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地球在自转时会跑偏吗?| No.71

2017-09-01 Frions 中科院物理所


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我们生活在同一个地球

习惯了每天日夜变换,斗转星移

现在我们知道

承载着我们的地球其实并不完美

不完美的地球

自转时会不会跑偏呢?


1Q

下雨时,缓慢行走和奔跑过相同的路程,淋湿的情况一样吗?

By 咦?程成。

A

根据经验来看,肯定不一样呀,不然为啥下雨天人们都跑着啊?!!(耍情调的不算)。下面我们简单分析一下这个问题。实际下雨过程比较复杂,尤其是夏天雨季的时候,有可能隔着一条街降雨量都不相同(就是说街左边下雨比较大,而街右边下雨比较小。)这种复杂的情况要根据实际来分析。咱们假设一个简单的情况:降雨量不随空间变化,用“人话”说就是哪里下的都一样。再简化,在没有风的时候(这个有点不现实哈,便于分析而已)。这个时候淋湿程度(落到人身上的雨量)主要取决于被淋的时间和被淋的面积。时间简单,跑的肯定比走的短。面积呢?考虑被淋的面积的时候,我们再简化一下模型(没办法,物理就是这么忽略“细枝末节”只追求“本质”)。把被淋的面分为水平被淋面(就是从头上淋下来的雨哈,简称头面)和竖直被淋面(就是胸,腹部,脸部等被淋的面积,简称体面)。

头面的话比较简单,就是按时间计算,时间越长承受的也就越多。单说头面承受的雨量的话,跑的要比走的少。体面呢?我们在雨中的这个行进过程,体面受的雨量实际上正比于体面扫过的体积的。然后就是一个简单的几何题了。这个体积等于底面积(体面)乘以高度(路程)。从这个角度来说,跑的和走的是一样的。综上,还是跑的被淋的要少些(感觉有些废话哈)。

当然在被淋的时候很少人这么有“激情”考虑这个问题了,必然要跑呀,时间短就是王道,万一一会儿要下大呢。


2Q

地球东半球陆地多,西半球海水多,陆地密度大于海水,也就是说地球重心应该不在球心,化学实验直觉是这种情况在离心实验是会发生偏转而出危险的,可是地球在旋转的时候为何不会偏离其轨道做离心运动?

By Thunder rain

A

首先,题主所考虑的地球质量分布不均匀是客观存在的,不过这个偏离是极其微小的。海洋最深处只有10km左右,而地球的半径大约是6000km,深度的差别在2-3个数量级。这大概也就相当于完美的足球表面掉了几块皮,对球的运动形态不会有太大影响。

其次,当然也是真正重要的原因是,实验室中的离心机和地球的自转还是有很大区别的。离心机转子的运动是外力驱动的转动,其质心是可以存在加速度的。而地球的自身的转动(不考虑引力影响),可以看成是一个自由刚体的运动,其质心处于平衡状态。之所以离心机的在放置样品时要求严格配平主要是因为要保证转轴尽量通过转子的质心,以尽量消除转轴受到的转子不平衡时离心运动引起的侧向压力,压力加上相对运动就等于摩擦,这会缩短离心机的寿命。而对于地球完全不必有这样的担心,因为地球的质心不会因为自转而发生运动,自转轴必然通过地球质心。所以对于地球会突然漂移的担心完全是多余的,顶多是转起来会有点变胖,但是要脱离轨道还是得需要一个外力,就算地球质心在球体的最边上,地球也不会偏离轨道的。


3Q高中物理曾学到电子的跃迁以及电子云。那电子是如何从一个能级轨道跃迁到另一个能级轨道而不经过两个轨道之间的区域的?直接消失然后出现在另一条轨道吗?

By  昨夜星辰昨夜风

A

首先电子的跃迁是典型的量子力学效应。而一旦涉及到量子力学,我们就需要抛弃很多经典的概念,包括经典粒子与经典轨道的概念。根据海森堡不确定关系,一个粒子不可能同时具有确切的动量和坐标,即没有轨道的概念。造成这种情况的原因,我们大概可以认为是因为微观粒子的波粒二象性,即微观粒子并不是像宏观的粒子那样看得见摸得着,它同时也是一种物质波,所以经典的轨道概念并不适用与微观物理(当然宏观粒子也有波粒二象性,但是其波动性太弱,完全不用考虑)。所以,在量子力学中不同的能级并不是代表不同的“轨道”,而是代表粒子具有不同的能量以及相应的波函数(波函数描述粒子在某点出现的概率密度,因此原子周围的电子会呈现出电子云)。电子的能级跃迁是指电子从一个能量本征态跳到另一个能量本征态,而并不需要从一个“轨道”跳到另一个“轨道”,只是跃迁后的电子云形状会有所改变。


4Q

光有质量吗?黑洞对光的作用是一个引力透镜还是直接吸进去了?

By 征服

A

根据狭义相对论我们知道有质量的物质,其速度必然只能小于光速,而光子的速度为光速,若要不违反相对论,则其静质量必然只能为零。在实验上,物理学家已经测得光子的静质量的上限为10e-54kg(电子的静质量为9.1e-31kg),这个实验数值已经有相当大的力度能说明光子静质量为0了。既然光子无质量,那么引力如何作用光使光线发生弯曲呢?事实上,根据广义相对论的解释,质量会引起时空弯曲,而根据费马原理我们知道,光线延光程最小的路径传播,而由时空构成的黎曼流形,两点间的最短路径是沿着过这两点的测地线(平庸时空的测地线是直线,所以经典极限下光是沿直线传播),而由大质量引起的弯曲时空的测地线,在三维平直时空中看,则一般是曲线,故我们可以看到光线在经过大质量物体附近时会发生偏折,这就是所谓的引力透镜效应。因此,虽然光没有静质量,但是通过弯曲时空的作用,依旧能够受到万有引力作用。而黑洞,则是由于其质量相当大,其周围时空弯曲得十分厉害,以至于光线经过时,能被该弯曲时空俘获,从外面看的效果就是,黑洞基本无法发出任何光,所以看起来是“黑的”。综上所述,黑洞是通过引力透镜作用将光“吸”进去。


5Q

沙漏的质量为什么会因沙子流动而变化?

By 小艳子

A

沙漏的质量不会因沙子的流动而变化,这可以由质量守恒定律得到。沙漏收到的重力也不会改变,因为沙子的质量不变,重力加速度也不便,所以两者乘积得到的重力也不变。真正改变的是桌子对沙漏的支持力。沙子在下落过程中处于自由落体运动,所以它与沙漏没有相互作用,桌子的支持力只需抵消不动的沙子和沙漏外罩的重力。这就比沙子不动情况下少了抵消正在下落的沙子的重力那部分支持力。支持力自然会变小。和着类似的一种极端情况是,一个大的空心玻璃球内部有一个悬浮的小球,如果把它们放在称上,称的示数是两者重量之和还是仅仅是打球的重量?答案是可能是前者也可能是后者,这要看支持小球悬浮的力是由大球提供还是由大球之外的东西提供。如果大球提供,就相当于小球压在大球上,只不过它们没有直接接触,称的示数就是大球和小球质量之和。如果是由大球之外的物体提供(如磁场),那么就相当于小球被其他物体制成和大球没有关系,称的示数就是大球单独的质量。


6Q

假如一个烫手的铁球,在远恒星空间里,慢慢冷却下来,这些能量算不算损失掉?(请用白话)

By 不吃脑子的僵尸

A

题主要求用大白话来回答,那就是:他大舅他二舅都是他舅,热能量电能量都是能量。想要讨论能量是否损失,你就要先确定研究的体系。如果是对于铁球而言,能量确实是损失了,因为内能传递出去了;但是对于宇宙而言,能量并没有损失,它只是从一个部分转移到另一个部分。打个比方,你家长把你的压岁钱收走了,对于你来说就是巨大的经济损失,但是对于你家来说,钱并没有损失,只是从你手里转移到了家长手上。没错,你就相当于铁球,热量相当于钱,你家就相当于宇宙。这就是能量守恒。


7Q

我是一个五年级小学生,我想知道天空为什么是蓝的?

By 沛青

A

既然题主已经五年级了,那么你应该已经知道,太阳光是由多种颜色的光组合成的白光,你看到的颜色是由进入你的眼睛的光的颜色决定的。天空(特指天气晴朗、空气质量好的中午的天空)之所以是蓝色是因为你在看天空时只有蓝光从你看的方向进入你的眼睛,之所以只有蓝光能从这个方向进入你的眼睛是因为蓝光可以在大气中改变传播方向,之所以只有蓝光不按直线传播是因为瑞利散射。那么问题来了,什么是瑞利散射?首先,瑞利是一个人,正是他发现了瑞利散射。散射是一种现象,在我们的问题中,指的是光通过微粒密布的空间时会改变传播方向现象,而且不同大小的微粒会散射不同颜色的光。恰好,空气中的微粒(实际上是空气密度涨落形成的“杂质”)刚好散射蓝光,太阳光中的蓝光被空气散射,然后就可以从其他的方向进入你的眼睛,而且这个方向只有蓝光,所以你看到的天空就是蓝色。如果你往太阳附近看,这个方向上会有其他颜色的光,所以太阳周围的天空还是偏白的,只有远离太阳的天空才是蓝色的。题主还可以考虑两个问题,如果地球表面没有大气,天空看起来是什么颜色?为什么?既然天空的方向只有蓝光,当你拿着白纸对着天空时,白纸为什么看起来不是蓝色的?


8Q

坐汽车或火车的时候,在车辆缓缓停下的过程中,人会先向前倾,这个符合牛顿惯性定律。但是车在最终停稳后,人却又会向后猛的倾斜一下,似乎无法解释了,上学时问过几个物理老师都没有得到解答,请问这是什么原因呢?

By 见山是山

A

这位题主的观察非常细致啊,的确在汽车减速到静止的过程中人会感受到如上所述的过程。尤其是在存在明显的减速时间的情况下,这个现象更容易被观察到。仔细思考一下,其实这个问题很好理解。当车在减速过程中,人的躯干与车一起减速,所受到的力主要是重力和人的其他部位施加给躯干的合力,这个合力的效果是使其减速,即向后的加速度。如果在车的这个非惯性系里看,那么人的躯干受到重力、人的身体施加的力,还有向前的惯性力,处于平衡状态。但是当车从减速状态迅速转为静止状态时,在车的非惯性系里看,惯性力突然消失。而人施加在躯干的力是在减速过程中,人为了保持和车相对静止不会滑出座位而采取某个姿势和肌肉保持某种收缩引起的,这个力并不会突然变化(毕竟人需要一定的反应时间,也许反射弧长的人更容易发现新的物理现象),这会使得人相对于车不再保持平衡状态,也就是向后倾斜了。所以,这个现象其实也包含一定的反应时间和姿态调整的生物学原因。


本期答题团队:

物理所 Automan-Ex、螳吉呵呵、可爱的你、大化所 J. Baker





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为什么没有透明的金属?| No.70

编辑:J.C.


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