有笔直的闪电吗？| No.67
夏天到了
小编的城市里开始了
阴雨连绵的日子
你注意过下雨时的闪电吗
闪电为什么是弯弯曲曲的呢？
By Paradide
A
重力加速度的大小等于单位质量物体所受的重力，方向也与之相同。首先，必须了解重力是怎么来的。如图所示（图片来源于网络），地球引力对放在地表的物体做了两件事:一件事是提供了物体跟着地球一起转动的向心力，另一件就是提供了重力。因此向心力和重力作为引力的两个分力，合成就是引力。可以看到重力方向也是与引力不同的。
也可以用另一种理解方式，在以地球表面为参考系的物体，会感受到一个惯性离心力，其方向与图中向心力方向相反大小相等（这时就不要考虑向心力了，向心力是在不转动的参考系看到的，现在是在转动的参考系）；物体受到的两个力——离心力和引力的合力就是物体感受到的重力，重力结果是和前面的理解相同的。
现在回到问题中来。先在图中观察这三个力的关系:引力变大而向心力不变的话，重力会变大；引力不变而向心力变大的话（要注意向心力远小于引力而且夹角是锐角），重力变小。现在，引力的大小是和距离的平方成反比的，越高的地方引力会越小，这会导致重力变小；而向心力的大小正比于转动半径（正比于ω²r），越高的地方向心力越大，也导致重力越小。综合两个因素，都会导致重力变小，这也就得到了结论:越高的地方重力越小。
能简单描述一下闪电产生的原因吗？为什么闪电多是弯弯扭扭的？
By 衬酒
A
雨天经常伴随着闪电的发生，闪电的产生包含了许多物理的过程：云层和地面由于摩擦等原因带上了相反的电荷，电荷的集聚导致云层和地面之间形成了强电场。空气由各种气体分子构成，其自身并不导电，所以一般情况下我们是看不到闪电的。但这些分子中的电子在强电场的作用下脱离原子核的束缚，空气变成由电子和离子形成的组合体所以变得可以导电。电子在电场的作用下发生能级之间的跃迁，这种跃迁伴随着发光，这就是闪电。而带电粒子形成的电流使空气瞬间膨胀从而形成剧烈的振动，这就是雷声。至于闪电的形状，由于电流沿着电阻极小的路径传播，而空气中这条路径的形状并不规则这就造成了闪电看起来弯弯曲曲。
为什么显微镜下看到的东西都像影子一样，没有立体感？与光源方向有关吗？
By 开心☻
A
首先我们需要了解一下立体视觉的成因。我们的眼睛对物体进行成像实际上是一个从三维到二维的投影过程，如果只能从一个方向“看”物体就不会有立体视觉了（读者可以试试只用一只眼睛看东西）。因此要形成立体视觉至少需要两只眼睛，并且两只眼睛的成像区域要有重叠。这样我们的大脑就可以利用从两只眼睛获取的图像重建出立体的图像了。
回到显微镜的问题上来，现在大多数的光学显微镜都是单物镜显微镜（很多双目显微镜是通过分光实现的，两只眼睛看到的图像是一样的），因此也只能看到没有立体感的图像。但是也有能够产生立体感的显微镜，比如体视显微镜。体视显微镜是通过两套成像系统从不同方向对物体进行成像，这样两个目镜中看到的图像就会有角度上的差别，从而产生立体感。
除了体视显微镜通过双目视觉来产生立体感，也有显微镜通过改变照明方向或者提取相位衬度等方法来产生“立体感”，但是这样的立体感并非双目视觉产生的立体视觉。
不透明的磨砂玻璃为什么贴上胶带就变透明了？
By 清水
A
要明白磨砂玻璃怎么变透明的，就得先看一下磨砂为啥透光却不透视。磨砂玻璃，也叫毛玻璃哈，其特点就是玻璃的一面是磨砂面，所谓磨砂面，就是表面粗糙，并不是像普通玻璃那样表面光滑。这个很容易理解，如果身边有磨砂玻璃的话，用手摸一下就能感觉出来这明显的差别。也正是这“粗糙”的表面，造成了磨砂玻璃“透光却不透视”的特点。
如果你了解反射，一定听过反射里面两个相对的词—镜面反射与漫反射。像这样（图片来自网络）:
镜面反射由于镜面平整，反射的光束都按相同的规律。漫反射由于反射面粗糙，反射线“乱七八糟”，这些“乱七八糟”没规律的反射线进入眼睛，我们就看不清它反射的物体时啥了。所以镜子都是用光滑的玻璃制作，而不会用粗糙的毛玻璃做。“透光不透视”的原理相似，光线是能透过磨砂玻璃的，而在磨砂玻璃的“毛面”，由于界面不规则，折射光线“乱七八糟”，我们也就不能透过磨砂玻璃看清东西了。
如果想要“破坏”这种“漫”效应，就得消除玻璃表面的粗糙。方法嘛，就是用折射率相近的“东西”来填充表面的“凹陷”使其变得光滑。石英玻璃的折射率是1.46，和水的折射率1.33比较接近，所以用水刷一下磨砂玻璃表面，也能使其变透明。正是由于这个，所以浴室装磨砂玻璃，磨砂面都朝外开。相同的原因，如果用胶带粘上磨砂玻璃的“毛面”，胶带的胶会填充好这个毛面，使其不再粗糙，也就做到了透视的效果。
看来用磨砂玻璃保护隐私，还是挺不靠谱的呀。
By 德德
A
首先申明一下，这里的5V是充电器的输出电压，而并非输入电压，至于输入的电压，现在国际上用的最多的应该是100-240V，50-60Hz的交流（AC）电，因此风力发电机的5V电压肯定是无法给手机充电的。如果您的5V电压是不经过充电器直接往锂电池上充的话，也是行不通的，因为从风力发电机出来的应该是交流电，而手机电池显然是化学电池，需要用直流电来充电。话说回来，手机的充电器的基本工作原理到底是怎样的呢？下面是一种充电器的简单原理图：
（手机充电器简单原理图，图片来源于网络）
根据这个原理图，我们知道，首先，对标准的AC输入，进行半波整流（即AC→DC）和滤波操作，再经过一系列的电路达到稳压效果（这个过程比较复杂，篇幅有限，不做累述），得到固定电压的DC输出，最后再通过变压和滤波操作（一般可能还会加个过压保护电路）得到最终需要的DC输出。当然，这只是一种简单的原理图，不同的厂商的具体技术手段都有所差异，且市面上的充电器需要综合考虑一系列的实际因素（如安全性、稳定性和成本等），其电路远比这个要复杂的多，但大致原理差不多就是如此。
为什么生活用到的所有柔软线条物体极容易打结，例如耳机线等，有什么具体的解释么？
By 陈康
A
要用物理的本质来说的话，熵增是这个世界的不变规律。熵是描述体系混乱程度的物理量，耳机线打结实际是耳机线体系趋于混乱的结果。具体来说，这是个统计的结果:耳机线可能缠绕的形状有无数种，你眼中的“整齐”的形状只不过是其中很少的一部分，绝大多数都是“混乱”的。因此如果随意取出其中一种，大概率的可能是打结了的。耳机线被你整理好了，放进口袋，经过长时间的颠簸以后，它可能存在的形状就比较多了，那么拿出来的时候处于一种“混乱”形状的可能性就远大于“整齐”的情况，因此大多数时候也就打结了。
光照会对物体产生压力吗，比如一栋楼悬悬欲坠，外界突然给它光照，一瞬间楼塌了？
By 空白
A
从现代物理的角度来看，力并不是一个非常本质的概念，力的实质是动量在单位时间内的改变量，或者说是一种有动量转移的相互作用的表现形式。这一点在经典力学中就有一定的体现：力f=dp/dt。因此要判断一个过程中是否有力的“存在”，关键是要看这个过程中是否存在动量的转移，或者说参与相互作用的双方是否有动量的改变。
说了这么大一堆，现在回到光照是否会对物体产生压力这个问题上来。首先从量子力学的角度来看，光实际上是电磁相互作用的传播者，名曰光子，携带有一定的动量和能量。并且其动量的大小（真空中）正比于其能量，比例系数为真空中光速（p=E/c）。当光照射到物体上时，光会被吸收或者被反射，这两个过程都会导致光子动量的改变，因此被光照射的物体会受到力的作用。有人可能会问，我天天晒太阳，为什么没有感觉到光的压力？这是由于日常生活中的光产生的压力实在是太小了，在能把你热成狗的烈日下，你受到的光压强也仅仅大约是大气压强的千亿分之几（整个地球受到的太阳光光压大约有几万吨）。
日常生活中的光压小主要是因为光功率密度太小了。这里在举个大光压的例子:在人造光源中恐怕只有大功率激光能够产生较大的光压，但是与恒心内部的光压相比简直是不值一提，比如太阳核心附近的光压大约是一亿亿倍大气压。By Kabuto
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一般情况下我们在考虑物体的颜色时都是在照射白光的意义下进行讨论的。单从光的电磁理论出发，物体的介电函数是电磁波频率的函数，即物体对不同频率的电磁波的吸收、反射以及透射的能力不同。这样，当给物体照射白光时，不同频段的光的反射率不一样，从而导致物体呈现出特定的颜色。若从微观机理出发，讨论不同物体的介电函数差异的原因的话，我们知道其最本质的原因还是光子与电子之间的相互作用。不同物体中，电子所处的环境的差异很大（这里的环境不仅是指原子核的正电背景，还包括电子之间的相互作用），因此其能级结构也各不一样。这样，若我们把电磁场看作量子场的话，则可以认为光子与电子之间发生了各种复杂的散射过程（既有弹性散射也有非弹性散），从而最后达到一个统计平衡的状态，物体呈现出特定的颜色。事实上，将电磁场作为量子场来进行处理该问题会相当复杂（因为散射过程实在是太复杂了），一般情况下，我们将其作为经典场来考虑就够了，利用线性响应理论（久保公式），计算材料中的电子（尤其是价电子）对不同频率的电场的响应就能得到该材料的介电函数，我们也就知道了材料应该呈现的颜色。
本期答题团队：
物理所 Automan-Ex、可爱的你、木公可可、螳吉呵呵、清华大学 原子
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编辑：J.C
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