为什么用摄像头拍电视屏幕会出现条纹？| No.66
大家都知道
用相机拍摄电视画面会出现
令人苦恼的条纹
但你知道怎么减轻这种现象吗
如果想不出来
还可以学学艺术家
他们把它用在了创意设计上
如何理解动滑轮，其省力的实质是什么？
By 破壁人
A
先上图：
如图所示，在任意时刻，动滑轮都可以认为是一个杠杆。L1为动力臂，L2为阻力臂，L1为L2的两倍，故动滑轮能省一半的力（实际过程中还需要考虑滑轮、细绳的重量和摩擦力）。
1608年，在著作《数学纪要》（《Mathematical Collection》）中，荷兰物理学家西蒙·斯芬通过滑轮系统，提出了虚功原理雏形。1788年，拉格朗日在其著作《分析力学》中，使用滑轮原理推导出虚功原理，解开拉格朗日力学的序幕。
为什么有的时候用手机或相机拍电视中的图像会有黑色条纹？
By 第三悬臂的麦克斯韦妖
A
这就是传说中的莫尔条纹（Moiré Pattern）啦。一言以蔽之，就是空间频率相近的两组图案相互干涉，会有更低频率（更宽间距）的图案显示出来。其中空间频率是指其中特征条纹间距的倒数。
说得这么玄乎，其实道理很简单啦！比如在两张透明塑料纸上分别画一排竖线，上面那张每隔1 mm画一条，下面那张每隔1.1 mm画一条，很容易发现，竖线每隔11 mm就会重叠一次。细线重叠位置附近，露出的间隙较大，显得明亮；而细线不重叠的位置附近，露出的间隙较小，显得灰暗。这样就形成了周期为11 mm的明暗分布来，整体看上去就是一个间距更大的粗条纹，从而很容易被眼睛感受到。
以上只是一维周期图案对应的情况。那么二维情况如何呢？我想你在生活中一定盯着两层相互重叠的窗纱看过吧？或者……美腿丝袜？细心的你一定会发现，在原有细密条纹的基础上隐隐约约有间距更宽的粗条纹出现。当两层窗纱不完全平行或者自身有所起伏时，这些条纹还会弯弯扭扭。用摄像头拍电视屏幕时也是类似的情形：电脑屏幕上纵横的像素网格相当于第一层窗纱，手机摄像头里的CCD传感器阵列相当于第二层窗纱，甚至手机显示屏相当于第三层窗纱，于是拍摄得到的图案也是有莫尔条纹的啦。再加上角度偏离时的透视、镜头成像时的畸变，以及屏幕本身的微小形变，拍摄到的莫尔条纹同样可以弯弯扭扭。
为什么纯水不导电，而普通水会导电？
By 黑礼服/邋遢绅士
A
导电是一定数量的载流子的定向移动产生的。常温下，水的电离全部由水分子电离产生。水的离子积常数为10-14，所以c[H+]=c[OH-]=10-7mol/L，因此可以计算得到电离度为1.8×10-7%。离子浓度太小，因此我们认为几乎是不导电的。纯水电阻率为10MΩ·cm量级。
而普通水中含有一些杂质离子，一般是天然的Na+，Ca2+，Mg2+以及消毒处理引入的Cl-。水本身存在弱电离平衡，当强电解阳离子或者强电解阴离子存在，都会导致电离平衡的重新建立， 强电解质对导电也有贡献，从而导致水的电解率增大，这个时候普通水当然导电了。
此外，哪怕你真的拿着纯水，接上了高压，这时要是人体接触纯水，身上的盐和酸都会对纯水造成污染，那个时候导电不导电就不仅仅是纯水的问题了。
在微观上如何解释摩擦力，它在本质上是什么？
By 佚名
A
摩擦力在微观上如何起作用，科学家们提出过很多理论：如高中会提到的机械啮合理论——认为材料表面凹凸不平导致摩擦，以及分子作用理论——接触固体间的分子分离的前后势能差导致摩擦等。不过这些理论都存在不同程度的问题，摩擦力在微观上如何起作用，至今仍存在争议。但是可以确定的是摩擦力其本质是接触面原子分子之间的电磁相互作用，大家可以就其本质对摩擦力如何作用进行一些思考。如接触面上原子的电子像包裹在原子核周围的云一样，称为电子云，电子之间存在斥力，那么接触两侧的电子云之间就存在粘滞，这会带来一定的阻力。
PS：自然界中存在着四种相互作用力——引力相互作用（存在于所有物体之间，通常很小）、电磁相互作用（存在于电荷之间）、弱相互作用（如原子核的β衰变）、强相互作用（如质子、中子间的核力）。生活中大多数相互作用的本质都是电磁相互作用，如压力、摩擦力、拉力等等。
磁化的本质是什么？
By 德德
A
磁化过程就是磁性材料在磁场作用下，磁化状态发生改变，直到磁饱和状态。在同一磁体内，自发磁化强度大小是一致的，磁体中有许多磁畴，每个单个磁畴中自发磁化强度表现为不同的方向。所谓磁畴，就是铁磁材料在自发磁化的过程中为了达到能量最低产生的小型磁化区域，每个区域内部有大量原子，原子磁矩方向相同。而相邻的不同区域之间原子磁矩排列方向不同，宏观上表现为自发磁化强度大小相同，但是方向不同。磁畴的交界面称为磁畴壁，表现出的整体的磁化强度可以写为：
假定宇宙中存在一种阻力，这个阻力跟空气阻力一样，随物体速度增加而增加，是不是不需要相对论就能解释极限速度的问题了？
By 楚湘客
A
首先，题主的假设是不成立的，因为按照题主的说法，如果宇宙中普遍存在一种像空气阻力一样的力，那么最直接的结果就是，在惯性系中与其他物质距离足够远（保证研究物体不与其他物体发生相互作用）的物体仍然不能保持匀速直线运动。这和我们的观察是相违背的。
事实上，即便从狭义相对论的观点来看，无论多小的力也可以使物体加速。但是在相同作用时间内相同的力对于处在不同速度下的两个物体（静止质量相同）的速度的改变量是不同的。根据相对论的质量变换关系和动量定理我们很容易计算出：一个静止质量为1kg的物体，在1N的力的作用下，1s内速度变化量为1m/s。如果相同的物体被加速到0.99C（c为真空中光速），那么在1N的力的作用下，1s内速度变化量约为0.14m/s。可见随着速度的增加，力加速的效果越来越不明显，最终结果是如果我们想要弥补物体的速度和光速之间的最后一点点差距，需要我们用有限的力作用无限长的时间。所以我们可以说无法通过加速的办法把一个有静止质量的物体加速到光速。
精确地说，比热容会随物质温度上升而增大吗？
By 面壁者
A
热容量（比热容和其只差一个质量系数，讨论两者是一样的）是系统升高单位温度时内能的变化。一般情况下，在很小的温度范围，我们认为热容量是不变的，实际上热容量随温度变化是物质世界普遍存在的现象。
比如双原子分子理想气体的热容在常温下为5/2Nk，在达到几千度的时候变为7/2Nk（N为分子个数，k为玻尔兹曼常量）。我们可以把双原子分子想象成同时用弹簧和玻璃棒连接的两个小球。开始时温度较低，“分子”运动速度较慢，能量不足以撞碎玻璃棒，这时和没有弹簧是一样的。当温度逐渐升高，玻璃棒破碎，弹簧起作用了，振动自由度参与到能量的分配当中。由于经典的能量均分定理，原来平均分配给平动和转动自由度的一定能量，现在需要分给振动一部分，从而相同吸热时平动能增加得没那么多，温度也升高得比原来少，即热容增大。当然更为准确的说法是振动能是量子化的，较低温度的热运动不足以使分子发生振动能级上的跃迁，要达到103K量级，热容才需要考虑振动的影响。
热容随温度变化还有一个比较典型的例子，就是电子。电子的热容和温度成正比，常温下很小，要达到104K的量级才能和晶格热容相比较。因为电子是费米子，满足泡利不相容原理，每个能级只能占据两个自旋相反的电子，所以最高占据能级已经很高了，常温的热运动只能影响到最高占据能级附近的一部分电子。考虑晶格振动和电子的热容，我们就得到了在温度极低的情况下，金属的热容趋近于0。比较有意思的事是，根据热容的定义，热容可以为负值。黑洞的温度和其质量成反比，而质量和能量是相当的，也就是说黑洞吸收能量后温度下降，从而表现出负的热容，并且和温度的二次方成反比。
为什么极光是绿色的?
By 爱天文
A
首先我们需要知道，极光是来自地球磁场或太阳的高能带电粒子流使高层大气分子或原子激发而产生。根据能量最低原理，激发态是不稳定的，被激发的原子等一段时间后(这段时间称为寿命)会释放出一定能量的光子，然后回到稳定的基态，这一过程中放出的光就是极光。而大气分子主要是由什么构成的呢？没错，主要是氮气和氧气。这里我们先看一下极光的光谱。
根据我们上面的阐述，极光颜色主要靠激发态决定，也就是由大气分子的组成以及入射电子能量大小决定。当入射电子能量不太大，容易激发氧原子，最终产生的光波为557.7nm的淡绿色光。而能量较大时，容易激发氮原子，最终产生427.8nm的蓝色光。而在能量很大的时候，容易发出630nm的红光。
而虽然高层内空气密度小，但是碰撞对于寿命长的态而言依然是有巨大影响的，比如630nm的红光寿命约110秒，而处于这种激发态的原子，只要被其它原子碰撞，激发态就会改变，再跃迁回基态时发出的光的颜色也会随之改变，不会再是红光了。而557.7nm的淡绿色光寿命为1秒左右。对于人眼可以观测到的较低层而言，空气密度相对高层较大，碰撞较多，因此看到的多为绿色光。
本期答题团队：
物理所 Aaron Chen、李治林、木公可可、螳吉呵呵、大化所 J. Baker、北理工 文卿
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编辑：PXL
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