鹽大家都很熟悉

每個(gè)人每天都要和它打交道

要是哪天炒菜忘了放鹽

這個(gè)菜就會(huì)讓人難以下咽

大家對(duì)它的咸味都很熟悉

但是這個(gè)咸味來(lái)自于哪里呢？？？

1

Q：很多年一直好奇，人們離不開(kāi)的食用鹽（氯化鈉）的咸味究竟是氯離子體現(xiàn)出來(lái)的味道還是鈉離子體現(xiàn)出來(lái)的味道？

by?@mzzxxz

簡(jiǎn)單回答，目前一般認(rèn)為氯化鈉的咸味來(lái)自于陽(yáng)離子——鈉離子，鈉離子被特定味覺(jué)細(xì)胞上的鈉離子通道輸送進(jìn)味覺(jué)細(xì)胞，引起細(xì)胞膜內(nèi)外電勢(shì)波動(dòng)，細(xì)胞電位變化使得Ca離子通道打開(kāi)，Ca離子內(nèi)流使得神經(jīng)遞質(zhì)釋放，激活下一級(jí)神經(jīng)元，神經(jīng)信號(hào)傳遞到中樞，產(chǎn)生咸味的感覺(jué)。

如圖所示，味蕾上的味覺(jué)細(xì)胞主要有三類(lèi)，感受咸味的類(lèi)膠質(zhì)細(xì)胞、感受甜苦鮮味的受體細(xì)胞以及感受酸的前突觸細(xì)胞。

吃東西時(shí)，食品在咀嚼和吞咽的過(guò)程中分散、裂解，部分分子或離子溶解于唾液中，擴(kuò)散到味蕾上接觸到味覺(jué)細(xì)胞。如圖所示，對(duì)于感受咸味的類(lèi)膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，當(dāng)鈉離子濃度達(dá)到一定程度時(shí)，鈉離子與細(xì)胞上的特異性通道蛋白（ENaC)結(jié)合,進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，鈉離子在細(xì)胞內(nèi)富集，細(xì)胞膜去極化，鈣離子內(nèi)流，引起神經(jīng)遞質(zhì)釋放，產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)，最終感受到咸味。

上述機(jī)制已經(jīng)在小鼠細(xì)胞上得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)（Nature 2010, 464, 297-301.），但人體味覺(jué)細(xì)胞的真實(shí)情況尚不明確，其他陽(yáng)離子比如鉀離子、鈣離子以及陰離子氯離子的影響還有待實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

參考：咸味是什么物質(zhì)引起的？氯化鈉為什么有咸味？https://www.zhihu.com/question/20425100/answer/16647185

By 勿用

2

Q：液體蒸發(fā)時(shí)要吸熱，為什么自身的溫度卻降低呢？不矛盾嗎？

by 蓮子

首先，我們講一下蒸發(fā)時(shí)到底發(fā)生了什么？

以室溫環(huán)境中的水為例，水中的分子有時(shí)可以沖破水的束縛從水中跑出來(lái)，這就是蒸發(fā)的微觀圖像。在水中，分子的速度并不完全一樣，有的分子運(yùn)動(dòng)速度快有的速度慢。速度快的分子由于動(dòng)能比較大所以更有可能脫離水的束縛。所以，蒸發(fā)出去的水分子是速度比較高的分子，剩下的是速度比較低的分子。在熱學(xué)中，速度低代表的正是溫度低，因此，蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致液體溫度降低。液體溫度降低后自然就更容易從外界吸收熱量且水溫降得越低從外界吸熱越快，直到快速分子帶走熱量的速度和水從外界吸熱速度相同時(shí)水的溫度便穩(wěn)定下來(lái)（這時(shí)水溫一定比室溫低）。綜上所述，并不是吸熱導(dǎo)致了蒸發(fā)，而是蒸發(fā)使得體系從環(huán)境中吸熱，這樣看，矛盾就不存在了。

By Nothing

3

Q：保溫杯是如何保溫的？

by?Loathe

在回答保溫杯是如何保溫的之前，我們先了解一下熱是如何傳遞的。熱的傳遞方式分三種：對(duì)流、輻射和接觸傳熱。其中對(duì)流傳熱可以理解為熱水和冷水放在一起后兩者相互混合導(dǎo)致的傳熱；輻射傳熱是物體通過(guò)向外輻射電磁波來(lái)傳播能量，物體的溫度越高輻射傳熱的效率越高；接觸傳熱是兩個(gè)物體相互接觸后熱從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。如果我們可以把這三個(gè)傳熱的途徑都阻斷掉那么就能很好的保持物體的溫度。

有了前面的背景，我們可以分析一下保溫杯為什么可以保溫：將熱水倒入保溫杯并蓋上杯蓋后，外界的空氣將不能和內(nèi)部環(huán)境接觸，對(duì)流傳熱將不能發(fā)生；由于100度的水并不算很熱，輻射傳熱的效率也不高；最后還剩下接觸傳熱最后一個(gè)途徑，可以看到，保溫杯并不是單層結(jié)構(gòu)，杯壁上存在真空隔層，正是這個(gè)真空隔層斷絕了內(nèi)部與外部接觸傳熱的路徑。以上就是保溫杯可以保溫的原因。

By Nothing

4

Q：氣球和肥皂泡里面明明是空氣，為什么不會(huì)在空氣中一動(dòng)不動(dòng)，而會(huì)向上飄呢?

? ? ?by?木兮啊

首先，我們?cè)跊](méi)有風(fēng)的環(huán)境中討論這個(gè)問(wèn)題。由浮力定律我們知道，一個(gè)物體只要它的平均密度和空氣相同那它就能懸浮在空中。

那為什么氣球和肥皂泡往往不能維持懸浮呢？原因主要有兩個(gè)：第一是肥皂泡和氣球除了包括空氣之外還包括外面的一層膜，一般來(lái)說(shuō)，這層膜的密度要大于空氣。另一個(gè)原因是，氣球的表皮和肥皂泡的液膜會(huì)向內(nèi)對(duì)空氣施力，結(jié)果就是內(nèi)部的空氣被壓縮。我們都知道壓縮后的空氣密度變大（pV=nRT）。綜上，一般情況下，氣球和肥皂泡的密度都要大于周?chē)目諝?，因此?huì)在空氣中下落。但是，如果在氣球中沖入氦氣等密度較小的氣體的話(huà)也可以讓氣球飄起來(lái)。

如果在有風(fēng)的環(huán)境中，由于有風(fēng)的影響，氣球向哪運(yùn)動(dòng)就不一定了。

By Nothing

5

Q：為什么帶電導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，靜電荷分布在導(dǎo)體表面，而且曲率半徑大的地方電荷密度小？

by?Wicked

靜電平衡是指導(dǎo)體中自由電子無(wú)定向移動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)一直存在），電場(chǎng)分布不隨時(shí)間變化。無(wú)論導(dǎo)體帶不帶電，其在外場(chǎng)的作用下，自由電子向電場(chǎng)的反方向做定向運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)與外場(chǎng)方向相反且隨著自由電子增多而增大，直到與外電場(chǎng)相等內(nèi)部電子停止定向移動(dòng)，達(dá)到靜電平衡。電荷在表面是其定向移動(dòng)的結(jié)果。

導(dǎo)體表面的電荷分布情況不僅僅與表層的曲率有關(guān)，還受導(dǎo)體本身的形狀特性，周?chē)橘|(zhì)分布情況以及導(dǎo)體的帶電狀況影響。對(duì)于孤立帶電導(dǎo)體而言，定性的規(guī)律是：曲率越大，電荷分布越密集。值得注意的是，電荷密度與曲率之間不存在單一的函數(shù)關(guān)系。定量的研究比較復(fù)雜，有興趣的同學(xué)們可以參考：對(duì)孤立橢球?qū)w面電荷密度與表層曲率之間關(guān)系的研究。其與定性的結(jié)論一致。

參考鏈接：http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GXJB201204010.htm

By Nuor

6

Q：如何擺脫地心引力？

by?—眾里尋你

只要你跑的足夠快，地球就抓不住你。

宇宙中每一個(gè)物體都以一定的力吸引著每一個(gè)其他物體，對(duì)于任意一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，其力的大小為：

對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)，如果想要擺脫地心引力，根據(jù)引力定律，有四種方法。

方法1：將m即地球的質(zhì)量變?yōu)?。要想做到這一步，雖然方法有很多，比如說(shuō)將地球m離散化，不斷拋出一塊塊到外太空直至質(zhì)量為0，但這樣實(shí)施起來(lái)并不簡(jiǎn)單，而且可能會(huì)成為全人類(lèi)的公敵。

方法2：將m’即你的質(zhì)量變?yōu)?。對(duì)于你本身的質(zhì)量可能難以實(shí)現(xiàn)，但是最簡(jiǎn)單的方法是：你的思維是沒(méi)有質(zhì)量的，其本身是不受地心引力影響的，所以，請(qǐng)讓你的思維自由思考飛翔吧（這也可能是成本最低的方法了。）

方法3：將m向m’轉(zhuǎn)變，這個(gè)方法的精髓是將地球的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槿说馁|(zhì)量。你可以努力吃土，等到地球的質(zhì)量為0，你的質(zhì)量為m+m’時(shí)，你就完全不受地心引力影響了。

方法4：增大r的值，當(dāng)r趨近于無(wú)窮時(shí)，F(xiàn)就可以忽略不計(jì)了。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，當(dāng)把航天器以超過(guò)第二宇宙速度（11.2km/s）發(fā)射之后，其就會(huì)脫離地球的引力場(chǎng)而成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造衛(wèi)星。當(dāng)其達(dá)到第三宇宙速度后，其就會(huì)脫離太陽(yáng)系，飛翔浩瀚的宇宙中。

By?Nuor

7

Q：毛筆的筆頭，浸到水里，毛就散開(kāi)；從水里拿出來(lái)，毛就并攏到一起。這是什么原理呢？

by 笑笑

也許擅長(zhǎng)書(shū)法的你會(huì)發(fā)現(xiàn)“毛筆的筆頭，浸到水里，毛就散開(kāi)，從水里拿出來(lái)，毛就并攏到一起”，也許長(zhǎng)發(fā)的你會(huì)疑惑“洗頭的時(shí)候頭發(fā)為什么在水中是散開(kāi)的，而從水中弄出來(lái)后卻粘連在一起”，這其中的物理原理是什么呢？

首先我們假設(shè)一個(gè)完全剛性的刷子，顯然不管剛性的刷子是浸潤(rùn)在水中還是拿出來(lái)，刷子上的毛是無(wú)法聚集在一起的，由此可見(jiàn)，毛筆和頭發(fā)的彈性是其出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象的前提。實(shí)際上，在不考慮重力及其他因素（比如靜電作用）的影響下，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是毛細(xì)作用力和彈性作用力的相互競(jìng)爭(zhēng)。

如圖所示，假設(shè)兩個(gè)相互靠近的平行擋板，部分浸潤(rùn)在液體中，如果擋板是剛性的，液體在毛細(xì)作用力下上升的高度可以由朱里定律（Jurin’s law）得到

由朱里定律可知液面高度與液體表面張力γ、液體密度ρ以及擋板間距d有關(guān)。對(duì)于彈性擋板而言，在液體表面張力的作用下發(fā)生彎曲，液面也能上升至一定高度并且這段高度擋板通過(guò)液體接觸，這段高度被液體浸潤(rùn)，形成聚集現(xiàn)象。

下面計(jì)算非聚集區(qū)域的長(zhǎng)度Ldry，聚集區(qū)域擋板單位寬度的表面能為 -2γLwet ，形變區(qū)域單位面積的彈性勢(shì)能與形變區(qū)域曲率 ?的平方成正比，單位寬度形變區(qū)域的彈性勢(shì)能為d/Ldry^2， 那么總能量為3κd^2/Ldry^2-2γLwet，κ是彈性體的勁度系數(shù)。利用變分法得到最小能量時(shí)非聚集區(qū)域長(zhǎng)度為：

推廣到N個(gè)擋板時(shí)得到：

當(dāng)材料和間距固定時(shí)，兩個(gè)彈性體非聚集區(qū)域的長(zhǎng)度是一個(gè)常數(shù)，隨著彈性體數(shù)量的增加變長(zhǎng)，達(dá)到一定數(shù)量Nmax時(shí)，會(huì)出現(xiàn)完全不浸潤(rùn)，沒(méi)有浸潤(rùn)區(qū)域的情況Ldry=L；但數(shù)量小于Nmax的情況是可以存在浸潤(rùn)區(qū)域的，因此會(huì)出現(xiàn)小于最大數(shù)量彈性體聚集為多束的現(xiàn)象。同時(shí)彈性體數(shù)量一定，當(dāng)間距相對(duì)于長(zhǎng)度足夠小的時(shí)候，非聚集區(qū)域長(zhǎng)度也很小，宏觀上會(huì)形成聚集現(xiàn)象。這就是為什么頭發(fā)和毛筆會(huì)聚集，并且在非人為干預(yù)時(shí)會(huì)聚集為一縷一縷而非整個(gè)同時(shí)聚集的原因，只有當(dāng)間距足夠小時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)整個(gè)聚集的現(xiàn)象。

上述模型適用于二維彈性擋板，但可以定性說(shuō)明毛筆和頭發(fā)這些這些一維物體浸潤(rùn)后聚集的現(xiàn)象。

參考：Nature 432, 690 (2004）https://www.nature.com/articles/432690a

By 勿用

8

Q：原子內(nèi)99.99％都是真空的，為什么世界不是透明的？

by?Z

回答這個(gè)問(wèn)題可以從多個(gè)角度出發(fā)，首先透明的物質(zhì)是大量存在的，比如大部分的氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)。原子內(nèi)部確實(shí)很空，原子核和電子只占其中很小的體積，但是庫(kù)倫相互作用太強(qiáng)了（一個(gè)電子和質(zhì)子之間的庫(kù)侖力是引力的10^39倍！），導(dǎo)致電子很容易和光發(fā)生相互作用，即使他們沒(méi)有像我們想象的那樣“對(duì)撞”到一起，電子也可能吸收能量匹配的光子。

固態(tài)晶體的透光性主要取決于光子能級(jí)和禁帶寬度的相對(duì)大小，可見(jiàn)光和物質(zhì)相互作用時(shí)，對(duì)應(yīng)的光子能量范圍是1.77eV到3.17eV。當(dāng)光子能級(jí)小于禁帶寬度時(shí)，可見(jiàn)光對(duì)應(yīng)的能量不足以使電子發(fā)生能級(jí)躍遷，物質(zhì)不吸收可見(jiàn)光，具有透光性。當(dāng)光子能級(jí)大于禁帶寬度時(shí)，可以吸收對(duì)應(yīng)能量的光子使電子發(fā)生躍遷，顯現(xiàn)出特定的顏色；當(dāng)禁帶寬度足夠小時(shí)，晶體完全不透光，比如金屬。

從另一個(gè)角度考慮，如果光子能量足夠大，那么許多物質(zhì)都可以是透明的，而這樣就必須要電磁波的能量足夠大，比如X射線(xiàn)能透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的墨紙和木料等。這樣看來(lái)，世界的本質(zhì)其實(shí)是透明的，只是人眼的分辨率不夠而已。

By 勿用

本期答題團(tuán)隊(duì)

物理所 勿用、Nuor、Nothing

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