雨后彩虹，

作為大自然的饋贈(zèng)，

成為了炎炎夏日中令人期待的奇觀。

呈弧形的彩虹劃過天際，

于是有了

白虹貫日、氣貫長(zhǎng)虹、長(zhǎng)虹飲澗等

生動(dòng)形象的畫面，

那么問題來了，

彩虹為什么總是弧形的呢？

1

Q：振動(dòng)的物體一定發(fā)聲嗎？

by?百川

我們都知道，聲音是物質(zhì)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲波，是能夠通過介質(zhì)被人體或動(dòng)物的聽覺器官所感受到的波動(dòng)現(xiàn)象。因此，聽到聲音需得滿足：物質(zhì)振動(dòng)，介質(zhì)，能夠被聽覺器官感受到。振動(dòng)的物體只滿足了第一個(gè)條件，聲音在真空中無法被傳播，這是考慮到介質(zhì)的因素。固體中晶格振動(dòng)產(chǎn)生聲子無法被人體器官感受到，因此可以說不發(fā)聲，對(duì)于一些超過聽覺器官感受到的聲音頻率，人體或者動(dòng)物也無法“聽到”聲音。因此，不能說振動(dòng)的物體一定發(fā)聲，反過來，物體的振動(dòng)是發(fā)聲的必要不充分條件。

By?Nuor

2

Q：鼠標(biāo)為什么在鼠標(biāo)墊上才靈？

by 匿名

機(jī)械鼠標(biāo)下部有一個(gè)滾球，拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)滾球轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而獲得鼠標(biāo)的定位。鼠標(biāo)墊提供了一個(gè)較大摩擦力的平面，使得滾球的滾動(dòng)不打滑，因此可以增加定位的精確性。

現(xiàn)在市面上的鼠標(biāo)大多是光電鼠標(biāo)，里邊有一個(gè)發(fā)光二極管。二極管所發(fā)出的光會(huì)被表面反射一部分，反射光通過透鏡組后傳輸?shù)焦飧袘?yīng)器件。當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，被光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片分析處理。該芯片通過對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。對(duì)光電鼠標(biāo)來說，鼠標(biāo)墊可以提供一個(gè)方便鼠標(biāo)感光器系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)向量的平面，防止因?yàn)椴ＡУ忍厥獠馁|(zhì)的表面反射與折射影響鼠標(biāo)的感光器定位。

By?Patwf

3

Q：眾所周知金剛石是自然界中最硬的物體，那金剛石是如何塑形加工的呢？

by?華殤

金剛石的原石形狀往往不規(guī)整，光線透過反射和折射的隨機(jī)性使之往往看來不夠閃耀，后期的打磨和拋光能夠很好設(shè)計(jì)金剛石的各個(gè)晶面，使金剛石變?yōu)殚W爍生輝的鉆石。

鉆石的加工一般包括四個(gè)步驟：劃線標(biāo)記、分割、成型和拋磨。其中分割和拋磨是主要的塑形加工的過程。分割過程現(xiàn)代工藝主要是利用激光切割的技術(shù)，其切面寬度窄（0.1mm），光滑性好(12.5μm)，對(duì)鉆石的耗損小，且成型美觀。拋磨中利用了“只有鉆石才能打磨鉆石”，并且由于鉆石具有各向異性，將鉆石粉作為磨粉打磨拋光鉆石，結(jié)合切割的過程，鉆石可以成型為固定形狀的幾何體，其每一個(gè)角度和面都是經(jīng)過精準(zhǔn)計(jì)算，從而保證可以充分利用光線，使之璀璨亮麗。

By?Nuor

4

Q：請(qǐng)問濕度計(jì)的原理是什么？

by?匿名

在此介紹一種常見的濕度計(jì)，名為干濕球濕度計(jì)。

干濕球濕度計(jì)有兩只規(guī)格一樣的溫度計(jì)，兩只溫度計(jì)不同之處在于，一只溫度計(jì)的球泡上包裹有浸濕的白紗布，叫做濕球；另一只球泡直接與空氣接觸，用于測(cè)定氣溫，叫做干球。干球測(cè)定的是氣溫，而濕球因?yàn)橛薪竦陌准啿及?，?dāng)空氣中相對(duì)濕度低于100%時(shí)，水分會(huì)蒸發(fā)吸熱，使得濕球的溫度低于干球的溫度。空氣越干燥，蒸發(fā)越劇烈，干濕球的溫度差就越大，通過兩者之間的溫度差就能測(cè)定出環(huán)境的濕度。原理雖然很簡(jiǎn)單，但是在不同的氣溫下，干濕球的溫度差代表了不同的濕度，關(guān)系很復(fù)雜，一般需要查詢濕度圖獲得絕對(duì)濕度。在家用的干濕球濕度計(jì)上會(huì)有濕度對(duì)照表，可以從上面讀出相對(duì)濕度，也有的在底部裝有計(jì)算盤，轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算盤也可得到相對(duì)濕度。

By 重光

5

Q：為什么會(huì)有丁達(dá)爾現(xiàn)象？

by?匿名

在光線傳播的過程中，光線照射到粒子時(shí)，當(dāng)粒子的尺寸遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)時(shí)，將會(huì)發(fā)生光的反射和折射，當(dāng)粒子的尺寸小于光波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生的是散射。生活中見的比較多的是瑞利散射和米氏散射。粒子的尺寸小于0.1λ時(shí)，發(fā)生的是瑞利散射，散射強(qiáng)度依賴于入射光波長(zhǎng)和粒子的大小，入射光波長(zhǎng)越短，粒子越大，發(fā)生的散射就越強(qiáng)。而粒子的尺寸和光的波長(zhǎng)比較接近時(shí)，發(fā)生的是米氏散射，米氏散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)幾乎無關(guān)，因此對(duì)所有波長(zhǎng)的光都散射。

可見光波長(zhǎng)一般在390~700nm之間，而膠體粒子直徑在1~1000nm（典型的是1~100nm，也就是高中課本上提到的），因此丁達(dá)爾效應(yīng)其實(shí)就是散射現(xiàn)象，而真溶液中的粒子尺寸太小了，散射現(xiàn)象不明顯，因此沒有丁達(dá)爾效應(yīng)。舉個(gè)例子：當(dāng)一束白光（復(fù)色光）照射膠體時(shí)，因?yàn)槟z體粒子尺寸大致是波長(zhǎng)的，膠體粒子對(duì)藍(lán)紫光的散射比較強(qiáng)烈，所以膠體正面透過的光以長(zhǎng)波光居多，側(cè)面散射的光以短波光居多。汽車的霧燈是黃色的也正是這個(gè)原因（為了減少散射，提高透過性）。

By 重光

6

Q：為什么彩虹總是彎的，而沒有直的彩虹？

by?華殤

彩虹形成的自然條件需要空氣中有水滴，觀察者背對(duì)陽光，光以低角度照射空氣中的小水滴，光在水滴之中經(jīng)過折射和反射到達(dá)人眼中，不同顏色的光頻率不同，其通過不同介質(zhì)的折射率不同，頻率越大，折射率越高，因此，白光經(jīng)過折射可以形成“七彩”的虹。

彎曲的彩虹形成以紅光為例，一束光線經(jīng)過球形的水滴，利用斯涅耳定律和反射定律確定其角度偏差定為D（α），大小為：180°+2α-4β，示意圖如下：（有興趣的筒子可以求解一下~）

利用斯涅耳定律可以用α替代β，從而得出偏差角隨α的變化關(guān)系（折射率定為1.33），為：

從以上示意圖可以看出，其偏差最小對(duì)應(yīng)的角度范圍內(nèi)的光線是最集中和明顯的，更加直觀一點(diǎn)，可以畫2D示意圖，如下：

因此，這個(gè)使偏差角最小的α的角是我們要求的。求解可得α的角度為59.58°。從而偏差角為137.48°，水滴折射出的光線與太陽光形成的夾角為42.52°，以人眼為圓錐點(diǎn)，太陽光平行的方向?yàn)楦撸?2.52°為母線與高的夾角，光線形成一個(gè)圓錐面，由于眼睛無法區(qū)分距離，所以看到的是一個(gè)圓弧。（其他角度由于光線的密度低，會(huì)發(fā)散。）

針對(duì)不同的光線，其夾角會(huì)有微小區(qū)別，因此會(huì)形成七彩圓形的虹。生活中由于地面的阻擋，因此只能看到圓弧的一部分，就是一個(gè)彎曲的拱形虹。

有關(guān)于彩虹的一個(gè)很有意思的點(diǎn)就是，每個(gè)人看到的彩虹都是由不一樣的水滴反射得到的，它是獨(dú)屬于你一個(gè)人的彩虹。

參考：彩虹中的數(shù)學(xué)（https://plus.maths.org/content/rainbows）

By?Nuor

7

Q：液態(tài)水要多深才能被水壓壓成固態(tài)？

by?匿名

我們先來看一下水的相圖（注意縱坐標(biāo)是對(duì)數(shù)），從相圖中可以看出如果想讓常溫下的水變成固態(tài)，需要大約1GPa的壓強(qiáng)，那么我們就可以算一下大概要多深的水才能產(chǎn)生這么大的壓力。

假設(shè)水的密度是1000 kg/m^3，g取10N/kg，那么根據(jù)液體中壓強(qiáng)的計(jì)算公式，

，可以知道需要10^5m深的水才行，也就是需要十萬米深的水。地球最深處的馬里亞納海溝也就才1.1萬米左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，將液態(tài)水壓成固態(tài)，需要將近9個(gè)馬里亞納海溝才行。

要注意的是，上面僅僅是估算，實(shí)際上不需要那么深的水。因?yàn)樗拿芏绕鋵?shí)是會(huì)隨著壓強(qiáng)增大而增大，簡(jiǎn)單的說就是水被壓縮了。平時(shí)說水不可壓縮只是在一些溫和的條件下，在題目這種極端條件下，水的密度變化就要考慮。見下面右邊那張圖，可以發(fā)現(xiàn)，0℃下，當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa的時(shí)候，水的密度都已經(jīng)超過了1200kg/m^3。

By 重光

本期答題團(tuán)隊(duì)

物理所? ?Nuor、煦天、重光、Patwf

我們下期再見~