讲“歪理”,说正理。给你讲物理。

物理,有趣而又有用。观察、实验、推理是理解、学习物理不可缺少的手段。许多违反人们认知常规的物理知识,被人戏称为“歪理”。物理老师是讲“歪理”的老师。如果大家感兴趣,我分几次给大家聊“歪理”和“歪理”在日常生活中的应用。

“歪理”一。已经沸腾了的水,移去加热设备,给它淋上冷水,水居然重新沸腾了?

下面的一幅图,烧瓶内装有一定量的水,水面上有一定体积的空气(要占烧瓶体积的三分之一以上),用酒精灯给烧瓶中的水加热,直到到沸腾。移去酒精灯,立即把烧瓶倒置过来,淋上少许冷水,可以看到,水又沸腾了。这是为什么呢?

物理核心素养六个维度,讲歪理(1)

这是因为液体的沸点与压强大小有关,当压强减小时,液体的沸点就会下降,反之,液体的沸点就会上升。

倒置过来的烧瓶,水面上方的气体是由空气和汽化的水蒸气混合而成,温度很高(小于等于100℃)。当给烧瓶底部淋冷水时,烧瓶中水蒸气迅速放热降温而液化,变成小液滴落下,烧瓶上方的气压迅速减小,水的沸点下降(例如,90度),于是,水又重新沸腾了。

大气压强与海拔的高度有关,在3km以内,每升高10m,大气压强要减少约100pa左右(这是高度计的工作原理)。因此,大气压强对水和其它液体的沸点有较大的影响。

高原地带,人们一直保持有吃烧、剪、烤食品的习惯,究其因是高原地带的气压低,水的沸点只有80-90℃,用普通锅水煮食品(尤其是动物肉制品),难以煮熟(现在可以使用高压锅)。登山运动员在高山上要吃水煮食品,须随带高压锅。曾经有人问我,太空中水的沸点是多少?实际上,沸点是物质液态与气态的转折点,气态是以分子形式存在。太空中大气压强为零和太空中的强烈辐射,水不能以液态形式存在,只能以分子、原子、离子等形式存在。太空舱中有微重力和人造气压,水由于表面张力而呈球形的,沸点很低。

物理核心素养六个维度,讲歪理(2)

在低气压下,液体沸点下降,在工业上有重要应用。我们可以用低压锅(锅上方是密闭的,且用抽气装置不断地抽出里面的气体,使其一直处于负压状态)分离液体中的固体物质,而不会破坏固体物质的性质。制糖工业,把糖从甘蔗汁中分离开来,使糖不被烧焦,保持了糖的原味和营养。制药工业,也是采用低压蒸发的方法,分离抗菌素(青霉素一类的)和液体。化工业,从石油中分离汽油、煤油、柴油和石油气,都是利用同一低气压下,液体沸点不同的道理。

物理核心素养六个维度,讲歪理(3)

低压锅

在高气压下,液体沸点会上升。在医疗卫生、日常生活中有重要应用。高温消毒就是把一些医疗器材放入密闭的高压锅内,加热一定的时间后,锅内的压力增大(有压力表控制压力的大小),水的沸点可以达到120℃以上,高温高压,热量穿透力强,可以杀灭常规致病微生物和部分细菌的芽孢。日常生活中,家用高压锅炖肉、炖鸡时间较短也是这个原因,不过锅内的气压只在2—3个大气压左右(有自动调压阀,以保证安全)。水的沸点不超过110℃。

物理核心素养六个维度,讲歪理(4)

高压锅

“歪理”二。线路明明是断开的,怎么会导电呢?大家观察下面的一幅图。

c、d二点是断开的,距离的大小可以调节。在a、c或b、d二点之间接入小灯泡(额定电压要符合实验条件),在a、b之间接入电压值可以调节的直流电源,保持c、d之间的距离约1mm不变,实验开始时,小灯泡不亮。逐渐调高a、b之间的电压,当电压达到一定的值时,小灯泡不仅发光,且c、d之间有持续的电火花产生。

物理核心素养六个维度,讲歪理(5)

实验电路图

给物理爱好者留下一个思考题:如果a、b之间接入电压值可调节的交流电源。实验条件、实验现象、操作方法有哪些区别?

当c、d二极的电荷积累到一定的程度时,电场很强,空气就会发生电离(被击穿),由绝缘体变成了导体。这就是高压放电的基本原理。

雷电,就是冷暖气体发生碰撞并相互摩擦,一部分云层得到电子带负电,另一部分云层失去电子带正电,由于物体的尖端(顶端)电子的密度较大,因此,二个靠得较近的云层就会产生放电,并使空气振动发声。在云层和地面之间,带电云总是“寻找”云层和地面之间距离最短的二点放电。例如,你处在空旷的田野或操场,你就是最近的点,受到雷击的概率大增。树、电线杆、电视天线、建筑物的顶端和拐角、避雷针都是放电的对象。这是避雷针都安装在物体的尖端或拐角处的原因。

物理核心素养六个维度,讲歪理(6)

避雷小技巧:雷雨天,如果你在野外,不能及时避雨,发现身体有麻的感觉,说明你已经身处放电区域,由于电场的作用,大地的电荷已经在你的体表汇聚,“炸雷”就在你身边,要立即降低你的高度(蹲下或趴下),手中的金属器具须立即扔掉。

物理核心素养六个维度,讲歪理(7)

有人疑惑,为什么高压线和变电站受雷击的概率小。因为,高压输电线的最上面有二根接地的避雷线。变电站的四个拐角都安装有避雷针,有的中部也有避雷针。

日常生活中,放电现象无处不在。导线接触不良处,由于氧化作用电阻变大,相当于靠得比较近的二个电极,经常会发生电火花现象,如果不及时发现,有可能发热燃烧,引起火灾。因此,电工给家庭电路铺设电线时,尽量减少线路的接头。即使有接头,也是集中在某一处(开关、插座、配电板等),便于检查。

我们到处可以看到“高压危险”的标志,但是能够理解“高压危险”的人并不多。许多钓鱼人触电身亡就是这个原因,有些人认为,只要人离高压线有一定的距离,不接触它就没有危险了,大错特错。取地面的电势为零。高压线与地面之间的电势差是几万到几百万伏特。由于距离较大,电压不足以击穿空气发生放电。当你举起钓鱼竿时,距离会大大减小,放电的可能性大大增加(不一定要接触高压线),多大的距离会产生放电?与电压的高低和空气的湿度温度等因素有关。这种放电引起的触电,与雷击是相似的。高压电线杆是不能攀爬。

物理核心素养六个维度,讲歪理(8)

家庭中,如果发生液化气或天然气泄漏,不能打开任何用电器的开关,因为,在开关在闭合时,由于动静触点的距离越来越近,就会发生放电。电火花会引爆可燃气体。高压开关为了防止这种现象的产生,把开关浸没在绝缘油中。

相互摩擦的二个物体都会带上电荷而放电,油罐车的油和车体之间产生放电,会引起爆炸。

打火机、燃气灶、燃油燃气热机、静电爆炸等电子打火都是正常的放电现象。

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