盘点那些假期里被你遗忘的物理知识（内含大量手绘图）
行走的秘密——无处不在的摩擦力
提起摩擦力，大家肯定都不陌生，它不仅是我们在学生时代最早接触到的力之一，也在我们每天的生活中扮演着重要的角色，我们走路，开车，拧瓶盖，都离不开摩擦力。如果没有摩擦力，不仅鞋带系不紧，就连筷子都没了用武之地。
很久很久以前，在亚里士多德的时代，大家普遍认为，力是维持物体运动的原因，因为生活常识告诉人们，你只有在一个物体上施加一定的力，这个物体才会运动，而一旦撤掉这个力，物体就会停下来。比如地上放着的一个箱子，你不推它，它就不会动。
但是到伽利略的时期，人们发现，箱子不推会停下来，是因为受到了摩擦力的作用，如果没有摩擦力，运动的物体会一直匀速直线运动下去。这改变了人们对世界的认知。通过理想斜面实验，伽利略提出，力不是维持物体运动的原因，力是改变物体运动状态的原因。
理想斜面实验 | 图源网络
摩擦力分为静摩擦力、滚动摩擦力和滑动摩擦力。当两个接触面粗糙的物体之间有压力，并且有相对运动趋势的时候，就会产生静摩擦力。当这两个物体之间发生相对运动时，静摩擦力就转变成动摩擦力。
滑动摩擦力的大小与接触面间的压力和接触面的粗糙程度成正比。用公式表示为：
最大静摩擦力一般大于滑动摩擦力。
滚动摩擦力是一个物体在另一个物体上面滚动时产生的摩擦力，滚动摩擦力实际上是一种静摩擦力。例如，放在斜面上的小球。在小球向下滚动过程中，小球与斜面的接触点一直在改变，而每个接触点与斜面之间都是静摩擦力。
摩擦力不一定都是阻力，很多时候正是摩擦力提供了物体向前运动的力。
例如，我们行走的时候，用力向后蹬地，脚与地面之间的静摩擦力就提供了前进的动力；骑自行车的时候，车轮与地面之间的滚动摩擦力也提供了向前的动力。
如果摩擦系数很小，静摩擦力变成了滑动摩擦力，场面就会是这样的：
图源：哔哩哔哩
这就是道路结冰时汽车装防滑链的原因，就是为了增大接触面间的摩擦系数，进而增大滚动摩擦力。
蓝天白云和晚霞——光的散射
在旅途中，总喜欢拿起手机或者相机拍下那万里无云的蓝天，或是天边那一抹绚烂的晚霞，你有想过蓝天、白云和晚霞为什么呈现出不同的颜色吗？
光是我们睁开眼就接触到的东西，在我们的生活中司空见惯，但是对它的研究却经过了一段漫长的历史，关于光是微粒还是波这个问题就争论了几百年。
现在我们知道光具有波粒二象性。
光在均匀介质中沿直线传播，在不均匀介质中或者遇到物体阻挡时，它会发生反射、折射、散射、干涉、衍射等现象。散射就是光束在通过光学性质不均匀的介质时，光线向四面八方传播的现象。一个很直观的例子就是在浓雾的森林中，我么可以看到阳光直射下来的轨迹，这就是光的散射。
为了解释天空为什么是蓝色，瑞利研究了细微质点的散射问题，他发现，当散射物体的尺度比光的波长小时，散射光强与波长的四次方成反比，但当散射物体的尺度与光的波长相当时，米和德拜发现，散射强度就与波长没有明显的关系。
白天的天空之所以是亮的是因为大气对太阳光的散射作用，如果没有大气的存在，由于光沿直线传播，我们看到的会是悬挂在漆黑背景中的一轮明亮的太阳，就像在太空中看到的那样。
电磁波谱 | 图源网络
当光线经过大气时，大气中由于密度涨落引起的分子散射比光波长的尺度小的多，根据瑞利散射原理，白光中波长较短的蓝紫色光的散射强度要比其他色光的散射强度大得多，因此天空呈现出淡蓝色。而早上或者傍晚，光线以较大的角度穿过大气层，经过的大气厚度要比垂直入射时大得多，蓝紫色光基本都被散射掉了，因此我们看到的朝霞和晚霞经常是红色或者黄色。
云朵是大气中的水滴组成的，水滴的尺寸要比光波长大得多，瑞利散射不适用，当光经过云朵的时候，各种波长的色光都被散射，因此云朵呈现出白色。
自然界中还存在着很多很有意思的光学现象，有机会我们一一去探索。
多普勒效应这个名字听起来可能有些陌生，但是它产生的效果大家一定很熟悉。
在马路边等车的时候，你会听见身边的车呼啸而过，是的你没看错，是“听见”。如果你留意的话，你会发现，当一辆车从你身边开过时，车辆的声音会从低沉变得尖锐，再归于低沉。这是因为当车辆向你驶来时，它发出声音的频率会变大，而驶去时，声音的频率会变低，这就是多普勒效应。像这样：
多普勒效应示意图 | 图源：维基百科
1842年，奥地利数学及物理学家克里斯琴·多普勒提出了这一效应，主要内容为，波源向观察者靠近时，由于波被压缩，波长变短，频率变大；波源远离观察者时，波长变长，频率变低。1845年，巴耶斯·巴洛特利用声波证明了这个假设。
巴耶斯·巴洛特的实验 | 图源：维基百科
不止声波存在多普勒效应，任何电磁波也都存在多普勒效应，在天文学中，观测行星运行时可以通过红移和蓝移来判断行星是在远离还是在靠近我们。根据电磁波的波谱我们可以看出，当频率变低时会发生红移，结合多普勒效应，可知此时行星在远离我们，相反，当频率高时发生蓝移，说明行星在向我们靠近。
多普勒效应在生活中也有很多应用实例，例如在移动通信中就要考虑到基站和使用者相对移动时多普勒效应产生的影响。多普勒效应在医学领域的应用也很广泛，彩超就是应用了这一原理。
相必大家在乘坐火车的时候都注意到在铁轨两侧的站台上都有一条黄色的警戒线，当你试图越过这条警戒线时，就会有工作人员拿着大喇叭向你喊话（i人尽量不要尝试，太社死了）。
这是因为，当火车经过时，如果火车经过不停车，那么火车的速度就会非常快，如果站在黄线以内，快速移动的火车产生的巨大压强很可能把人推向铁轨，这是非常危险的。
这里涉及到的就是伯努利原理。这一原理是瑞士物理学家丹尼尔·伯努利在1726年提出的。通俗来讲，就是在等高流动时，流速大的地方压强小。
伯努利原理是用来描述理想流体的运动的，并非适用于所有流体。但在很多情况下，所涉及的流体可以近似看做理想流体，因此可以用伯努利原理来解释。
伯努利原理可以从能量守恒来理解。简单来说，就是在无黏滞力的理想流体中，流体内各点的动能、势能和内能之和是一个常数，这就是伯努利方程。
因此当流体流速增加的时候，它的动能增加，相应的内能和势能就会减少，这个势能就包括了静压力产生的势能，也就是说流速增大，压强就会减小。
这一现象在生活中，我们也经常会遇到。相信大家都有这样的体会，当我们乘坐高铁时，两列列车相遇的时候，车身会变得不稳，这是因为两列朝相反方向高速运动的列车，它们之间的空气流速非常快，导致列车两侧产生巨大的压强差。
还有飞机机翼的设计，正是利用了这一原理。当气流经过的时候，上方气流走过的路程长，速度就快，因此压强就低，这样飞机上下两侧就形成了压强差，产生了向上的托举力。
我们也可以直观地感受一下伯努利原理。拿起两种垂直放置的A4纸，向中间吹气，你会发现两张纸不会分开，而是会向一起靠拢。
未完待续——等你发现物理的美
物理学是一门解释世界的科学，它的发展与我们对生活和对世界的认知息息相关。
声、光、热、力、电，正是在认识世界的过程中，一步步完善了这一学科体系的建设。
如果你留心观察，就能发现身边各种各样的物理现象。还有哪些身边的物理知识，欢迎在评论区留言补充！
（封图自取）
参考资料：
5、赵凯华，《光学》，北京大学出版社
编辑：阿白
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓