干冰制造舞台白雾物理原理(中国物理学会新春科普作品展播)

Posted 2023-05-25

篇首语：只要心还在跳，就要努力学习。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了干冰制造舞台白雾物理原理(中国物理学会新春科普作品展播)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

干冰制造舞台白雾物理原理(中国物理学会新春科普作品展播)

编者按

2022壬寅年新春伊始，中国物理学会科普优秀作品的展播的大幕正式拉开。没有比生机勃勃的科学传播更适合迎接春天的第一抹绿，第一道霞光，第一缕微风了。我们希望以此激发青少年对世界无穷无尽的好奇心，心怀科学梦想、树立远大志向，从这里开始，展开兴趣盎然的探索之旅。

中国物理学会以引导公众重视科学，尊重科学，发展科学为己任，自1982年即成立了科普工作委员会，致力于普及科学知识、传播科学思想、弘扬科学精神。为鼓励更多优秀科普原创作品的产生，中国物理学会科普工作委员会于2021年组织了“物理科普作品展演”活动，面向物理学科研人员、教师和学生征集原创科普作品视频。作品内容包括两个类别：（1）精彩科学三分钟——短视频讲解物理知识、物理思想方法，内容主要围绕大中学物理教学内容或日常生活中的物理现象；（2）讲台上的发明家——自制物理科普教具、展具等的视频展示。经专家评委会初评和复评，最终评选出优秀奖作品59件。作为庆祝中国物理学会创立九十周年的系列活动之一，我们从这59件作品中又精选出5件，在新春佳节之际进行展播，以此迎接科学的又一个春天。

值此新春佳节，中国物理学会恭祝全国的物理学工作者们，和所有对物理心怀热爱的人们事事顺遂，虎年大吉！

手触式蓄电池的秘密

电能点亮千家万户，但是你可否想过我们人体也能成为“电流大闭环”的一部分呢？由于我们人体中拥有大量离子，正如同自来水管道中的水滴定向移动能汇集产生水流一样，他们定向移动后就会产生电流，这是人体导电的原理。导电是人体生命活动的重要一环，早在1791年，意大利医学与动物学家伽尔瓦尼（Luigi Galvani）就发现，生物的肌肉运动与通过的电流息息相关，而我们的神经活动等生理现象均是通过人体内部的“微电流”实现的。而当外界有电流通过我们人体时，一旦电流过大，电流所承载的能量就如同洪水一般会对人体产生伤害，这是我们触电的原因， “发毒誓遭雷劈”等俗语其实都与人体导电相关。

在这个过程中，离子也要克服翻越“崇山峻岭”的阻力才能产生电流，这也被我们称之为电阻。而人体电阻也是在时刻变化的，人体产生汗液、体温升高等都能使电阻降低，而我们也可以通过手动增加电阻来“阻隔”电流。在高压电网上工作的电力工人，他们不会触电的秘密之一就是戴上的绝缘手套，这双手套电阻巨大，因此牢牢的阻碍了强大的电流流过工人的身体。

近年来，假借医疗器械蒙骗老年人的案件层出不穷，视频中提到的“健康检测仪”正是假借电流计的示数作为“健康示数”的虚假器械。骗子声东击西，表面看似是药丸起到作用，实则是服下的热水使人体微微出汗，出汗后手上的汗液能够降低人体电阻，因此看起来人体电流便有了显著增加。在新春佳节来临之时，往往也是骗子在一年中“冲业绩”的好时机。全民学习科学知识，不仅是提高公民科学素养的重要一环，也是我们每一个人防诈骗的重要“保护伞”。

引力弹弓的秘密

“ 利用引力这把大弓，把飞行器弹射出去！

——引力弹弓效应

伽利略号

日常生活中，引力稀松平常到几乎让人注意不到，但如果我们深入到浩瀚的宇宙中会发现，引力才是那个终极大boss！我们知道宇宙中有四种基本相互作用，引力就是其中之一，而在影响天体运动方面，这四种力的影响，引力几乎是主导，因而当我们探索外太空时，能否利用引力就成为科学家们非常感兴趣的问题之一，而其中一个最知名也最常见的应用就是引力的弹弓效应。

引力的弹弓效应是一个非常形象的比喻，它描述的是这样的一种现象：当一个微小物体和一个非常巨大的物体追赶着相互接近时，两个物体彼此之间的引力会让大物体传递一部分能量到小物体身上而把这个小物体像弹弓弹射一样地甩出去。

视频中的理想实验十分具有启发性，我们可能很熟悉解释广义相对论的这样一个很直观的描述，即利用橡皮膜上的物体使膜凹陷来模拟时空弯曲，我们也肯定听说过牛顿引力可以看作广义相对论的某种近似。但利用这种演示出来的时空弯曲来解释引力的有趣的效应，正是这个视频中的理想实验在做的很有意思的尝试。这个实验非常直观地告诉我们，引力弹弓效应确实加速了那个小物体，把它弹出去了！

这一现象在人类探索外太空时有着非常巧妙的应用，人类想把航天器发射向外太空，但是脱离太阳的引力要消耗巨大的燃料，不过科学家意识到利用这一现象可以使巧劲儿：如果我携带不了那么多燃料，我就利用宇宙中庞大的星体把这个航天器弹出去。人类向遥远宇宙的征程，比如卡西尼号、伽利略号、旅行者号航天器的发射，都是人类多次利用了太阳系各大行星作为弹弓，接力着把它们弹出去的。

近视的矫正

大家在记录片中，是否有看过放大镜点火的镜头呢？（玩火危险，请勿模仿！）放大镜本质上是一个凸透镜，它能够通过折射光线，使得光线汇聚在一起。凸透镜表面的弯曲程度越大，汇聚光线的能力便会越强。反之，凹透镜能够使得光线发散。

在我们的眼球的前端，有一个结构叫做晶状体，它的作用就相当于一个凸透镜，将外部进入眼睛的光线汇聚在一起，这个汇聚的光线会聚焦成像在我们的视网膜上，大脑对于成像进一步加工，我们就能看到物体了。在晶状体到视网膜的距离不变时，当我们看近处的物体时，由于入眼的光线是从一点出发，不是平行的，因此常常需要更大的曲率；而远处的物体进入眼睛的光线近乎平行，因此只需要较小的曲率就能让我们看清了。

而我们的眼睛是如何做到或远或近的物体都能让我们看清楚的呢？在晶状体的外围有一层肌肉叫做睫状肌，通常情况下，睫状肌通过控制自己的绷紧与放松，能够调整晶状体的曲率，因此我们始终能够看物体非常的清楚。但是对于长期盯着屏幕和手机等近处物体看的当今人类，为了使晶状体曲率较大，长期处于绷紧的状态，这种状态会使得睫状肌恢复能力减弱，因此当我们看远的物体时，晶状体便会过度汇聚光线，使得成像在视网膜前面，造成看不清，这就是近视现象。为了矫正近视，近视患者就需要带上一个凹透镜，略微发散一下入眼的光线，这样就刚好在视网膜上了，曲率越大的晶状体，需要的凹透镜发散能力越强，焦距也越小，因此这就是我们常说的度数越高。

而如果成像在视网膜的后端，这就是远视现象了。同样的道理，对于远视患者来说，则需要使用凸透镜，提前将光束汇聚来进行矫正。对于年龄较大的人群来说，他们的睫状肌长期处于松弛状态，因此对于晶状体控制能力较差，晶状体弧度较小，因此容易产生远视现象，这也是为什么远视眼常常被大家称呼为“老花眼”的原因。

另外，在配近视眼镜时我们还常常听到“散光”这个问题，那散光和近视又有什么关系呢？对于散光患者来说，晶状体已经不是一个完美的凸透镜，晶状体中心往不同方向上的焦距都不一样，这就意味着不同地方入射的光线会成像在视网膜前后不同的距离，光线如同散开的一样，因此得名为散光。

其实近视本质上相当于眼睛长期工作，处于过度紧张的状态，因此在学习工作之余，不妨走出去，多多让我们的眼睛放松放松吧。

干冰的秘密

“ 干冰

不少高档餐厅在菜品摆盘的时候，会增加烟雾缭绕的“白雾”效果，这种“白雾”的产生与干冰的使用息息相关。干冰非冰，其实干冰是固态的二氧化碳，由于常温常压下二氧化碳以气体形式存在，因此干冰在常温下会直接转化为二氧化碳气体，这种由固态之前转化为气态的过程被称之为升华。升华现象在大家身边非常常见，放在衣柜里面的樟脑丸会逐渐变小，这也是升华的过程。

为什么我们通常看不到干冰转化为液态，而是会直接升华呢？因为物质三态（固态、液态、气态）的存在均需要在特定的温度和压力区间下。二氧化碳液态存在的压强至少需要527kPa（约为5个大气压），因此在常压下就不存在液态二氧化碳了。事实上，干冰的制造过程并不是冷冻至低温，而是将二氧化碳气体加压制成的。

升华这种由固态转变为气态的过程，会吸收大量热量，因此视频中制作“水果冰沙”正是利用了这一原理。我们在互联网上购买冷冻食品时，包裹内也常常使用干冰作为冷冻剂（区分于盐水冰袋，这种干冰冰袋在室温下放置一段时间则会由于升华内容物消失）。开头提到的将干冰放入水中产生“白雾”正是利用了这一原理，但 “白雾”并不是干冰升华产生的二氧化碳气体，因为二氧化碳气体无色无味，我们肉眼无法看到。“白雾”其实是干冰升华时吸收热量，使得空气中的水蒸气凝结成的小水滴。由于二氧化碳的密度比空气大，因此干冰入水产生“白雾”的效果常常聚集在空间下部，宛如流云一般，因此常常被用于舞台和影视剧拍摄，制造出“云端仙境”的效果。如同干冰一样，许多看似不常见的物质，其实在我们的生活当中已经被广泛使用！

热声琴的秘密

管乐是一类在全世界广泛存在的乐器，如中国的葫芦丝、西方的萨克斯、澳大利亚原住民的迪吉里杜管等，这一类乐器都有或大或小的一个管子作为主体，材质可能为竹子、金属、木头等。不同的材质和长度赋予了他们不同的声调和音色，但是这些乐器发出声音的原理都极为相似。

声音的产生是由于物体的压缩导致的，而日常生活中这个被压缩的物体自然就是空气了，声源使得空气以一定频率压缩，产生了疏密交替的空气波，这种波传到我们耳朵里便会让耳朵里的鼓膜产生振动，进而就被我们的大脑加工成声音信号了。而管乐的长管子正是它们发出声音的秘诀，演奏时我们会在乐器一端产生小小的空气振动，这个振动会使得管子里面的空气柱产生振动，空气柱的振动与管子内壁产生摩擦，进而引发了管体更大的共鸣，因此就将微小的声音放大了。而我们演奏乐器时诱导的微小振动有多种方式，如萨克斯是使哨片发生振动，小号直接利用嘴唇产生振动等。

那诱导声音的产生是否还有别的方式呢？视频里面提到的热声效应便是一种新的方式。空气加热后以后温度会升高，从而使得空气的密度降低。当热源位于管子下部的时候，下面密度较小的热空气会上升，上面密度较大的冷空气会下沉，这种空气的对流使得空气也发生周期性的震荡，因此便能够发出声音了。由于这种利用密度的对流只能在上下发生，因此视频中将管体横过来放置时，就不会产生声音了。

目前，国内已有相关研究利用热声效应，采用石墨烯或碳纳米管等新兴材料作为传热物质制造出来了一类新型扬声器。也许在未来的某一天，我们能够买到以热声效应为原理的音箱和耳机，由于它不是通过薄膜振动产生的声音，因此不用担心膜戳破了以后就会坏掉的问题，但是最大的缺点可能就是烫耳朵了。

文稿：逐年

排版：大萌/有衡

美编：农民

责编：理趣

来源：中国物理学会

编辑：aloysius