30

11、40，摸起來燙手；在嚴(yán)寒的冬天，鋼軌又會冷到-25，甚至達(dá)到-40。就算夏天和冬天溫度只差50吧，北京到太原的鐵路長514公里，冬夏之間就差上大約280米！所以，鐵路路面的鋼軌并不是密接的，每根鋼軌之間都留有一定的間隙。少年朋友也許會說，把鐵橋固定住，不讓它熱脹冷縮不行嗎？這可不容易，熱脹冷縮產(chǎn)生的力是巨大的。如果拿一根外徑216毫米、壁厚8毫米、長100毫米的鋼管，我們把它的兩端牢牢固定，從0加熱到100，鋼管向外的推力竟能達(dá)到127噸！反過來，當(dāng)這個鋼管從100的高溫降到0時，也會產(chǎn)生那么大的拉力。如果建筑物里埋下這種鋼管，恐怕過不了幾個月后，就會千瘡百孔了。為了避免因熱脹冷縮影響建筑物的

12、結(jié)構(gòu)，各種熱氣管和熱液管都要在管道中安裝伸縮管，當(dāng)導(dǎo)管熱脹冷縮時，只改變伸縮管的彎曲程度，不會影響其他部分。也許你會接著問：塞納河大鐵橋遇冷收縮了，它上邊的磚和水泥也要遇冷收縮，為什么會把磚壓壞呢？這是由于橋和磚冷的程度不同造成的。溫度升高時，固體的長度增長叫固體的線膨脹。溫度上升1固體線度的增加距0時線度的比叫做線脹系數(shù)。不同物質(zhì)的線脹系數(shù)是不同的。鐵的線脹系數(shù)是0.000012，鋼的線脹系數(shù)是0.000011，水泥的線脹系數(shù)是0.000014，各種材料各行其事。這樣，有時會互相擠壓，有時會互相遠(yuǎn)離，于是就會發(fā)生塞納河大鐵橋之類的事故。轟動一時的疑案1954年晚冬的一天，寒風(fēng)呼嘯，西歐愛爾蘭

13、海面上有一艘32000噸的英國巨型油輪“世界協(xié)和號”正在航行。突然船體猛烈地震動起來，不久船就沉沒了。這艘巨輪沉沒是什么原因，當(dāng)時誰也說不清楚，成為轟動一時的疑案。從此以后，又接連發(fā)生幾起類似事故，這促使人們來努力尋找出事的根由。經(jīng)過科學(xué)家的研究，終于明白了：低溫能使金屬內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使金屬變脆。“世界協(xié)和號”的沉沒，正是寒冷的天氣使船體鋼材變脆后發(fā)生折斷造成的！難道低溫對金屬只是有害而無益嗎？當(dāng)時某些甚有遠(yuǎn)見卓識的科學(xué)家預(yù)言：低溫會使金屬發(fā)生有益的變化。幾十年來，許多冶金學(xué)家一直在從事這方面的研究工作。隨著航空和宇航事業(yè)的發(fā)展，在航空發(fā)動機(jī)和宇宙航行器的使用材料上，取得了一些突破

14、性的成果。1980年，美國變拉特·惠特尼航空發(fā)動機(jī)公司制造的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的葉片，在1700的高溫下工作而不毀壞。接著， 1981年4月，美國航天飛機(jī)“哥倫比亞號”試飛成功，鋪設(shè)在飛機(jī)表面上的34000多塊高溫陶瓷瓦，經(jīng)受住了幾千攝氏度高溫的考驗(yàn)！渦輪葉片和陶瓷瓦在長時間的高溫環(huán)境里為什么能安然無恙呢？各國的材料專家猜測紛紛。事隔兩年，奧秘被揭開了。原來，這些性能優(yōu)異的葉片和陶瓷材料，是采用“超速驟冷”新工藝在低溫環(huán)境里搞出來的非晶體。那么，什么是“超速驟冷”新技術(shù)呢？把金屬加熱到液態(tài)的時候，它的原子處于劇烈運(yùn)動狀態(tài)。如果用普通速度冷卻，它的那些原子便有足夠的時間重新排列，而成為有規(guī)

15、則排列的多晶體，它具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、堅(jiān)韌等性能。如果采用超速驟冷的方法，金屬原子來不及有規(guī)則地排列就凝固了，得到的將是原子排列雜亂無章的非晶體。美國冶金學(xué)家，曾把液態(tài)金屬以每秒100萬攝氏度讓其冷卻凝固，獲得了內(nèi)部組織如同玻璃一樣的非晶體金屬！非晶體金屬性能優(yōu)異，集金屬和非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有很高的純度和驚人的防腐蝕的能力?；萏啬峁揪褪遣捎谩俺袤E冷”的工藝，生產(chǎn)了高強(qiáng)度的輕合金，然后再加工成耐高溫的渦輪葉片的。航天飛機(jī)上的耐高溫陶瓷瓦，也是采用“超速驟冷”工藝先得到高強(qiáng)度的晶態(tài)硅纖維，再用這種纖維做成陶瓷瓦片的。據(jù)報(bào)道，日本一家研究所將鐵合金燒化后，采用“超速驟冷”的工藝方法，制

16、成了一種性能優(yōu)異的非晶態(tài)鐵合金。通過試驗(yàn)對比，它的耐腐蝕能力比一般的不銹鋼高出1000萬倍，在任何酸堿等腐蝕物中，它都毫無損傷！問世不久的非晶態(tài)金屬，在化工、電子、核工業(yè)、航空和宇航事業(yè)中，將大有用武之地。輪船怕冷嗎1975年1月23日，一艘載重3000噸的外國輪船，正行駛在波羅的海南澡海域時，突然遇到了暴風(fēng)雨。當(dāng)時刮起了1011級東北風(fēng)，海浪達(dá)到七級。船體經(jīng)受了一晝夜海浪的強(qiáng)烈沖擊和振動。第二天早上，水手們在打掃甲板時，在船尾部分發(fā)現(xiàn)甲板上產(chǎn)生了一條長達(dá)4.7米的裂縫，右舷的外殼也有一條2.4米長的裂縫。這究竟是怎么一回事呢？事后經(jīng)過測查才知道，原來裂縫處的鋼板，在晚上水溫下降到-10時，承

17、受沖擊力的性能（叫沖擊韌性）大大下降，還不到常溫時的1/4，因而經(jīng)受不住海浪的沖擊，發(fā)生了裂縫。我國北方地區(qū)不少造船廠在冬季施工時，都是在-20-30的低溫天氣下進(jìn)行的，這樣就會使船體鋼板的沖擊韌性大大降低。為了確保船舶的建造質(zhì)量，我國船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)規(guī)定：當(dāng)氣溫下降到-15-20時，就不能在露天進(jìn)行船體鋼板的焊接作業(yè)。另外，有些遠(yuǎn)洋船只往往要通過-40-50的冰水，因此更要考慮低溫對鋼材耐沖擊性能的影響。所以，目前遠(yuǎn)洋船舶，都采用低合金鋼板來建造，這樣可以提高船體的堅(jiān)韌性。如我國首次造的遠(yuǎn)洋貨輪“東風(fēng)”號，就是采用16錳低合金鋼來建造船體的。它已經(jīng)在五大洲三大洋上安全航行了20多年，至今仍在為祖

18、國的“四化”事業(yè)貢獻(xiàn)力量。他到底是不是殺人犯隆冬季節(jié)。加拿大多倫多市。一天清晨，人們發(fā)現(xiàn)一個8歲的女孩死在市郊的雪地上。經(jīng)過初步判斷，是被殺害的。警察局經(jīng)過多方調(diào)查，抓到了一個嫌疑犯。但是，這個嫌疑犯死不認(rèn)罪。他的理由是在女孩死去的這段時間內(nèi)，他沒有去過現(xiàn)場，而且他的所有行動都有人作證。真是這樣嗎？看起來破案的關(guān)鍵是確定女孩死亡的時間。怎樣確定女孩死亡的時間呢？死在冬季，又是在雪地，尸體不容易腐爛，所以一時難以作出結(jié)論。警察局請科學(xué)家兼破案專家默多克來協(xié)助破案。默多克仔細(xì)看了死尸。當(dāng)他拂弄女孩臉上厚厚的雪花時，忽然發(fā)現(xiàn)有一層結(jié)晶雪緊貼在女孩的臉上。默多克心里一動：結(jié)晶雪是從哪里來的？這和女孩被

19、害的時間到底有沒有關(guān)系呢？大家知道，結(jié)晶雪和自然界下的雪花是不同的。自然界下的雪花，落在0以下的人體上，用手一拂，很容易拂開。而結(jié)晶雪是雪花融化以后，落在低溫物體上形成的一種類似冰的結(jié)晶。因此，結(jié)晶雪是在特殊的天氣條件下產(chǎn)生的。默多克看到這一現(xiàn)象后，馬上坐車到氣象中心，查閱了經(jīng)過電腦處理的大批氣象資料。他發(fā)現(xiàn)，女孩失蹤的當(dāng)天，在她出事的地區(qū)，夜里9點(diǎn)以后天降大雪，而夜里11點(diǎn)以后雪停了，氣溫下降到0以下。默多克分析，人剛剛死時，因?yàn)椴粫R上變冷，所以雪花落上后會融化，但是氣溫下降到0以下后，死人的溫度也會慢慢下降，于是在尸首上融化了的雪就會在低溫下形成結(jié)晶。這層結(jié)晶比較堅(jiān)實(shí)，不會輕易掉下來。但

20、是，尸體冷卻后，再落下的雪花不會融化，也就不會再結(jié)晶而成為結(jié)晶雪了。這層雪花是一拂就可拂掉的。因此，默多克判定：女孩是在失蹤的當(dāng)天晚上911時之間被害的。這時她剛被害，身體還是熱的，氣溫又下降，融化的雪花在她臉上變成結(jié)晶雪。警察局傳訊嫌疑犯，叫他交代這段時間的去向。他找不到在別處的旁證，只好承認(rèn)確實(shí)是在這段時間內(nèi)殺了人。危險(xiǎn)的表演早些時候，在電視里，播放的外國助興節(jié)目中，有些大膽的表演者當(dāng)場將一個潮濕的手指伸進(jìn)熔融的鉛液中，盡管他以很快的速度馬上從熔鉛中取出，但也足以使得觀眾看了目瞪口呆，心驚肉跳。更驚險(xiǎn)的是一些更大膽的表演者，竟然赤著腳在一大堆燒紅的木炭上或凝固了的高溫熔巖上行走?；崴故澜?/p>

21、紀(jì)錄上，描述了在650的燃燒著的一長木炭上步行了約7.5米的事跡。當(dāng)你看到或聽說這些表演時，也許你會懷疑這些表演一定是在“變魔術(shù)”，表演者的腳底上可能事先已經(jīng)涂上了什么高級的絕熱防護(hù)劑吧！對于這個問題，科學(xué)家已經(jīng)作了仔細(xì)的分析和研究，并為此作了一些很有趣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上這是一個物理現(xiàn)象：當(dāng)一個潮濕的手指插入高溫深液中時，手指上的水突然受熱汽化，在手指周圍形成一個很薄的蒸氣層，在一個短暫的時間內(nèi)它可以起到灼熱防護(hù)作用。但時間一長，汽層消失，防護(hù)作用失效，后果就不堪設(shè)想了。所以不希望少年朋友直接去作這樣冒險(xiǎn)的嘗試。關(guān)于“走火”的表演，最關(guān)鍵的是表演者腳底上要有足夠的汗水。當(dāng)腳底上的某些部位與炭火接觸時，由于汗水的迅速汽化，起到了瞬時保護(hù)作用。如果腳底上沾了厚厚的煤炭或者長著硬繭，也許還能多走上幾步。高壓鍋的故事1681年，英國出生的丹尼斯·帕平，帶了一批人到歐洲風(fēng)景秀麗的阿爾卑斯山去旅行