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第3章 数学·物理奇观(3)

观看足球比赛时常常可以看到,当判进攻一方罚定位球时,被进攻一方总会在罚球点9.15米以外筑起一道人墙。主罚队员举脚直接打门时,球往往会绕过人墙窜入网底(由于球的飞行轨迹弯曲程度类似于香蕉形状,所以在足球运动中人们称为“香蕉球”)。球怎么会绕过人墙进入球网呢?让我们来看一下物理学中的伯努利定理就明白了。

伯努利定理讲到,通过一定位置的流体的速度增加时,该处的压强就减小。你不妨做一个简单的实验:在两张纸中间留一定空隙,用嘴对准空隙吹气,结果发现纸片非但不会吹开,反而靠拢,这是由于中间气体流速大压强小,而纸片外侧大气压强未变,产生指向中间的压力的缘故。

现在再看足球。球员踢出的球是旋转的,当球向前行进时同时旋转,气流速度与球速反向,而且在A的一边相对流速小,在B的一边相对流速大,根据伯努利定理A端的压强大,B端的压强小,因此产生一个由A指向B的合力F。在力学中,当一个物体以一定速度前进时,同时受到一个与速度成角度的力的作用,物体将作曲线运动。因此这时球行进方向便由A偏向B曲线前进。

如果球员想使球从左面绕过人墙窜入网底,那么他在踢球时着力点偏离球心,应使行进的球产生逆时针的旋转;反之亦然。这就是人们常说的“香蕉球”的奥秘所在。

不要忘记空气的浮力

中学生小马给小学低年级小朋友开讲座课。小马拿出一只玻璃杯,问:“杯子里有东西吗?”小朋友们瞪大着眼睛看着,不一会异口同声地回答:“杯子里什么也没有。”小马得意地笑了,说:“不对。杯子里有东西,它装满了空气。”小朋友们知道上当了,暗暗地吐舌头,钦佩地望着大哥哥。

小马详细地叙述了空气性质后,又提出一个问题:“空气有没有重量?”这下谁也不敢抢先回答,教室里一片寂静。小马拿出一架天平,从口袋里又掏出一只浅绿色的瘪气的“洋泡泡”。他用细线把口扎好放在左边托盘里,右边托盘加上砝码,使左右平衡。接着他请一个小朋友上来打气,瞬间瘪气“洋泡泡”成了一个大气球,小马又用那根细线把它扎好,准备放在左边托盘上。这时小马心想,现在称出来的应该是瘪气“洋泡泡”和它里面空气的总重量,它一定比瘪气“洋泡泡”重。于是,他交代小朋友要注意观察秤的平衡状况,并且指出:如果秤秆保持平稳,说明空气没有重量;如果秤锤一端往上翘,说明空气有重量。可是,当小马慢慢地松开抱着大气球的双手时,秤杆竟纹丝不动地保持平衡,弄得小马满脸飞红,一时下不了台。

小马的错误在于他忘了空气的浮力。因为打了气的洋泡泡,确实因充了空气而增加重量,但其所增加的重量正好等于它在空气中受到的浮力的增加量,两者大小相等,方向相反,互相抵消,因此秤杆仍然保持平衡。

颜色与能量

颜色和能量之间有着密切的联系。

1666年,23岁的牛顿用三棱镜做太阳光的色散实验时,发现日光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色光组成的。经深入研究,6年后牛顿在他发表的第一篇科学论文中指出:颜色不是物体自身的性质,而是由它对照射到它上面的各种颜色的光的反射和吸收决定的。如红色颜料,我们看去是红的,因为当它受到白色日光照射时吸收了大部分其他色光,反射到我们眼中的主要是红光。同理,白色几乎反射所有色光,而黑色几乎吸收所有色光。

光是一种电磁波。各种颜色的光有特定的波长,其光子有一定的能量,从红光到紫光的波长依次减小,而光子能量却依次增大,显然光是能的一种形式。物体吸收了光就获得了能量,颜色不同吸收色光不同,获得的能量也不同,可见颜色同能量有密切的关系。

奇怪的磁力线

小王将玻璃板(上面均匀地洒上细铁屑)搁在一条条形磁铁上,用手轻敲玻璃板,使其微微震动,板上即出现了一种的奇怪的磁力线。

按理,条形磁铁上的磁力线,应如图2所示,磁性最强的部分在两端(称为磁极),中间部分很弱,磁力线由N极到S极。小王又将此条形磁铁的两端和中间部分去吸铁屑,发现两端吸的铁屑最多,中间部分也吸了不少(按理应是很少)。其中的奥妙何在呢?

原来,磁体的两个极是不可分的,它不存在磁单极。一根被磁化了的废锯条,磁极在两端,中间磁性极弱。小王把它折断,两段各端又各自有两个异名磁极,再分下去,仍有这个现象。库仑曾对磁体结构设想了一个磁分子模型,说明被磁化后的物体内的磁分子,有规律地排列着。它们的异名磁极相对着,磁作用差抵消了,只有两端的发子,才显示出磁性。根据这一原理,可以断定,图2他使用的这根条形磁铁中间A处内部,已有裂痕和缝隙,只是外表尚未断离,在那里形成了两个异名磁极,从而又形成了一个磁力线回路。他将折断的条形磁铁并拢,重做了上述实验,观察到了类似现象,从而证实了这个分析是正确的。

是测电笔失去作用了吗

在一次安装照明电路的实验中,有一组同学安装好了电路,装上灯泡,接通电源,可是灯炮却不发光。经检查所有零件均完好,用测电笔测一下灯头、插座,电笔氖管发光表明有电,但灯炮就是不亮。

是测电笔失去作用了吗?让我们来研究一下测电笔的构造和原理吧。测电笔由笔尖金属体1、电阻2、氖管3、小窗4、弹簧5、笔尾金属体6等部件组成。当笔尖金属体与火线接触,笔尾金属体与人手接触时,电流就从火线通过笔尖金属体、电阻、氖管、弹簧、笔尾金属体、人体回到大地,构成一个通路,使氖管发光,从而表明被测的物体带电(物体跟地之间有电压)。氖管不发光,则表明物体不带电。那么,既然灯头带电,氖管发光,为什么灯泡又不亮呢?经用万用电表仔细检查,发现原来是接地线的一根保险丝断了。因此,灯头虽然带电,但整个照明电路不成回路,灯泡钨丝中无电流通过,灯泡自然不亮。

如果没有万用电表,手头有支双线测电笔,同样也能解决问题。双线测电笔的两根测脚,一根相当于笔尖金属体,另一根相当于笔尾金属体。若将两根测脚与线路两端并联,此时氖管发光,说明线路完好,不发光说明线路有故障。但要注意,在使用测电笔(包括常用测电笔)前,得先检查它是否完好,否则会影响你的判断。

浅谈滑动变阻器的两个作用

滑动变阻器在生产和实验中的作用一是分流,二是分压。

分流,就是靠改变电路中电阻线的长度来改变电阻,从而改变电流强度。其典型电路:当滑片P向左移动时,电路中总电阻增大,电路中I变小;当P向右移动时,电路中总电阻减小,电路中I变大。

分压,在电学解题中常常出现。变阻器用于分压的典型电路:在这种接法中,UAB=UAP+UPB,滑片P向左右移动可以改变UAP和UPB的数值。假设电源电压不变(即UAB不变),当P向右移动时,UAP减小,小灯泡两端电压降低;当P向左移动时,UAP增大,小灯泡两端电压升高。

为什么看不见光滑平面镜的面

要回答这个问题需先弄清漫反射现象。发生漫反射的物体,由于它表面粗糙,每一个小部分都包含有各种不同取向的平面,所以不论是平行光或非平行光照到它的表面上时,都被它向各个方面反射出来。受光照射的粗糙表面由于漫反射的缘故,在某种程度上可以把它作为一个发光体,而表面的每一小块可以看成是“点光源”,当我们的眼睛对这些“点光源”进行聚焦时,就在视网膜上形成它们的像。这样我们就能看见本身不发光的物体。

那么光线照在光滑平面镜的面时将怎样呢?要看清楚这个平面,眼睛就得对这个平面的反射光进行聚焦才能看得到。但是,现在是一个光滑平面,所以反射光束只是在一定的方向,如果眼睛在反射光束外面,自然是看不到这镜面。如果把眼睛放在反射光束范围之内,又将怎样呢?是否能看到镜面呢?由分析可知,仍然看不清楚镜面。因为是光滑平面,所以反射光与入射光的性质完全一样,平行光反射后仍是平行光,发散光反射后仍是发散光,发散的程度也不改变。这样眼睛在反射光束内看镜面时,就是对一个发光平面聚焦,在视网膜上只是呈现一片白茫茫的反射光束的光斑,而无法看清楚平面镜的面。

光学纤维和光纤通信

光学纤维是一种高度透明的石英纤维,它可以让光线像水在水管里一样流动,传输几百几千公里也损失不了多少能量。这种奇妙的玻璃纤维会把光线留在里面而不泄漏出去,当然也可以像橡皮水管一样扭曲、弄弯,甚至打结。

对这一发现的应用,最早是传输图像。只要把一束数以万计的这种光学纤维一刀截断,成为一个平面,便能放出一幅图像。由于任何黑白图像都可以看成是疏密有致的无数小黑点,按一定的位置排列而成(每一根光学纤维传输一个黑点或一个白点),因此一束排列整齐的光导纤维,就可传送一幅精致的图像。如果事先把这一束纤维另一头胡乱编织,那么在另一端截成的平面,输出的图像就乱成不知是什么样的东西了,但是只要用同一束或扭曲编织程序完全一样的另一束光导纤维,反方向输送回去,图像又完整地重现了。这中间乱七八糟的图像,是无人可破译的安全密码,这样,光学纤维就可用于绝密通信。

随着激光技术的发展,光学纤维的应用又出现了新的领域。人们可以把声音和图像转换为频率极高的光电脉冲波,再由编织整齐的光学纤维束(光缆)传输。一根手指那样粗的光纤可以同时传送24万路电话通信,也可同时多路传送彩色电视,这是任何金属导线电缆所望尘莫及的。另外,这种光纤传送电视图像可以双向同时传送,而不像现在的电缆传送的闭路电视,只是“单行道”。光纤通信电视可使相距不论多远的两地用户,互相交谈,同时又可以清晰地相望对方。

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