写给孩子的趣味物理学

作者简介

雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼（1882—1942） 出生于俄国格罗德省别洛斯托克市，是享誉世界的科普作家、趣味科学的奠基人。17岁时，他开始在报刊上发表作品。1909年大学毕业以后，他开始全力从事科普写作和教育工作。别莱利曼一生共创作了105部作品，其中大部分是趣味科学读物，并且很多作品被翻译成数十种语言，对青少年的科学学习产生了深远影响，对世界科普事业的发展做出了卓越贡献。

内容简介

Chapter 6 热现象 6.1什么季节的铁路更长 你知道哪个季节的铁路最长吗？如果有人这样问，很多人都知道这是在考热胀冷缩的知识呢。答案应是夏季，当然还有一个前提条件，就是不考虑钢轨和钢轨之间的空隙长度，单单计算钢轨的长度。 在这个前提下，夏季的十月铁路（指的是从莫斯科到圣彼得堡之间的铁路）要比冬季长300米左右。钢轨会随着温度的上升而延长，这是金属的延展性。通过测量，当温度上升1 ℃时，钢轨会延长自身长度的1100 000。这样一来，在温度高达30 ℃甚至40 ℃的夏季和温度低至零下25 ℃左右的严寒，钢轨的长度都会发生改变。而其中变化值的范围可以通过计算冬夏两个季节的温差得出。也就是说当温差为55 ℃时，总长640千米的铁路会相差将近300米。 不过这里发生变化的并不是铁路的长度，而是钢轨的长度。两者不能等同，我们都知道铺设铁路的钢轨不是紧密连接在一起的，在钢轨的结合处留有空隙，设计时设计师们就考虑到了钢轨受热变长的情况，所以预先留出空间。但是事实上，单单计算钢轨的部分，十月铁路确实在夏天要比冬天长300米。 6.2无法逮捕的窃贼 每一年寒冬都有人偷盗几百米价格昂贵的电话线和电报线，奇怪的是人们明明知道窃贼是谁却无法惩罚他，因为这个小偷每到温度上升时就会把偷走的电线还回来。相信你一定猜到了，这个小偷就是寒冬。电线和铁轨一样也会热胀冷缩，铜电线随温度而变化的程度是钢的15倍，所以变化更为明显。 圣彼得堡（原列宁格勒）到莫斯科的通信线路大概每年夏天都会被寒冬盗走差不多500米的电线，不过电线变短并没有带来通信故障。但是当这样的热胀冷缩发生在电车钢轨或者桥梁上，那后果就会变得非常严重。 前面我们学到了钢轨在冬天和夏天的长度不同，工人在铺设钢轨的时候就预先留了空隙。但是电车的钢轨与火车的不同，电车的钢轨是嵌在地内的，温度波动并不是很大，所以在铺设的时候并没有预留空隙，而且采用的是完全固定的方法。通常情况下电车钢轨不会发生弯曲外翻的现象。但是当天气变得极度酷热时，还是会发生弯曲。这样的钢轨不仅无法通车，还可能酿成事故。 铁路的钢轨在斜坡的位置也容易发生类似现象，主要是因为列车在斜坡上行驶的时候很容易带动钢轨和铺在下面的枕木一同移动，使得预留的空隙消失，钢轨和钢轨紧密地连接起来。 一旦这样的现象发生在桥梁上，后果将不堪设想。1927年12月，法国遭遇罕见的严寒天气，导致巴黎市中心的塞纳河大桥严重损坏，大桥的铁质骨架因为受到严寒天气的影响而收缩，使得铺在桥面的方砖凸起并碎裂，最终桥面只能禁止通行。 6.3什么时候埃菲尔铁塔最高 在了解了金属会热胀冷缩后，当有人询问你埃菲尔铁塔有多高时，你在回答前还应该追问一下是夏天还是冬天。 埃菲尔铁塔是一座钢筋结构的塔，那么它必然也会发生热胀冷缩现象。这个高大的庞然大物不可能在任何时候都维持着同样的高度，它的高度应该是有变化的。我们得知的300米，是在常温下测量的结果。 我们已经知道温度每上升1 ℃，长300米的钢筋就会增长3毫米。换而言之，也就是周围的环境温度每上升1 ℃，埃菲尔铁塔就会增高3毫米。夏天的巴黎受到太阳照射时的温度大概能够达到40 ℃，阴雨天气时它的温度可能会下降到10 ℃，等到了冬天大概能够跌到0 ℃。巴黎铁塔对于温度波动的敏感程度，甚至比我们更敏感，所以它的高度几乎每时每刻都在进行微弱的变化。但总的来说它高度伸缩的幅度不会超过3×40=120毫米，即12厘米。 正因为如此，埃菲尔铁塔的高度测量有很大的难度，所以在测量时我们要借助一种特殊的钢丝，一种由特种镍钢制成的钢丝，这种优质合金几乎不会随着温度的波动而发生长度变化。因此这种合金又被称作“因瓦合金”，“因瓦”在拉丁文中是不变的意思。 开个玩笑，当你在参观埃菲尔铁塔时可以挑一个天朗气清的好天气，最好是在炎炎夏日，因为这样你能花一样的价钱攀爬更高的高度。 6.4从茶杯说到水位计 不知你有没有遇到过向玻璃杯倒入滚烫的热水时，玻璃杯突然发生炸裂的情况。这样的意外事故让我们措手不及，很有可能因此被爆炸的玻璃划伤。玻璃杯为什么炸裂呢？ 玻璃杯在接触到热水时，并不是一下子整个杯壁都开始升温，而是由内而外地依次变热。当滚烫的热水倒入玻璃杯中时，玻璃杯的内壁因为受热膨胀，而外壁还没有感受到水的温度，没有及时产生膨胀现象，因而承担了来自内壁的巨大压力。当这个压力达到一定程度时，玻璃杯就发生了炸裂现象。据此看来，玻璃杯发生炸裂现象的罪魁祸首是玻璃的受热不均匀，膨胀不同步。 所以在选购玻璃杯时，我们要选择那些杯壁和杯底都很薄的。因为厚玻璃杯要比薄玻璃杯更容易炸。原因很简单，薄壁受热比较快，玻璃内壁和外壁很容易达到温度平衡，同时膨胀，不会因为受热不均和膨胀不均而发生炸裂。而厚的玻璃杯因为玻璃厚，对于热的传递比较缓慢，所以更容易发生意外。 而且在选择薄玻璃器皿时一定要记得杯底也应该薄，因为在注入热水时，最先受热的就是杯底，杯底厚的话，无论杯子的侧壁多薄，杯子还是会炸裂。只要你观察过炸裂的杯子总结一下经验，你就会发现，容易炸裂的不仅有厚的玻璃杯，还有那种带着一圈较厚底脚的玻璃杯或者瓷碗。 玻璃杯的炸裂不仅仅发生在倒入热水时，当原本温度很高的杯子快速降温时也会发生炸裂现象。产生这种现象的原因不再是因为玻璃受热膨胀不均，而是因为玻璃遇冷收缩不均产生的。外层玻璃因为快速冷却而发生收缩给还没有冷却收缩的内壁施以巨大的压力，导致杯子破裂。所以不要把装着热果酱的玻璃罐直接放到冰箱里或者冷水里。 如果你的漂亮玻璃杯很厚，你也想更换，也不用担心炸裂，自有妙招教你。就是在倒热水之前在杯子里放上一把茶匙，最好是银制的茶匙。茶匙能够有效地传导热并缓解受热不均的现象。我们都知道滚烫的热水能够使杯子炸裂，温水虽然温度也很高，但是却不会发生炸裂现象。那是因为温水不会造成受热上的明显差距，在杯子里放上茶匙之后，滚烫的热水在把玻璃加热之前，会先传导一部分热量给金属茶匙，从而接触到不良导体的玻璃的水的温度就变低了，热水变成温水也就不会损坏杯子。这时候继续倒热水也不会有危险，因为杯子已经变热了。 而跟我们生活中常见的金属相比，银质物品的导热性更好，吸收热量的速度也更快，所以才说银质茶匙更有效。如果你无法判断茶匙的质地，就把它放在茶杯里看是否烫手，其他金属制成的茶匙是不会烫手的。 因为玻璃器皿存在着受热或者遇冷不均的问题，所以学习化学的人使用的器皿常常是由很薄的玻璃制成的。就算把化学实验使用的器皿直接放在酒精灯上加热也不用担心其破裂。如果资金充足，其实最理想的器皿应该是由石英制成的。石英是一种很少遇热发生膨胀的材质，它的膨胀系数是玻璃的十五分之一到二十分之一，所以石英制成的厚器皿，无论你如何加热都不会破裂。甚至你将烧得已经微微发红的石英器皿直接丢入冰水里也不用担心，因为石英还具备良好的导热性。 当然，硬器皿的价格也更昂贵些。为了避免玻璃管破裂，在日常应用中我们还是比较青睐价格低廉的玻璃。蒸汽锅炉中用来观察水面高度的水位计通常是由玻璃制成的，不过水位计的制作吸取了玻璃受热炸裂的教训，用不同品种的玻璃制作的双层水位计能够有效地预防玻璃内壁受到炽热的蒸汽和沸水而炸裂。 6.5洗浴之后难穿靴是由于热胀冷缩吗 是不是所有的事物都会受热膨胀遇冷收缩呢？在契诃夫的小说中有一个角色发出了这样的感慨：“为什么冬天昼短夜长，而夏天却恰好相反呢？难道这也是由于热胀冷缩的原理?冬天昼长是因为那些看得见和看不见的都遇冷收缩，而夜长则是因为点亮的灯火使得这些东西再一次受热膨胀？” 这种说法实在是经不起推敲，惹人发笑，像这种无稽之谈，我们确实创造了不少。不知道你有没有听说洗过热水澡后很难穿靴子是因为“脚受热后体积变大”的说法。这个说法简直就是误解物体受热膨胀，遇冷收缩的典型。 首先，人的体温在洗澡时几乎是不升高的。人的肌体能够抵御外界环境产生的热影响，维持自身的温度。在浴室一个人的体温最多能够上升2 ℃，这还得是在俄式浴室的浴床上。当人体体温上升1 ℃~2 ℃时，人体体积的变化也是十分有限的，因为人体无论是骨骼还是肌肉，膨胀系数最多能达到万分之几。受热后人脚掌的宽窄和小腿的粗细最多能够增加百分之一厘米，也就是大概一根头发的粗细，人在穿靴子的时候根本不能觉察，因为缝制靴子的精密度达不到001厘米。 至于为什么人在洗澡之后靴子变得难穿，问题不在于受热膨胀上，而要从其他地方去找，也许是因为洗澡后皮肤的光滑度、湿润程度发生变化，等等，这些事情跟受热膨胀是毫无关联的。 6.6祭司们的把戏 我们总认为“头顶三尺有神明”，也没少听到有关神仙“显灵”的传闻，古希腊亚历山大城的力学家海伦为我们留下了两种神灵“显灵”的招数揭秘。他通过文字描述了当年埃及祭司是怎样运用物理学知识欺骗人们，为他们灌输“神灵显灵”的观念的。 第一个就是自动开启的庙门。它的奥秘在于图6-1中那个空心的金属祭台，开启庙门的机械就藏在祭台下面的地洞。人们在祭拜神明的时候，先点燃架设在庙宇外面的祭台上的火把，祭台中的空气受热膨胀，增加了对藏在地下容器里水的压力，水因此顺着管子流出并流进桶里。装满水的水桶变沉之后下沉启动机械，从而打开庙门（图6-2）。此时此刻站在庙门口的观众，只会看到当祭司一点燃祭台上的火，寺庙的大门就依照祭司的祈祷打开了，仿佛神灵听到了祭司的祈祷后应声开门一样。 图6-1祭司们“显灵”的把戏：庙门打开是由于祭台上的火的作用 第二套骗人的“显灵术”是在祈祷者供奉过于微薄的时候用的，每当这时祭司们就会耍花样，找借口让祈祷者多捐献一些供奉（图6-3）。当祭台上的火被点燃时，空气膨胀会把油从下面的储油桶压入事先藏在祭司塑像内的管子里，所以油就会自动流入火中，让火燃烧得更加旺盛。一旦祭司认定供奉的人给的供奉太少，他们就会悄悄地拔掉储油罐盖子上的塞子，让祭台上的火苗变得微弱，祭司趁机告诉祈祷者说神灵对供奉不满足，以便索要更多的财物。 图6-2庙宇大门的构造。当祭台里的火烧起来时会使门自动打开 图6-3第二套“显灵术”：油自动流到祭台上的火中 这是一份知识满满、趣味多多的珍贵礼物，能够激发孩子对科学的好奇心和探索欲，培养孩子的学习能力、思考能力和想象力，告诉你如何帮助孩子爱上物理学！ ★阅读本书，你将破解关于物理学的诸多奥秘： 地球真的可以被撬动吗？ 怎样区分熟鸡蛋和生鸡蛋？ 海市蜃楼是怎么形成的？ 子弹和声音哪个速度更快？ 显微镜是怎样放大物体的？ ……