书城科普读物物理的妙趣
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第12章 有趣的物理实验(2)

还可以把浸过石蜡的筛子放入水中,筛子就会浮在水面。也就是说,不仅可以用筛子打水,还能让筛子浮在水上。

这个不可思议的实验可以解释生活中的许多现象,只不过我们对这些现象太习以为常,以至于很少去思考它们的原因。

将水桶和船体涂上树脂,将软木塞和木栓涂上油脂,涂抹润滑油,总之是用油性物质涂抹物体使其具有不透水性的行为,以及将纺织品浸胶——所有这些行为都跟刚才对筛子进行的处理具有相同性质。

它们的本质都是一样的,只不过用筛子打水看起来有些不同寻常罢了。

究竟哪边更重呢

浸在液体或气体里的物体受到液体或气体向上托的力叫做浮力。

浮力的方向是竖直向上的。浮力产生的原因是浸在液体或气体里的物体受到的上、下表面压力差。

浮力是可以调节的。木头漂浮于水面是因为木材的密度小于水的密度。把树木挖成“空心”就成了独木舟,自身重力变小,可承载较多人,独木舟排开水的体积变大,增大了可利用的浮力。

牙膏卷成一团,沉于水底,而“空心”的牙膏皮可浮在水面上,说明“空心”可调节浮力与重力的关系。采用“空心”增大体积,从而增大浮力,使物体能漂浮在液面上。

为了更深一步了解浮力,下面我们来研究一下这个问题:如果在天平的一端放一个装满了水的木桶,在另一端也放一个同样大小、也装满水的木桶,只是这边的木桶里还漂着一块木头。天平会往哪边倾斜?

相信答案有很多种。有些人认为,有木头的水桶更重,因为“水桶里除了水,还有木头呢”。另一些人认为没有木头的水桶更重,因为“水比木头重”。

两个答案都不对:水桶一样重。

确实,第二个水桶里的水比第一个水桶里的水少,因为木块挤出了一部分水。但是根据浮力定律,物体排开的液体重量正好等于这个物体的重量。这就是为什么两边的重量会相等。

现在来解决另一个问题。在天平的一端放一个装了水的玻璃杯,旁边放着砝码,在另一端放上砝码使天平平衡。这时把砝码放进玻璃杯,天平会发生什么变化?

根据阿基米德定律,砝码在水中的重量会变轻。似乎可以设想,砝码放入水中后,天平有玻璃杯的一端会翘起。但事实上,天平仍然平衡。这是为什么?

砝码放入水杯后水面会上升,水对容器底部的压力就会变大,结果容器底部增加的作用力刚好等于砝码丢失的重力。

怎样让水底的瓶子浮起来

如何让水底的小瓶子浮起来呢,很简单,往水里加盐就可以了,盐是可以影响浮力的。

下面我们就来做实验,准备一只大的广口瓶、一只带盖的小瓶子、一袋盐、一只小量杯、一把汤匙。

将广口瓶装3/4瓶的水,将小瓶子的盖子盖紧。然后小心地将小瓶子放进水中,它应该会浮在水面上。如果小瓶子不能浮起,就要换更小的瓶子,直到小瓶子能浮在水面上。

将小瓶子拿出来,往小瓶子中加入少量的水,拧紧盖子,再将小瓶子放进水中,瓶子应该会慢慢地下沉到广口瓶的瓶底。如果小瓶子不会沉到瓶底,调整小瓶子中的水量,直到它慢慢下沉到瓶底。

取出小瓶子,往广口瓶中加入半量杯的盐,然后搅拌均匀。再将小瓶子放进广口瓶中,观察小瓶子在水中的位置。

往广口瓶中一次加入半量杯的盐,观察小瓶子在盐水中的位置。重复这一步骤,直到两量杯的盐都被倒光。

你会发现,当你往广口瓶中加入越多的盐时,小瓶子就会逐渐地向上浮。

往小瓶子里加水,会使小瓶子变重而下沉。当小瓶子往下沉时,会将水向外推。力的作用是相互的,水也会反作用于瓶子,使瓶子受到一个向上的推力。这种推力就称为“浮力”。

往水中加入少量的盐,能增加水的浮力,但是这种浮力还比不过小瓶子与小瓶子里面的水所受的重力。往水中加入大量的盐,水所产生的浮力也相应地变大,当盐水产生的浮力大于小瓶子与小瓶子里面的水所受的重力时,小瓶子就会浮在水面上。

巧吹乒乓球

生活中处处皆物理,只要留心观察、去思考,就会从生活中学到很多物理知识。现举一小实验,与大家分享。

现有两只等大的碗并排紧靠地放在桌子上,其中一只碗中放一只乒乓球,在不使用其它工具,也不许身体的任何部位与两碗接触的情况下,如何将乒乓球从一只碗中移到另一碗中。

这种情况下我们首先想到的是用嘴吹,用嘴对着乒乓球,向另一只碗吹去,但事与愿违,乒乓球只能在碗中打转,就是不过去,多试几次,偶尔也能从碗的侧面飞出,但就是飞不到对面的碗中去。

既然偶尔也能从碗的侧面飞出,那我们从侧面向下吹着试试看,说不定就能飞到旁边的碗中呢。好的,你试试看,还是不行!

既然竖着向下吹不行,平着吹试试看,沿着碗口的方向向着另一只碗,用力一吹。过去了,再试试,又过去了,再试试。

这是为什么呢?原来这是物理学中一种非常简单的物理现象。美国B-52隐形轰炸机,空重84吨。如此庞大的家伙,怎么能飞上天的呢?关键在于其特殊的形状。

飞机的机翼的形状呈流线型。当气流快速流过机翼时,上方的空气流速快,下方空气的流速慢,流体具有这样的特点:当流体的流速较快时,流体产生的压强小,流体的流速较慢时,流体产生的压强大。也就是说飞机在飞行时,由于飞机特殊的形状,导致飞机上方的空气流速快,气体压强小,下方空气流速慢,气体压强大,这样飞机所受空气向上的压强就大于向下的压强,飞机所受空气向上的压力大于向下的压力,压力合力的方向向上,正是这个向上的力托起飞机翱翔于蓝天之上。

明确流体压强与流速的关系之后,我们再来看这个问题就不难了。原来当我们平着从碗的上方用力一吹时,乒乓球上方的空气流速快,空气压强小,压力小,而乒乓球下方的空气流速相对较慢,空气压强大,压力大,这样空气就会给乒乓球一个向上的托力,就是这个向上的托力将乒乓球托起,并在气流的带动下,从这一只碗中运到了另一只碗中去。

毛皮大衣能保暖吗

如果有人告诉你,毛皮大衣一点也不保暖,你会怎么回答呢?如果有人做了一堆实验向你证明这一点,你又会怎么样呢?那我们来做下面这样的一个实验看看吧。

拿一支温度计,记住上面的读数,然后把温度计裹在毛皮大衣里。过几个小时后把它拿出来。你会看到,温度计连1/4度都没上升,原来是几度,现在还是几度。这就说明,毛皮大衣不能保暖。你可能还会怀疑,毛衣大衣甚至变凉了。找两个冰袋,一个裹在大衣里,一个放在敞开的房间里。等房间里的冰袋完全融化时,把大衣的冰袋拿出来,你会发现冰甚至没有开始融化的痕迹。这说明,大衣不仅不会使冰块升温,甚至还起到了冰冻的作用,因为它减慢了融化的速度!

有什么办法来反驳呢?怎么推翻这些论据呢?

没有办法。如果保暖意味着传递热量,那毛皮大衣的确不能保暖。台灯能传递热量,炉子能传递热量,人体能传递热量,所有这些都能散发热量。但是毛皮大衣不能传递一丝热量。它不能够散发热量,只能妨碍我们身体热量的散发。这就是为什么会散发热量的恒温动物穿着毛皮大衣时会比不穿感觉暖和。而温度计自身无法散发热量,所以把它裹在毛皮大衣里,它的温度不会有所改变。裹在毛皮大衣里的冰袋能够更持久地保持自身的低温,这是因为大衣的导热性极差,它阻碍了室内空气向里传递热量。

在这个意义上,积雪就好像毛皮大衣,能够起到给大地保暖的作用。跟所有粉粒状的物体一样,雪的导热性较差,覆盖在地面上以后,它会阻碍土壤的热量丧失。插入被积雪覆盖的土壤中的温度计和插在裸露土壤中的温度计相比,前者的读数往往要比后者高出10度左右。农民们都十分了解积雪的这一保暖作用。

所以,对于毛皮大衣能不能保暖这个问题,要回答:毛皮大衣只能够帮助我们自己使自己暖和起来。准确地说,其实是我们使大衣变热,而不是大衣使我们变热。

能用雪将水烧开吗

能用雪将水烧开吗?不要急于回答,最好先做个实验,用我们使用过的小玻璃瓶就行。

往小玻璃瓶里倒半杯水,再把它放在沸腾的水中。当瓶里的水开始沸腾时,把它从锅里拿出来,迅速地用事先准备好的瓶塞塞紧。

现在把瓶子倒过来,等瓶里的水不再沸腾,把开水浇在瓶子上——水不会沸腾。但是,如果在瓶子的底部稍微放一点雪,或者只是用冷水浇上去,你会发现,水开始沸腾了……

雪能做到沸水做不到的事!

更神奇的是,瓶子摸上去并不是很烫,但你已经亲眼看到,瓶子的水在沸腾。

谜底在于,雪使玻璃瓶的温度降低了,结果,瓶内的水蒸气凝结成水滴。

由于瓶内空气在水第一次沸腾时已经被排出瓶外,现在瓶里的水受到的气压就会变低。

众所周知,气压变低,液体的沸点也会变低。结果,虽然瓶内的水沸腾了,但那不是热水。

如果玻璃瓶的瓶身很薄,那么水蒸气的突然凝结可能引起类似爆炸的结果。因为如果瓶内的气压不足以抵抗瓶外的气压,外界气压的作用就可能压碎瓶子。所以最好用圆形的玻璃瓶做实验,那样气压就会作用在拱形上。

最危险的是用装煤油、润滑油之类的白铁罐做实验。用它装一点水,使水沸腾后用瓶塞塞紧,再用凉水浇上去。在外界气压的作用下,充满蒸汽的白铁罐会立即被压得扁平,因为罐内的水蒸气遇冷变成了水滴。

白铁罐会被气压压得皱巴巴,就好像被沉重的榔头敲过了一样。

声音的传播

如果你有在远处观察过一个正在砍树的人,或者一个离你很远的正在钉钉子的木匠,那么你可能会发现一件奇怪的事,敲击声不是发生在斧头砍进树里或者锤子敲在钉子上的时候,而是斧头或者锤子已经拿起来了的时候。

如果你能够再观察一次,那么就往前走两步,离得近一点。试过几次之后,你会发现,当站在某个地方的时候,斧头或锤子的击打声正好跟击打的瞬间重合。这时候再回到你原来站的地方,击打的声音和动作又错开了。

现在你应该不难明白这个现象的原因了。声音从声源传到你的耳朵需要一段时间,而光几乎一瞬间就能够通过这段距离。所以,很可能当敲击声还在向你的耳朵传播的途中,斧头或锤子已经被举起来准备进行下一次击打了。这时候,眼睛看到的和耳朵听到的东西就错开了,你还以为声音不是在斧头向下击打而是向上举起的时候发出的。但是,如果你往前走近几步,就找到击打的声音和动作重合的那个点了,那是因为,声音传到你的耳朵时,斧子已经被重新放下去了。这时候,你当然会同时看到和听到击打,只不过它们已经是先后两次击打了:你看到的是最后一次击打,而听到的则是之前的声音——可能是倒数第二次击打,也可能更早。

声音在空气中的传播速度是多少?这已经被准确测量出来了:每秒钟1/3千米,也就是说,声音经过1000米的距离需要3秒钟。所以,如果一个人每秒钟挥动两次斧头,那么你站在距离他160米的地方,那敲打的声音就会跟斧头被举起的时刻重合。而光在空气中的传播要比声音快100万倍。你们肯定知道,地球上的任何一段距离光都能够在瞬间通过。

声音不仅能够通过空气,还能够通过其他气体、液体和固体进行传播。声音在水里的传播速度是在空气中传播速度的四倍,工人在潜水箱里工作时能十分清晰地听到岸上的声音。渔夫们会告诉你,为什么只要岸上稍微有一点动静,鱼就会立即逃走。

在坚硬的固体介质里,比如生铁、树木、骨头,声音传播得还要更快。把耳朵贴在一根长木条的一端,请你的朋友在另一端用手指或小木棍轻轻地敲打,你就会听到通过整个木条传来的响声。如果周围足够安静,没有声音干扰的话,你甚至能够听到放在木条另一端上的手表指针走动的声音。铁轨或者铁梁、铁管、甚至土壤,都能够很好地传播声音。如果远处有一匹马跑来,把耳朵贴在地上,你就能早早听到马蹄声。用这种方法也能听到远处子弹射击的声音。

只有坚硬的固体介质能够如此清晰迅速地传播声音。柔软的布和潮湿、松软的物质就不行了,因为这样的介质会把声音“吞噬”掉。这就是为什么厚重的窗帘可以隔音。地毯、柔软的家具、大衣也能起到这样的作用。

镜子如何反射影像

镜子是一种表面光滑,具反射光线能力的物品。最常见的镜子是平面镜,常被人们利用来整理仪容。在科学方面,镜子也常被使用在望远镜、雷射、工业器械等仪器上。

不论是平面镜或者是非平面镜(凹面镜或凸面镜),光线都会遵守反射定律而被镜面反射,反射光线进入眼中后即可在视网膜中形成视觉。

下面我们就来看看镜子是如何反射影像的。准备一面小镜子、一支铅笔、一张纸。让镜子直立在桌面上,把纸压在镜子下。

可以把下巴靠在手上,使你能从镜子中看到你在纸上所写的字。眼睛只注视着镜子,用手在纸上写几个字,使镜子中出现正确的字。检查你在纸上所写的字,你会发现纸上大多数或全部的字是颠倒的。