书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第22章 光与热(5)

在彩色电视用的摄像机中,过去要用三个摄像管。彩色画面通过一个分光系统,被分成红、绿、蓝三个画面,通过三个摄像管把这三种画面都变成强弱不同的电信号,再由电视播送系统把这些信号播送给接收机。彩色电视接收机中用的是彩色显像管,在它的荧光屏上分布着很多很小的发光单位,每个小单位涂有三种荧光粉。电视接收机按收到信号的大小,射出三束强弱不同的电子束,各自打到与它们相对应的三种荧光粉的小点或小条上,这三种荧光粉可分别发出红、绿、蓝三种色光,把这三种色光重合起来,就可得到原来的彩色画面了。

在传送三个色光信号时,一般可分为同时制和顺序制两大类。同时制是把红、绿、蓝三个原色信号同时送给接收机;而顺序制则是按一定顺序轮流传送红、绿、蓝三个原色画面,只要使其传送速度足够快,观众看到的仍会是一个完整的彩色图像。

随着技术的改进,现在的摄像机已多采用单管摄像,但其所利用的最基本的原理仍是相同的。

八十年代以来,随着科学技术的飞速发展,计算机及媒体技术开始出现,它可用计算机处理多种形式的图像(包括图形、彩色或黑白静态图像、彩色或黑白视频动态图像、动画等)和多种形式的声响(包括语音、音乐、音响合成效果等)等多种媒体信息。多媒体技术涉及到认知学、心理学、人机工程学、人工智能、软件工程等诸多的学科理论,是一种很有前途的技术。

于是多媒体教学系统也开始出现,它可借助计算机多媒体技术,对教学内容进行设计、制作和展示,并且制作精美、图文并茂、有声有色、动静结合,且制作、提取和修改都很方便,因而这种教学系统将成为未来教学改革的一种新趋势。

汽车前面车灯的灯光是平行地射出来的

汽车灯的外壳,都做成像碗的形状,这种形状叫做抛物面。壳子的内壁,涂上了光亮的水银汽车的前灯是凹面镜,使灯光照在内壁上,能够很好地反射出去。而且灯泡装在这个抛物的焦点上。这样,灯泡发射出来的任何一条光线,照到内壁后再反射出去时,就都能互相平行地照射出去了。

倘若灯泡不安装在焦点上;或者抛物面做得不十分正确,光线就不能平行地照射出去。手电筒的光线不能平行直射,就是这个原因,因此,做探明灯和汽车灯的外表,都需要很精密的技术才行。

物质都具有热量

这儿有一个非常有趣而又奇妙的问题:冰块有热量吗?仔细想一想!答案应该是冰块有热量。冰块确实有热量,它的热量少于水的热量,所以我们觉得它冷。

一切物质都具有热量。有些物质具有的热量多,有些物质具有的热量少。

热量是怎样产生的呢?人类很早就思考着这个问题,古希腊的哲学家们曾提出过种种假设,但这些假设纯属幻想式的臆想。直到18世纪中叶,由于温度计的发明,推动了有关热现象学说的发展。虽然人们对热的产生提出了各种假设,但把它们归纳起来,可分为两种:

一种假设认为,热的本性是物体的原子或构成物体的微粒的一种看不到的运动。

另一种假设则认为,热是一种热素,它是一种特殊形式,没有重量的“物质”。热素若进入某物体,就会使物质变热。

由于蒸汽机的发明,能量守恒的转化定律的发现,人们对热的本质的认识也有了改变,科学家们认识到热就是一种运动,热量的分子的运动所产生的。而“热素说”被真理无情地推翻了。

分子总是在运动着,所以一切物质都具有热量,一个物体的冷热程度,取决于它的分子运动的剧烈程度。分子运动得越剧烈,物体就越热。

太阳为我们人类提供了大部分的热量。太阳使我们的地球变暖,它使许多作物和树木生长。人类要靠食物来维持生存,没有太阳,我们将无法生存。那么太阳的热量是怎样传给我们的呢?

原来热量在真空中是以辐射方式传递的。辐射不需要分子。太阳就是以这种方式把热量传递给我们。当太阳的热量传到地球时,一部分热量从地球表面弹回,就是反射回去了;一部分热量被空气、水和土地所接收,物质吸收了热能,就变热了。

我们还可以从燃料的燃烧中得到热量。煤、石油、天然气和木材是供我们燃烧的一部分燃料物质,但是如果没有太阳也不会产生这些燃料物质。

摩擦也能提供热量。火柴一擦就燃烧,就是由于摩擦生热点着磷头的。但由摩擦产生的热量有时候也是有害的。例如,摩擦所生的热可以损坏机器。

原子能够释放出非常巨大的热量。科学家们目前正在研究怎样利用这种热量。到将来的某一天,我们的住宅和工厂所需的热量可能有很大一部分来自原子。

总之,热是一种能,一种生活中离不开的能。

热传导

在寒冷的冬天,人们为了更好地生活、工作,在室内生火,提高室温。现代人把生火改为通以“暖气”,所谓暖气就是通过热水或热气把“热”送到室内。所以在北方的冬季,仅靠室内设置的暖气片,室内温度就可以达到20℃左右。近年发展起来的电热器,转便快捷、可移动,进一步提高人们的生活质量。

像暖气片这样,使热量从高温处传到低温处的现象叫热传递。热传递的方式有多种。

把金属汤勺放在汤里,过一会儿,拿勺把时,觉得勺把很热。

类似的现象在生活中很多,一般家用炊具中的勺、铲、钗等都有一个木柄或塑料柄,目的是防止烫手。

像汤勺把、炊具把、火筷子的另一端逐渐变热等现象,即热沿着物体从高温部分传到低温部分的传递方式叫传导。

热传递不仅在固体中进行,实验表明,在液体和气体中也能进行。

当你手中拿着烤得热热的红薯或其他很热的食物时,你会用嘴对着吹了又吹,等待食物变凉。

烧开水的时候,在壶的下方加热,而整壶水的温度都会升高。

这种靠液体或气体的流动来传递热量的方式叫对流。

房间里安置火炉、暖气片、电热器等后,靠空气的对流会使整个房间的温度升高。

你知道太阳的热是怎样传到地球的吗?太阳和地球之间没有像火筷子这样的固体接连,也没有液体和气体的对流(地球周围有气体,但绝大部分空间是真空),它靠什么传热呢?

经验告诉我,靠近高温物体(如火炉,电热器)和被太阳晒得很热的物体时,虽然没有接触到这些物体,但你仍会感到有热传递给你。这种热由温度高的物体沿直线直接向四周投射的传递方式叫辐射。

热传递的三种方式,有时是同时进行的,如前面提到的房间里生火或暖气装置,往往既存在对流,传导(靠空气),也存在辐射。

量热法

量热法是测量各种过程中所涉及的热量和热容量(例如,化学反应热、相变潜热等)的方法。实际测量中,大多数情况是测量系统吸收热量后温度的变化。常温下的测量用等温量热计或非等温量热计。测量温度不同的物体相互接触时吸收或放出的热量,用非等温量热计量出其温度变化的数值。常用的有水量热计和电量热计。测量相变潜热时用等温量热计。它在两相平衡的温度下工作,将吸收或放出的热量用其他物理量的变化来表征。常用的有冰量热计和蒸气量热计。近代低温物理的发展,使低温热容的测量也显得很重要,因为固体的德拜温度、电子比热及超导体的能隙都与热容有关。低温下热容的测量方法有绝热量热法(包括连续量热法、脉冲量热法和差分量热法),非绝热量热法(包括热驰豫方法、交流量热法和温度波法)。

热气球的神奇之处

千百年来,人类希望飞上蓝天,这个愿望终于在1783年,由于热气球的诞生而变成了现实。

在法国一个名叫昂诺内的小镇上,有兄弟俩,哥哥叫约瑟夫·蒙戈尔费埃,弟弟叫雅克·蒙戈尔费埃。1782年冬季的一个晚上,兄弟俩坐在壁炉旁烤火。一缕缕炉烟从火堆升起,悠悠地向空中飘去。望着这冉冉升起的炉烟,哥哥突然萌发了一个想法:要是有一个口袋把烟装进去,烟不也会使口袋升起来么!于是兄弟俩找来一块绸子,缝成一只口袋。他们把口袋的开口向下对着炉火,很快口袋被热气鼓起来了。他们用绳子把口袋开口系住,一放手,口袋真的升起来了,一直升到天花板上。

从此,蒙戈尔费埃兄弟就迷上了热气球。开始他们用纸来制作热气袋,而且越做越大,也越飞越高。

1783年11月21日这天,蒙戈尔费埃兄弟精心制作的热气球载着两位青年勇士,以1000米的高度横越巴黎上空,25分钟后在巴黎郊外顺利着陆。

空气具有这样一个特性:当它受了热以后,体积就会膨胀变轻,就会向上升;受了冷呢,就会收缩变重而向下沉。我们知道,比同体积空气轻的物体能上浮。同样,比同体积水轻的物体能够上升。这就是热气球上升的道理。

我们在灯展上看到的色彩斑斓的走马灯也是利用空气的这种特性来制作的。

走马灯往往是一只用半透明薄纸糊成的圆筒形的纸屏,表面画着彩色的图画,圆筒装在灯架子上一根可以转动的轴一上,圆筒底部漏空可以通风,顶上装有一只纸做的风车。圆筒的内部同普通的灯笼一样点着一支蜡烛,它的作用似乎只是照亮纸屏,使人们看到上面的图画。其实,它就是使这只走马灯转动的动力。

当蜡烛点燃后,圆筒形纸屏内部空气被烧热了,空气一热就上升,当上升的热空气经过顶上那只风车的时候,就同一股风经过它一样,会把它吹得转动起来。风车和纸屏连在一起,因此,纸屏也跟着转动起来了。圆筒形纸屏内部原有的空气向上跑掉了,外面的冷空气就立刻从下面补充进去。这样就有源源不断的热空气上升,去吹动那只风车,于是走马灯就可以不停地旋动,直到蜡烛熄灭为止。

现在我们应该明白了为什么烧水时水壶要放在火的上方,冷却物体时却要把冰放在物体上面的道理。冰箱的冷冻室要做在冷藏室的上方也是这个道理。

棉袄并不能给人带来温暖

冬天到了,人们纷纷穿上羽绒服、棉袄、皮袄来抵御寒风的侵袭。穿上这些服装后就会感觉到身上暖和多了。可是你千万不要认为是它们把热量传给了人体,所以才使人感到暖和,这是绝对错误的。因为它们不会向人体传递热量,更不会给人以温暖。我们知道,只有热源才会给人以温暖,像火炉、太阳等都是热源,而棉衣不是热源,所以不能给人以温暖。那么,人穿上它们又的确感到暖和,这又是什么原因呢?

自然界中许许多多的物体按传热本领来区分,可分为热的良导体和热的不良导体,而棉花、羽毛、皮革都属于热的不良导体,都是很难传热的物质,而且它们蓬蓬松松,依靠纤维间静止的空气层,不仅阻挡着外面的冷空气吹到人的身体上,而且还能阻止人体的热量向外散失,帮助我们保持人体的正常温度。夏天用棉被盖着冰棍,冰棍就不容易融化,就是由于棉被阻止了外面的热量传给冰棍。

所以,对于“棉袄能给人带来温暖吗”这个问题,正确的回答应是,它只会帮助我们自己给自己温暖。说得更恰当一点,就是我们给棉袄温暖,而不是反过来棉袄给我们温暖。

冬天下的雪其作用也和棉衣一样。因为积雪也是热的不良导体,也不易传热,这样就相当于给大地盖上了一层厚厚的棉被,农作物不仅不会冻死,反而还能保持大地的温暖,起到了保护农作物的作用,同时也为植物生长提供了充足的水分。有经验的老农有一句话说得好:“今冬麦盖三层被,来年枕着馒头睡”。

在我们的生活中,热的不良导体远不止上面提到的那些,空气也是热的不良导体。新棉花远比旧棉花的保温性好,就是由于新棉花蓬松,里面有更多空气的缘故。同样的道理,盖了一段时间的棉被,拿到阳光下晒一晒,再用棍敲打敲打,盖在身上就会觉得更暖和,这是由于盖久的棉被,被人的身体压结实了,压出了许多空气,经太阳一晒,使棉絮变松软了,棉花中又进入了静止的空气,使棉被的保暖作用又完全恢复了。由此,人们受到启发,给火车车厢安装两层玻璃窗,这样一来,两层玻璃窗中又多了一个可靠的保暖伙伴——空气。由于空气不易传热,用空气做隔层,就相当于给火车罩上了一件透光性好的大棉衣,车厢内就不会再受到外面冷空气的侵袭了。在我国的东北地区,房间的窗户也是使用双玻璃,它不仅能使房间冬暖,还能使房间夏凉,这其中的原因,读者想必已经明白了。

生活中热的不良导体很多,除金属外,大部分物体都属于热的不良导体,这些热的不良导体为人们的生活提供了许多方便,但同时也带来了一些麻烦。比如往玻璃杯中倒开水时,一不小心,玻璃杯就容易炸裂,而且越厚的杯子越容易裂。其原因是玻璃的各部分没有同时膨胀,玻璃杯内壁先受热膨胀,而玻璃是热的不良导体,内壁的热不易传到外壁,使整个杯子受热不均匀,造成内壁的玻璃拚命向外挤压外壁,这样玻璃杯就被挤破了。因此,要避免这种情况,就要让杯子均匀受热,有经验的人常先在杯中放一把金属匙,再倒入开水,这是为什么呢?原来当开水倒入玻璃杯后,会把一部分热分给热的良导体——金属匙,这样,开水的温度降低了,对杯子就不再有妨碍。至于继续倒进去的开水,对杯子已经不那么可怕了,因为此时杯子已经来得及把热由内壁传到外壁。

热胀冷缩与热缩冷胀