灯光可以用来太阳能发电吗？| No.305
我有一个想法
如果我们
在太阳能发电厂
装上灯
晚上不就也能发电了
王多鱼：我投了
那么室内光
可以驱动太阳能设备吗？
Q1
为什么在显微镜当中目镜越短倍数越大，物镜越长放大倍数越大？
by 匿名
答：显微镜原理：物体AB通过物镜成实像A'B'，A'B'位于目镜前焦面F2处（或在目镜前焦面以内，靠近焦面处）；A'B'经过目镜以近似平行光出射，生成正立放大的虚像。
显微镜的设计中，为了实现操作的方便与快捷（即在保持物体位置不动的情况下，更换物镜和目镜放大倍率，始终能够得到清晰的像，并且位于视场中间），需要保证物镜的像面A'B'始终与目镜的前焦面F2重合，不需要重新调焦，物镜和目镜的相对位置满足齐焦的条件。
齐焦条件：光学筒长Δ随物镜焦距f1'的不同而不同，但是由物平面到像平面的共轭距M是确定不变的。选择不同光学筒长Δ时应保持M值不变。
简单来说就是由于镜头放大倍率越高，焦距越短，高倍物镜成像的工作距离W.D.更短，离样品更近，所以镜头更长；为了保持目镜焦距与物镜像面A'B'重合，高倍目镜镜头更短。
参考资料：
国科大应用光学PPT
迟泽英, 陈文建. 应用光学与光学设计基础[M]. 高等教育出版社, 2013.
by 荔枝果冻
Q.E.D.
Q2
为什么RNA不能形成双链结构替代DNA成为遗传物质?
by 薜荔
答：其实这个问题比较复杂，水平有限只能简要回答。首先要说的是RNA是能形成双链结构的，比如虽然是单链结构但自身可以形成稳定配对的转运RNA。但RNA不能形成DNA那样长且稳定的双链，所以无法替代DNA形成细胞生物的遗传物质。
DNA（脱氧核糖核酸）与RNA（核糖核酸）的化学性质十分相似，区别只在于DNA多了一个”脱氧“，如下图所示，二者的区别在于圈出的2'位。
虽然看起来差别不大，但如果RNA形成双链，2'位上多出来的氧原子会在双链内部互相挤压，导致其空间结构不稳定，容易解链。此外，RNA多出的-OH具有较高的反应活性，容易断链，因而不能像DNA那样形成长且稳定的双螺旋结构。
对细胞生物来说，其遗传物质必须包含形成一个或各种细胞所需的全部信息，而且必须具有一定的稳定性，才能保证下一代细胞可以正常进行各项生理活动。RNA不能形成长而稳定的双链结构，单链结构又不够稳定，因而不是遗传物质的好选择。不过，很多病毒是用RNA作为遗传物质的，因为病毒并不具有细胞结构，而是依靠宿主细胞进行生命活动。RNA容易突变的特性反而给了病毒更多的变异机会，以此筛选出更适合的变种来侵染更多细胞。
参考资料:
[1] 为什么 DNA 能形成双螺旋结构（并成为主要的遗传物质）而 RNA 不能？
[2] Rana, T. Illuminating the silence: understanding the structure and function of small RNAs. Nat Rev Mol Cell Biol8, 23–36 (2007).
by fiufiu
Q.E.D.
Q3
请问室内光源和太阳光的区别在哪里，室内光可以驱动太阳能设备吗?
by 无衣
答：室内光源和太阳光的不同主要在于光谱分布不同。我们知道光其实是一种电磁波，而电磁波可以有不同的波长；对于不同的光，其组成中不同波长的电磁波的“含量”不同，通过光谱分析的方法，可以得到不同波长的电磁波的“含量”，这一含量用光照强度（也就是能量）来表示。下图给出了日光和几种常见室内光源的光谱，我们可以很清楚地看到其光谱组成大不相同。
至于说室内光能不能驱动太阳能设备，要回答这个问题首先需要说明“太阳能设备”的工作原理。一般太阳能设备是指硅光电池，而硅光电池的工作原理是所谓的“光生伏特效应”：当光照射到硅光电池上时，光的能量会被电池吸收（严格的说，是光子能量被硅晶格吸收），从而使正负电荷（电子受激跃迁形成自由电子，留下带正电的空穴）分离并在电池两端聚集，电池内部产生电场，从而形成电势差。如果用导线将电池的两端接起来，那么由于电势差的存在，就会有电流流过导线（这时的电流称为短路电流）。要使光子的能量能够被吸收，需要光的波长满足一定条件，对于硅光电池而言，波长需要在400～1100nm的范围内才能被有效吸收。结合上图，我们发现太阳光和室内光都满足这一条件，所以室内光也能驱动太阳能设备。值得说明的是，不同波长的光，其光能被电池吸收转化为电能的比率是不一样的。同等光照强度下，不同波长λ对应的短路电流（）大小如下图所示：
参考文献：
[1]王殿元,王庆凯,彭丹,吴杏华,曾玮,郭艳艳,王佃文.硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J].物理实验,2007(09):8-10.
[2]宋爱琴.硅光电池特性的研究[J].实验室科学,2011,14(02):102-104.
by 已命名
Q.E.D.
Q4
神舟13号回来了。看着很是激动同时又很好奇：在返回舱触地的一瞬间，受力多少呢？整个返回过程航天员是哪个阶段承受加速度最大？
by 匿名
答：返回舱的再入返回过程非常复杂，为了回答以上两个问题，请允许我较为详细的介绍一下航天器返回的几个阶段。（PS：最后一段对问题的回答进行了总结）
环绕地球运行的飞船，脱离原来的运行轨道，并转入进入大气层的运行轨道，须经历制动段和进入轨道过渡段两个阶段。该过程中航天器进行姿态调整，改变速度大小和方向，为进入大气层做准备。如下图所示，过渡段的轨道与地球稠密大气层的上界相交于E点，E点即是过渡段的终点。
制动段和过渡段 | 图引自参考资料[3] 在进入段，返回舱以高速进入大气层，对迎面的大气猛烈压缩并与之摩擦，表面温度急剧升高，返回舱速度下降，这是进入过程中环境最复杂恶劣的一段。而后，开始采用降落伞减速，这一段称为下降段。以神舟号飞船为例，在离地10km时，伞舱盖弹出，拉出导引伞，随后面积较小的减速伞打开，将返回舱的速度由每秒两百多米降至每秒数十米；在8km高度，减速伞与返回舱分离，面积较大的主伞打开，垂直速度逐渐降至8m/s左右。最终的一段称为着陆段，在离地1m处，着陆反推发动机点火工作，再次制动，返回舱以3m/s左右的垂直速度落地实现软着陆。
下降段降落伞减速 | 图片源自网络 整个返回过程中，航天员承受的加速度（过载）主要有以下几个部分：
气动减速过载。航天器的返回方式可分为弹道式（升力很小）、半弹道式（升力与阻力的比值小于0.5）和升力式（升力大于阻力，如航天飞机）。美苏最初的载人飞船返回舱采用弹道式返回，最大过载在10g左右。而半弹道式返回由于最大过载低、落点控制更加准确，因此之后被广泛采用。神舟号飞船即采用此方式返回，其最大过载为3.22g。
开伞冲击过载。开伞过程中会突然减速，产生过载。最大开伞冲击过载不大于5g，过载大于3.5g的时间小于等于0.5s。采用多级开伞的方式，有效降低了过载。新一代的载人航天器，还会采用可控滑翔伞技术、甚至不需降落伞的发动机减速，这样，下降段的过载会进一步降低。
着陆冲击过载。着陆方式有海上溅落、气囊缓冲着陆、反推发动机着陆、着陆腿着陆等方式。神舟号飞船采用反推发动机着陆，着陆时，返回舱的冲击过载在20g到50g之间。借助于返回舱底部缓冲结构和座椅缓冲系统的缓冲，航天员承受的冲击过载为10g左右（胸-背部方向）。
返回舱构型、布局及着陆方式 | 图引自参考材料[5] 总体来说，加速度最大的过程是着陆的瞬间冲击过程，此时航天员（按60kg计算）瞬时受冲击力约为6kN；返回舱（按3t计算）冲力估计在10^6N量级。另外，火工品（点火装置、爆炸分离装置等）工作时也会带来瞬间的冲击。返回过程中各个阶段过载的降低，是许许多多的科学家在大量的设计、测试和改善后得来的。在未来，回收着陆系统还会为越来越多的航天员的安全和健康保驾护航。
参考资料：
[1]李惠康.载人飞船回收着陆分系统简介[J].载人航天,2004(02):27-30.
[2]戚发轫,张柏楠,郑松辉,杨宏,张庆君,白明生.神舟五号载人飞船的研制与飞行结果评价[J].航天器工程,2004(01):1-14.
[3]荣伟等编著.航天器进入下降与着陆技术[M].北京：北京理工大学出版社.2018.
[4]杨宏等编著.载人航天器技术[M].北京：北京理工大学出版社.2018.
[5]朱光辰.载人飞船返回舱再入着陆力学环境防护技术改进[J].航天返回与遥感,2010,31(05):9-15.
by 小小羊
Q.E.D.
Q5
二氧化碳能做助燃物吗？怎样判断一个物质是不是助燃物？
by 王奕博
答：说到助燃物，首先，我们应该去了解什么是燃烧，狭义的燃烧可以理解为物体和空气中的氧气发生较为剧烈的发光发热的，并且产生的热量可以使反应进行下去的化学反应。广义的燃烧就是一类发光发热的氧化还原反应的总称。燃烧需要三个条件，燃料，氧化剂和热量。就像火柴在空气中的燃烧，此时的助燃物氧气其实就是燃烧中的氧化剂，那么我们如果需要判断一个物质是不是助燃物，那么我们就只需要判断它在燃烧中是不是充当氧化剂就可以了，由此可知，只要在这个可以被称为燃烧的氧化还原反应中充当氧化剂的物质，都可以被称为助燃物。
从高中化学知识中我们可以知道，一个物质在氧化还原反应中如果是失去电子（化合价升高），就是这个反应中的还原剂，反之，得到电子（化合价降低）的化合物就是氧化剂。此时，我们以金属镁（）在氧气（）中燃烧为例:
,在这里，镁的化合价由0变为+2，同时氧的化合价由0变为-2，所以 在这个反应中氧气充当的是氧化剂。那么我们再看另一个反应：,这个化学方程式就是金属镁在二氧化碳中燃烧的方程式，在这里我们看一下化合价，金属镁由0价变为了+2价，所以是这个反应的还原剂，碳（C）由+4价变为了0价，而氧元素在这个反应中一直保持着-2价没变（氧元素在氧化物中一般都是-2价），所以含有化合价降低的元素的物质在这个反应中就充当了氧化剂的角色，那么在这个反应中二氧化碳就是助燃物了。当然，如果你还不太会判断化合价，那么你可以记住一般情况下的金属和非金属发生的反应金属一般都会充当还原剂而非金属会充当氧化剂。
不止于二氧化碳，像镁，钠这种比较活跃的金属（元素周期表比较靠左的元素）会和空气中的很多成分（比如氮气）发生反应，同时，他们又会和水发生反应生成可燃的氢气，所以在这些比较活跃的金属发生火灾时，绝对不可以用水以及可以生成二氧化碳的干粉灭火器，二氧化碳灭火器进行扑灭，消防员一般都会用沙子来进行灭火。
戳这里看看镁在二氧化碳中燃烧的景象吧
by polarbear
Q.E.D.
Q6
乒乓球中遇“霸王拧”该怎么回球呀？
by C.P.A Grant
答：提前预判落点后的轨迹+朝球旋转的反方向拉回去
脑子：我会了；手：不你不会 | 图源：2015波兰乒乓球公开赛男单半决赛 “霸王拧”这个说法其实就是“台内反手拧拉”的中二版，只不过从张·帝国の绝凶虎·继科把它发扬光大后，网友们给它起了个具有传奇色彩的名字。同理，如果你用我讲的方法把球拧拉回去了，也可以给这套方法起名“高祖拧”。
首先让我们解构一下“霸王拧”的霸道之处。在击球前，对方会把手臂拧成S形，再以し形挥拍，以在有限的台内空间增加拧球距离，达到两个致命效果：快速又诡异的路线和击球时强烈的侧向偏转。
S形引拍和し形挥拍 | 图源：参考资料[1] 诡异的路线分为空中的弧线和在球桌上反弹的转折。空中的弧线来自于马格努斯效应，它是伯努利原理的一种应用。例如，下图中顺时针旋转的球向右飞时，空气相对于球向左运动，球的下侧也向左运动，使空气流速变大；球的上侧向右运动，使空气流速变小，从而产生一个向下的压强差。足球中的香蕉球也是这么来的。
马格努斯效应 | 图源：Wikipedia 把上图顺时针旋转90°，就能明白Fegerl是怎么被藏獒打懵的了。至于球桌上反弹的转折和击球时的偏转，都可以归结为侧旋导致的摩擦力。这里我们换一个更明显的例子来分析。
像极了被大佬吊打的我.gif | 图源：Pongfinity@bilibili[3] 以黄衣运动员的俯视视角来看，在击拍的瞬间，顺时针侧旋的球相对接触的拍面向左运动，从而受到向右的摩擦力，不加控制的话球就会向右偏转飞出。一种正确的回球做法是，黄衣运动员向右拉球，让球改为逆时针旋转，在抵消偏转的同时还可以进攻红衣的右侧空档。
在对手拧得并不旋的情况下，稍微向球偏转的反方向侧一点拍面，然后快攻过去也是可行的。具体情况还得随机应变，球无定法，理论分析了再多最后还得靠身体跟上才行。不说了，我继续练球去了~
参考资料：
[1]陈黎.乒乓球反手台内侧拧技术的力学原理[J].山东体育学院学报,2007(02):95-96+105.
by 牧鱼
Q.E.D.
Q7
为什么转得很快的风扇看起来在倒着转？
by fractal
答：这种情况一般称之为“混叠”（aliasing）
由于人眼对视觉暂留现象，导致人眼并不能连续地看到风扇转动的每一帧。然后我们大脑根据我们眼睛看到的帧补全中间的过程。但是当风扇转的速度过高的时候，我们脑补的结果就会和实际发生的不一样，就会出现我们看到风扇以很慢的速度转，甚至发生的倒转。大概就像下面这张图这样的。
我们可以更深入地探讨一下这个问题。用信号的语言来表述这个现象。当对一个模拟信号（在时间上连续的）进行采样的时候，如果采样频率过低，则会丢失原来的高频信号。
我们记信号频率为，采样频率为。从上面这张动图中可以看出，随着信号频率增大到时，可以看出采样后到信号突然出现的反向，或者说是相位突变为，对应于电风扇变成反转；当频率增大到以上时，采样后的频率又回到了频率很低的情况，并且相位从变回到，而到时，采样后的信号再次发生了相位突变，以此往复。
从另一个视角来看，如果我们固定信号的频率，逐渐增大采样频率，此时会有怎样的变化？
可以很明显地看到，当采样频率大于两倍的信号频率的时候，此时经过采样后的信号就和原本的信号完全一致了，这就是奈奎斯特（Nyquist）采样定理。更加严谨的叙述是，当采样频率大于信号中包含的最高频率的两倍时（这个频率被称为奈奎斯特频率），才不会发生混叠（aliasing）。
其实我们还没有完全解释清楚为什么这种现象被称之为“混叠”，到底是什么东西发生了混叠？这就需要用到我们小学三年级就学到了的傅里叶（Fourier）变换了[doge]。
我们用表示原来的信号，代表采样后的信号，用和表示它们的频谱。信号采样的本质是一个信号和一个脉冲序列的乘积
现在我们计算采样后信号的频谱，经过简单的数学计算可以得到：
可以看出，实际上“采样”这个过程就是将原来的频谱在每个采样频率的整数倍的地方产生了一个拷贝。
可以看出，当采样频率低于奈奎斯特频率的时候，即时，采样后的频谱中每个原来频谱的拷贝之间会存在重叠，这就是所谓的“混叠”。而对于采样频率高于奈奎斯特频率的情况，可以从频谱直接找到到的部分，就可以完美地还原出原本的信号。
其实除了电风扇，生活中还有很多“混叠”产生的现象，一个也比较常见的现象就是“莫尔条纹”
图片来源：wiki by Paarthurnax
Q.E.D.
Q8
芝诺悖论里阿基里斯为什么追不上乌龟？
by 绿旋风
答：一言以蔽之，曰：时间不够。
芝诺悖论是这个样子的：跑步健将阿喀琉斯（或者翻译成阿基里斯，这不重要，下面叫他老阿）和乌龟进行百米赛跑，乌龟提前十米出发。老阿的速度是乌龟的十倍。老阿跑完十米，到达乌龟的起点时，乌龟已经往前走了一米；老阿再跑一米，乌龟又往前走了0.1米……如此循环，每次老阿跑到上一个计时点乌龟的位置时，乌龟总是又往前爬了一段距离。于是芝诺说，老阿永远追不上乌龟。
这个悖论的关键在于，老阿和乌龟跑的距离有一个上限，是10+1+0.1+0.01+0.001+……=11.111……米，还不到12米。难道是有什么结界挡住它们不能再往前跑了吗？这个结界就是时间。假设老阿跑前十米用的时间是，那么跑第二段1米用时，第三段用时……，总用时
本来，只需要 ，老阿就可以超过乌龟，可惜芝诺没有给他这个时间。在芝诺的年代，无穷的概念还没有很好地建立，人们还没有意识到无穷项等比数列求和的值可以是一个有限值，这就是芝诺悖论的症结了。
by 藏痴
Q.E.D.
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荔枝果冻、fiufiu、已命名、小小羊、polarbear、牧鱼、Paarthurnax、藏痴
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编辑：穆梓
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