海螺里为什么会有海浪声？| No.191
将海螺扣在耳边
聆听大海
感受海风轻抚，海浪呼啸
毋庸置疑
海螺里没有大海
那么问题来了
海螺里的海浪声又是怎么产生的呢？
1
Q
小时候常听说把海螺靠近耳朵，能听到海啸声，后来真正拿到海螺的时候，确实听到了呼呼的“海啸声”，具体是什么原因？
by 匿名
A很小的时候我们就听说过把海螺放在耳边能听到海的声音，海螺内产生声音最可能的来源是白噪音。白噪音的特点是低频并且声音信号均匀，拿着海螺听大海的声音的时候，先一步进去的白噪音不断反射，通过共振放大自己。这时候用海螺捂住耳朵，挡住了外面的声音，我们听到的是共振放大后的声音，这就是“海声”的成因。因此，外壳的大小和形状会对听到的声音产生一些影响，不同的海螺听起来声音不同，因为它们共振的频率不相同。有时候我们甚至不需要用海螺就能听到这种声音，可以用空杯子或用手捂住耳朵来产生类似“海洋”的声音。
By 懒懒的下午三点半
2
Q
为什么用牙膏滴到潮湿的地板上，地板上的靠近牙膏的水会扩散开？
by 好
A我们需要先了解一下接触角的概念。问题所描述的情形可以用下图简单表示，在这样一个气、液、固三相交界的体系中，有三种界面张力在相互作用。
不难理解，σ气，固倾向于使液滴铺展开，σ液，固倾向于使液滴收缩，在图示润湿（θ＜90°）的情况下，σ气，液倾向于使液滴收缩。接触角定义为σ液，固和σ气，液之间的夹角。简单的力学分析可得：
我们日常用的牙膏一般都含有表面活性剂。表面活性剂进入水中会迅速聚集于界面，亲水基指向水相，疏水基指向气相，使表面张力急剧下降并趋于恒定。
回到问题本身，在牙膏沫周围的水中，由于表面活性剂的加入，其表面张力减小，根据前面关于接触角的分析，其收缩作用减弱，更倾向于在固体表面铺展开来，即接触角θ减小，所以看上去比远离牙膏沫的水面要更低洼。
By Major Tom
3
Q
准静态过程是否一定是可逆过程?
by 匿名
准静态过程的含义是：任意时刻任何位置整个系统都是热力学平衡的。但是平衡并不意味着该过程可逆，“时时刻刻平衡”实际上是在说整个物理过程发生的极度缓慢，而可逆说的是在整个热力学过程中环境和系统总熵并没有增加，环境中没有能量的耗散。
所以准静态过程不一定是可逆过程，比如有摩擦的准静态过程。有一个比较经典的例子，按照卡诺循环运作的理想热机，在活塞-管壁之间无摩擦的情况下的工作是可逆的。但是，如果活塞和管壁之间有摩擦，那么热机对外的做功会少于理想状态下对外的做功(因为有一部分能量因摩擦而耗散掉了)。在这种情况下，即使整个循环依然是准静态的，但是该过程也不再可逆，因为摩擦而耗散掉的能量无法重新被收集利用。
By Luna
4
Q
为什么覆杯实验中不允许有气泡呢？顶部气泡所产生的压强并不大呀？
by 匿名
事实上即使水杯中存在气泡覆杯实验也是有可能成功的。当水杯中没有气泡时，使用塑料板堵住杯口并倒置过来后，由于大气压的原因水并不会洒出来，相同的原理可以想象一张平整的玻璃平行于水面从水中拿出时，在玻璃到达水面处会遇到一股很大的阻力。而当水中存在气泡，使用较软的塑料板盖住杯口时使塑料板凹进去一部分，倒置之后水由于重力会推动塑料板，体积增大后杯中气泡气压减小，内外产生气压差，而这气压差的存在是使覆杯实验中即使存在气泡也有可能成功的原因。
By GUOmazing
5
Q
磨刀石磨刀的时候有推拉两个动作（即往前往后）那到底是推这个动作将刀变锋利还是拉这个动作呢？
by 马克吐
A磨刀石用于磨刀主要是利用磨刀石上密集的坚韧点来削掉韧口的钢，使其变薄，在某种程度上砂纸也可代替磨刀石使用。那么在磨刀的过程中是这些坚韧点起作用，虽然在磨刀时有推拉两个方向的动作，但我们只能沿着一个方向用力，不可来回磨，否则会使刚磨好的刀刃由于反方向的力磨损，导致刀刃变钝。以刀口向外的磨刀方式为例，磨刀力度一定要轻推重拉，因为前推是呛刃走，而后拉是顺刃走，所以后拉时要加力，这样既可以磨砺刀刃，又可以避免刀刃受损。若用力的方向反了，那么就是刀刃的前端受力更大，尖端被磨损，达不到磨刀的目的。其实想想我们平时用刀的方向，都是刀刃的前端首先接触物品，前端磨损导致刀变钝，所以要使刀重新变得锋利自然是逆着我们平时使用的方向打磨了。
By 懒懒的下午三点半
6
Q
请问GPS是如何实现定位的?为什么有精度的差异？
by 冰玉之水
GPS，全球定位系统，以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供较为准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。
在一种简化的单点定位模型中，GPS定位实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。
如图所示，四颗卫星的位置是和与GPS接收器的距离是非常容易获取的。运行于宇宙空间的GPS卫星，每一个都在时刻不停地通过卫星信号向全世界广播自己的当前位置坐标信息和时间信息，任何一个GPS接收器都可以通过天线很轻松地接收到这些信息。GPS接收器收到数据包后，用当前时间减去时间戳上的时间，就是数据包在空中传输所用的时间了，乘以传输速度，得到数据包在空中传输的距离，即卫星与GPS接收器之间的距离。
要求解GPS接收器在三维空间中的位置，数学上讲只需要三颗卫星的位置和它们分别与GPS接收器的距离即可（三个未知数需要构建三个方程），而在GPS定位系统中利用四颗卫星的位置信息进行校对，来消除误差。
影响GPS定位精度的影响因素有很多，依据上述模型中的不同过程可以有卫星星历误差、卫星钟差以及卫星信号发射天线相位中心偏差等等。
By 勿用
7
Q
为什么光的传播不需要介质，光子在真空中是凭空出现的吗？
by 匿名
我们在论述“光可以在真空中传播”这句话的时候，所使用的“真空”的含义是“一无所有的空间”。但是随着物理学的发展，物理学家们意识到了真空其实不空。（在量子场论的意义下）真空是量子场的基态，因为量子涨落的存在，量子场在永不停息地发生着极度纷繁复杂的物理过程，包括了粒子的产生湮灭，碰撞反应....
我们之所以会提出“为什么光的传播不需要介质？”这个问题，实际上是因为我们生活中出现的机械波、声波的传播都需要介质。可是与其说机械波传播需要介质，不如说“机械波就是介质中质点相对平衡位置的位移在随时空间周期变化”，与其说声波(在空气中)传播需要介质，不如说“声波就是空气中气体密度、压强在随时空间周期变化”。
(在量子电动力学的框架下)光子是一种量子场（U(1)规范场）的元激发(集体振动模式)，所以U(1)规范场是光子存在的必要条件，没有U(1)规范场就没有光子。而这个U(1)规范场，则恰好被包含在之前所说的真空之中。
By Luna
本期答题团队：
物理所 Luna、Major Tom、GUOmazing、
勿用、懒懒的下午三点半
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