你尽管睡，扩音器的噪音叫不醒你算我输 | No.221

Original Frions 中科院物理所 2021-01-06

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213个

上完课昏昏沉沉
老师把扩音器取下来
突然响起一声尖锐的噪音
什么瞌睡的念头都被打消了
但是这噪音是怎么来的呢

Q1

为什么下雨前白云会变成乌云？

by 二氧化硅

答：
首先，我们需要先介绍一下为何白云是白色的。我们所见到的云，无论白云乌云，本质上都是非常小的小水滴，而我们所认识到的乌和白的区别，无非就是不同的一大群小水滴的光学性质的差异罢了。云滴/小水滴的直径和光波波长接近，此时小水滴会对所有频段的可见光进行散射，这种特征的散射被称为米氏散射。太阳发出的光线本来就是白的，而云对太阳光的散射依然可以保持各种频段/颜色比例的相对均等，所以白云和太阳光的颜色是一样的。
那么为什么白云会在降水前变黑变成乌云呢？这就涉及光在云滴中的总透射率的问题。首先乌云通常比较厚，在降水前，云中液滴的密度会上升，云也会变得更浓厚稠密，更厚的云就可以吸收掉更多的光线，让更少的光线进入人的眼睛，这就降低了云朵的亮度。其次在降水前，液滴会变大(在变成降水下落前)，更大的液滴会引起更大比例的光吸收，这就改变了云的光学性质。从而让云变暗。
参考资料：为什么乌云是黑色的？、Why Are Rain Clouds Dark?
by Luna
Q.E.R.

Q2

为什么有些东西（比如布）在阳光长时间照射下会褪色而有些东西（比如木头）则不会？by 匿名

答：
日照褪色是一个复杂的物理变化和化学变化过程，对于生活中常见的纺织品，其褪色现象相对来说更明显，但其实对于木头而言，在长时间的光照下也会发生褪色或变色现象。
对于一些纺织物在日照下褪色的现象来说，可能与纺织物的染色工艺、染料在光照下的化学稳定性以及纺织物的物理性质及环境条件有关。对于特定的染料，在一定波长的光照下会引起其有效成分的分解，外在表现为褪色，这种光照褪色难以避免，但可以通过改进染色及处理工艺、改变织物纤维的理化性质（如调节其酸碱性、含水量等）或加入一些耐日晒牢度提升剂等方法来抑制日照褪色过程。
对于一些经过染色处理的木材在光照下褪色除了有染料发生化学变化引起的褪色，还有木材组成成分的化学结构发生了显著变化引起的褪色。当然，未经过染色处理的木材也可能出现变色，在光作用下是木材表面组织结构的变化，是一个复杂的光化学作用，是一种光化学变色。这种变色既有吸收光的辐射问题，又有氧化问题。例如落叶松的木素在光照下经过一系列反应形成苯氧游离基，进一步反应形成苯醌，然后由苯醌形成发色物质。此外，对于木质素以外成分的光变色而言，则不是形成某种着色结构，而是由于木材中还存在有少量的抽提物，抽提物中的部分物质与木素有相似的结构，在光照下发生氧化分解反应导致的变色。
所以，物质在长时间日照下是否褪色或变色主要看其化学成分或理化性质是否发生变化，不同物质或加工工艺都会对这一过程产生影响。
参考资料：棉织物日晒色牢度的影响因素分析、光辐射染色木材的变色规律及化学组分结构的变化、木材光变色及其防止的研究进展
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q3

为什么KTV里，把话筒头靠近并对准音响会发出奇怪的噪声？

by 冬冬

答：
我们一般称这种现象为“啸叫”，在KTV或其他室内条件下，由于室内声学环境复杂且恶劣，没有经过专业的调音的话，把音响系统打开后，音响效果则完全依赖音响系统的自身，导致声音浑浊不清、经常出现由于声反馈而引起的“啸叫”，甚至系统经常因出现故障而停止工作。（以前在课堂上也没少出现这种情况）
音响系统中的声反馈是声场中的一种物理现象，它是由于传声器拾取音源的声波经过调音台、周边设备和功放放大后，由扬声器将声波送入声场；音源的声波和谐波在声场中进行多次散乱的反射后，一部分声波又重新进入了拾音的传声器，经过调音台、周边设备和功放，再由扬声器送入声场中。其中一些频率的声波反射比较强，形成了循环放大，产生了“正反馈”，造成某一些频率声波被无数次放大叠加、逐渐积累，从而产生“啸叫”现象，当我们把话筒靠近并对准音响时这种现象尤为明显。
反馈现象产生的原因主要有：扩声环境较差，建筑声学设计不合理，使场中存在“声聚焦”等问题，从而使声场中声音信号的某些频率被加强，扬声器布局不合理，演唱者使用的传声器直接对准音箱声波辐射的方向，从而使音箱辐射的声波经传声器循环放大，形成了“正反馈”；电声设备选择不当，比如所选传声器的灵敏度太高，指向性过强；扩声系统调试不良，有的音响设备处于临界工作状态，当稍有干扰时就会产生自激，从而产生声反馈。
参考资料：室内会议扩声现场调音与声反馈抑制
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q4

为什么天气预报上的台风都是逆时针旋转的？

by 陌然FM

答：
因为我们的天气预报基本只报道北半球的台风。所谓台风，本质上就是高强度的低压热带气旋。之所以叫低压气旋，就是因为台风眼，也就是下图中间那个黑的地方气压是低的。这样一来，周围的空气就会朝着台风眼流(空气会从高气压的地方流向低气压的地方-如下图黑色尖头所示)。
因为地球在自转，在北半球所有运动的物体会受到右手方向的科里奥利力（如红色尖头所示），这个力就会让台风产生逆时针的螺旋。
如果低压热带气旋发生在南半球呢？南半球的低压气旋的科里奥利力会受到左手方向的科里奥利力，那么气旋的螺旋就会朝着顺时针方向了。
by Luna
Q.E.R.

Q5

闭上眼睛我们看到的是什么？感觉不是黑色，有一种空洞虚无的感觉？这是为什么？by 小傻瓜

答：
当我们睁眼时，光线进入眼睛，视细胞感受到光线，通过视神经传递信号使我们形成视觉。如果我们闭上眼睛看太阳，依然能看到“光”，这其中的原因就是仍然有部分光线穿透了眼皮，进入眼睛刺激了位于视网膜的视细胞。
除了光，物理的刺激也可以刺激视网膜上的视细胞进而激发神经信号传递。在暗室闭上眼睛后，我们看到的东西就完全来自物理的刺激了。人的眼睛是一个精巧的生物器官，它并不是完全不变的（不像显微镜那样基本是固定的），很多“变化”我们自己都不会发觉。比如眼睛的最主要的组成部分——玻璃体实际上也是在不断运动的，它会周期性地收缩/扩张。这种收缩和扩张就会直接地对视网膜产生牵拉，这种牵拉就会物理地刺激视网膜产生光感（程度很弱，对非高度近视患者来说不严重，只能看到东西但是不会觉得“发光”）。高度近视患者对此感受会强烈一些（有可能看到飘忽的光影），但是这依然是正常的，并不危险（亮度极高的闪光感就很危险了）。
总结一下，就算没有光进入视网膜，人的眼球的各个组成部分甚至周围的肌肉都有可能对视网膜产生物理的牵拉压迫，引起光感，这就是我们闭上眼睛所看到的东西。
by Luna
Q.E.R.

Q6

为什么原子排列整齐的金属晶体总是不透过可见光，而在一些无机盐晶体、金刚石等光子可以穿过，非晶体玻璃等也可以透光？by 好奇是驱动力

答：
考虑一种材料能不能透过光（对人类来说，比较关心的是可见光波段的透射率），就是要分析材料和电磁波的相互作用，而不是晶格结构。金属中有由金属原子的最外层电子逃逸出原子所形成的最外层电子，这些巡游电子形成等离子体会对光线进行强反射，所以金属也就不可透过可见光（参考No.212 Q6）。
而无机盐晶体、金刚石虽然和金属一样都属于晶体，但是它们的电子性质和金属完全不同。无机盐是离子晶体，以NaCl为例，Na原子多余出来的电子被Cl原子捉走了，所以NaCl中绝大多数电子都被束缚在原处无法巡游，也就比较难参与巡游电子对光的吸收作用。但是这并不意味着离子晶体对光都“置若罔闻”。对离子晶体来说，中国的著名物理学家黄昆先生曾经得到了离子晶体的极化和电磁波发生耦合的规律——黄昆方程。这个方程告诉我们，离子晶体中虽然没有自由电子参与和电磁波的相互作用，但是极化可以。所谓极化，就是正负离子各自相向离开它们原本所处的位置。因此，不同的无机盐也会有不同的颜色：比如蓝色的硫酸铜，紫黑的高锰酸钾等等。由此可见，并不是所有光都可以透过各种无机盐。只有在无机盐中的极化和可见光波段的电磁波耦合较弱时，可见光才可以透过无机盐。
综上所述，考虑一种特定材料对特定波长的光来说是否可以透过，其实就是去分析材料中的各种物理结构和这种频率的电磁波之间是否有耦合，存在强烈的耦合往往就意味着对光线的强吸收。
by Luna
Q.E.R.

Q7

为什么八大行星运行轨道几乎在同一平面上？公转方向一致？

by 任学良

答：
八大行星的轨道在同一平面上的原因来自于万有引力，引力会将一切星体拉向星系系统的质心——如果没有角动量的话。以地球上下落的苹果为例，静止的苹果无法抗拒地心引力，而以第一宇宙速度绕地球运动的苹果就不会落到地面上。这其中的原因就是角动量“对抗着”引力。
在星系形成的时候，总角动量会朝着一个特定的方向，只有这个方向上的运动能对抗引力，别的方向会因为万有引力的吸引而被“拍扁”。关于这个“拍扁”的过程和更详细的机制，可以参考为什么太阳系是平的。最终，我们会得到一个扁的太阳系。
不过我们既然已经知道了角动量在太阳系的形成过程中所起到的作用，那么行星拥有相同公转方向的原因也就呼之欲出了。太阳系形成早期的星盘拥有着固定且一致的旋转方向（总角动量方向），在随后的演化中，在星盘的各个部位上因为引力和吸积形成的行星们，自然也就拥有和星盘一样的旋转方向。
by Luna
Q.E.R.