为什么大多数塑料凳子中间都有一个洞？| No.377

Original Frions 中科院物理所 2023-10-15

收录于合集 #问答 353个

释放压力
各种颜色
各种款式
任您选择

Q1

为什么大多数塑料凳子中间都有一个洞？

by 7元船长的船员

答：
不知道你有没有用手勾住凳子中间的洞来移动过凳子，至少笔者是有过这样经历的。所以塑料凳子中间的洞，这一设计的第一个好处就是方便移动凳子。
这当然不是最重要的原因，若很多个凳子摞在一起，分离它们时，如果没有这个小洞，塑料凳子上下之间会将空气排出，形成一个空气稀薄的区域，由于大气压强的存在，就需要很费力才能分开，（类似于马德堡实验中的两个半球）。有了这个洞不仅使得更容易将摞在一起的凳子分离开来，也使得在加工时模具和凳子更容易脱落。
当然，塑料凳子有个洞，可以在我们坐上去的时候更好的通风，有利于汗液的蒸发，有益于健康。不过这样也为一些气体的传播逃逸提供了扩散通道，别问我是怎么知道的。其实塑料凳子的小洞还有很多意想不到的用处，需要诸位开发自己的想象力，比如：
你还能想到这个塑料凳子上的洞的其他更妙的用法吗？
by serendipity
Q.E.D.

Q2

为什么洗面奶里都是液体，结果挤出来是沫？

by 匿名

答：
相信现在很多的洗护产品已经进化到直接按压出泡沫的包装了，类似洗面奶，洗手液等。我们可以清晰地观察到瓶子里面装的是液体，经过泵头按压出来就是泡沫了，这其中是泡沫泵头在起作用。但在介绍泵头之前我们需要先了解负责起泡的主要物质—表面活性剂。
表面活性剂有两端结构，易溶于水的亲水基和易溶于油的憎水基。当我们在手心中揉搓洗面奶时，表面活性剂分子会在水和空气之间形成一个界面，喜欢接触水的头部吸附周围水分子，形成表面张力，揉搓的过程就是扰动平衡的过程，结果就是产生气泡。
而泡沫泵头是利用大气压强，按压泵头1，活塞5下降，储液腔4的空气被排除，之后弹簧回缩，储液腔形成真空状态产生负压，此时储液腔中压力小而容器内的压力大，在压差的作用下，大气会把液体压进储液腔。再次按压液体就会被挤出来，在这个过程中也模拟了扰动表面张力平衡的过程，所以挤压出来的液体变成了泡沫。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q3

为什么洗干净的小白鞋晒干后会变黄？

by 匿名

答：
这个问题笔者也深受其害，本科时自己新买的小白鞋洗了一次之后变成小黄鞋真的很扎心TT，直到回家看到老妈晾鞋子会包上一层卫生纸，包了纸的鞋子晒干之后纸变黄了，而鞋子依旧是白色的，这很难不让人联想到是纸巾起了吸引火力的作用。
这是因为我们清洗鞋子一般是用肥皂或者洗衣粉之类的碱性物质，而在刷鞋的过程中很难把这些碱性物质完全的清洗干净，在水分蒸发之后，这些碱性物质与阳光发生氧化作用就会变黄。同时在晾晒的过程中阳光照射不是均匀的，水分集中的地方更容易变黄，鞋子凸起的面更容易晾干，而这部分也共容易富集碱性物质，也更容易变黄。
变黄的除了白色的鞋面还有白色的鞋边，因为鞋边是用容易氧化的尼龙和有机胶制作的，因此长期接受太阳直射也会发黄。
纸巾对于布料而言更容易吸水和富集碱性物质，同时也能够遮挡阳光，起到一定的防护作用，所以最后纸变黄而鞋子却没事。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q4

天空为什么是蓝色？

by silence

答：
概括来说是因为光的散射，具体来说是因为光的瑞利散射~
瑞利散射是指尺寸远小于光的波长的粒子对光束的散射，很适合用来研究空气分子对太阳光的散射。瑞利散射光的强度为：
其中I为光强。所以在可见光中，波长λ较短的蓝光会最容易被散射得漫天都是，所以在白天的天空，四面八方都呈现为蓝色哒~
此外，小编觉得这里大家可能会有两个额外的问题：
第一个问题是，明明可见光中紫光是波长最短的，按这理论怎么不是紫光最易被看到？——这其实是因为人眼对不同颜色的敏感度不同，人眼对紫光不是很敏感，这就是另一个话题了。
第二个问题是那为什么日出或黄昏时天空就是红色了？——这关系到太阳光经过的空气层厚度。日出和黄昏时，太阳光斜着射入地球的空气层，经过空气层的距离比白天直射时要长得多，即使蓝光的瑞利散射程度很大，大部分蓝光也已经被厚厚的空气层散射掉了，此时只剩下红橙色的光。
by Skylinezz52
Q.E.D.

Q5

电池充满电了会变重嘛？

by 闵小戴

答：
让我们来看看电池充电前和充电后都都有哪些不同。
首先当然是电子的定向移动：一大堆电子从电池的负极被搬到了电池的正极，这种电子搬家肯定不会导致重量的改变——但接下来的这个变化确实会改变电池的重量，那就是充电后产生的电势能。电势能这种能量被作为电力储存在电池中，而根据爱因斯坦的相对论，能量的增加确实能带来质量的改变。
只是……这种“重量的改变”实在是太过微小：以10000mAh，3.7V的充电宝来说（正在小编手边的这个），满电的能量为：E=10 * 3600 * 3.7=133200J的能量，这相当于m=E/c^2 =1.48 * 10^(-12)kg的质量……如果你能感受到这个数量级的质量的变化，那你确实可以说电池充电后变重了……
by Skylinezz52
Q.E.D.

Q6

为什么电视遥控器可以不对准电视就能使用，光不是沿直线传播吗？

by 馨苹同志

答：
如果针对抽象的光束来说，光确实是沿直线传播的，但是在现实生活中，人类的技术很难得到如同物理图像中那样理想的光束。
在历史上，人类能够创造的光源绝大多数都更接近点光源的形式，比如篝火、蜡烛、白炽灯等等……人类目前创造出来最接近理想抽象光束的光叫做激光，激光具有高度的单色性，方向性以及更高的亮度，因此利用激光可以用来很好地演示光在反射、折射时的性质。
但很可惜，我们今天要讨论的电视遥控器使用的光源并不是激光，而是红外二极管（IR Diode）。红外二极管与发出可见光的二极管形状类似，工作原理也类似，只是由于二极管使用的材料不同导致产生的光波长不同。
红外二极管和发光二极管
上面是红外二极管，下图是普通的红光二极管，两者的外形相当类似。出于对光的一般认识，即使红外线是肉眼不可见的，我们也可以利用发光二极管的光线分布情况来类比红外二极管发出的红外光在空间中如何分布。
老式遥控器电路背板
上图是一个老式遥控器的电路背板，在对应遥控器发射信号的位置我们可以看到一个红外二极管。很显然的是，像普通的发光二极管一样，红外二极管发出的光并不严格按遥控器所指方向传播，而是以遥控器尖端为原点的一个近似扇形分布。具体的分布则要取决于发光二极管外壳的几何性质。不过一般来说只要电视机信号接收器处在这个扇形分布内，或者扇形出射的红外信号光经过漫反射后进入信号接收器的强度足够高，就可以控制电视机啦。
by K.Collider
Q.E.D.

Q7

地球每时每刻都在接受太阳的光照，那地球的总能量会随时间增加吗？

by 皮蛋粥

答：
不会。地球不仅接受太阳的光能，同时也向宇宙中辐射能量，保持了一个动态平衡状态。
当地球吸收的太阳辐射与其辐射到太空中的能量相等时，地球的总能量不会随时间无限增加，而是保持相对稳定。如下图所示，入射的太阳辐射（340.4）会被云层和大气反射（77.0），也会被地表反射（22.9），同时大气、云层和地表也会吸收太阳辐射的能量，用于支撑地球上的生态系统、气候和大气环流等。吸收的太阳能会转化为不同形式的能量，其中一部分能量以长波辐射的形式直接回到太空中，而其余部分首先通过气候系统以辐射和其他形式传输，例如通过蒸发散热或传导/对流过程从地球表面层（陆地和海洋）传输到大气中，最终，所有的出射能量以长波辐射（239.9）的形式辐射回太空。
地球能量平衡图 | 来源[1]
参考资料：
"TheNASA Earth's Energy Budget Poster". NASA. Archived from the original on 21April 2014. Retrieved 20 April2014.
Earth's energy budget
by 小线
Q.E.D.

Q8

请问经过漫反射后，光是否会改变颜色？

by 臻

答：
不会，但是会影响颜色的呈现。与我们的直观想法相悖，固体的漫反射不仅仅是由于表面粗糙导致的，即使表面平坦，漫反射依然发生，例如一块高度抛光的白色大理石为什么仍然保持白色，抛光的确会产生一些镜面反射，但剩余的光仍然会进行漫反射。
如图1所示，固体表面发生漫反射，大部分光线是由表面下方的散射中心贡献的，并不是我们想象的只与表面有关。如果想象这个图形代表的是雪，多边形代表了它的冰晶，一束入射光由第一个颗粒表面反射，同时透射光进入，与第二个颗粒的界面发生反射，以此类推，生成一系列随机方向上的“初级”散射光线，这些光线通过相同的机制，产生大量的“次级”散射光线，这些光线又生成“三级”光线……所有这些光线都在雪晶体中传播，而雪晶体不吸收光线，直到它们到达表面并以随机方向退出。
图1:固体表面漫反射机制 | [1]
这个固体表面漫反射机制非常普遍，因为几乎所有常见材料都是由晶粒组成的，晶粒的不规则排列和界面缺陷都可以反射光线，从而重现上述机制，例如矿物材料通常是多晶的。
总结而言，如图2所示，漫反射能使光线的方向改变，使得光线呈现出不规则的分布，而不是在特定方向上传播。
图2:不规则表面的漫反射 | [1]
漫反射会显著影响物体的颜色，因为它决定了光线在材料中传播的平均路径，进而决定了各种波长被吸收的程度。例如，红色墨水在瓶子里看起来是黑色的，但当它写在纸上时，它呈现出鲜艳的红色。这是因为光线在纸纤维中传播的路径非常短，而来自瓶子的光线在经过多次漫反射后被大量吸收。
此外，当有色物体同时具有漫射反射和镜面反射时，通常只有漫射分量是有颜色的，镜面反射部分则呈现光泽感。但是我们要知道，光的颜色是由其波长决定的，不同波长的光对应不同的颜色。例如，红光具有较长的波长，而蓝光具有较短的波长，而漫反射不能改变光子的能量，因此这种颜色变化不是像折射、色散等光学现象一样改变光的波长。
总之，漫反射是颜色呈现的重要载体，但不会改变颜色。
参考资料：
Diffuse_reflection
by 小线
Q.E.D.