100℃的水和100℃的油哪个更烫？| No.318

Original Frions 中科院物理所 2022-10-04

收录于合集 #问答 301个

大家应该都做过
100℃的水和水蒸气
哪个更烫的题目吧
那你知道
100℃的水和油
哪个更烫吗？

Q1

为什么开水不响，响水没开？

by 鸣雁

答：
首先我们要知道什么是开水。水在壶里加热后温度会逐渐升高，但升高到一个温度值后，它就不会再继续升温了，这也正是纸杯可以用来烧水而不会被火点燃的原因。此时水吸收的热量全部用来从液态水汽化成水蒸气，也就是冒出气泡（当然还有一小部分是溶解在液态水中的气体被释放出来），从而导致温度恒定不变，这个温度叫沸点，这样的状态就叫沸腾，也是我们定义的开水。
然后我们要知道，为什么不开的水会响？没有沸腾的水，下层的水离热源近，温度高，密度小，会往上浮，上层的水离热源远，温度低，密度大，会下沉，如此就会形成对流。在水的内部产生的气泡很容易在这种对流的影响下破裂，多余的能量就以声能的形式释放出来。此外，温度的变化也会让汽化了的水蒸气又液化回液态水，气泡忽大忽小地振动，也有可能发出响声。
开水是沸腾状态，整壶水已经达到沸点，气泡在上升过程中遇到的温度基本不变，也不会遇到对流扰动，所以能平稳地升到表面，然后较为安静地破裂。
by 牧鱼
Q.E.D.

Q2

为什么FPS玩家在游戏中的动态视力很好，静态视力却很差？

by 匿名

答：
众所周知，电子竞技不需要视力，所以静态视力不好也是很合理的。
这种现象可能是由于特克斯勒消逝效应（Troxler’s fading）造成的。
为了方便大家理解为什么会有人能看不见就在眼前的东西，请大家先看下面的图片，紧盯图片的一个位置20s或者更长的时间，神奇的事就会发生。
会消失的图片 | 来源：参考资料[1]
没错，在紧盯一个位置一定时间之后，图片竟然消失了。这便是特克斯勒消逝效应（Troxler's fading）的一种体现。
特克斯勒消逝效应说的是，当一个人的目光聚焦在某个固定点上 20 秒或者更长时间之后，在该固定点周围，也就是在观察者余光中的其他视觉刺激源将会在观察者的视野中慢慢淡化直至最后消失。
人的神经系统每时每刻都要处理大量信息，压力极大，为了减轻压力，人类进化出了神经适应性，这允许我们忽略一些不重要的信息，例如持续不断的刺激等等。以题目中提到的FPS游戏为例，当人长时间玩FPS游戏时，神经系统处于高度紧张的状态，由于游戏内的目标大多处于移动状态，神经系统会忽略掉处于静态的东西，表现出来就是FPS玩家比较差的静态视力。
当然，FPS玩家也不一定都缺乏静态视力。虽然小编不玩FPS类游戏，但是小编认为像吃鸡这种老六比较多的游戏，玩家的静态视力应该不会太差。
参考资料：
[1]解密视错觉 | 特克斯勒消逝效应
by 乐子超人
Q.E.D.

Q3

100℃的水和油哪个更烫手？

by 匿名

答：
先上答案，如果是短时间内接触，水会更烫手；如果长时间接触，油会更烫手。
抛开其它性质不谈，温度计接触到同样100摄氏度的物质数值肯定一样。但人体不是温度计，由于水和油性质的不同，“烫手”程度是不一样的。
首先考虑比热容，比热容是热力学中常用的一个物理量，指单位质量的某种物质升高（或下降）单位温度所吸收（或放出）的热量。水的比热容为4200J/(kg·℃)，油（选取大豆油）按照2430J/(kg·℃)。
不同食用油的比热容 | 百度百科
可以看到，水的比热容接近于油的2倍，当相同质量相同温度的水与皮肤接触后降低相同的1℃后，会释放出2倍的能量，所以短时间接触水比油更烫手。
再考虑水油的挥发，由于水和油与手接触后，水的挥发速度高于油的挥发速度，所以油在手上停留的时间会高于水的（见参考文献），这就是长时间接触油会更烫手的原因。
Tips：不管是油还是水，大家都不要用自己的身体做危险实验哦。
参考资料：
100℃的水和100℃的食用油，哪个更烫手些？
李守信,宋剑飞,李立清,唐琳,朱正双,尤生全.挥发性有机化合物处理技术的研究进展[J].化工环保,2008(01):1-7.
by just_iu
Q.E.D.

Q4

人是两只脚交替前进行走的，那么四足动物（比如猫咪）是以怎样的顺序迈出脚来行走？

by Gemma

答：
四足动物的运动主要可以分为四种，慢步、快步、慢跑和奔跑。因为没有找到顶级掠食者（指猫猫）的合适的动图，这里便以马为例进行讲解。
首先是慢步，它的运动方式是对角线换步法，开始起步时如果是右前足先向前迈开脚步，下一个便是对角线的左后足跟着向前，接着是左前足向前走，然后右后足跟上，这就完成一个循环。在这个循环中，每个时刻都有三只脚站在地面上，身体的重心就放在三只脚所构成的三角形内。
马的快步也是对角线交换式的步法，与慢步稍微不同的是，小跑时对角线的两足同时离地、同时落地。
马的慢跑方式不再是纯粹的对角线交换，以左后先落地为例，之后是对角线的左前和右后同时落地，接着是右前落地，如此循环重复。
马的奔跑是最快的一种步伐，这种步伐不再采用对角线交换的方式，而是前两足和后两足按左后、右后、左前、右前这样一种方式，在很短的时间内快速轮流落地，之后是一段时间的腾空，然后再轮流落地这样前进。
除此之外，还有一种比较有意思的步伐，飞跑（flying pace）。这种步伐的运动规律是左后左前同时落地——悬空——右后右前同时落地的“顺拐“跑法。
猫猫这种食肉猛兽属于爪类动物，其运动的步伐和马这种蹄类动物比较类似，奔跑时也是采用四足轮流落地的步伐。但不同于蹄类动物偏硬的脊椎，爪类动物的脊椎通常比较柔软，能像弹簧那样弯曲，在奔跑时能增加身体的弹性，让每一次的迈步都可以跃出更远的距离。马在奔跑时总保持背部平直，而爪类动物奔跑时的体态可以更加大开大合。
这种奔跑时体态上的不同也导致了两者步伐顺序的区别，以马和猎豹为例，马是左后、右后、左前、右前，哪一侧的后足先落地，哪一侧的前足也落地在前；而猎豹则是后足轮流落地之后，同侧前足紧接着落地，左后、右后、右前、左前的顺序。
最后让我们一起来欣赏一下高速摄影机下的”大猫“的奔跑。
猎豹奔跑图 | 来源：Bilibili@BV1w7411a7mn
参考资料：
马的奔跑
四足动物的运动规律并附经典参考图讲解
by 乐子超人
Q.E.D.

Q5

夏天正午的地面温度往往比气温高，这不会与热传递定律矛盾吗？

by 毽蟠暇

答：
不矛盾，因为是地面向空气传热。在三种传热方式中，对气温起主要作用的是热辐射。
太阳辐射并不会直接加热空气，否则离太阳更近的高层大气应该比地表空气温度更高、珠穆朗玛峰顶的积雪应该平移到杭州附近——这显然与事实不符。
下图展示了在海平面处（红色）和地球大气层顶部（黄色）所接收到的太阳辐射的功率密度谱，黑色曲线是作为参考的5250℃的黑体辐射谱。可见太阳辐射主要集中在紫外光、可见光和近红外波段。换句话说，太阳辐射的能量主要由波长在1300nm以下的短波电磁波携带。但是大气对这个波段的电磁波吸收效果并不好，所以太阳辐射的大多数能量都损耗很小地穿过了大气层、抵达了地表并被大地吸收。
太阳辐射谱
大地吸收了太阳光的能量后温度上升，向外辐射能量。夏天正午地表温度一般至多七八十度（约350K），辐射谱不妨用300K的黑体辐射谱作为近似。经过计算（公式复杂，不宜展示），大地的辐射功率峰在9600nm附近，远大于太阳辐射谱的波长，因此被称为地面长波辐射。这个波长的电磁波比较容易被大气中的各种气体分子吸收，是空气升温的主要能量来源。因此近地面大气温度比高层大气更高。
大气受热过程示意
在实际的太阳、地面、大气的相互作用系统中，还存在着大气逆辐射、大气反射等诸多过程，但是这些过程与题目关系不大，不再赘述。感兴趣的读者可以到高中地理课本中查阅相关内容——至少六七年前的人教版地理必修课本里，大气受热还是一个比较重要的考点。
by 藏痴
Q.E.D.

Q6

为什么最大静摩擦力略大于滑动摩擦力？

by 匿名

答：
可以从三个方面来解释。
第一：静摩擦比动摩擦接触时间长。由于接触点上压力较高，材料发生弹塑性互相压入，接触时间长代表着表面间的相互作用力比较大，所以导致静摩擦系数大于动摩擦系数。
第二：由静止进入相对运动以后，物体与表面间接触的部分弹性形变能是有利的，这意味着运动时弹性回复力帮助克服粘着力从而有利于滑动（这是静止时没有的特征）。
第三：两个摩擦表面上的微凸体互相压入，在相对运动中一般会产生弹性挤压和塑性挤压，多次重复会招致疲劳破坏，脱落的微粒将夹在两摩擦面之间。当微粒夹杂在两个摩擦面之间时，将削弱“粘着”和“微凸体互嵌”的作用从而有利于滑动。
以上三点就是为什么最大静摩擦力略大于滑动摩擦力的原因。
参考文献：
谢世汉. 为什么静摩擦系数大于动摩擦系数[J]. 江西师范大学学报(自然科学版), 1984(02):46-48.
by just_iu
Q.E.D.

Q7

计算机伪随机数生成的原理是什么？

by img sec

答：
现在计算机生成的随机数实际上并不是真正的随机数，而是伪随机数。一个伪随机数的序列并不是完全随机的，而是通过一个确定的算法生成的，但是生成的数字可以看作是随机分布的。
一个最知名的伪随机数算法是线性同余算法：
其中是三个参数。首先我们需要一个“随机数种子”，然后计算除以的余数作为，这就是生成的下一个随机数，如果再需要生成第二个随机数就计算除以的余数作为，以此类推……
我们可以发现，对于一个给定的线性同余算法（给定参数），相同的随机数种子生成的序列是完全相同的，所以生成的并不是真正的随机数。
如果我们选择，用python写个小代码，观察一下生成数据的直方图，可以看出来产生的伪随机数大致是均匀分布的。
再看一下生成的序列，画出曲线，也没有发现数据有明显的周期性
但是线性同余算法生成随机数的质量非常依赖于参数的选择，例如当我们选择，那么就会得到一个这样的序列：1, 3, 1, 3, 1, …… 这显然不能称得上是一个伪随机数序列。除此之外还有很多产生简单周期性序列的参数组合。
图片来源：wiki
参考资料：
Linear congruential generator
by Paarthurnax
Q.E.D.

Q8

原子钟的原理是什么？

by img sec

答：
以铯原子钟为例，你只要数清楚铯原子发出9192631770个周期的电磁辐射波，把它记为1秒，这样就能计时了。
铯原子发出电磁波源自于它在不同能级间的跃迁，比较特殊的是，它的基态能级有精细结构，是由两个相隔很小的能级组成的，即下图中的最下方两条线。铯原子在这两个能级之间跃迁会产生电磁辐射，这个辐射的波长大概是3.26厘米，属于微波波段。这两个能级的差很小，所以它被热运动影响造成的展宽也会很小，辐射出的电磁波频率也就稳定且精确。科学家们正是看重了这一点，才研发出了如今数千万年误差不到一秒的原子钟。
铯原子的能级图
那么怎么把这种电磁波的频率转化成可以计数的装置呢？目前最顶尖的做法是建造一个原子喷泉。喷泉中央是铯原子气团，被六束激光牢牢地固定住。铯原子们一开始基本集中在和。六束固定激光的频率恰好能让激发，再自发落回到和。这样，态的铯原子会被不断地搬迁到。
原子喷泉结构示意图 | 图源[1]
等这个过程稳定后，稍微增大下方激光的强度，让铯原子气团上升通过微波腔(Microwave Cavity)。微波腔会发出试探电磁波。如果这个试探波的频率与和之间的能级差相近，大量的铯原子们就会跃迁到。这时，让铯原子团下降一点，再打一束频率依然是恰好能让激发到的探测激光(Probe Laser)。最后把激光关闭，处于的铯原子会自发落回和并放出荧光。不断调整试探电磁波的频率，使最后阶段发出的荧光最强，这样就能确定试探电磁波的频率是我们想要读取的目标频率。剩下的事情就是用电路将微波腔产生的目标频率转化成日常使用的时间了。
还有一种方法是与石英钟构成负反馈系统，不过这种方法又涉及到石英钟的工作原理，有兴趣的同学可以移步下方的参考资料[2]观看。
除了铯之外，还有用其他原子制造的原子钟，例如我国的北斗导航卫星用的是铷原子钟。当然，只要具有类似的能级结构，也可以用分子做成分子钟，历史上第一个用这种量子原理做的钟正是氨分子钟。
参考资料：
NIST-F1 Cesium Fountain Clock | NIST
【Engineer guy】原子钟的工作原理及其在GPS系统中的应用 @圆桌字幕组
by 牧鱼
Q.E.D.