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激光笔里的是激光吗 圆的磁铁有南北极吗 火到底是什么 圆的地球为什么有方的地图?


本文来自公众号 “把科学带回家

Q1

激光笔发出的是激光吗?

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估计现在市场上的激光笔大部分都是激光。既然网友问到这个问题,可能是问激光笔用的是激光器发光还是简单的发光二极管;我们认为现在市场上的主要产品都是用的激光器或者激光二极管(不是简单的发光二极管),所以所发的光应该是激光。

Q2

恒星死亡后会怎样?

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恒星死亡总具有外层物质向外膨胀或抛撒的过程,而且质量越大的恒星这个过程越剧烈,可以想象恒星死亡时,行星通常会被外层抛出的气体撕裂或者吞噬,应当很难保留下来。

以太阳为例,太阳在红巨星阶段预计表面会膨胀到地球、火星的轨道位置,那么内层的行星会被吞噬,火星以外的行星大多是气态的,那其中的物质就很可能被吹走了。

Q3

怎样测量水晶里原子间的距离?

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在电镜中电子通过晶体时会受到晶体内原子产生的静电场的作用,这一静电场是由晶体不同位置的电势差产生的。晶体的原子位置可以从晶体的静电势的分布图中得到,电势高的地方对应着晶体中原子的位置。

在电子显微镜中,由于物体与电子束的交互作用,使透射物体的电子束或电子波携带了物体的结构信息,物波在电镜中经过物镜,中间镜和投影镜的作用,最后在像平面上形成像波。

由于电子波与原子势之间的作用比较强,只要经过几个原子层就会产生几十甚至几百束强的衍射,即电子通过样品时要遭受到多重散射,产生动力学衍射,电子的动力学衍射效应导致了用电子衍射分析晶体结构的复杂性。

到目前为止,还没有得到一个很好的能够描述电子动力衍射的解析表达式。电子晶体学家所能够做的是从不同的角度寻找近似公式。

例如:如果样品很薄而且是由轻原子构成并且电子的能量很高以致被散射电子波与入射电子波几乎平行,这时电子穿过样品后只有相位移动,而保持其振幅不变化。这就是所谓的弱相位物体近似。这时的波函数与投影势成线性关系,因此从实验上获得的电子显微像就成为晶体结构在电子束方向的投影。

Q4

圆形的磁铁还有南北极吗?

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打磨成球形的磁体可以有NS极呀,地球不就是一个明显的例子嘛~~

磁单极子并不是靠这样打磨就可以找到的。因为宏观磁体,都是由宏观上很小,微观上很大的磁畴组成,磁体的磁场是由这些小磁畴磁场叠加而成。这些小磁畴都有各自的NS极,都不是磁单极子。

磁单极子是指存在一种粒子(或者准粒子),使得磁场成为有散度的场。而麦克斯韦方程组指出,磁场是有旋度没有散度的,所以在这种意义上说是不存在磁单极子的。若真存在这种粒子,麦克斯韦方程组将被改写。

Q5

彩虹为什么是圆弧状的?

众所周知彩虹与光的色散有关。彩虹是阳光在空气中的小水滴经折射和反射形成的,具体情况如下图:

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以小水滴的某个截面作为参考,入射光在水和空气两种介质中的折射率不同,我们可以发现,尽管入射光是均匀的,但由于入射水滴的位置不同,则入射角不同,于是导致了不同的偏折情况,即出射光线方向各不相同。

尽管如此,我们可以看到在某条光线附近的光线出射后的角度相差很小,即图上所示出射光线密集的地方,在这条光线附近接受的光强最大,我们平时看到的彩虹便源于此,故这条光线被称为彩虹线,而偏折的角度被称为彩虹角。红光的彩虹角约为42°,而蓝光则稍小一些,这也是彩虹中红圈总在蓝圈外的原因。

假设太阳光是平行入射的,那么在无数条彩虹线中最终能到达我们眼睛的那部分的集合必是一个圆锥面,情况如下图:

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这就是为什么我们平时看到的彩虹都有近似圆弧形状的原因了。所以彩虹也只有在背对着太阳的情况下才能看到,而且由于我们总是站在地面观察彩虹,所以本该看到彩虹的下半部分被地面截断,只能看到大概半圈。

但是如果太阳高度合适,人又处于高空中的话,那么将有机会看到彩虹完全体。至于有时“虹”外有时出现的那圈颜色次序颠倒的“霓”,原理与“虹”大致相同,由于是光在水滴中经历两次反射形成的,所以更为暗淡。

Q6

利用氢气球听地震或海啸的次声波,真的可行么?

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风暴来临前会产生次声波,次声波的频率小于20Hz,人耳听不到,但是这个频率却很接近氢气球的固有频率。如果有风暴来临的话,风暴产生的次声波会与氢气球产生共振,这种震动能被氢气球周围的人感受到,因此,常用氢气球预测海上风暴。

地震时会产生次声波,但是在查阅一些资料后并没有发现通过氢气球听次声波,或许存在比用氢气球更好的方式监听地震产生的次声波。

Q7

火焰的本质是什么?

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火焰的实质是高温的气态或等离子态的物质。接下来你可能要问什么是等离子态?

在物质变为气态以后,如果从外界继续得到能量,到一定程度后,它的粒子又可以进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子,即原子或分子发生了电离.电离使带电粒子浓度超过一定数量(通常大约需千分之一以上)后,气体的行为虽然仍与平常的流体相似,但中性粒子的作用开始退居到次要地位,带电粒子的作用成为主导的,整个物质表现出一系列新的性质。像这样部分或完全电离的气体,其中自由电子和正离子所带的负、正电荷量相等,而整体又呈电中性,行为受电磁场影响,称为“等离子体”.因为物质的固、液、气态都属于“聚集态”,所以从聚集态的顺序来说,也常常把“等离子态”称为物质的第四态。

有两种因素决定火焰的颜色 :

1. 气态和等离子态物质的 元素构成 决定火焰的固有光谱 ,元素表的每种元素高温下都会发出自己特定的光色,常见的比如 钠会出现黄色,钾是紫色,铜是绿色,化合物的光色是一种杂色,因为有许多种类的元素在发光。

2. 火焰的温度决定火焰的颜色,火焰是一种反应 (暴烈的火焰)低温的时候是红外线,随着温度的上升,火焰从红色橙色(3000度)到 黄色白色(4000度) 到 青色蓝色(5000-6000度)到紫色(7000以上) 到最后看不见的紫外线(几万度),颜色在不断的改变。

从高能物理来说,红外线,有色光谱段的火焰都是低能量的火焰,温度继续高下去,火焰的颜色从紫外线到x线到伽马线等等,这些都是无法形容的 “颜色”。

Q8

太阳所有的光线中,到达地球表面最多的是什么?

太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量。太阳辐射的能量主要集中在可见光,其中0.38 ~ 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%,最大辐射强度位于波长0.47 µm左右。太阳发射的辐射电磁波通过地球大气时,大气作为一种传输介质,对电磁辐射的影响主要表现为反射、散射与选择性吸收,致使电磁辐射强度减弱,其光谱成分也发生一定的变化。在可见光波段以散射为主,红外波段以吸收为主。

大气的吸收作用:大气中各种成分对太阳辐射有选择性吸收,形成太阳辐射的大气吸收带。大气吸收电磁辐射的主要物质是:水、臭氧和二氧化碳。水汽主要吸收红外波段;臭氧主要吸收紫外波段;二氧化碳主要吸收红外波段。

大气的散射作用:当电磁波穿过大气层时,遇到各种微粒(气体分子,尘埃等),会使电磁波传播方向发生改变。大气散射降低了太阳通过时直射的强度,改变了太阳辐射的方向,消弱了到达地面或向外的辐射,产生了漫反射的天空散射光(又叫天空光或天空辐射),增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。

大气的反射作用:云量越多、云层越厚,反射作用越强。

经过这一系列的作用,经过大气层的太阳辐射有很大的衰减,而且各波段的衰减是不均衡的。到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ~ 3.0 µm波段,包括近紫外、可见光、近红外和中红外。最后上个图:

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Q9

地球是球体,为什么地图是方的?

实际上,由于地球近似于三维球体,而地图则是一个二维的平面。你没有办法将一个球面变成一个平面。当采用不同投影方式将地球表面投影在二维平面时,每一种投影方式都会使地球表面产生变形。因此,世界上没有一幅完全精确的地图,各种地图都是为方便实际使用设计的,都会着重保证的某一方面的真实性。

时区是以经线来划分的,所以为便于时区划分,经线划分图上将经线会变形为直线。这种地图多是采用墨卡托投影制作。这种投影的方法,简单的讲,就是假设用一个和赤道面垂直的圆柱套在地球上,然后在地心点亮一盏灯,灯光将地球上各个点投影在圆柱上,再把圆柱展开,就做成了这种矩形地图。

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不过实际上我们较少用到矩形的地图,因为矩形地图失真很严重。使用墨卡托投影制作的地图,纬线和经线是相互垂直的直线,但纬线越向两极地区,间隔就会急剧增大,到南北极点时,纬线间距离达到无穷大。由此造成的结果,就是地图在赤道地区非常精确,但在两极地区则变形极大。下面这张地图就是用墨卡托投影制作的,大家感受一下:

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注:非洲面积真实面积是格陵兰岛(红线圈起的区域)的13倍

所以一般至少要使用椭圆形的地图才能使失真不那么严重,如这张地图:

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至于为什么我们常见到的世界地图的形状还多是接近于矩形,这就是主要出于地图的实用性的考虑了。为了不将地球上的大陆生生切断,地图的边缘形状必须较为规则。(想一想如果你的国家在世界地图上被边缘切开了,你是不是会非常郁闷?) 椭圆形的世界地图既保证了失真不特别严重,又使各块大陆,各个国家的形状都能在地图上得以完整地展现。因而,这种出于综合考虑的地图实际使用最为广泛。

给孩子最好的科学教育

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