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為什么太陽光曬在臉上暖暖的?| No.74

 好大水 2017-09-22


 

秋天

又到了豐收的季節(jié)

隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)涼

陽光似乎沒有那么令人討厭了呢

甚至在冬天

我們會懷念夏日的陽光

為什么陽光曬在臉上暖暖的呢?


1
Q

為什么太陽光曬在臉上暖暖的?

By  孤問

A

臉上覺得暖暖的當(dāng)然是因?yàn)槟樧儫崃?。從題主的說法來看,我們應(yīng)該解釋下為什么曬太陽會讓臉變熱?首先,我來介紹一下加熱物體的三種途徑:傳導(dǎo)、對流、輻射。傳導(dǎo)加熱的例子有很多:你摸到滾燙的爐子瞬間就會燙傷,爐子的熱量就是通過手和爐子的接觸傳遞給手部,傳導(dǎo)加熱的關(guān)鍵是有接觸和能量流動但是沒有物質(zhì)交換。對流加熱的典型例子是把熱水加入冷水,冷水變熱了,它的關(guān)鍵是能量流動的同時伴隨著物質(zhì)交換。輻射加熱最好的例子非微波爐莫屬:微波爐通過電磁波給食物加熱,既無接觸也沒有物質(zhì)流動。我們回過來看題主的問題,曬太陽相比不曬太陽就是多了太陽的照射,也就是多了輻射加熱(太陽光也是一種電磁波)這個途徑,相比沒有曬太陽的情況當(dāng)然溫度更高,也就覺得暖洋洋了。


2
Q
光的反射的本質(zhì)是什么?

By 愛學(xué)習(xí)的csn

A 

光在真空中是沿直線傳播的,如果光發(fā)生了發(fā)射,一定是因?yàn)楣獾膫鞑ヂ窂缴铣霈F(xiàn)了介質(zhì)。介質(zhì)中的電荷在光(電磁波)的作用下會產(chǎn)生額外的場,介質(zhì)產(chǎn)生的場會與入射的光場相互疊加形成新的場,新的場沿著反射光方向傳播的部分就是反射光??梢钥闯龇瓷涔馐墙橘|(zhì)在入射光的作用下產(chǎn)生附加的場。

我們用上面提到的思路對金屬的反光進(jìn)行分析:金屬可以屏蔽靜電場和波長較長的電磁波,原因就是金屬在光的作用下會產(chǎn)生附加場,在金屬內(nèi)部,附加場和外加電磁場剛好完全抵消。我們又注意到,金屬產(chǎn)生的附加場關(guān)于金屬表面是鏡面對稱(因?yàn)榻饘賰?nèi)部沒有電荷,電荷都集中在金屬表面)的,這就導(dǎo)致附加場在金屬內(nèi)部抵消外場,在外部沿著入射光關(guān)于法線對稱的方向傳播,這就是反射光??梢钥闯鑫覀兊玫降姆瓷涔馐菨M足反射定律的。


3
Q

為什么七色光合到一起是白色,但七種顏色合到一起是黑色?

By 我要去中國科大

A

色覺是人類基本的感覺之一,對顏色的感知源于電磁輻射對眼中視錐細(xì)胞的刺激,人們常用紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫來描述不同的顏色,對應(yīng)于可見光光譜中不同的電磁波波長。根據(jù)“三原色”理論(RGB),人眼中有三種視錐細(xì)胞,能分別感知可見光的短波(S)、中波(M)和長波(L),分別對應(yīng)紅、綠、藍(lán)三種顏色,不管入射光線多么復(fù)雜,人眼都能將其分解為由這三種顏色成分,然后根據(jù)這三種顏色的強(qiáng)度的大小產(chǎn)生不同的信號,合成的信號對應(yīng)人感知到的不同顏色。圖一表示了正常典型人類視錐細(xì)胞對單色光刺激的響應(yīng),由于光譜的連續(xù)性不難發(fā)現(xiàn)三種信號的組合種類是無限多的,據(jù)估計(jì)人類能夠分辨大約一千萬中顏色類型。到此,七色光合成白光也就不難理解了。

圖一:視錐細(xì)胞對單色光的響應(yīng)

物體所表現(xiàn)出的顏色,我們稱之為物體色,一般由離開物體表面的光線波長決定,物體的表面、吸收及透射性質(zhì)都會對此產(chǎn)生影響。當(dāng)我們在白光照射下看到一個物體呈現(xiàn)某種顏色時,其實(shí)是離開該物體表面的某種波長的光線進(jìn)入人眼,那么其他波長的光線呢?都被吸收了。

圖二:減法色

根據(jù)物體色特點(diǎn),有人提出了減法色的概念。減法色是利用顏料、墨水、色素以及濾波器來吸收一部分光線,表現(xiàn)出的顏色是未吸收光線的顏色,其基本顏色為洋紅(紅)、黃色、青色(藍(lán)),如圖二所示。當(dāng)白光照在沒有顏色的物體上時,沒有光線被吸收,表現(xiàn)為白色。當(dāng)紅、黃、藍(lán)三種顏色混合在一起時,紅色會吸收除紅光外的所有光線成分,包括黃光和藍(lán)光;黃色會吸收除黃色外的所有光線,包括紅光和藍(lán)光;藍(lán)色也會吸收掉其他光線,整體表現(xiàn)為所有光線都被吸收,物體表現(xiàn)為黑色。這也是當(dāng)七種顏色混合在一起時會表現(xiàn)為黑色的原因。


4
Q

我記得光速是永遠(yuǎn)都不變的,那光速有沒有多普勒效應(yīng)呢?會不會在一定速度下紅光會變成紫光?

By  湘君

A

真空中的光速確實(shí)是定值,同時光也存在多普勒效應(yīng)。在 靜止參考系中,如果光源向遠(yuǎn)離觀察者的方向運(yùn)動,那么接收到的光頻率會變小,這種現(xiàn)象被稱為紅移;如果光源向著觀察者的方向運(yùn)動,接收到的光頻率會變大,這種現(xiàn)象被稱為藍(lán)移。這是因?yàn)樵诠庠吹倪\(yùn)動的前方,波被壓縮,波長變短。在波源運(yùn)動的后方,效應(yīng)相反。

1848年,法國科學(xué)家Hippolyte Fizeau利用多普勒效應(yīng)解釋了恒星光譜的偏移,并指出可以用多普勒效應(yīng)來計(jì)算恒星的相對速度。不過如果想觀測到明顯的多普勒效應(yīng)需要光源達(dá)到很大的速度。比如,要讓紅光(波長400nm)通過藍(lán)移變成紫光(波長760nm)需要波源達(dá)到0.56c(每秒繞地球4圈)。這是非??斓乃俣?。


5
Q

南邊不會出現(xiàn)彩虹嗎?

By 時光的河入海流

A

有這個可能,不過條件比較苛刻。

如圖,太陽的入射角與人的視線反向延長線相交于一個點(diǎn),太陽光經(jīng)過圓形小水滴的先折射后反射再折射之后,進(jìn)入觀察者的眼里,由于不同波長(不同顏色)的光折射率不一樣(也就是入射角i與出射角r的正弦值之比,可以通俗的理解為描述光在入射一個介質(zhì)的時候偏折的程度,折射率越大,偏折程度越強(qiáng)),導(dǎo)致它們的成像位置不同,這就是光的色散現(xiàn)象,與三棱鏡中光的色散原理相同。紅光折射率比藍(lán)光小,所以紅光被偏折的程度更小,形成的夾角就越大,導(dǎo)致紅光成的像在上面。下面是重點(diǎn),敲黑板!根據(jù)上面的圖我們可以通過列出入射角、出射角的微分方程,解出在視線與入射角夾角42.5度時光強(qiáng)最強(qiáng)。我們可以看出,彩虹其實(shí)并不是真的“掛”在空中,而是與觀察者視線相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象,彩虹看起來的所在位置,會隨著觀察者的位置改變而被轉(zhuǎn)移,由于在視線與入射角42.5度時光強(qiáng)最強(qiáng),所以彩虹的位置必定是在太陽的相反方向。而且太陽光與地平面夾角不能超過42度,否則彩虹成的像將出現(xiàn)在地平線以下。這樣問題就很好回答了,如果雨后太陽在北邊以小于42度角度入射,你就會在南邊看到彩虹。這個條件只有在南半球的部分地區(qū)一年中的特定時期才能被滿足,所以作為北半球的我們一般情況下是看不到整個彩虹出現(xiàn)在南邊的。不過在早晨或者下午還是有可能在南邊看到彩虹的一角。


6
Q

聲音的傳播靠聲波,并且我們可以在同一時間聽到多種聲音并分辨它們。那為什么光,比如白光,我們卻不可以看到構(gòu)成它的每一種顏色?

By 非同尋常的土撥鼠

A

這跟人本身的機(jī)能有關(guān),不過這兩者對比的時候也是要考慮聲波和光波的差異,聲波的特征其實(shí)更加豐富。話說回來聲波也未必可以分辨出來,比如同樣的兩個音而具有不同響度的聲音。音樂的和聲就是多個頻率的聲音合成,人耳聽上去也像一個音一樣,只不過是不同于任何一個單音——如果把這點(diǎn)視作可以分辨的話;而光的不同頻率合成卻可以形成眼睛分辨不出的光波,這是人耳和人眼分辨方式不同,耳朵直接接受聲波信號加以區(qū)分,而眼睛接受的光信號都是僅依靠識別低頻、中頻、高頻三種顏色,通過這三種強(qiáng)度不同的光波來區(qū)分不同顏色的,因此很多不同光波給人眼的感覺是一樣的。這兩個例子涉及的是強(qiáng)度和頻率的特征,聲波和光波都有強(qiáng)度和頻率的特點(diǎn)。而人耳最容易分辨出的是聲音的音色,即不同的振動模式,而光卻并不存在與其對應(yīng)的“光色”,也就無法分辨了。


7
Q
我是初三生,老師講液體的分子排列無序,間隔較大,固體分子分子排列有序間隔較小,想請問一下為什么水結(jié)成冰密度卻變小了?還是說這兩者之間沒什么關(guān)系呢?謝謝!

By 希望成長的孩子

A

H2O的體積隨溫度的變化反??刹粌H在結(jié)冰的時候。事實(shí)上,水降溫過程到了4℃就體積開始膨脹了。這是因?yàn)樗肿拥奶厥庵?/span>——氫鍵。H2O三個原子不是一條直線,而是呈一個角度;除了HO之間的化學(xué)鍵之外,還有水分子之間的氫鍵作用。溫度較高時氫鍵作用并不明顯,而到4℃以下,氫鍵可以與分子內(nèi)部化學(xué)鍵的作用比擬,其效果是讓水的排列有了一種特殊取向,即水分子之間的H“在一起。這是一種空間利用率很差的排列方式,因而體積也就變大了。而溫度越低這種排列就越明顯,體積越膨脹,直到成為固體。


8
Q

為什么磁鐵高溫加熱后會失去磁性?

By 孤問

A

磁鐵中的微觀是一個個極微小磁鐵(磁矩或磁疇)。可以想象成有這樣的兩股力量:一股是小磁鐵之間的力量,由于小磁鐵同向時能量比較低,倆小磁鐵之間就有一股力量讓對方與自己同向;另一股是熱運(yùn)動的力量,溫度越高小磁鐵的運(yùn)動越劇烈,它越不能老老實(shí)實(shí)地處于一個方向不動。前者利于磁鐵整體擁有磁性,后者卻破壞磁鐵整體磁性。因此如果在絕對零度,沒有后者,所有小磁鐵都在相互的作用下老實(shí)待在同一個方向,磁鐵整體也就具有磁性;當(dāng)大于絕對零度而在某個特定溫度以下,雖然小磁鐵具有熱運(yùn)動的力量,但溫度不足以讓小磁鐵完全不老實(shí),而是在小磁鐵之間的相互作用和熱運(yùn)動共同影響下,仍然在某個方向上具有整體磁性。但溫度大于這個數(shù)值以后,小磁鐵就獲得了完全不老實(shí)的力量,不會整體趨于某個方向,而是雜亂的,也就是失去整體磁性的狀態(tài)。這個特定的溫度數(shù)值,就叫做居里溫度。


本期答題團(tuán)隊(duì):

物理所 螳吉呵呵、望江樓、木公可可、勿用




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