学习时听莫扎特会提升效率吗？| No.353
跟着我左手一个安培力
右手一个楞次定律
这首歌给你快乐
你有没有爱上学习
Q1
宿舍开了空调之后冷热分布不均怎么办？
by 冻星
答：首先，出现这种不能雨露均沾现象的原因当然是因为空气是热的不良导体啦🤔
空气的导热系数约为0.02至0.03W/m·K，也就是说对于空气来说，在稳定传热条件下，1m厚的空气，两侧表面的温差为1度（K，℃），在一小时内，通过1平方米面积传递的热量只有不到0.1W。而相比之下，在常温时，水的导热系数都有约0.6W/m·K，约为空气的20到30倍。
也就是说，如果为了增进舍友之间的感情，大家一起浸泡在水中（全员深海模式！），那么空调送出来的暖风就能以平时20倍的速度在每个人的心中传递宿舍不同位置输运热量啦😎
空调暖风，前进四！| 图源：知乎 by Callo
Q.E.D.
Q2
什么是高温超导，室温超导？
by 匿名
答：前段时间，罗彻斯特大学的Ranga Dias教授在美国物理学会三月会议上宣布，在近环境压强下实现了室温超导，让“室温超导”这个名词在互联网上广为流传。可能有些朋友们在日常生活中还听说过“高温超导”这个名词，对各自含义感到困惑。因此呢，给大家解释一下“高温超导”和“室温超导”分别是什么，有什么不同。
一般来说，我们把临界温度高于40K的超导体称为高温超导体，而把临界温度高于300K左右的超导体称为室温超导。也就是说，在超导界，“室温”其实是要比“高温”高得多的。至于为什么高温超导体的分界线是40K，还要从超导的机理说起。1911年，onners首次发现在4.2K以下汞金属会表现出超导电性。1957年，BCS理论通过电子库伯对的形成解释了超导的机理。然而，BCS理论预言超导的临界温度最高只有40K，这极大限制了超导的应用。经过不懈的努力，科学家们找到了不能用BCS理论来解释的超导体，例如临界温度在26K到55K的铁基超导体，以及38K-138K的铜基超导体。以上这些临界温度高于40K，不能被传统BCS理论来解释的超导体被称为高温超导体，也叫非常规超导体。在这些非常规超导体中，铜基超导体是最被广为接受的高温超导体，因为其超导临界温度达到了77K（液氮沸点），可以较为简单地应用到生产生活中。
上面提到的高温超导体都是在常压下的超导体，其临界温度距室温也有很大距离。而根据理论模型，理论上更轻的元素在极高压下拥有更高的临界温度，金属氢的理论临界温度可以达到3500K。目前的室温超导体，基本上都是极高压强下的含氢化合物。例如LaH₁₀，在170GPa（1.7亿倍大气压）下临界温度可以达到250K，大约是北京冬天室外的最低温度。而这次Dias的1GPa（1万倍大气压）294K超导，目前来说结果存疑。此外呢，目前的室温超导体都需要在极高压下才可以室温超导，而这几万甚至几亿倍的大气压，其实获取难度比液氮温区的77K低温还要高不少。常压室温超导，仍然任重而道远。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q3
请问电脑游戏中穿模现象和量子效应有关吗？
by wzn
答：目前同学们玩到的一般电脑游戏中，穿模现象当然和量子效应无关啦😎
电脑游戏中之所以会出现穿模，主要是因为在游戏的物理引擎运算过程中，没有能够正确表现出两个物体的碰撞过程，从而造成了两个本该在刚体约束条件下碰撞而弹开的物体没能正确表现出碰撞的物理过程，进而相互部分地穿过对方，造成了穿模的现象。
常用的碰撞检测有AABB(axis-aligned bounding boxes), OBB(oriented bounding boxes), 和Bounding Circle/Sphere三种方法，如下图所示：
三种常用的Bounding | 图源：给我一个物理引擎，我也能“预测”世界杯？ 而所谓的约束可以理解为上图中不同物体的边界，如果约束计算失误，那么就会导致杨桃的边界出现在足球的内部，从而出现穿模的现象，例如...
一个约束计算失败案例 经常光顾我们公众号文章的读者可能对这样一篇文章还有点印象：给我一个物理引擎，我也能“预测”世界杯？，如果想进一步了解有关物理引擎如何运作的基本介绍，以及碰撞检测、约束计算等等更细致的内容，欢迎去这篇文章考古哦😎
by Callo
Q.E.D.
Q4
据说在考前听莫扎特的音乐会提高成绩，是真的吗？
by 匿名
答：那不妨让我们边听Mozart音乐边一起探讨交流。
省流：有一定科学依据但并不完全准确。建议是，好好学习，天天向上！
图源SOOGIF 就像笔者之前曾回答过的一个问题（No.342的Q8）一样，人脑对于听到不同的东西所做出的反应都是不一样的。关于听莫扎特音乐对智力和学习成绩的影响，背后的科学依据其实是建立在一个假设之上——莫扎特效应。
1991年，法国人Alfred Tomatis提出，莫扎特的音乐有助大脑发育。从此，Tomatis博士的“莫扎特效应”便持续引起着广泛关注。
1993年发表的一项研究表明，听莫扎特的音乐可以提高年轻成年人的空间推理能力。Frances Rauscher给大学生们演奏了10分钟的Ｋ.448号乐曲之后，对他们进行空间推理能力测试。结果表明，相比于听放松的舒缓音或保持安静的状态，听莫扎特音乐的学生在测试中的表现更好。但是，这个效应只能持续大约15分钟。
图源网络 随后的两三年内，其他人陆续做了一些实验，也证实莫扎特效应确实有所作用。
当然也有人不这么认为，Kenneth M. Steele和他的团队就不服气，1999年，他们使用Rauscher的原始报告中的程序来复现当时的实验，结果是“几乎没有证据表明接触音乐对推理能力有直接影响”，当然他们顺便也发了篇nature。
那么莫扎特效应是只对能欣赏得了他音乐的人才有作用吗？还真不是。后来有人做了动物实验，研究对象变成了老鼠。结果是出现学习效果的改善不太可能是基于音乐欣赏。
不过还有研究人员发现，在听了莫扎特双钢琴奏鸣曲后，实验对象中很大一部分所患癫痫活动显著减少。
2001年，有科学家对于莫扎特效应做了更深层次的研究，他们认为，听音乐和空间推理有关是因为它们在大脑中的反应相似。音乐激活了我们大脑中的多个区域，而与空间推理有关的脑区也与之相同，因此会使个体表现得更好。
图源网络 总结起来就是：
①的确有研究者证实听莫扎特音乐10分钟后，被试对象空间时间推理的表现会增强，但并非所有相关研究都得到了这种结果。
②即使在呈现积极结果的研究中，这种增强也很小，只持续大约12分钟，并且效果因个体而异，取决于实验验证时所选的空间任务是什么。
③它的确并不影响智力水平的提高，但对一些癫痫（或其他疾病）患者可能有所帮助。
④莫扎特效应并不特定局限于莫扎特的K448作品，但具体的音乐标准尚未完全定义。
不过要我说，听莫扎特的音乐可能更有助于减轻考试前的紧张情绪和压力，另外一大用途可能就是平时与人聊天时有共同的话题能一起交流。如果你想在考试前达到身心的最佳状态，最重要的还是之前有过充足的复习，考前充足的睡眠以及合理的饮食。另外，学习如何控制情绪和压力可能对你应对考试更有帮助。
如果你坚定地觉得听莫扎特的音乐可以补偿你平时未学的习，那么你大可去试试。😉
参考资料：
[1]Campbell D. The Mozart Effect [R] for Children: Awakening Your Child's Mind, Health, and Creativity with Music[M].
[2]Rauscher FH, Shaw GL, Ky KN. Music and spatial task performance. Nature 1993;365: 611.
[3]Rauscher FH, Shaw GL, Ky KN. Listening to Mozart enhances spatial-temporal reasoning: towards a neurophysiological basis[J]. Neuroscience letters, 1995, 185(1): 44-47.
[4]Steele K M, Bella S D, Peretz I, et al. Prelude or requiem for the ‘Mozart effect’?[J]. Nature, 1999, 400(6747): 827-827.
[5]Warren J D. Variations on the musical brain[J]. Journal of the Royal Society of Medicine, 1999, 92(11): 571-575.
[6]Hughes J R, Daaboul Y, Fino J J, et al. The “Mozart effect” on epileptiform activity[J]. Clinical Electroencephalography, 1998, 29(3): 109-119.
[7]Jenkins JS. The Mozart effect. J R Soc Med. 2001 Apr;94(4):170-2.
[8]Jaušovec N, Jaušovec K, Gerlič I. The influence of Mozart’s music on brain activity in the process of learning[J]. Clinical neurophysiology, 2006, 117(12): 2703-2714.
[9]The Mozart effect: The truth behind the claims
by 十七
Q.E.D.
Q5
CO₂是温室气体，也是植物光合作用的原料。大气中CO₂升高后，所有植物的光合作用效率应该提高，对吗？by 匿名
答：我曾经也是这样想的！CO₂浓度升高，植物光合作用效率不是应该提高嘛，如果是这样的话，对生态系统反而不是应该是好事嘛！森林扩张、粮食增产，岂不是美滋滋。
但是实际上，小编很快想起来了光合作用有关知识，在确定了温度、湿度等其他条件下，光合作用速率关于CO₂浓度存在一个补偿点，以及一个饱和点。补偿点之后，光合作用速率大于呼吸作用，存在净的碳固定，饱和点之后，单纯提高CO₂浓度不能再提高光合作用效率。具体而言，大气中CO₂浓度由工业革命前的280μmol·mol^(-1)（对应体积分数0.028%）上升到了当前的409μmol·mol^(-1) ,如果保持目前排放速度，预测将在2100年达到538-670μmol·mol^(-1) [1]。如下图，这样看来将会提高水稻光合作用速率。但是事情并不这么简单。
水稻抽穗期光合作用速率随胞间CO2浓度的变化，图自[1] 研究发现，在升高温度、增加CO₂浓度的条件下，农作物如水稻，种子中淀粉含量会升高，但是同时会抑制其固氮能力，导致蛋白质含量的减少，同时，微量元素如铁、锌等含量也会受到影响，如参考文献[2]。也即虽然淀粉的合成能力提高，但是总体而言粮食的营养价值将会下降。
森林作为一个生态系统，受到的影响将更加复杂。一方面，不同植物的碳饱和点不同，碳饱和点较高的植物将更具竞争力，这可能导致森林中主要树木品种发生变化；病虫害方面，可能使树木与环境产生失调，改变树木对病虫害的抗性；温室效应导致的温度升高，则可能使森林火险期延长[3]。
总体而言，虽然CO₂的浓度升高在一定范围内确实能够提高植物光合作用速率，但是对农作物而言，可能导致营养价值下降，对森林（生态系统）而言则更为复杂，可能产生诸多负面影响，需要结合气候变化具体分析。
参考资料：
[1]刘超,胡正华,陈健,刘晓萌,于凌飞,孙文娟,陈书涛.不同CO_2浓度升高水平对水稻光合特性的影响[J].生态环境学报,2018,27(02):246-254.DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2018.02.007.
[2]姚婷. 大气CO_2浓度和温度升高对东北豆稻米品质的影响[D].南京信息工程大学,2022.DOI:10.27248/d.cnki.gnjqc.2022.000424.
[3]马丽.气候变化和CO_2浓度升高对森林影响的探讨[J].林业资源管理,2014(05):28-34.DOI:10.13466/j.cnki.lyzygl.2014.05.006.
by 小范
Q.E.D.
Q6
反射和散射有什么区别？是散射包含反射吗？
by 匿名
答：首先我们考虑反射和散射分别描写怎样的物理过程。
“反射”一词通常用于描述波(包括水波、声波、电磁波、物质波等)的行为，它是指介面处波的等相位面传播方向发生改变，使得等相位面仍然在它原来的介质中传播。例如我们初中学习的光的反射，反射光在介面处改变传播方向，仍然在原来和介质中传播，反射定律告诉我们在镜面反射的情况下，入射角等于反射角。
反射定律告诉我们，镜面反射入射角等于反射角 | 图源：Reflection (physics) 散射在物理学中是指：运动的粒子或波(例如光或声音)由于受到空间局部的非均匀性的影响，改变原本的直线传播轨迹。从这个意义上来说，波在介面上的反射也是波受到空间非均匀性的影响而改变传播方向，于是可以认为散射包括反射。
“反射”和“散射”两个词可描述同一个物理过程，侧重点不同。这里有一个有趣的例子：晶体X射线衍射。X射线在晶体中的衍射可以用于确定晶体的结构。人们在讨论X射线与晶体中电子相互作用规律及衍射强度非零条件时，常用“散射”一词替代“衍射”。而布拉格衍射是X射线衍射的一种描述方式，它描述入射波在特定晶面上的衍射，入射波和反射波满足反射定律(入射角等于反射角)，于是讨论布拉格衍射时，常用“反射”一词代替“衍射”。
布拉格衍射示意图，在特定晶面上的衍射，入射角等于反射角 | 图源：Bragg's law 笔者认为，“反射”多强调物理过程的宏观层面或描述遵循反射定律的物理过程。例如人们谈及光的镜面反射和漫反射时，一般将介面看作由连续介质构成，且不会考虑光如何与介面上的原子相互作用。另一方面，“散射”多用于强调物理过程的微观层面。例如瑞利散射关心的主要是电磁波在空间传播时，振荡的电场极化周围的粒子，使之按照与电磁波相同的频率进行受迫振动，进而辐射出电磁波(散射波)的过程。
大气的瑞利散射使白天的天空呈现蓝色，使落日呈现红色 | 图源：Rayleigh scattering 参考资料：
[2]Scattering
[3]Woolfson M M, Woolfson M M. An introduction to X-ray crystallography[M]. Cambridge University Press, 1997.
by 利有攸往
Q.E.D.
Q7
2023年物理所科普日是哪一天？
by 匿名
答：首先，感谢这位同学对于物理所科普活动的关注与支持！💕
其次，小编想小小更正一下，准确地来说，这位同学想问的应该是物理所公众科学日的日期吧？
其实公众科学日有着悠久的历史：自2004年5月15日举办首届公众科学日以来，每年中科院物理所都会举行公众科学日，在当天对社会公众开放，面向大众举行科普活动，传播科学知识，增进公众对科学的认识。
然后，来回顾一下去年公众科学日的精彩瞬间：
2022年物理所公众科学日 | 图源：中科院物理所×哔哩哔哩公众科学日节目单大揭秘，你爱的Ta来了吗？！ 注意！！这是去年的海报哦 | 图源 同上 怎么样，有没有被精美的海报、豪华的嘉宾阵容以及精彩的活动安排吸引到？虽然今年公众科学日的具体时间还是最高机密
才不是小编也不知道呢🙃 不过小编可以偷偷告诉你，只要你关注中科院物理所公众号并星标（划重点，由于微信公众号推送策略限制，如果想第一时间收到我们的推送一定要星标！），那么小编保证在不久的将来，你就会收到一封精心准备的公众科学日邀请函，期待与你物理所的相会！
by Callo
Q.E.D.
勘误
No.352Q3中问到“氯化钠和硝酸钾溶液蒸干后会得到什么？”，但给出的答案会违背离子数守恒，这是怎么回事？特别感谢读者alpha的提问
答：上期的回答用到了这张相图，它的横轴是在阳离子中的占比，纵坐标是在阴离子中的占比。以和1:1的初始配比举例，溶液体系的状态一开始在相图中的O点，水分蒸发会率先析出，溶液状态也随之沿着虚线移动到的相边界，然后同时析出和，并沿着相边界来到点，同时析出、和直到蒸干。
这时有读者提问了，按这样的流程析出的晶体中，会比少，这和原配比不符。
确实不太对劲。我们马上组织起来开始讨论，群里各路潜水元老也纷纷活跃起来，好不热闹。
问答团队群里瞬间充满了学术的空气 问题就出在点析出结晶的过程中，会先被耗尽。我们的乐在心中同学用离子积做了详尽的计算，这里以初始体积为1L、浓度均为2.561mol/L的、、、的溶液为例。
是个狠人，硬生生把整个过程给解出来了 | 乐在心中的手稿 1.体系一开始刚好达到的饱和状态，在蒸干95.4mL水，析出0.2443molNaCl后来到了相边界，体系达到和的饱和状态；
2.再蒸干465.7mL水，析出0.7235mol和0.8000mol后来到相图中的点，体系达到、和三者的饱和状态；
3.再蒸干209.9mL水，析出0.4929mol和1.5932mol，体系达到的饱和状态。之前出错的地方就在这里，如果我们假设、和一起析出并继续用离子积计算，会发现下一步蒸发时NaCl的析出量是负数，这意味着理想情况下它会被重新溶解回去并转化成和。但析出物重新溶解再转换并不是我们想要的结果，所以我们假定析出的固体直接从体系中移走，并假定在第四步前，已被耗尽。由于这种假定下和的浓度乘积小于的离子积，所以我们认为析出产物只有和。当然，这只是相当理想的假定，实验中会得到什么其实还很难说；
4.耗尽，再蒸干5mL水，析出0.0107mol；
5.最后蒸干剩下的224mL水，析出0.2892mol和0.9681mol。
所以问题就在于，体系状态到达点后会沿着的相边界继续移动。最终得到的产物是:::=1:1.65:1.65:1，符合离子数守恒。
Frions团队敬上
Q.E.D.
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Callo、单身男青年、十七、小范、利有攸往、Frions团队
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编辑：牧羊
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