为什么电磁炉做的饭总是不如煤气灶做的好吃？| No.296

Original Frions 中科院物理所 2022-04-06

收录于话题 #问答 275个

不知道大家有没有
用电磁炉炒过菜？
是不是也觉得
电磁炉炒出来的菜
总是不如燃气灶炒的好吃？
那究竟是为什么呢？

Q1

为什么影子周围有一圈亮亮的线？

by zzll

答：
这是由于马赫带效应。
可以观察一下边界处的轮廓 | 图源自网络
马赫带效应是人眼的一种视错觉效应。它是指当亮度从一个亮度平台过渡到另一个亮度平台时，在较高亮度平台和过渡带的边缘会出现一条比亮平台更亮的亮条，而在较低亮度平台和过渡带的边缘会出现一条比暗平台更暗的暗条，物理上检测不出这两个条带的存在，它们的存在实际上是人眼的视觉特性造成的。生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。简单来说就是，亮的更亮，暗的更暗。
马赫带效应 | 图源自参考文献
影子周围就是一个典型的马赫带，在光线良好的情况下，影子处比较黑暗，而周围比较明亮，两处产生强烈的对比，那么人眼在观察影子和周围过渡处就会产生马赫带，马赫带效应使我们在观察影子时会看到亮处，也就是影子外，有一条亮度更高的带，这就是题目中影子周围那一圈亮亮的线了。
参考文献：
李元勇. 马赫带现象研究[D].天津大学,2008.
解密视错觉 | 马赫带和亮度对比错觉
by 霜白
Q.E.D.

Q2

比较高的铁塔（比如灯杆）为什么底部的螺栓要拧两层？

by 醒了不起的盖兹比

答：
这里运用了双螺母防松的原理。
螺栓和螺母是常见的用来连接工件的紧固工具，由于其简单的拆卸方式和较强的连接作用被广泛应用。其螺栓一般为圆柱体，具有外螺纹；螺母一般为环状体，具有内螺纹；螺栓和外螺纹和螺母的内螺纹相互啮合，在垂直螺纹方向上具有很大的静摩擦力；同时由于拧紧螺母时内外螺纹受压变形，在沿螺纹方向也存在静摩擦力，不易转动；导致螺栓和螺母在静态下可以承受较大垂直螺纹的力而实现紧固连接，拆卸时只需要克服螺纹沿螺纹方向的摩擦力将螺母沿螺纹方向拧松即可。
但由于工件老化及实际应用场景中可能的高频振动，螺母内螺纹与螺栓外螺纹啮合可能出现空隙，沿螺纹方向的摩擦力消失，在振动或者压力的作用下，螺母容易沿螺纹方向转动，进而松动导致工件脱落。尤其在铁塔、灯杆等较高建筑设施的底座，防止螺母松动显得至关重要。
为了避免螺母松动，显而易见的是需要避免螺母沿螺纹方向的转动。一种方法便是利用双螺母。当双螺母拧的较紧时，在外界振动或工件老化，其中一个螺母想要沿螺纹方向转动时，还需要克服两个螺母接触面上的摩檫力才能转动，从一定程度上减少了螺母松动的概率。如果拧螺母的方式不合适或者在较大震动下，双螺母之间出现空隙，仍不排除两个螺母“夫妻双双把家还”同时脱落的情况。
基于此，出现了更多种双螺母防松和其他螺母防松的方法，比如通过设计螺栓的螺纹排列，同时实现正向螺纹和反向螺纹，螺母以相反的旋转方向拧紧；自锁螺母、止动垫片、弹簧垫圈以及不可拆卸的螺母防松方法包括点焊、铆接、厌氧胶固化等。
参考资料：
双螺母防松
by 勿用
Q.E.D.

Q3

众所周知，中性笔的一大卖点是“速干”，可是是什么因素影响了笔墨干的快慢的，以及为什么？

by 匿名

答：
所谓的“速干”主要受触变恢复性影响。
良好的墨水表现为：中性笔开始书写时，墨水可以由不能流动的凝胶状态迅速转变为自由流动的溶胶状态，这样不会出现起笔位置无墨的现象；当停止书写，墨水受到的剪切应力消失后，墨水由粘度较小的溶胶状态可以迅速转变为不能流动的凝胶状态[1]，也就是墨水干了。触变恢复性越好，上述两个转变就越快，墨水也就干得越快。
不过很遗憾，虽然触变恢复现象很明确，但我们对其机理的讨论仍未达成共识。我们一般认为，触变恢复现象的产生是流体在剪切应力作用下，应力对流体稳定体系的破坏和布朗无规则运动对稳定体系的重建之间较量的结果[1]。这其中的重要角色就是增稠剂。
在增稠剂的作用下，流体的稳定状态其实是在笔管中的不能流动的凝胶状态。当墨水静置时，增稠剂与水分子形成氢键或增稠剂形成胶束将水分子包围，形成一个网状的空间结构，此时，墨水粘度高，处于不能自由流动的凝胶状态。书写时，笔尖滚珠转动，此时，墨水会受到来自笔尖的剪切应力，增稠剂的分子链由原来的无序交联状态转变为平行流动状态，彼此间的相互作用减弱，导致粘度急剧下降，从而使墨水由凝胶状态转变为可以流动的溶胶状态，顺着笔尖流出。而当附着在纸面上时，来自笔尖的剪切应力消失，墨水又重新恢复到凝胶状的稳定状态，不再具有流动性，也就是墨水干了。
参考文献：
[1]王文波. 纳米纤维素基中性笔墨水的研究[D].华南理工大学,2019.
by 霜白
Q.E.D.

Q4

电磁炉和明火做饭口味有差异的原因是什么？

by 哈哈镜

答：
其实不仅电磁炉和明火做饭口味有差别，不同功率的明火之间也有差别，甚至厨师对油温火候的把控也会对口味产生影响。通常而言，明火做饭更容易产生爆炒的香味，有的人称这种特殊的香味为锅气。锅气的背后，是复杂且在烹饪中极为重要的一类化学反应：美拉德反应(Maillard reaction)。
美拉德反应代指食物中的还原糖（碳水化合物）与氨基酸/蛋白质在常温或加热时发生的一系列复杂反应，其结果是生成了棕黑色的大分子物质：类黑精。除产生类黑精外，反应过程中还会产生成百上千个有不同气味的中间产物，包括还原酮、醛和杂环化合物，这些物质为食品提供了宜人可口的风味和诱人的色泽。
美拉德反应的产物给烤面包带上了诱人的金色和香气 | 图片来源 wiki
美拉德反应能快速地在约140℃至170℃环境下进行。虽然电磁炉的温度能够达到200-300度，但功率却只有1000-2000w左右。相比燃气灶，动辄三四千瓦，饭店里的燃气灶甚至能够超过5000w。这也是饭店里的厨师炒菜时能让锅内也燃起火来的原因。由于水的沸点在100摄氏度附近，功率低的烹饪设备没法立即让食物表面的水分快速蒸发掉，也就没法达到美拉德反应的适合温度，因此缺乏炒菜的香味。高功率的烹饪设备，甚至让食物直接接触火焰（烧烤），也就能蒸发掉食物表面的水分，让其表面产生美拉德反应而增添焦香。当然，食物也并不适合长时间在这种温度下，因为高温也会破坏掉维生素、蛋白质和糖分。炒糊的饭可就不好吃了，不仅有苦味，还有一种叫做丙烯酰胺的致癌物。因此，急火往往伴随快炒，小火才有资格慢炖，美拉德反应虽好，可不要贪杯哦~
其实早在1912年时，美拉德就将氨基酸和糖类水溶液混合加热后，溶液产生黄棕色的发现讲给法国科学院的其他科学家听，但当时在座者中几乎没有人能意识到这个反应背后的潜在意义。直到1953年，化学家约翰·霍奇发表论文系统地整理了这类反应，美拉德反应才步入大多数人的视野。
霍奇总结的美拉德反应，是食品工业广泛使用的版本 | 图片来源 wiki
烤面包、褐色的牛排、羊肉串、半透明的红烧肉、烤鱼上的焦褐层、金黄色的宫保鸡丁、以及金色的炸薯条等等都有美拉德反应的身影哦~可惜的是，1953年霍奇总结美拉德反应时，美拉德已经去世了。如果美拉德知道他的发现成为如今许多厨师们的理论基础，为广大极饿势力做了这么大的贡献，想必也会十分欣慰吧。
参考资料：
美拉德反应
电磁炉
瓦斯灶
by YJY
Q.E.D.

Q5

为什么浓硫酸浓度可以超过100%？

by 大新

答：
因为100%的硫酸中可以继续溶解三氧化硫。
浓度超过100%的浓硫酸一般被称为发烟硫酸，其浓度并不再表示其中硫酸的浓度，而是加水稀释后等效的硫酸浓度。发烟硫酸之所以会“发烟”，是因为其中的三氧化硫会挥发出来和空气中的水蒸气结合形成酸雾。
特别地，一个硫酸分子结合一分子的三氧化硫的时候，此时形成的物质为焦硫酸。
硫酸和焦硫酸的分子结构（图片来源：[1]）
我们可以定量计算一下某发烟硫酸对应的硫酸浓度是多少（按照质量百分比计算）：
取，此时为纯的焦硫酸，计算出对应的硫酸浓度为。
参考资料：
Sulfur oxoacid
by Paarthurnax
Q.E.D.

Q6

为什么太阳的光和热，可以送到地球上使之有温度和亮度，而途经日地之间的太空却是漆黑的、接近绝对零度的？

by 匿名

答：
这个问题从“途经日地之间”的角度来看其实很简单。首先，太阳的热是通过电磁辐射传递到地球上的，因为这段太空几乎是真空，不存在热传导和热对流，所以只能以热辐射的形式传热。这样，光和热的传递在这个情境下其实都是电磁波的传播。
我们平时所看见的“光传播的线”，例如太阳光的光柱，其实是光线打在空气中的微尘上散射的结果；晒太阳时所获得的热量，其实是电磁辐射被吸收转变成了分子的热运动。而这段太空几乎没有物质会散射或吸收电磁波，自然也就又黑又冷了。
但是延伸一下，宇宙充满了像太阳一样的恒星，它们的数量无穷无尽，那它们的光为什么没有照亮太空呢？
你可能会觉得它们离我们太远了。但是，虽然恒星的光强随着距离的平方呈反比，可它们的数量会随着距离的平方呈正比，这样能弥补光强的衰弱。而即使有星际尘埃遮挡，在漫长的时间里，尘埃吸收光被加热升温后也应该再向外发光才对。所以这样推论下来，太空应该是像元宵节的灯会一样灯火通明才对。
这正是19世纪宇宙学家们提出的奥伯斯佯谬。针对这个矛盾，现代宇宙学的主流观点是：宇宙的年龄有限，且宇宙在膨胀。所以在宇宙年龄内能到达人眼的星光是有限的，而且有相当一部分的光随着空间膨胀不断红移，变成了人眼看不到的微波背景。
参考资料：
如何通俗地理解「奥伯斯佯谬」？
Olbers' paradox
by 牧鱼
Q.E.D.

Q7

锡到铟衰变过程中产生伽玛射线的机理是什么？是电子跃迁吗?能不能详细解释一下双贝塔衰变

by 匿名

答：
γ 射线中的光子能量在1.24MeV以上（波长小于），这显然已经超出了电子跃迁能够放出的单个光子的能量范围（氢原子中电子的基态只有 -13.6 eV）。因此从原子中放出 γ 射线只能来源于原子核中核子间的相互作用。锡原子核中有50个质子，铟原子核中有49个质子，从锡到铟的衰变方式为电子俘获
反应中，锡原子核捕获一个外层电子，成为铟原子核并放出一个中微子。那为什么会放出 γ 射线呢？原子核同样存在能级结构，发生衰变的原子核可能衰变到物理过程允许的任何一个能级上。只要锡原子核跃迁到铟原子核的激发态上，铟原子核就可以放出 γ 光子来退激发至基态。如果铟原子核并不处于 β 稳定线上，还可以继续衰变至其他原子核的激发态来释放 γ 射线。
我们熟悉的单β衰变是指原子核衰变为另一个原子核的同时放出一个电子和一个反中微子
其中为核子数，为质子数，为反电子中微子。同时，核物理中也同样允许存在双β衰变的情形。在核物理中，由于对关联效应，某一些偶偶核的基态能量低于其相邻的奇奇核，而高于其次相邻的偶偶核。因此，单β衰变是被禁止的，双β衰变是被允许的。它们（满足条件的偶偶核）若是发生β衰变，只能向次相邻的偶偶核跃迁，放出两个电子和反中微子
双β衰变图，蓝色线代表能级，从左向右质子数依次递增，从下向上能量依次增大，虚线箭头为两个虚过程，红色箭头为实际发生的跃迁过程
1935年，M. Goeppert - Mayer 根据费米提出的β衰变理论首次计算了原子核中可能存在的双β衰变过程[1]。这样的过程已经在实验中被多次验证。理论上，还存在一种无中微子双β衰变，是近年来比较火的核物理学课题。1937年，意大利物理学家马约拉纳（E. Majorana）预言中微子如果具有微小的质量[2]，那么中微子有可能是马约拉纳中微子，即它的反粒子是它本身，这意味着相应的轻子数不守恒。1939年美国物理学家 W. Furry 根据马约拉纳中微子的物理属性预言了无中微子双β衰变的核过程，其末态不再含有中微子。这种衰变模式还并没有被观测到。
顺便说一下，无中微子双β衰变一旦被观测到，就可以证实中微子的马约拉纳粒子属性，并且，根据无中微子双β衰变的半衰期可以计算出中微子的有效质量，这无疑是一项了不起的工作。
参考文献：
[1] M. Goeppert-Mayer, PR48,512(1935).
[2] Majorana E. Teoria simmetrica dell'elettrome e del positroe. Nuovo Clim., 1937, 14:171-184.
by Paarthurnax
Q.E.D.