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23章 光与热(6)

乒乓球瘪了,用开水烫烫瘪的地方就会鼓起来。这是由于乒乓球里的空气热后体积膨胀,把原来瘪的地方顶起来,乒乓球就修复好了。气体不仅有受热膨胀的特性,而且遇冷还会收缩呢,这就是平常人们所说的热胀冷缩。

自然界中许许多多的物体都具有热胀冷缩的性质,物体的这种性质给人们的生活带来了许多方便,也带来了一些麻烦。比如,往自行车的车把上套塑料袋时,先用热水烫一下塑料套,再往车把上套,由于热膨胀,就比较容易地将塑料套套上。过一会儿,塑料套遇冷收缩,就能紧紧地套在车把上了。而烧开水时,水壶里的水如果灌得太满,水受热后体积膨胀,会从壶里溢出。因此就要想办法防止热胀冷缩造成的危害。比如:夏天架电线时要架得松一些,以防止冬天电线遇冷收缩时断了;冬天铺设铁轨时,铁轨间要留有一定的空隙,也是为了防止夏天铁轨受热,膨胀使衔接处凸起来,容易发生火车出轨事故;为了使桥梁有膨胀和收缩的余地,同样在桥梁上设置伸缩缝,以便不会发生翘曲;夏天不要把自行车内胎的气打得太足,防止空气受热膨胀,使内胎爆裂,也是同样的道理。

在我们的生活中,物体热胀冷缩的例子数不胜数,但并不是所有物体都是热胀冷缩的。比如夏天我们为了快速冰镇一下啤酒,可以将啤酒放在冰箱冷冻室中,但如果时间太长,啤酒瓶就会炸裂。这除了由于玻璃瓶冷缩外,还因啤酒中的水结冰后体积膨胀所造成。这与烧水时水受热膨胀的情况恰好相反,如何解释这种现象呢?

自然界中有少数物质的脾气很古怪,它们不是热胀冷缩,而是热缩冷胀,也叫反常膨胀。4℃以下的水就具有这种非同寻常的特性。水在4℃时的密度最大,体积最小。温度逐渐下降时,它的体积反而在逐渐增大,结成0℃的冰时,它的体积不是缩小而是胀大,比原来大约要增大十分之一。

由于4℃的水密度最大,所以在北方寒冷的冬天里,河的表面结了厚厚的一层冰,但在冰层的下面,水温总保持在4℃左右,这为水中生物提供了生存的良好环境。

水的这种反常膨胀的特性可以为人们所利用,如别具风味的冻豆腐,就是使豆腐中的水结冰后,体积膨胀把豆腐中原来的小孔撑大,当冰融化后,水从一个一个的小孔中流出来,豆腐里就留下了无数个小孔,整块豆腐呈泡沫塑料状,这样,冻豆腐经过烹调后,小孔里盛满了汤汁,吃起来味道就非常鲜美。

我国劳动人民很早就知道并利用了水的这种反常膨胀特性来开采石料。寒冷的冬季,往石间缝中注上水,等水冻成冰后,由于体积膨胀,把石头撑得四分五裂,这样开采起来就既省力又能提高效率。

但是水的反常膨胀有时也给人们的生活带来了一些麻烦。比如在冬天,室外的自来水管常会由于管中的水结冰,而被撑裂;汽车司机在冬天的晚上收车后,常常把水箱里的水放掉,也是防止水箱冻裂。因此,北方的冬季特别要做好保暖防冻措施。

甩得掉的影子

成语“形影不离”是借用人和影子的关系来形容人与人之间关系的亲近、密切。确实,在太阳下、或是灯光下,人们的身旁总是紧随着一个黑黑的影子。当然不光人有影子。任何一个物体在光线的照射下,都会有一个影子,而且随着光源与物体位置的变化,物体影子的大小也在不断地变化着。影子是怎样形成的?为什么影子的大小会变化?能不能把影子甩掉?

要解释这些问题就要从光线的行踪来寻找答案。光在同一种均匀的物质中,是沿直线传播的。

如果在光的传播过程中遇到了障碍物,比如,遇到了一个人,光线只会直来直去,不会转个弯,绕过人走,这样光线就被人挡住了,光过不去,自然就黑了,因而被挡住的部分就形成了一个阴影,即影子。

另外,我们还会发现:同样是在阳光的照射下,人的影子早晚长一些,中午短一些,为什么影子的大小会变化?这是由于早晚太阳光是斜着照射在人的身上的,这样光线被人体挡住的面积大(从头到脚),因而形成的阴影大;而中午的时候,太阳光直射在人的头顶上,光线被挡住的面积小,故形成的阴影小。

在生活中,我们偶尔遇到日食、月食。其实日食、月食就是由影子造成的。我们知道,地球绕着太阳旋转,每365天转一周;月球绕着地球旋转,每27天转一周。既然它们都在不停地运动,月亮就有机会转到地球和太阳之间,当他们在一条直线上的时候,月亮影子就会落到地球上。这时如果你恰在本影(在影子的中心区域是全黑的,叫做本影)里,就完全看不到太阳,这便是日全食;如果你正在半影(在本影的周围,影子逐渐变淡,这个区域叫做半影)里,就只能看到太阳的一部分,这就叫日偏食。根据同样的道理,当地球转到了太阳和月亮之间,三个星球在一条直线上的时候,照向月亮的太阳光被地球挡住了,月亮就会变暗,这就叫月食。

在生活中,影子还可以帮助我们做许多事情。炎热的夏天,人们在马路上行走或骑车,多么需要树荫的蔽护,影子可以遮荫;利用影子还可以做游戏,晚上在灯光下,把你的手摆成各种各样的姿势,在墙上就映出了狗、河马、鸭等各种动物的形象,栩栩如生,非常有趣。

利用影子还可以测量距离或物体的高度。比如在月球上,最大的环形山的高度大约为7000米,这个数据最初是由著名的意大利物理学家伽里略测得的。当然在伽里略时代,他不可能登上月球测环形山的高度。他是在地球上通过天文望远镜,测出月亮上环形山影子的长度,又知道了太阳相对于地球和月亮的位置,通过计算得出了环形山的高度。

影子另一个妙用就是计时。古时候,人们没有钟表,是靠太阳光所形成的某个物体的影子来计时的。人们制造了利用影子计时的计时工具,这就是日晷。在世界各地,有各种各样的日晷。在北京故宫博物院几个大殿前还保留着我国古代的日晷,它是一个直径1至2米的圆盘,盘面朝南,与水平面夹一个角度,盘子的正中央直立着一根长针,盘的周围有许多刻度。当太阳照在这个日晷上,长针的影子就像钟表的指针一样指示时间。

对于不经常停电的地方,偶尔停一次电,可以使人们变换一种心境,点一支大红蜡烛,心情也和周围的景物一样变得柔和、恬静,可是对于1岁左右的幼儿来说,会不习惯这样的幽暗,特别是总跟着他的那个黑影子,着实搞得他有些害怕。如果你根据光的直线传播规律,在影子里再点上一支蜡烛,由于背景变亮,影子就淡多了。如果在影子的周围点上许许多多的蜡烛,影子就会最终消失。

在生活中需要消除影子的地方都是仿照上面讲的道理去做的。比如医生做手术的时候,影子的出现会妨碍医生的操作,为了消除手术中的影子,制成了“无影灯”。无影灯是由许多水银灯组成的。它们安装在一个巨大的圆盘形灯座上,各个水银灯从不同的角度照射,影子就消失了。这样看来影子是甩得掉的。

磨砂玻璃与透明玻璃区别

你见到过磨砂玻璃吗?它和透明玻璃有什么两样?只要用手去摸一下,就知道它有一面毛糙不平,所以它又叫毛玻璃。

毛玻璃与普通玻璃的区别就是:既可以透光,隔着它又看不清发光的东西。因此浴室、厕所等处的窗上装了毛玻璃,可使室内的光线充足,而室外的人却看不到室内的东西。另外,也可以把亮度较大的灯泡做成磨砂的,以便室内光线柔和光强处处一样,当我们注视灯泡时,由于看不到灯丝,就不至于耀眼。总之,在一些需要透光,但又不需要看到东西的地方均可用毛玻璃。

为什么毛玻璃会有这样的性质呢?原来光线穿进玻璃和穿出玻璃都要产生折射,如果玻璃的两个面都是平滑的,两次折射都很有规则,我们隔着玻璃就可以看到发光物体。而毛玻璃有一面不光滑,它使经过的光线无规则地散乱开来,所以隔着毛玻璃就看不见物体了。

如果毛玻璃毛糙面沾了一层水,水填进毛面上的低凹部分,使整个外表变成了光滑的水面,光线穿过它就折射得比较有规则了。这时候,毛玻璃就改变了半透明的状态,隔着它也可以看到发光的物体。所以浴室安装毛玻璃时应使光滑表面向里,毛糙面向外。不过光线穿过毛面和水的接触处,还存在着一部分不规则的折射,所以淋湿的玻璃并不能像普通玻璃一样透明。如果淋湿的是光滑的一面,不是毛糙的一面,那就根本没有变化,仍旧和原来一样半透明。

保鲜能手——电冰箱

炎热的夏季,闷热潮湿;不但让人汗流浃背,而且使食品瓜果很快变质,不易保存。可是,随着生活中不可缺少的食品存放用具——电冰箱和冰柜大量地进入家庭,千家万户就不用再为食物的贮藏发愁,也不用为买不到消暑的饮品而担心,因为冰箱和冰柜能轻而易举地电冰箱解决这些问题。

冰箱和冰柜是如何工作的?简单说来就是通过热交换的原理将冰箱冰柜内的循环空气降温,并始终保持在相对较低的温度上。这个功能则是依赖于安装在冰箱(柜)内的制冷系统来实现的。制冷系统主要是由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管及制冷剂等组成,附属的部件还有温度传感器、电磁开关及风扇等。整个制冷系统的功能有些类似人类的循环、交换系统。压缩机就像冰箱的“心脏”,它主要负责将气体制冷剂压缩成液态,通过毛细管送到蒸发器。而冷凝器就像冰箱的“肺部”,在此高温液态的制冷剂将热散发变成低温液态制冷剂。蒸发器则像冰箱的“交换场所”,它提供了制冷剂与热空气充分按触的条件,使制冷剂由液态变成气态并带走大量的热。毛细管有些类似冰箱的“血管”,主要负责制冷剂的传送。而冰箱的“血液”则是一种称为二氟二氯甲烷的有机化合物(俗称氟利昂),它在常温常压下为气体,受到高压时变成液态并释放大量热,当其汽化时又能吸收大量热。就在氟利昂的气态和液态的不断转换中,冰箱(柜)中的热量被移到外面,而里面就是冰冷的清凉世界了。

冰箱靠近蒸发器的部分降温快,温度较低,但远离部分温度较高。故在结构上常分为两个相隔离的空间,靠近蒸发器的叫冷冻室,远离的则叫冷藏室。两个室各有自己的门,所以通常称为“双开门”冰箱。冷冻室温度常能降至-12~-18℃(用星级表示就是3~4星级),适合贮藏各种肉类及速冻食品;冷藏室最佳温度是4~10℃,适合存放新鲜蔬菜、瓜果、禽蛋和饮料等。冰柜则只有冷冻功能。

伴随着冰箱的大量使用而来的问题之一是卫生问题。很多青少年都存在着这样一种误解,认为冰箱温度低,食品就不容易变质了。故经常生食或食用不经彻底加热的冰箱保存食品,结果患了上吐下泻和腹痛疾病。其实冰箱保存食物仅仅是延缓了食物变质的时间,因为低温只能降低细菌和霉菌的活动和繁殖力,并不能杀灭它们。更有甚者,专门有一种致病菌就喜欢在低温下生活,这种病菌如果污染了食物,人食用后自然就会发病。另外,冰箱内的食品相互串味与细菌繁殖也有关系,故冰箱冷藏保存的食物最好不要超过一周,冷冻保存不超过3~6个月,而且要用食品袋包装好分别存放,定期清洗冰箱下层的污水盘也很重要。冰箱带来的另一个问题是噪音。每当夜深人静时,冰箱发出的“嗡嗡”声,经常使人无法休息。所以,如何选择按放位置也大有学问。通常是放在远离卧室的地方,而且四个支撑脚下最好不要垫东西,地面要平坦,上述措施都有利于减少振动和噪音。

从冲洗照片到复印机的应用

谁都知道的照片是通过复印技术冲洗出来的。在暗室中,摄影人员把已冲洗好的胶片覆盖在涂有一层银盐感光材料的相纸上,然后利用灯光使相纸“感光”,也就是让光照使相纸透光处的银盐发生光化学反应而还原,不透光处的银盐不发生反应,于是得到与胶片画面相一致的图像。随后将相纸放入显影复印机工作原理示意图液和定影液中,一张层次分明、色彩鲜艳的照片就呈现在眼前了。

现在再介绍另一类复印技术,它就是当今现代化办公室中不可缺少的得力帮手——复印机。

复印机是一个大家族,它们有很多种类。最有代表性的是静电复印机。静电复印机的工作原理与洗像过程相似,分为充电、曝光、显影、转印等步骤,不过比洗像要复杂些。而且,复印成像(图文)的载体不是相纸,而是普通的白纸,这一点和洗像也是截然不同的。