您现在的位置:首页 > 教学园地 > 校本课程

物理科普

作者: 来源: 发布时间:2010-10-27 13:58:01
 

 

校本与选修课
 
物理科普
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
吴江市第二高级中学校本教材编写组
第一讲    雨雪云雾露霜冰雹的成因
(一)   雨的形成
我们已经知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花就是由它们增长变大而成的。那么,小水滴和小冰晶在云内是怎样增长变大的呢?
在水云中,云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大的。因此,在水云里,云滴要增大到雨滴的大小,首先需要云很厚,云滴浓密,含水量多,这样,它才能继续凝结增长;其次,在水云内还需要存在较强的垂直运动,这样才能增加多次碰撞并合的机会。而在比较薄的和比较稳定的水云中,云滴没有足够的凝结和并合增长的机会,只能引起多云、阴天,不大会下雨。
在各种不同的云内,其云滴大小的分布是各不相同的,造成云滴大小不均的原因就是周围空气中水汽的转移以及云滴的蒸发。使云滴增长的因素是凝结过程和碰撞并和过程,在只有凝结作用的情况下,云滴的大小是均匀的,但由于水汽的补充,使某些云滴有所增长,再加上并和作用的结果,就使较大的云滴继续增长变大成为雨滴。雨滴受地心引力的作用而下降,当有上升气流时,就会有一个向上的力加在雨滴上,使其下降的速度变慢,并且一些小雨滴还可能被带上去。只有当雨滴增大到一定的程度时,才能下降到地面,形成降雨。
(二)雪的形成
我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的。那么,雪是怎么形成的呢?
在水云中,云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。
冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时,冰晶表面会增热而有些融化,并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次,冰晶便增大了。另外,在云内也有水汽,所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是,冰云一般都很高,而且也不厚,在那里水汽不多,凝华增长很慢,相互碰撞的机会也不多,所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水,也往往在下降途中被蒸发掉,很少能落到地面。
最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下,冰晶增长得很快。另外,过冷却水是很不稳定的。一碰它,它就要冻结起来。所以,在混合云里,当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候,就会冻结沾附在冰晶表面上,使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花。
在初春和秋末,靠近地面的空气在0以上,但是这层空气不厚,温度也不很高,会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪",或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。
同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 具体见表3.
 
3. 各类雪的降水量标准
种类                大雪           中雪           小雪
24小时降水量      大于5.0       2.6-5.0        2.5以下
12小时降水量      大于3.0       1.1-3.0        1.0以下
(三)云的形成
人们常常看到天空有时碧空无云,有时白云朵朵,有时又是乌云密布。为什么天上有时有云,有时又没有云呢?云究竟是怎样形成的呢? 它又是由有什么组成的?
漂浮在天空中的云彩是由许多细小的水滴或冰晶组成的,有的是由小水滴或小冰晶混合在一起组成的。有时也包含一些较大的雨滴及冰、雪粒,云的底部不接触地面,并有一定厚度。
云的形成主要是由水汽凝结造成的。
我们都知道,从地面向上十几公里这层大气中,越靠近地面,温度越高,空气也越稠密;越往高空,温度越低,空气也越稀薄。
另一方面,江河湖海的水面,以及土壤和动、植物的水分,随时蒸发到空中变成水汽。水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发(升华),再凝结(凝华)下降。周而复始,循环不已。
水汽从蒸发表面进入低层大气后,这里的温度高,所容纳的水汽较多,如果这些湿热的空气被抬升,温度就会逐渐降低,到了一定高度,空气中的水汽就会达到饱和。如果空气继续被抬升,就会有多余的水汽析出。如果那里的温度高于0°C,则多余的水汽就凝结成小水滴;如果温度低于0°C,则多余的水汽就凝化为小冰晶。在这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时,就是云了。
(四)雾的形成
雾和云都是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物,只是雾生成在大气的近地面层中,而云生成在大气的较高层而已。雾既然是水汽凝结物,因此应从造成水汽凝结的条件中寻找它的成因。大气中水汽达到饱和的原因不外两个:一是由于蒸发,增加了大气中的水汽;另一是由于空气自身的冷却。对于雾来说冷却更重要。当空气中有凝结核时,饱和空气如继续有水汽增加或继续冶却,便会发生凝结。凝结的水滴如使水平能见度降低到1千米以内时,雾就形成了。
另外,过大的风速和强烈的扰动不利于雾的生成。
因此,凡是在有利于空气低层冷却的地区,如果水汽充分,风力微和,大气层结稳定,并有大量的凝结核存在,便最容易生成雾。一般在工业区和城市中心形成雾的机会更多,因为那里有丰富的凝结核存在。
(五)露的形成
在温暖季节的清晨,人们在路边的草,树叶及农作物上经常可以看到的露珠,露也不是从天空中降下来的。露的形成原因和过程与霜一样,只不过它形成时的温度在0°C以上罢了。
0°C以上,空气因冷却而达到水汽饱和时的温度叫做"露点温度"。在温暖季节里,夜间地面物体强烈辐射冷却的时候,与物体表面相接触的空气温度下降,在它降到"露点"以后就有多余的水汽析出。因为这时温度在0°C以上,这些多余的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上,这就是露。
露和霜一样,也大都出现于天气晴朗、无风或微风的夜晚。同时,容易有露形成的物体,也往往是表面积相对地大的、表面粗糙的、导热性不良的物体。有时,在上半夜形成了露,下半夜温度继续降低,使物体上的露珠冻结起来,这叫做冻露。有人把它归入霜的一类,但是它的形成过程是与霜不同的。
露一般在夜间形成,日出以后,温度升高,露就蒸发消失了。
在农作物生长的季节里,常有露出现。它对农业生产是有益的。在我国北方的夏季,蒸发很快,遇到缺雨干旱时,农作物的叶子有时白天被晒得卷缩发干,但是夜间有露,叶子就又恢复了原状。人们常把"雨露"并称,就是这个道理。
(六)霜的形成
在夜间,地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量,它们的温度要降低,当温度降至露点时,地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和。若露点高于0摄氏度,水蒸气可在地面物体的表面上凝结成小水滴,这就是露。
若露点低于0摄氏度,水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成水冰粒,这即是霜。
如果在夜间不仅地面上物体的温度降到了露点以下,而且地面以上稍远处的空气温度也降到了露点,那么空气中的水蒸气将以尘埃为核心凝结成细小的水滴,这便是雾。
当高空中空气的温度降到露点以下,若露点高于0度,空气中的水蒸气在尘埃上凝结成细小的水滴便是云,而凝结成较大的水滴即是雨。若露点低于0度,则空气中的水蒸气将在尘埃上直接凝结成雪。
由此可知,露、霜和雾都不是从天而降的,而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和时直接凝结而成的。只有雪和雨才是从天而降的,即是高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成。
(七)冰雹的形成
冰雹和雨、雪一样都是从云里掉下来的。不过下冰雹的云是一种发展十分强盛的积雨云,而且只有发展特别旺盛的积雨云才可能降冰雹。
积雨云和各种云一样都是由地面附近空气上升凝结形成的。空气从地面上升,在上升过程中气压降低,体积膨胀,如果上升空气与周围没有热量交换,由于膨胀消耗能量,空气温度就要降低,这种温度变化称为绝热冷却。根据计算,在大气中空气每上升100米,因绝热变化会使温度降低1度左右。我们知道在-定温度下,空气中容纳水汽有一个限度,达到这个限度就称为“饱和”,温度降低后,空气中可能容纳的水汽量就要降低。因此,原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和,空气达到饱和之后过剩的水汽便附着在飘浮于空中的凝结核上,形成水滴。当温度低于摄氏零度时,过剩的水汽便会凝华成细小的冰晶。这些水滴和冰晶聚集在一起,飘浮于空中便成了云。
大气中有各种不同形式的空气运动,形成了不同形态的云。因对流运动而形成的云有淡积云、浓积云和积雨云等。人们把它们统称为积状云。它们都是一块块孤立向上发展的云块,因为在对流运动中有上升运动和下沉运动,往往在上升气流区形成了云块,而在下沉气流区就成了云的间隙,有时可见蓝天。
积状云因对流强弱不同出一辙形成各种不同云状,它们的云体大小悬殊很大。如果云内对流运动很弱,上升气流达不到凝结高度,就不会形成云,只有干对流。如果对流较强,可以发展形成浓积云,浓积云的顶部像椰菜,由许多轮廓清晰的凸起云泡构成,云厚可以达4-5公里。如果对流运动很猛烈,就可以形成积雨云,云底黑沉沉,云顶发展很高,可达10公里左右,云顶边缘变得模糊起来,云顶还常扩展开来,形成砧状。一般积雨云可能产生雷阵雨,而只有发展特别强盛的积雨云,云体十分高大,云中有强烈的上升气体,云内有充沛的水分,才会产生冰雹,这种云通常也称为冰雹云。
冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的。一般为三层:最下面一层温度在0以上,由水滴组成;中间温度为0-20,由过冷却水滴、冰晶和雪花组成;最上面一层温度在-20以下,基本上由冰晶和雪花组成。
在冰雹云中气流是很强盛的,通常在云的前进方向,有一股十分强大的上升气流从云底进入又从云的上部流出。还有一股下沉气流从云后方中层流入,从云底流出。这里也就是通常出现冰雹的降水区。这两股有组织上升与下沉气流与环境气流连通,所以一般强雹云中气流结构比较持续。强烈的上升气流不仅给雹云输送了充分的水汽,并且支撑冰雹粒子停留在云中,使它长到相当大才降落下来。
在冰雹云中冰雹又是怎样长成的呢?在冰雹云中强烈的上升气流携带着许多大大小小的水滴和冰晶运动着,其中有一些水滴和冰晶并合冻结成较大的冰粒,这些粒子和过冷水滴被上升气流输送到含水量累积区,就可以成为冰雹核心,这些冰雹初始生长的核心在含水量累积区有着良好生长条件。雹核A在上升气流携带下进入生长区后,在水量多、温度不太低的区域与过冷水滴碰并,长成一层透明的冰层,再向上进入水量较少的低温区,这里主要由冰晶、雪花和少量过冷水滴组成,雹核与它们粘并冻结就形成一个不透明的冰层。这时冰雹已长大,而那里的上升气流较弱,当它支托不住增长大了的冰雹时,冰雹便在上升气流里下落,在下落中不断地并合冰晶、雪花和水滴而继续生长,当它落到较高温度区时,碰并上去的过冷水滴便形成一个透明的冰层。这时如果落到另一股更强的上升气流区,那么冰雹又将再次上升,重复上述的生长过程。这样冰雹就一层透明一层不透明地增长;由于各次生长的时间、含水量和其它条件的差异,所以各层厚薄及其它特点也各有不同。最后,当上升气流支撑不住冰雹时,它就从云中落下来,成为我们所看到的冰雹了。
为什么“雹打一条线”
冰雹主要发生在夏秋季节,尤以春夏之交为多。但一次降雹的时间都不长,多数为几分钟到十几分钟,最长可大1--2小时。特别是降雹的范围,一般都不大,平均长度在30公里以下,宽度在几公里以内,形成一个降雹带因此,常有“雹打一条线”之说。
为什么会有“雹打一条线”呢?这要从冰雹的形成条件谈起。冰雹是在发展相当强烈的积雨云中形成的,有冰雹胚胎和云中的小冰晶、雪花、过冷却水滴反复粘合、碰并的结果。因此,云中必须有强烈的上升气流,丰富的含水量和足够的低温。在中纬度地区的山区,由于地面受热不均匀和地形的抬升作用,常使大气处在不稳定的状态,所以容易形成冰雹。当冰雹云在山谷和河面上经过时,由于河面上的气温比两岸的气温低,山谷中的气温比山坡上的气温低,这样,河面上和山谷中的上升气流较弱,支托不住下落的冰雹,故冰雹多沿山谷和河流下落.有时冰雹也沿冷暖空气交汇的锋面降落。因为山谷、河流都是狭长的地带,因此有“雹打一条线”的说法。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第二讲   
 
特高压输电技术是指电压等级在750kV交流和±500kV直流之上的更高一级电压等级的输电技术,包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分。
    我国是电能的生产和使用大国,地域广阔,发电资源分布和经济发展极不平衡。全国可开发的水电资源近2/3在西部的四川、云南、西藏;煤炭保有量的2/3分布在山西、陕西、内蒙古,如表1-2所示。而全国2/3的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以东的经济发达地区。西部能源供给基地与东部能源需求中心之间的距离将达到2000~3000km。我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情,决定了能源资源必须在全国范围内优化配置。只有建设特高压电网,才能适应东西2000~3000km、南北800~2000km远距离、大容量电力输送需求,促进煤电就地转化和水电大规模开发,实现跨地区、跨流域的水电与火电互济,将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中、东部地区,满足我国经济快速发展对电力的需求。
1-2  我国能源资源的地区分布一览(%)
    除了实现电能的大规模和远距离输送的需求之外,特高压电网还可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性,具有显著的社会、经济效益。主要体现在如下几个方面:
    (1)提高电网的安全性和可靠性。建设特高压电网可以从根本上解决跨大区500kV交流弱联系所引起的电网安全性差的问题,为我国东部地区的受端电网提供坚强的网架支撑,可以解决负荷密集地区500kV电网的短路电流超标的问题。
    (2)减少走廊回路数,节约大量土地资源。以溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩水电站的电力送出工程为例,采用±800kV级特高压直流输电技术与采用±500kV级高压直流输电技术相比,输电线路可以从10回减少到6回,节省输电走廊占地300km2。再以输送10GW电力、输电距离达800km的交流输电技术为例,采用500kV交流输电技术需要8~10回输电线路,而采用1000kV交流输电技术仅需要2回输电线路,可减少输电走廊宽度300m,节省输电走廊占地240km2。
    (3)获得显著的经济效益。特高压电网将实现大规模跨区联网,可以获得包括错峰、调峰、水火互济、互为备用、减少弃水电量等巨大的联网效益,降低网损。以1000kV交流特高压代替500kV交流超高压输电功能,可以降低输电成本,减少部分500kV交流超高压输电通道的重复建设,节约大量投资。
    (4)减轻铁路煤炭运输压力,促进煤炭集约化开发。建设特高压电网,可实现大电网、大电源与大煤矿相互促进,实施煤电一体化开发,提高煤炭回采率,提高煤矿安全生产水平,减少煤炭和电力综合成本。
    (5)促进西部大开发,增加对西部地区的资金投入,变资源优势为经济优势,同时减小中、东部地区的环保压力,带动区域社会经济的协调发展。
    (6)带动我国电工制造业技术全面升级。通过依托特高压电网工程建设,可以增强我国科技自主创新能力,走跨越式发展道路,全面提升国内输变电设备制造企业的制造水平,使国内超高压设备制造技术更加成熟,实现我国交、直流输变电设备制造技术升级,显著提高国际竞争能力。
    发展特高压输电在我国是必要的,在技术上也是可行的。目前国内已有发展特高压输电的较好的技术基础和条件。我国的特高压输电研究从调研国外经验到试验设备的完善,从研究方法到设备的生产都做了大量的工作,打下了很好的基础。目前,国家电网公司武汉高压研究院和中国电力科学研究院已分别建立交、直流特高压试验研究基地,完全具备各项特高压试验的条件和能力,并已进行了各项特高压的专题研究。我国的设计和制造单位通过西北750kV输变电示范工程,进一步具备了制造特高压设备的条件和基础。考虑到设备的成熟性,特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。
    我国人均用电水平远低于发达国家,未来几十年内,电力负荷增长仍会保持较高的速度。从全国联网和西电东送的电网发展趋势来看,我国有发展特高压输电的必要。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第三讲   
节能灯是利用气体放电的原理运作,它的术名叫自镇流荧光灯,除了白色(冷光)的外,现在还有黄色(暖光)的。一般来说,在同一瓦数之下,一盏节能灯比白炽灯节能80%,平均寿命延长8倍,热辐射仅20%。非严格的情况下,一盏5瓦的节能灯光照可视为等于25瓦的白炽灯,7瓦的节能灯光照约等于40瓦的,9瓦的约等于60瓦的。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     节能灯又叫紧凑型荧光灯(国外简称CFL灯)它是1978年由国外厂家首先发明的,由于它具有光效高(是普通灯泡的5倍),节能效果明显,寿命长(是普通灯泡的8倍),体积小,使用方便等优点,受到各国人民和国家的重视和欢迎,我国于1982年,首先在复旦大学电光源研究所成功研制SL型紧凑型荧光灯,二十年来,产量迅速增长,质量稳步提高,国家已经把它作为国家重点发展的节能产品(绿色照明产品)作为推广和使用。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     在相当一段长的时间内,一些地方和厂家盲目的大上节能灯项目,由于其在资金、技术、原材料以及工艺在没有充分落实的情况下,匆匆上马使得产品质量得不到保障,各企业的产品质量的不平衡,恶性竞价搞乱了市场,不按工艺要求生产,组装厂选用不合要求的灯管和元器件拼凑组成,质次价低,严重损坏了节能灯的声誉,光效低,寿命短,一致性差,造成社会上产生节能灯节能不节钱的说法,给节能灯的推广带来了很大的负面影响。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     经过将近二十年的不断摸索和发展,我国的节能灯产品已经有了很大的进步与提高,很多产品已经接近或达到国外的先进水平,由于质优价低,国际市场上的竞争力非常强,但是市场上还是存在很大部分的节能灯厂商,根本不顾国家的法律、法规,不顾消费者的利益,还在大量生产不叫"?能灯"的节能灯,由于它的质次价低,每只出厂价仅售4~5元左右,消费者对产品的识别有限,在农村及大部分城市,还有很大一部分的市场,由于市场上占大部分的市场由低档产品占据着,使得好的节能灯产品比较难进入市场,这给绿色照明推广带来了一定的难度,但随着居民消费意识的提高以及对节能灯产品的认识,质量好的节能灯产品的市场在一天天的扩大,质量差的节能灯市场一天天的萎缩,这同时又给我们带来了希望与机遇。
 
 
 
 
 
 
第四讲   

造成彩虹的光学原理彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。

 
双重彩虹,上方为霓,下方为虹很多时候会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°,所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射,副虹的颜色次序跟主虹反转,外侧为蓝色,内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在,只是因为它的光线强度较低,所以有时不被肉眼察觉而已(参看)。 
 
彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随著观察者而改变。当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为甚么彩虹很少在中午出现的原因。 
 
彩虹由一端至另一端,横跨84°。以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上,会看见彩虹会是完整的圆形而不是拱形,而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。 

彩虹作为一种自然现象,并不一定是出现在风雨之后,没有风雨一样可以形成彩虹。彩虹根据形成的地点、时间以及机制的不同,往往也会呈现出各种不同的形状、大小,甚至颜色。大自然的神奇力量给我们带来如下十种最迷人的彩虹:

 
1.    典型彩虹
  相信大多数人都看过这种最典型、最普通的彩虹。有时候,当你在花园中为花草浇水时,喷壶喷出的水雾都有可能形成微型彩虹。天然彩虹通常由七种颜色组成,它们分别是:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。每一种颜色的亮度可能因为大气环境和形成时间的不同而有所区别。
  
2.    环形彩虹
 
  大多数的彩虹事实上都是一个完美的圆环,但是我们很难看到一个完整的圆环,因为总是有一半被地面所遮挡,所以我们看到的彩虹大多都是一个半弧。法国科学家笛卡尔根据光线折射原理解释了彩虹的形成过程,指出了彩虹通常是出现在人的视角与阳光夹角42度的地方,所以人们通常看不到地平线以下的那部分。但是,随着飞机以及航拍技术的出现,人们现在可以从空中看到一个完美、壮观的环形彩虹。当然,如果没有飞机,站在视野开阔的高山之巅也可实现这一目标。
  3. 霓虹
 
 
  
霓虹也叫副虹、二级虹或次级虹,一些彩虹常常与霓虹结伴出现。霓虹通常会比主彩虹更细、更模糊,而且霓虹的色彩恰恰与主彩虹相反,即外圈呈紫色,内圈是红色。霓虹的形成原因也与折射和反射有关,只不过它是二次内反射的结果,所以亮度稍弱。在主彩虹与霓虹之间的地带往往比背景天空显得更加黑暗,这个地带也被称为“亚历山大暗带”。
 
 
  月虹就是由月光形成的彩虹,它的形成原理和太阳光形成的彩虹相同。月虹通常出现在月亮的另一侧天空,而且月亮处于满月的时候才可以看得见理想的 月虹。由于月虹形成的必要条件较多,而且很苛刻,因此月虹比起日虹来说较为罕见。首先,月亮在天空中的位置要低于42度角;其次,夜空背景必须要非常黑暗;第三个条件就是在月亮出现的另一侧要有降雨。在瀑布附近,月虹也比较容易出现。

 

 

 

 
 
 
 
 
第五讲    看 照 片的 艺 术
其实,即使在今天,许多人对照相还并没有多少了解,譬如说,就很少有人知道拍好的照片应该怎样看。你一定以为这根本没有什么怎样看的问题:把照片拿在手上看就是了。但是事实上并不这么简单。’照片跟许多日常接触的东西一样,虽然接触很多,但是我们却不知道正确对待它。大多数的摄影师和爱好摄影的人——更不用提一般群众——在看照片的时候,完全不是用正确的方法看的。知道照相术已经将近100年了,竟还有不少的人不知道应该怎样看他的照片。
照相机在构造上说,等于一只大眼睛:在它的毛玻璃上显出的像的大小,要根据透镜跟被拍物体之间的距离来决定。照相机拍下来的底片上的像,就跟我们用一只眼睛(注意:一只眼睛!)放在镜头的位置上所看到的相同。因此,假如我们想从回一只眼贴和两只眼睛的视觉照片上得到跟原物完全相同的视觉上的印象,我们就应该:
1.只用一只眼睛来看照片,
2.把照片放在眼前的适当距离上。
如果我们用两只眼睛看照片,我们一定会看到前面只是一幅平面的图画,而不是有远近不同的图画。这一点是不难理解的。因为这是根据我们视觉的特性看到的现象。我们看一个立体的东西,两眼视网膜上所得到的像是不相同的,右眼看到的跟左眼看到的并不完全一样(图111);正是这个不完全一样的像,才使我们能够感觉到东西是立体的而不是平面的,在我们的意识里会把这两个不同的像融合成一个凸起的形象(大家知道,实体铺就是根据这个道理造成的)。假如在我们面前只是一个平面的东西,譬如一堵墙壁,那时候情形就完全不同,那时候两只眼睛会看到完全相同的像,到的情形这样我们的意识里就知道它是平面的。
现在我们就可以明白,假如我们用两只眼睛来看照片是犯了什么样的错误,这样做就等于我们要自己感觉到前面是一幅平面的图画!我们把应该只给一只眼睛看的照片交给两只眼睛看,就妨碍了自己看到照片上应该看到的东西,因此,照相机这么完善地照出来的像,就给这个大意的行动完全破坏了。
应该把照片放在多远的地方看
第二条规则也同样重要,——应该把照片放在眼前的适当距离上来看,否则,也要破坏正确的形象。
这个距离究竟应该多大呢?
如果要得到一个完全的印象,照片所夹的视角应该跟照相机的镜头望到毛玻璃上的像所夹的视角一样,或者也可以这样说,应该跟照相机的镜头望到被拍的东西的视角一样(图112)。从这里可以找到应该把照片放在多远来看的答案:这个距离和图112照相机里角1等于角2原物离开镜头的距离的比,应该跟照片上的像和物的长短的比相等。换句话说,我们应该把照片放在眼前大约等于镜头焦距的距离上。
假如我们注意到大多数小照相机的镜头焦距多是12~15厘米,那我们就可以知道,我们向来没有把照片放在正确的距离上来看:对于正常的眼睛,看东西最清楚的距离——明视距离——大约是25厘米,这个数目几乎等于照相机镜头焦距的2倍。至于挂在墙壁上的照片,因为人们都是从更远的距离上来看的,自然也只给人一种平面的感觉了。
只有患近视的人(以及能够在近距离看得清楚的孩子们),他们的明视距离比较短,在用正确的方法(用一只眼睛)看一张普通照片的时候,才会看到这种效果。他们按习惯把照片拿在眼前12~15厘米的地方,因此他们看到的不是单纯平面的图画,而是像在实体镜里看到的那种立体形象了。


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第六讲    超导体的特性与应用
 
    某些物质在低温下,电阻率突然减小到零,这种现象叫超导现象,处于这种状态的物质叫超导体第一次发现这种现象的物理学家是荷兰人昂里斯。他发现当水银温度降到4.2K(-268.8℃)  水银电阻突然消失,当温度略大于4.2K时,水银具有通常的导电性。美国麻省理工学院的物理学家们在变化磁场中放上用超导材料做成的环,由于电磁感应,环中出现了感应电流。将环冷却到超导态后撤去磁场,根据电磁感应原理环中不再产生感应电流。可是经过两年半后测定环中电流强度,发现环中的电流强度没什么减小,几乎等于撤去磁场前的电流值。这是因为环中电能的损失是电流通过电阻做功转化为热能,超导态下环的电阻为零,根据焦耳定律Q=I2Rt,环产生热量为零,即电能没有损失。
  在昂里斯发现了超导现象后,人们相继发现了28种元素在常压下三 种元素在高压下具有超导性,五千多种合金和化合物也具有超导性。
超导体有哪些方面的应用呢?首先是利用超导态下物质电阻为零的特性。在电力输送中,由于输电线电阻的存在要消耗电能。为了减少损失,人们投入了大量资金建变电所采用高压送电,即使如此也要在输电线上
损失约30%的电能。若用超导材料做输电线,不仅能把输电线上的电能损失节约下来,而且也节约了建变电所所花费的资金,同时又避免了由于高压送电引起的火灾和触电事故。我们常见.的电力设备是电动机与发电机,它们的内部都有用导线绕成的线圈。考虑电流通过线圈电阻的
热效应,必须选用一定粗的导线绕制线圈,使电机体积庞大。若用超导体绕制线圈,导线不管多细电阻均为零,这样就可以做成体积小,重量轻、噪音低、功率大的发电机。在高能物理领域,需要用高速粒子轰击原子核,使原子核发生变化。这些高能带电粒子是由回旋加速器加速后得到的。回旋加速器需要一个约 104高斯的强磁场,目前这个强磁场是由0.9mm粗的导线绕成直径约为lm的大线圈,通过大电流后获得的。由于线圈内电阻存在,当电流通过时产生了大量热,若用水冷却,要消耗约 6 X 104KW能量,冷却水用量为每秒 1t。若采用低温液氦超导体来制成这个电磁铁,只需消耗10KW的功率来制造这种液氦,所用的功率是上述消耗功率的六千分之一。这种磁场不仅耗能少且具有体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高等优点。
  在交通运输方面,人们希望列车的速度能达到飞机的水平。由于列车的车轮与铁轨间存在摩擦,要使列车的速度达到飞机的速度是十分困难的。若能让列车行驶时悬浮在轨道上面,就可以消除车轮与轨道的摩擦。利用超导体技术就可达到此目的。下图是超导磁悬浮式高速列车
示意图。列车底部装有液氮冷却的超导体,使它构成超导电磁铁,它向轨道面产生强磁场。在轨道面上安置铝制闭路环。列车行驶时,列车上的超导电磁铁产生强磁场,在铝环内感应出强电流,此电流又使铝环产生强磁场,这两个磁场相互排斥,使列车浮起。列车在直线推进电机带动下高速行驶。列车停止时,环内无感应电流,列车将落到轨道面上,故列车仍装有一定数量的车
轮供启动和停止时使用。这种列车在日本已正式投入营运。

  除了我们中学课本所介绍过的超导体零电阻特性之外。
它还有完全抗磁性、隧道效应(即微超导电性)。利用
完全抗磁性可制成磁屏蔽和磁悬浮装置。利用其微超导
电性可制成翻转时间为 10-11s的触发器,将此触发器装在电子计算机上,可将计算速度提高10~100倍。日本于1989年制出第一台此种计算机,它的运算速度可达每秒10亿次。自发现超导现象以来,人们致力于提高超导态温度和寻求高温度的超导材料。我国及华裔物理学家在超导领域的成就十分显著。1986年美籍物理学家朱经40.2K(-232.8℃)发现了超导现象;同年12月26日中科院物理所赵忠贤获得温度为48.6k(一224.4℃)的超导材料;12月30日朱经武又在52.5k(一220.5℃)发现了超导现象,1987年又把它提高到了98K(-175℃)同年2月24日赵忠贤获得100K以上的超导材料,3月中国科技大学获得起始转变温度为215K(-580C)的超导材料。可以预见,我国在超导领域研究的成功,必将给其它领域科学、技术以及人们的生产、生活带来不可估量的巨大效益
 
 
 
 
 
 
 
第七讲     无 线 电 波
无线电波(即赫兹波)。赫兹波除微波波段兼用厘米表示它的波长外,一般均用频率代替波长,其单位为赫(Hz)。频率范围约在30千赫(kHz)~30000兆赫(MHz)之间。其波长范围在10-3~104米之间。当赫兹发现电磁波以后,首先被用于无线电信之传递试验。最早的无线电讯,借控制火花放电时间,构成电码讯号。火花放电是一种波长很短的减幅波,它的振幅衰减极快,且干扰极大,故不能用它做长距离通信。后经改良用电弧放电以获得长波的等幅波,使通信距离稍增,但其副波干扰仍不能免,且能量较小不能作远距离通信。后来俄国人波波夫与意大利业余无线电家马可尼同时独立地发明天地线制,马可尼且于
天线中加接调谐电路,试验越过大西洋电码通信获得成功,至此无线电通信开始进入实用阶段。由于弧光电波的影响,误认为波长越长,电力越大,通信距离越远;事实上在短波通信特性未发现以前,确实如此。欧洲各国甚至竟用波长10000米以上,耗费巨资建设电台,并用频率很低的交流发电机供应电磁波能直接发射。长波无线电之传递,以地波为主。其折射率在海面与平原之吸收率均较小。在传播途中的衰减大致与距离成正比,因受气候影响甚微,在有效距离内通信可靠,故迄今仍在使用中,不过波长已减至1000米左右。长波无线电特别适宜于极地通信及海上导航,因短波无线电在极地失去电离层反射作用,无法达成远距离通信。长波通信须高大之天线。自超短波及微波通信实现后,已可利用轻便之转继站构成通信网,故长波通信已在淘汰。中波波段为标准广播波段,其波长自200~545米。适用于国内及邻接地区间作广播之用。国土广大之国家均规定其最大电力及广播服务区。最大电力以天线发射之电场强度为标准。中波广播波段自540~1650千赫(kHz)。中波广播也可用于空中导航。短波通信之特点是:即使是不太强的无线电波也能跨越大洋,而完成极远距离通信。短波无线电讯,由于频率较高,其电磁波由天线发出后,因地球表面矿物质之吸收率甚高,故不论发射电力多大,不出百里以内,其沿地面进行的电磁波即被吸收以尽,其衰减率以对数率随距离而加快。但在数百里以外的地区,因向空发射之天波受高空电离层的反射而再度出现。这种高空反射波的反射体是天空中大气因受紫外线辐射所形成的离子化气体层。围绕地球的这一层离子化气体称之为“电离层”。无线电波也和光波一样有四种特性:它能被物体吸收、反射、散射及折射。当电磁波前进时,遇金属物,则有一部分被吸收,有一部分即反射,且金属物与电子线波在不垂直又不平行之方向者,电磁波就发生散射。当电磁波经过不同的介质时,将发生折射的现象。
 
 
 
第八讲    生命获益于反常膨胀
我们知道,如果物体所受外界压力不变,大多数物体的体积都随温度的升高而增大,即热胀冷缩.与大多数物质的性质相反,在 0到4摄氏度的温度范围内,水的体积却随温度的升高而减小 ,这就是说,水在0到4摄氏度之间是冷涨热缩.水的这一反常性质,对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义.
当寒冷的冬天来临后,随着气温的降低,江河湖泊中的水温也随之下降.考虑某一湖泊,设其全部湖水处于某一温度如10摄氏度, 再设湖面上空气的温度为-10摄氏度,于是湖表面的水就会变冷, 比如说温度降到9摄氏度,这部分水因变冷而收缩, 其密度比底下较暖的水为大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的 10摄氏度的水上升.冷水的下沉引起一个混合过程, 此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4摄氏度为止.但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温, 表面水的温度进一步降低,又比如降到3摄氏度,这部分水的体积不但不缩小反而膨胀,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉.对流和混合此时都停止了(当然扩散不会停止), 表面下的水基本上靠热传导散失内能.水是热的不良导体,这样散热是比较慢的.表面水的温度,先于下面的水降至0摄氏度、开始结冰. 冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水,从上到下温度为0摄氏度到4摄氏度,从上到下逐渐结冰.由于通过热传导而向上散热,比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的.若湖泊的水很深,湖水是不会被冻透的,湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4摄氏度的水中安然过冬,免遭冻死的厄运.
如果水的性质也像其它大多数物质那样, 在全部温度范围内都是热胀冷缩的,那么温度较高的水不断升到水面,向空气散热, 湖泊中水的冻结就会从底部开始,从而容易导致湖泊中的水全部冻结.这样一来,就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命.
   
 
 
 
 
 
 
第九讲    人是被电"吸"住了吗
常听人们有这种说法:触电时人被电吸住了,抽不开。
  实际上这个说法是错误的。我们知道,不论是否存在电流, 在一般情况正导线中、电器中的正、负电荷的电量是相等的, 对外的静电作用是相互抵消。 即使局部地方偶尔出现少许正、负电荷但不相等,其静电引力也是微不足道的。如若不然,就会出现下列奇特现象:用手去移动台灯引线,即使不 被吸"住",至少也会明显感到这种"吸"力,照明电线,特别是高压裸线, 会"吸住"大量尘土从而形成粗长的的尘土柱。事实上,这些现象都没出现。
但是问题出现了,人手触电时,为什么有时不把手抽回来?难道不想抽回来? 显然是被吸住了抽不回来。对这一提问可用电流的生理效应来解释。
  人手触电时,由于电流的刺激,手会由痉挛到麻痹。即使发出抽回手的指令, 无奈手已无法执行这一指令了。调查表明,绝大多数触电死亡者, 都是手的掌心或手指与掌心的同侧部位触电。刚触电时,手因条件反射而弯曲,而弯曲的方向恰使手不自觉地握住了导线。 这样,加长了触电时间,手很快地痉挛以致麻痹。 这时即使想到应松开手指、抽回手臂,已不可能,形似被"吸住"了。如若触电时间再长一点,人的中枢神经都已麻痹,此时更不会抽手了。这些过程都是在较短的时间内发生的。
  如手的背面触电,对一般的民用电,则不容易导致死亡, 有经验的电工为了判断用电器是否漏电而手边又无线电笔, 有时就用食指指甲一面去轻触用电器外壳。若漏电,则食指将因条件反向而弯曲,弯曲的方向又恰是脱离用电器的方向。 这样 ,触电时间很短,不致有危险。当然,电压很高,这样作也会发生危险。
 
 
 
 
 
 
 
 
第十讲    物理学家趣闻轶事集锦
1.物理学家卢瑟福(1871-1937)的实验室里有一个学生非常用功。一天晚上,卢瑟福碰到他,就问:“那么你白天也工作吗?”这个学生自豪地回答说,“没错”,以为自己会得到表扬。卢瑟福却吃惊地问,“但是你什么时候思考呢?”

2.匈牙利血统的数学家埃尔德什与不知多少人共同发表过数学论文,但是未必与他们见过面,而是通信来往。或者,即使见过面,他也未必记得住人。有一次,他碰见一位数学家,就问他是哪里的人。那人说,“温哥华”。埃尔多什说,“是吗,那么你一定认识我的好朋友埃利奥特. 门德尔松”。那人说,“我就是你的好朋友门德尔松”。

3.一次, 麻省理工学院的一位学生在走廊里堵住匈牙利血统的美国数学家约翰. 冯. 诺伊曼,“呃,对不起,诺伊曼教授,能不能请您帮我看一道积分题?”“好吧,小伙子,只要是能很快做出的题。我可忙得很啊”。“我做这道积分题有些麻烦”。“让我看看。”(看题)“答案有了,小伙子,是2π/5”。“我知道答案,先生,答案在题的后面。不过我不知道是怎么推导出来的”。“好吧,我再看看。”(看题)“答案是2π/5。”学生有点不知所措,“呃,先生,我――知道――答案,就是不知道怎么推导出来。”“小伙子,你到底要什么?我已经用两种不同的方法解出这道题了”。
4艾尔伯特.爱因斯坦会拉小提琴,有一次他参加排练海顿的弦乐四重奏。可是,进入二乐章时,他连续四次都出错。此时大提琴手抬头看他一眼,说,“你的问题呀,艾尔伯特,就是不会数数。”
5. 一天, 德国化学家李比希(1803-1873)看到自己的助手无比兴奋地跑来了,说刚刚发现了万能溶剂。李比希问,“什么是万能溶剂呢?”助手说,“就是能溶解所有东西的溶剂”。李比希说,“那么,你把这个万能溶剂储存在什么地方呢?”
6德国著名物理化学家能斯特(1864-1941)开发出一种电灯,称为“能斯特灯”,这项技术产品的销售为他带来一大笔可观的收入。他的一位同事不无醋意地问他,下一项开发项目是不是制造钻石。能斯特说,“不是,我现在有的是钱,买得起钻石,不需要造钻石了。”
7民用航空问世不久,一次大数学家希尔伯特受邀请去外地做数学演讲,题目由他定。于是,它将题目定为“费尔马大定理的证明”。果不其然,听者如潮。可是,演讲内容与费尔马大定理毫无关系。后来有人问他,为什么选一个与演讲内容完全无关的题目,他说:“费尔马大定理的证明这个题目是为万一飞机失事而准备的。
8讲到实验物理,大家都知道运气是很重要的,往往只有一次机会
不过有的人运气着实不错,连着两次错过nobel奖,居然还能有第三次
约里奥·居里夫妇——居里夫人的女儿和女婿发现了新的中性射线,却没有意识到是
中子, 结果这个nobel奖被查德威克得了
第二次,他们发现了正电子的轨迹,不幸,又忽略了,于是nobel被安德森得了
最后一次,估计上帝他老人家已经愤怒了,给了个特别明显的,根本不能忽略的现象,
稳定的 人工放射性
这两人这次总算没忽略,拿了个nobel
上帝他老人家也够郁闷的,给居里家的人送礼都得送三次
9波尔兹曼
是伟大的统计物理学家,他对现代的统计物理理论做了奠基性的工作,其中
包括了俺一直不太懂得H定理,和谁都不会精确算得波尔兹曼方程,不过可
惜的是这些基石并不是那么牢靠
不幸的是他一生在与自己的学术对手作斗争,被迫不停的宣传原子论,更不
幸的是学术上的斗争竟然引入了人身攻击,攻击他的人就包括爱因斯坦很很
佩服的马赫
不幸的波尔兹曼最终死于自杀,更不幸的是他刚死,他的对手就都承认了原
子论。
伟大的波尔兹曼生前很少有支持者,年轻的planck是这少数支持派的一员,
但是可怜的planck,波尔兹曼压根看不起他,认为planck和自己不是一路
这个故事告诉我们,一张厚脸皮和一颗麻木的心对于科学工作者是多么重要啊
波尔兹曼大约上课不喜欢往黑板上写东西,然后学生经常抱怨听不懂
然后学生complain阿,说老大,证明太难了,以后往黑板上写,别光讲,
我们记不住。波尔兹曼答应了
第二堂,他又在课上开始滔滔不绝,从a变换到b,b到c...最后总结说,
大家看这个东西如此简单,就跟1+1=2一样
然后他突然想起对学生的承诺,于是拿起粉笔,在黑板上工工整整地写
了“1+1=2”
11物理学家的良心
奥本海默对自己造出来原子弹极为后悔
据说曾经在联合国大会上发言说,“我双手沾满了鲜血"
气的杜鲁门破口大骂,甚至说"是我下令投的,跟他有什么关系"
俺支持杜鲁门
12纪念一下pauli
这位先生是上个世纪少有的天才之一
pauli同学出生于维也纳一个研究胶体化学的教授的家中,他的教父是
著名的马赫先生。马赫先生被小爱同学称为相对论的先驱,虽然马赫先
生并不给小爱这个面子,声称他对于相对论的相信程度,像他对分子论
的相信程度一样。而众所周知,马赫先生极端反对分子论,而这种反对
是我们前面提到的那个统计物理的天才最终绝望而自杀的原因之一。
pauli幼年如何天才我们就不赘述了,他的第一篇文章是一片有关weyl的
关于重力和电磁场的规范理论的文章,weyl评价说这片文章带有强烈的
pauli风格
在pauli 21岁的时候,他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达
237叶的关于狭义和广义相对论的词条,该文,到今天仍然是该领域的
经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说,“任何该领域的专家都不会相信,
该文出自一个仅21岁的青年之手,作者在文中显示出来的对这个领域的
理解力,熟练的数学推导能力,对物理深刻的洞察力,使问题明晰的能
力,系统的表述,对语言的把握,对该问题的完整处理,和对其评价,
是任何一个人都会感到羡慕”
少数年轻人大约以为这个物理学的王子的名字只是与不相容原理联系在
一起,甚至他们以为这个原理只是量子力学的一个推论。实际上,这个
原理的提出是在1925年,甚至早于海森堡提出量子力学,pauli是用他
天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据中得出的不相容原理,其难度甚至
远大过开普勒整理行星轨道的数据
pauli的贡献遍及当时物理学的各个领域,他参与了量子力学的基础建设,
量子场论的基础建设,相对论。。。。。。
pauli似乎在物理学领域是一个征服者而不是一个殖民者,他大量的工作
没有发表,而是遗留在私人信件里。今天我能查到的信件中,我们发现
大量这样的例子,他的关于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在
给jordan的信件里,测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里,dirac
的泊松括号量子化被Hendrik Kramers 独立发现,而他指出,pauli早就
指出了这种对易关系的表示方法
或许有些天才的生命是注定短暂的,pauli生于1900年,于1958年去世,仅比
他心中帝王晚去世3年,(爱因斯坦1879-1955),他唯一的遗憾就是一生中
觉得没有做出像他的king一样伟大的工作。
仅以此怀念pauli
校本与选修课
 
物理科普
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
吴江市第二高级中学校本教材编写组
第一讲    雨雪云雾露霜冰雹的成因
(一)   雨的形成
我们已经知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花就是由它们增长变大而成的。那么,小水滴和小冰晶在云内是怎样增长变大的呢?
在水云中,云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大的。因此,在水云里,云滴要增大到雨滴的大小,首先需要云很厚,云滴浓密,含水量多,这样,它才能继续凝结增长;其次,在水云内还需要存在较强的垂直运动,这样才能增加多次碰撞并合的机会。而在比较薄的和比较稳定的水云中,云滴没有足够的凝结和并合增长的机会,只能引起多云、阴天,不大会下雨。
在各种不同的云内,其云滴大小的分布是各不相同的,造成云滴大小不均的原因就是周围空气中水汽的转移以及云滴的蒸发。使云滴增长的因素是凝结过程和碰撞并和过程,在只有凝结作用的情况下,云滴的大小是均匀的,但由于水汽的补充,使某些云滴有所增长,再加上并和作用的结果,就使较大的云滴继续增长变大成为雨滴。雨滴受地心引力的作用而下降,当有上升气流时,就会有一个向上的力加在雨滴上,使其下降的速度变慢,并且一些小雨滴还可能被带上去。只有当雨滴增大到一定的程度时,才能下降到地面,形成降雨。
(二)雪的形成
我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的。那么,雪是怎么形成的呢?
在水云中,云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。
冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时,冰晶表面会增热而有些融化,并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次,冰晶便增大了。另外,在云内也有水汽,所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是,冰云一般都很高,而且也不厚,在那里水汽不多,凝华增长很慢,相互碰撞的机会也不多,所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水,也往往在下降途中被蒸发掉,很少能落到地面。
最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下,冰晶增长得很快。另外,过冷却水是很不稳定的。一碰它,它就要冻结起来。所以,在混合云里,当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候,就会冻结沾附在冰晶表面上,使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花。
在初春和秋末,靠近地面的空气在0以上,但是这层空气不厚,温度也不很高,会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪",或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。
同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 具体见表3.
 
3. 各类雪的降水量标准
种类                大雪           中雪           小雪
24小时降水量      大于5.0       2.6-5.0        2.5以下
12小时降水量      大于3.0       1.1-3.0        1.0以下
(三)云的形成
人们常常看到天空有时碧空无云,有时白云朵朵,有时又是乌云密布。为什么天上有时有云,有时又没有云呢?云究竟是怎样形成的呢? 它又是由有什么组成的?
漂浮在天空中的云彩是由许多细小的水滴或冰晶组成的,有的是由小水滴或小冰晶混合在一起组成的。有时也包含一些较大的雨滴及冰、雪粒,云的底部不接触地面,并有一定厚度。
云的形成主要是由水汽凝结造成的。
我们都知道,从地面向上十几公里这层大气中,越靠近地面,温度越高,空气也越稠密;越往高空,温度越低,空气也越稀薄。
另一方面,江河湖海的水面,以及土壤和动、植物的水分,随时蒸发到空中变成水汽。水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发(升华),再凝结(凝华)下降。周而复始,循环不已。
水汽从蒸发表面进入低层大气后,这里的温度高,所容纳的水汽较多,如果这些湿热的空气被抬升,温度就会逐渐降低,到了一定高度,空气中的水汽就会达到饱和。如果空气继续被抬升,就会有多余的水汽析出。如果那里的温度高于0°C,则多余的水汽就凝结成小水滴;如果温度低于0°C,则多余的水汽就凝化为小冰晶。在这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时,就是云了。
(四)雾的形成
雾和云都是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物,只是雾生成在大气的近地面层中,而云生成在大气的较高层而已。雾既然是水汽凝结物,因此应从造成水汽凝结的条件中寻找它的成因。大气中水汽达到饱和的原因不外两个:一是由于蒸发,增加了大气中的水汽;另一是由于空气自身的冷却。对于雾来说冷却更重要。当空气中有凝结核时,饱和空气如继续有水汽增加或继续冶却,便会发生凝结。凝结的水滴如使水平能见度降低到1千米以内时,雾就形成了。
另外,过大的风速和强烈的扰动不利于雾的生成。
因此,凡是在有利于空气低层冷却的地区,如果水汽充分,风力微和,大气层结稳定,并有大量的凝结核存在,便最容易生成雾。一般在工业区和城市中心形成雾的机会更多,因为那里有丰富的凝结核存在。
(五)露的形成
在温暖季节的清晨,人们在路边的草,树叶及农作物上经常可以看到的露珠,露也不是从天空中降下来的。露的形成原因和过程与霜一样,只不过它形成时的温度在0°C以上罢了。
0°C以上,空气因冷却而达到水汽饱和时的温度叫做"露点温度"。在温暖季节里,夜间地面物体强烈辐射冷却的时候,与物体表面相接触的空气温度下降,在它降到"露点"以后就有多余的水汽析出。因为这时温度在0°C以上,这些多余的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上,这就是露。
露和霜一样,也大都出现于天气晴朗、无风或微风的夜晚。同时,容易有露形成的物体,也往往是表面积相对地大的、表面粗糙的、导热性不良的物体。有时,在上半夜形成了露,下半夜温度继续降低,使物体上的露珠冻结起来,这叫做冻露。有人把它归入霜的一类,但是它的形成过程是与霜不同的。
露一般在夜间形成,日出以后,温度升高,露就蒸发消失了。
在农作物生长的季节里,常有露出现。它对农业生产是有益的。在我国北方的夏季,蒸发很快,遇到缺雨干旱时,农作物的叶子有时白天被晒得卷缩发干,但是夜间有露,叶子就又恢复了原状。人们常把"雨露"并称,就是这个道理。
(六)霜的形成
在夜间,地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量,它们的温度要降低,当温度降至露点时,地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和。若露点高于0摄氏度,水蒸气可在地面物体的表面上凝结成小水滴,这就是露。
若露点低于0摄氏度,水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成水冰粒,这即是霜。
如果在夜间不仅地面上物体的温度降到了露点以下,而且地面以上稍远处的空气温度也降到了露点,那么空气中的水蒸气将以尘埃为核心凝结成细小的水滴,这便是雾。
当高空中空气的温度降到露点以下,若露点高于0度,空气中的水蒸气在尘埃上凝结成细小的水滴便是云,而凝结成较大的水滴即是雨。若露点低于0度,则空气中的水蒸气将在尘埃上直接凝结成雪。
由此可知,露、霜和雾都不是从天而降的,而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和时直接凝结而成的。只有雪和雨才是从天而降的,即是高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成。
(七)冰雹的形成
冰雹和雨、雪一样都是从云里掉下来的。不过下冰雹的云是一种发展十分强盛的积雨云,而且只有发展特别旺盛的积雨云才可能降冰雹。
积雨云和各种云一样都是由地面附近空气上升凝结形成的。空气从地面上升,在上升过程中气压降低,体积膨胀,如果上升空气与周围没有热量交换,由于膨胀消耗能量,空气温度就要降低,这种温度变化称为绝热冷却。根据计算,在大气中空气每上升100米,因绝热变化会使温度降低1度左右。我们知道在-定温度下,空气中容纳水汽有一个限度,达到这个限度就称为“饱和”,温度降低后,空气中可能容纳的水汽量就要降低。因此,原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和,空气达到饱和之后过剩的水汽便附着在飘浮于空中的凝结核上,形成水滴。当温度低于摄氏零度时,过剩的水汽便会凝华成细小的冰晶。这些水滴和冰晶聚集在一起,飘浮于空中便成了云。
大气中有各种不同形式的空气运动,形成了不同形态的云。因对流运动而形成的云有淡积云、浓积云和积雨云等。人们把它们统称为积状云。它们都是一块块孤立向上发展的云块,因为在对流运动中有上升运动和下沉运动,往往在上升气流区形成了云块,而在下沉气流区就成了云的间隙,有时可见蓝天。
积状云因对流强弱不同出一辙形成各种不同云状,它们的云体大小悬殊很大。如果云内对流运动很弱,上升气流达不到凝结高度,就不会形成云,只有干对流。如果对流较强,可以发展形成浓积云,浓积云的顶部像椰菜,由许多轮廓清晰的凸起云泡构成,云厚可以达4-5公里。如果对流运动很猛烈,就可以形成积雨云,云底黑沉沉,云顶发展很高,可达10公里左右,云顶边缘变得模糊起来,云顶还常扩展开来,形成砧状。一般积雨云可能产生雷阵雨,而只有发展特别强盛的积雨云,云体十分高大,云中有强烈的上升气体,云内有充沛的水分,才会产生冰雹,这种云通常也称为冰雹云。
冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的。一般为三层:最下面一层温度在0以上,由水滴组成;中间温度为0-20,由过冷却水滴、冰晶和雪花组成;最上面一层温度在-20以下,基本上由冰晶和雪花组成。
在冰雹云中气流是很强盛的,通常在云的前进方向,有一股十分强大的上升气流从云底进入又从云的上部流出。还有一股下沉气流从云后方中层流入,从云底流出。这里也就是通常出现冰雹的降水区。这两股有组织上升与下沉气流与环境气流连通,所以一般强雹云中气流结构比较持续。强烈的上升气流不仅给雹云输送了充分的水汽,并且支撑冰雹粒子停留在云中,使它长到相当大才降落下来。
在冰雹云中冰雹又是怎样长成的呢?在冰雹云中强烈的上升气流携带着许多大大小小的水滴和冰晶运动着,其中有一些水滴和冰晶并合冻结成较大的冰粒,这些粒子和过冷水滴被上升气流输送到含水量累积区,就可以成为冰雹核心,这些冰雹初始生长的核心在含水量累积区有着良好生长条件。雹核A在上升气流携带下进入生长区后,在水量多、温度不太低的区域与过冷水滴碰并,长成一层透明的冰层,再向上进入水量较少的低温区,这里主要由冰晶、雪花和少量过冷水滴组成,雹核与它们粘并冻结就形成一个不透明的冰层。这时冰雹已长大,而那里的上升气流较弱,当它支托不住增长大了的冰雹时,冰雹便在上升气流里下落,在下落中不断地并合冰晶、雪花和水滴而继续生长,当它落到较高温度区时,碰并上去的过冷水滴便形成一个透明的冰层。这时如果落到另一股更强的上升气流区,那么冰雹又将再次上升,重复上述的生长过程。这样冰雹就一层透明一层不透明地增长;由于各次生长的时间、含水量和其它条件的差异,所以各层厚薄及其它特点也各有不同。最后,当上升气流支撑不住冰雹时,它就从云中落下来,成为我们所看到的冰雹了。
为什么“雹打一条线”
冰雹主要发生在夏秋季节,尤以春夏之交为多。但一次降雹的时间都不长,多数为几分钟到十几分钟,最长可大1--2小时。特别是降雹的范围,一般都不大,平均长度在30公里以下,宽度在几公里以内,形成一个降雹带因此,常有“雹打一条线”之说。
为什么会有“雹打一条线”呢?这要从冰雹的形成条件谈起。冰雹是在发展相当强烈的积雨云中形成的,有冰雹胚胎和云中的小冰晶、雪花、过冷却水滴反复粘合、碰并的结果。因此,云中必须有强烈的上升气流,丰富的含水量和足够的低温。在中纬度地区的山区,由于地面受热不均匀和地形的抬升作用,常使大气处在不稳定的状态,所以容易形成冰雹。当冰雹云在山谷和河面上经过时,由于河面上的气温比两岸的气温低,山谷中的气温比山坡上的气温低,这样,河面上和山谷中的上升气流较弱,支托不住下落的冰雹,故冰雹多沿山谷和河流下落.有时冰雹也沿冷暖空气交汇的锋面降落。因为山谷、河流都是狭长的地带,因此有“雹打一条线”的说法。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第二讲   
 
特高压输电技术是指电压等级在750kV交流和±500kV直流之上的更高一级电压等级的输电技术,包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分。
    我国是电能的生产和使用大国,地域广阔,发电资源分布和经济发展极不平衡。全国可开发的水电资源近2/3在西部的四川、云南、西藏;煤炭保有量的2/3分布在山西、陕西、内蒙古,如表1-2所示。而全国2/3的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以东的经济发达地区。西部能源供给基地与东部能源需求中心之间的距离将达到2000~3000km。我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情,决定了能源资源必须在全国范围内优化配置。只有建设特高压电网,才能适应东西2000~3000km、南北800~2000km远距离、大容量电力输送需求,促进煤电就地转化和水电大规模开发,实现跨地区、跨流域的水电与火电互济,将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中、东部地区,满足我国经济快速发展对电力的需求。
1-2  我国能源资源的地区分布一览(%)
    除了实现电能的大规模和远距离输送的需求之外,特高压电网还可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性,具有显著的社会、经济效益。主要体现在如下几个方面:
    (1)提高电网的安全性和可靠性。建设特高压电网可以从根本上解决跨大区500kV交流弱联系所引起的电网安全性差的问题,为我国东部地区的受端电网提供坚强的网架支撑,可以解决负荷密集地区500kV电网的短路电流超标的问题。
    (2)减少走廊回路数,节约大量土地资源。以溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩水电站的电力送出工程为例,采用±800kV级特高压直流输电技术与采用±500kV级高压直流输电技术相比,输电线路可以从10回减少到6回,节省输电走廊占地300km2。再以输送10GW电力、输电距离达800km的交流输电技术为例,采用500kV交流输电技术需要8~10回输电线路,而采用1000kV交流输电技术仅需要2回输电线路,可减少输电走廊宽度300m,节省输电走廊占地240km2。
    (3)获得显著的经济效益。特高压电网将实现大规模跨区联网,可以获得包括错峰、调峰、水火互济、互为备用、减少弃水电量等巨大的联网效益,降低网损。以1000kV交流特高压代替500kV交流超高压输电功能,可以降低输电成本,减少部分500kV交流超高压输电通道的重复建设,节约大量投资。
    (4)减轻铁路煤炭运输压力,促进煤炭集约化开发。建设特高压电网,可实现大电网、大电源与大煤矿相互促进,实施煤电一体化开发,提高煤炭回采率,提高煤矿安全生产水平,减少煤炭和电力综合成本。
    (5)促进西部大开发,增加对西部地区的资金投入,变资源优势为经济优势,同时减小中、东部地区的环保压力,带动区域社会经济的协调发展。
    (6)带动我国电工制造业技术全面升级。通过依托特高压电网工程建设,可以增强我国科技自主创新能力,走跨越式发展道路,全面提升国内输变电设备制造企业的制造水平,使国内超高压设备制造技术更加成熟,实现我国交、直流输变电设备制造技术升级,显著提高国际竞争能力。
    发展特高压输电在我国是必要的,在技术上也是可行的。目前国内已有发展特高压输电的较好的技术基础和条件。我国的特高压输电研究从调研国外经验到试验设备的完善,从研究方法到设备的生产都做了大量的工作,打下了很好的基础。目前,国家电网公司武汉高压研究院和中国电力科学研究院已分别建立交、直流特高压试验研究基地,完全具备各项特高压试验的条件和能力,并已进行了各项特高压的专题研究。我国的设计和制造单位通过西北750kV输变电示范工程,进一步具备了制造特高压设备的条件和基础。考虑到设备的成熟性,特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。
    我国人均用电水平远低于发达国家,未来几十年内,电力负荷增长仍会保持较高的速度。从全国联网和西电东送的电网发展趋势来看,我国有发展特高压输电的必要。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第三讲   
节能灯是利用气体放电的原理运作,它的术名叫自镇流荧光灯,除了白色(冷光)的外,现在还有黄色(暖光)的。一般来说,在同一瓦数之下,一盏节能灯比白炽灯节能80%,平均寿命延长8倍,热辐射仅20%。非严格的情况下,一盏5瓦的节能灯光照可视为等于25瓦的白炽灯,7瓦的节能灯光照约等于40瓦的,9瓦的约等于60瓦的。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     节能灯又叫紧凑型荧光灯(国外简称CFL灯)它是1978年由国外厂家首先发明的,由于它具有光效高(是普通灯泡的5倍),节能效果明显,寿命长(是普通灯泡的8倍),体积小,使用方便等优点,受到各国人民和国家的重视和欢迎,我国于1982年,首先在复旦大学电光源研究所成功研制SL型紧凑型荧光灯,二十年来,产量迅速增长,质量稳步提高,国家已经把它作为国家重点发展的节能产品(绿色照明产品)作为推广和使用。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     在相当一段长的时间内,一些地方和厂家盲目的大上节能灯项目,由于其在资金、技术、原材料以及工艺在没有充分落实的情况下,匆匆上马使得产品质量得不到保障,各企业的产品质量的不平衡,恶性竞价搞乱了市场,不按工艺要求生产,组装厂选用不合要求的灯管和元器件拼凑组成,质次价低,严重损坏了节能灯的声誉,光效低,寿命短,一致性差,造成社会上产生节能灯节能不节钱的说法,给节能灯的推广带来了很大的负面影响。 ¼¸Hi!\Ñæclub.cqvip.comÞÁ’Ÿ¤]V~G˜
     经过将近二十年的不断摸索和发展,我国的节能灯产品已经有了很大的进步与提高,很多产品已经接近或达到国外的先进水平,由于质优价低,国际市场上的竞争力非常强,但是市场上还是存在很大部分的节能灯厂商,根本不顾国家的法律、法规,不顾消费者的利益,还在大量生产不叫"?能灯"的节能灯,由于它的质次价低,每只出厂价仅售4~5元左右,消费者对产品的识别有限,在农村及大部分城市,还有很大一部分的市场,由于市场上占大部分的市场由低档产品占据着,使得好的节能灯产品比较难进入市场,这给绿色照明推广带来了一定的难度,但随着居民消费意识的提高以及对节能灯产品的认识,质量好的节能灯产品的市场在一天天的扩大,质量差的节能灯市场一天天的萎缩,这同时又给我们带来了希望与机遇。
 
 
 
 
 
 
第四讲   

造成彩虹的光学原理彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。

 
双重彩虹,上方为霓,下方为虹很多时候会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°,所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射,副虹的颜色次序跟主虹反转,外侧为蓝色,内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在,只是因为它的光线强度较低,所以有时不被肉眼察觉而已(参看)。 
 
彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随著观察者而改变。当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为甚么彩虹很少在中午出现的原因。 
 
彩虹由一端至另一端,横跨84°。以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上,会看见彩虹会是完整的圆形而不是拱形,而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。 

彩虹作为一种自然现象,并不一定是出现在风雨之后,没有风雨一样可以形成彩虹。彩虹根据形成的地点、时间以及机制的不同,往往也会呈现出各种不同的形状、大小,甚至颜色。大自然的神奇力量给我们带来如下十种最迷人的彩虹:

 
1.    典型彩虹
  相信大多数人都看过这种最典型、最普通的彩虹。有时候,当你在花园中为花草浇水时,喷壶喷出的水雾都有可能形成微型彩虹。天然彩虹通常由七种颜色组成,它们分别是:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。每一种颜色的亮度可能因为大气环境和形成时间的不同而有所区别。
  
2.    环形彩虹
 
  大多数的彩虹事实上都是一个完美的圆环,但是我们很难看到一个完整的圆环,因为总是有一半被地面所遮挡,所以我们看到的彩虹大多都是一个半弧。法国科学家笛卡尔根据光线折射原理解释了彩虹的形成过程,指出了彩虹通常是出现在人的视角与阳光夹角42度的地方,所以人们通常看不到地平线以下的那部分。但是,随着飞机以及航拍技术的出现,人们现在可以从空中看到一个完美、壮观的环形彩虹。当然,如果没有飞机,站在视野开阔的高山之巅也可实现这一目标。
  3. 霓虹
 
 
  
霓虹也叫副虹、二级虹或次级虹,一些彩虹常常与霓虹结伴出现。霓虹通常会比主彩虹更细、更模糊,而且霓虹的色彩恰恰与主彩虹相反,即外圈呈紫色,内圈是红色。霓虹的形成原因也与折射和反射有关,只不过它是二次内反射的结果,所以亮度稍弱。在主彩虹与霓虹之间的地带往往比背景天空显得更加黑暗,这个地带也被称为“亚历山大暗带”。
 
 
  月虹就是由月光形成的彩虹,它的形成原理和太阳光形成的彩虹相同。月虹通常出现在月亮的另一侧天空,而且月亮处于满月的时候才可以看得见理想的 月虹。由于月虹形成的必要条件较多,而且很苛刻,因此月虹比起日虹来说较为罕见。首先,月亮在天空中的位置要低于42度角;其次,夜空背景必须要非常黑暗;第三个条件就是在月亮出现的另一侧要有降雨。在瀑布附近,月虹也比较容易出现。

 

 

 

 
 
 
 
 
第五讲    看 照 片的 艺 术
其实,即使在今天,许多人对照相还并没有多少了解,譬如说,就很少有人知道拍好的照片应该怎样看。你一定以为这根本没有什么怎样看的问题:把照片拿在手上看就是了。但是事实上并不这么简单。’照片跟许多日常接触的东西一样,虽然接触很多,但是我们却不知道正确对待它。大多数的摄影师和爱好摄影的人——更不用提一般群众——在看照片的时候,完全不是用正确的方法看的。知道照相术已经将近100年了,竟还有不少的人不知道应该怎样看他的照片。
照相机在构造上说,等于一只大眼睛:在它的毛玻璃上显出的像的大小,要根据透镜跟被拍物体之间的距离来决定。照相机拍下来的底片上的像,就跟我们用一只眼睛(注意:一只眼睛!)放在镜头的位置上所看到的相同。因此,假如我们想从回一只眼贴和两只眼睛的视觉照片上得到跟原物完全相同的视觉上的印象,我们就应该:
1.只用一只眼睛来看照片,
2.把照片放在眼前的适当距离上。
如果我们用两只眼睛看照片,我们一定会看到前面只是一幅平面的图画,而不是有远近不同的图画。这一点是不难理解的。因为这是根据我们视觉的特性看到的现象。我们看一个立体的东西,两眼视网膜上所得到的像是不相同的,右眼看到的跟左眼看到的并不完全一样(图111);正是这个不完全一样的像,才使我们能够感觉到东西是立体的而不是平面的,在我们的意识里会把这两个不同的像融合成一个凸起的形象(大家知道,实体铺就是根据这个道理造成的)。假如在我们面前只是一个平面的东西,譬如一堵墙壁,那时候情形就完全不同,那时候两只眼睛会看到完全相同的像,到的情形这样我们的意识里就知道它是平面的。
现在我们就可以明白,假如我们用两只眼睛来看照片是犯了什么样的错误,这样做就等于我们要自己感觉到前面是一幅平面的图画!我们把应该只给一只眼睛看的照片交给两只眼睛看,就妨碍了自己看到照片上应该看到的东西,因此,照相机这么完善地照出来的像,就给这个大意的行动完全破坏了。
应该把照片放在多远的地方看
第二条规则也同样重要,——应该把照片放在眼前的适当距离上来看,否则,也要破坏正确的形象。
这个距离究竟应该多大呢?
如果要得到一个完全的印象,照片所夹的视角应该跟照相机的镜头望到毛玻璃上的像所夹的视角一样,或者也可以这样说,应该跟照相机的镜头望到被拍的东西的视角一样(图112)。从这里可以找到应该把照片放在多远来看的答案:这个距离和图112照相机里角1等于角2原物离开镜头的距离的比,应该跟照片上的像和物的长短的比相等。换句话说,我们应该把照片放在眼前大约等于镜头焦距的距离上。
假如我们注意到大多数小照相机的镜头焦距多是12~15厘米,那我们就可以知道,我们向来没有把照片放在正确的距离上来看:对于正常的眼睛,看东西最清楚的距离——明视距离——大约是25厘米,这个数目几乎等于照相机镜头焦距的2倍。至于挂在墙壁上的照片,因为人们都是从更远的距离上来看的,自然也只给人一种平面的感觉了。
只有患近视的人(以及能够在近距离看得清楚的孩子们),他们的明视距离比较短,在用正确的方法(用一只眼睛)看一张普通照片的时候,才会看到这种效果。他们按习惯把照片拿在眼前12~15厘米的地方,因此他们看到的不是单纯平面的图画,而是像在实体镜里看到的那种立体形象了。


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第六讲    超导体的特性与应用
 
    某些物质在低温下,电阻率突然减小到零,这种现象叫超导现象,处于这种状态的物质叫超导体第一次发现这种现象的物理学家是荷兰人昂里斯。他发现当水银温度降到4.2K(-268.8℃)  水银电阻突然消失,当温度略大于4.2K时,水银具有通常的导电性。美国麻省理工学院的物理学家们在变化磁场中放上用超导材料做成的环,由于电磁感应,环中出现了感应电流。将环冷却到超导态后撤去磁场,根据电磁感应原理环中不再产生感应电流。可是经过两年半后测定环中电流强度,发现环中的电流强度没什么减小,几乎等于撤去磁场前的电流值。这是因为环中电能的损失是电流通过电阻做功转化为热能,超导态下环的电阻为零,根据焦耳定律Q=I2Rt,环产生热量为零,即电能没有损失。
  在昂里斯发现了超导现象后,人们相继发现了28种元素在常压下三 种元素在高压下具有超导性,五千多种合金和化合物也具有超导性。
超导体有哪些方面的应用呢?首先是利用超导态下物质电阻为零的特性。在电力输送中,由于输电线电阻的存在要消耗电能。为了减少损失,人们投入了大量资金建变电所采用高压送电,即使如此也要在输电线上
损失约30%的电能。若用超导材料做输电线,不仅能把输电线上的电能损失节约下来,而且也节约了建变电所所花费的资金,同时又避免了由于高压送电引起的火灾和触电事故。我们常见.的电力设备是电动机与发电机,它们的内部都有用导线绕成的线圈。考虑电流通过线圈电阻的
热效应,必须选用一定粗的导线绕制线圈,使电机体积庞大。若用超导体绕制线圈,导线不管多细电阻均为零,这样就可以做成体积小,重量轻、噪音低、功率大的发电机。在高能物理领域,需要用高速粒子轰击原子核,使原子核发生变化。这些高能带电粒子是由回旋加速器加速后得到的。回旋加速器需要一个约 104高斯的强磁场,目前这个强磁场是由0.9mm粗的导线绕成直径约为lm的大线圈,通过大电流后获得的。由于线圈内电阻存在,当电流通过时产生了大量热,若用水冷却,要消耗约 6 X 104KW能量,冷却水用量为每秒 1t。若采用低温液氦超导体来制成这个电磁铁,只需消耗10KW的功率来制造这种液氦,所用的功率是上述消耗功率的六千分之一。这种磁场不仅耗能少且具有体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高等优点。
  在交通运输方面,人们希望列车的速度能达到飞机的水平。由于列车的车轮与铁轨间存在摩擦,要使列车的速度达到飞机的速度是十分困难的。若能让列车行驶时悬浮在轨道上面,就可以消除车轮与轨道的摩擦。利用超导体技术就可达到此目的。下图是超导磁悬浮式高速列车
示意图。列车底部装有液氮冷却的超导体,使它构成超导电磁铁,它向轨道面产生强磁场。在轨道面上安置铝制闭路环。列车行驶时,列车上的超导电磁铁产生强磁场,在铝环内感应出强电流,此电流又使铝环产生强磁场,这两个磁场相互排斥,使列车浮起。列车在直线推进电机带动下高速行驶。列车停止时,环内无感应电流,列车将落到轨道面上,故列车仍装有一定数量的车
轮供启动和停止时使用。这种列车在日本已正式投入营运。

  除了我们中学课本所介绍过的超导体零电阻特性之外。
它还有完全抗磁性、隧道效应(即微超导电性)。利用
完全抗磁性可制成磁屏蔽和磁悬浮装置。利用其微超导
电性可制成翻转时间为 10-11s的触发器,将此触发器装在电子计算机上,可将计算速度提高10~100倍。日本于1989年制出第一台此种计算机,它的运算速度可达每秒10亿次。自发现超导现象以来,人们致力于提高超导态温度和寻求高温度的超导材料。我国及华裔物理学家在超导领域的成就十分显著。1986年美籍物理学家朱经40.2K(-232.8℃)发现了超导现象;同年12月26日中科院物理所赵忠贤获得温度为48.6k(一224.4℃)的超导材料;12月30日朱经武又在52.5k(一220.5℃)发现了超导现象,1987年又把它提高到了98K(-175℃)同年2月24日赵忠贤获得100K以上的超导材料,3月中国科技大学获得起始转变温度为215K(-580C)的超导材料。可以预见,我国在超导领域研究的成功,必将给其它领域科学、技术以及人们的生产、生活带来不可估量的巨大效益
 
 
 
 
 
 
 
第七讲     无 线 电 波
无线电波(即赫兹波)。赫兹波除微波波段兼用厘米表示它的波长外,一般均用频率代替波长,其单位为赫(Hz)。频率范围约在30千赫(kHz)~30000兆赫(MHz)之间。其波长范围在10-3~104米之间。当赫兹发现电磁波以后,首先被用于无线电信之传递试验。最早的无线电讯,借控制火花放电时间,构成电码讯号。火花放电是一种波长很短的减幅波,它的振幅衰减极快,且干扰极大,故不能用它做长距离通信。后经改良用电弧放电以获得长波的等幅波,使通信距离稍增,但其副波干扰仍不能免,且能量较小不能作远距离通信。后来俄国人波波夫与意大利业余无线电家马可尼同时独立地发明天地线制,马可尼且于
天线中加接调谐电路,试验越过大西洋电码通信获得成功,至此无线电通信开始进入实用阶段。由于弧光电波的影响,误认为波长越长,电力越大,通信距离越远;事实上在短波通信特性未发现以前,确实如此。欧洲各国甚至竟用波长10000米以上,耗费巨资建设电台,并用频率很低的交流发电机供应电磁波能直接发射。长波无线电之传递,以地波为主。其折射率在海面与平原之吸收率均较小。在传播途中的衰减大致与距离成正比,因受气候影响甚微,在有效距离内通信可靠,故迄今仍在使用中,不过波长已减至1000米左右。长波无线电特别适宜于极地通信及海上导航,因短波无线电在极地失去电离层反射作用,无法达成远距离通信。长波通信须高大之天线。自超短波及微波通信实现后,已可利用轻便之转继站构成通信网,故长波通信已在淘汰。中波波段为标准广播波段,其波长自200~545米。适用于国内及邻接地区间作广播之用。国土广大之国家均规定其最大电力及广播服务区。最大电力以天线发射之电场强度为标准。中波广播波段自540~1650千赫(kHz)。中波广播也可用于空中导航。短波通信之特点是:即使是不太强的无线电波也能跨越大洋,而完成极远距离通信。短波无线电讯,由于频率较高,其电磁波由天线发出后,因地球表面矿物质之吸收率甚高,故不论发射电力多大,不出百里以内,其沿地面进行的电磁波即被吸收以尽,其衰减率以对数率随距离而加快。但在数百里以外的地区,因向空发射之天波受高空电离层的反射而再度出现。这种高空反射波的反射体是天空中大气因受紫外线辐射所形成的离子化气体层。围绕地球的这一层离子化气体称之为“电离层”。无线电波也和光波一样有四种特性:它能被物体吸收、反射、散射及折射。当电磁波前进时,遇金属物,则有一部分被吸收,有一部分即反射,且金属物与电子线波在不垂直又不平行之方向者,电磁波就发生散射。当电磁波经过不同的介质时,将发生折射的现象。
 
 
 
第八讲    生命获益于反常膨胀
我们知道,如果物体所受外界压力不变,大多数物体的体积都随温度的升高而增大,即热胀冷缩.与大多数物质的性质相反,在 0到4摄氏度的温度范围内,水的体积却随温度的升高而减小 ,这就是说,水在0到4摄氏度之间是冷涨热缩.水的这一反常性质,对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义.
当寒冷的冬天来临后,随着气温的降低,江河湖泊中的水温也随之下降.考虑某一湖泊,设其全部湖水处于某一温度如10摄氏度, 再设湖面上空气的温度为-10摄氏度,于是湖表面的水就会变冷, 比如说温度降到9摄氏度,这部分水因变冷而收缩, 其密度比底下较暖的水为大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的 10摄氏度的水上升.冷水的下沉引起一个混合过程, 此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4摄氏度为止.但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温, 表面水的温度进一步降低,又比如降到3摄氏度,这部分水的体积不但不缩小反而膨胀,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉.对流和混合此时都停止了(当然扩散不会停止), 表面下的水基本上靠热传导散失内能.水是热的不良导体,这样散热是比较慢的.表面水的温度,先于下面的水降至0摄氏度、开始结冰. 冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水,从上到下温度为0摄氏度到4摄氏度,从上到下逐渐结冰.由于通过热传导而向上散热,比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的.若湖泊的水很深,湖水是不会被冻透的,湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4摄氏度的水中安然过冬,免遭冻死的厄运.
如果水的性质也像其它大多数物质那样, 在全部温度范围内都是热胀冷缩的,那么温度较高的水不断升到水面,向空气散热, 湖泊中水的冻结就会从底部开始,从而容易导致湖泊中的水全部冻结.这样一来,就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命.
   
 
 
 
 
 
 
第九讲    人是被电"吸"住了吗
常听人们有这种说法:触电时人被电吸住了,抽不开。
  实际上这个说法是错误的。我们知道,不论是否存在电流, 在一般情况正导线中、电器中的正、负电荷的电量是相等的, 对外的静电作用是相互抵消。 即使局部地方偶尔出现少许正、负电荷但不相等,其静电引力也是微不足道的。如若不然,就会出现下列奇特现象:用手去移动台灯引线,即使不 被吸"住",至少也会明显感到这种"吸"力,照明电线,特别是高压裸线, 会"吸住"大量尘土从而形成粗长的的尘土柱。事实上,这些现象都没出现。
但是问题出现了,人手触电时,为什么有时不把手抽回来?难道不想抽回来? 显然是被吸住了抽不回来。对这一提问可用电流的生理效应来解释。
  人手触电时,由于电流的刺激,手会由痉挛到麻痹。即使发出抽回手的指令, 无奈手已无法执行这一指令了。调查表明,绝大多数触电死亡者, 都是手的掌心或手指与掌心的同侧部位触电。刚触电时,手因条件反射而弯曲,而弯曲的方向恰使手不自觉地握住了导线。 这样,加长了触电时间,手很快地痉挛以致麻痹。 这时即使想到应松开手指、抽回手臂,已不可能,形似被"吸住"了。如若触电时间再长一点,人的中枢神经都已麻痹,此时更不会抽手了。这些过程都是在较短的时间内发生的。
  如手的背面触电,对一般的民用电,则不容易导致死亡, 有经验的电工为了判断用电器是否漏电而手边又无线电笔, 有时就用食指指甲一面去轻触用电器外壳。若漏电,则食指将因条件反向而弯曲,弯曲的方向又恰是脱离用电器的方向。 这样 ,触电时间很短,不致有危险。当然,电压很高,这样作也会发生危险。
 
 
 
 
 
 
 
 
第十讲    物理学家趣闻轶事集锦
1.物理学家卢瑟福(1871-1937)的实验室里有一个学生非常用功。一天晚上,卢瑟福碰到他,就问:“那么你白天也工作吗?”这个学生自豪地回答说,“没错”,以为自己会得到表扬。卢瑟福却吃惊地问,“但是你什么时候思考呢?”

2.匈牙利血统的数学家埃尔德什与不知多少人共同发表过数学论文,但是未必与他们见过面,而是通信来往。或者,即使见过面,他也未必记得住人。有一次,他碰见一位数学家,就问他是哪里的人。那人说,“温哥华”。埃尔多什说,“是吗,那么你一定认识我的好朋友埃利奥特. 门德尔松”。那人说,“我就是你的好朋友门德尔松”。

3.一次, 麻省理工学院的一位学生在走廊里堵住匈牙利血统的美国数学家约翰. 冯. 诺伊曼,“呃,对不起,诺伊曼教授,能不能请您帮我看一道积分题?”“好吧,小伙子,只要是能很快做出的题。我可忙得很啊”。“我做这道积分题有些麻烦”。“让我看看。”(看题)“答案有了,小伙子,是2π/5”。“我知道答案,先生,答案在题的后面。不过我不知道是怎么推导出来的”。“好吧,我再看看。”(看题)“答案是2π/5。”学生有点不知所措,“呃,先生,我――知道――答案,就是不知道怎么推导出来。”“小伙子,你到底要什么?我已经用两种不同的方法解出这道题了”。
4艾尔伯特.爱因斯坦会拉小提琴,有一次他参加排练海顿的弦乐四重奏。可是,进入二乐章时,他连续四次都出错。此时大提琴手抬头看他一眼,说,“你的问题呀,艾尔伯特,就是不会数数。”
5. 一天, 德国化学家李比希(1803-1873)看到自己的助手无比兴奋地跑来了,说刚刚发现了万能溶剂。李比希问,“什么是万能溶剂呢?”助手说,“就是能溶解所有东西的溶剂”。李比希说,“那么,你把这个万能溶剂储存在什么地方呢?”
6德国著名物理化学家能斯特(1864-1941)开发出一种电灯,称为“能斯特灯”,这项技术产品的销售为他带来一大笔可观的收入。他的一位同事不无醋意地问他,下一项开发项目是不是制造钻石。能斯特说,“不是,我现在有的是钱,买得起钻石,不需要造钻石了。”
7民用航空问世不久,一次大数学家希尔伯特受邀请去外地做数学演讲,题目由他定。于是,它将题目定为“费尔马大定理的证明”。果不其然,听者如潮。可是,演讲内容与费尔马大定理毫无关系。后来有人问他,为什么选一个与演讲内容完全无关的题目,他说:“费尔马大定理的证明这个题目是为万一飞机失事而准备的。
8讲到实验物理,大家都知道运气是很重要的,往往只有一次机会
不过有的人运气着实不错,连着两次错过nobel奖,居然还能有第三次
约里奥·居里夫妇——居里夫人的女儿和女婿发现了新的中性射线,却没有意识到是
中子, 结果这个nobel奖被查德威克得了
第二次,他们发现了正电子的轨迹,不幸,又忽略了,于是nobel被安德森得了
最后一次,估计上帝他老人家已经愤怒了,给了个特别明显的,根本不能忽略的现象,
稳定的 人工放射性
这两人这次总算没忽略,拿了个nobel
上帝他老人家也够郁闷的,给居里家的人送礼都得送三次
9波尔兹曼
是伟大的统计物理学家,他对现代的统计物理理论做了奠基性的工作,其中
包括了俺一直不太懂得H定理,和谁都不会精确算得波尔兹曼方程,不过可
惜的是这些基石并不是那么牢靠
不幸的是他一生在与自己的学术对手作斗争,被迫不停的宣传原子论,更不
幸的是学术上的斗争竟然引入了人身攻击,攻击他的人就包括爱因斯坦很很
佩服的马赫
不幸的波尔兹曼最终死于自杀,更不幸的是他刚死,他的对手就都承认了原
子论。
伟大的波尔兹曼生前很少有支持者,年轻的planck是这少数支持派的一员,
但是可怜的planck,波尔兹曼压根看不起他,认为planck和自己不是一路
这个故事告诉我们,一张厚脸皮和一颗麻木的心对于科学工作者是多么重要啊
波尔兹曼大约上课不喜欢往黑板上写东西,然后学生经常抱怨听不懂
然后学生complain阿,说老大,证明太难了,以后往黑板上写,别光讲,
我们记不住。波尔兹曼答应了
第二堂,他又在课上开始滔滔不绝,从a变换到b,b到c...最后总结说,
大家看这个东西如此简单,就跟1+1=2一样
然后他突然想起对学生的承诺,于是拿起粉笔,在黑板上工工整整地写
了“1+1=2”
11物理学家的良心
奥本海默对自己造出来原子弹极为后悔
据说曾经在联合国大会上发言说,“我双手沾满了鲜血"
气的杜鲁门破口大骂,甚至说"是我下令投的,跟他有什么关系"
俺支持杜鲁门
12纪念一下pauli
这位先生是上个世纪少有的天才之一
pauli同学出生于维也纳一个研究胶体化学的教授的家中,他的教父是
著名的马赫先生。马赫先生被小爱同学称为相对论的先驱,虽然马赫先
生并不给小爱这个面子,声称他对于相对论的相信程度,像他对分子论
的相信程度一样。而众所周知,马赫先生极端反对分子论,而这种反对
是我们前面提到的那个统计物理的天才最终绝望而自杀的原因之一。
pauli幼年如何天才我们就不赘述了,他的第一篇文章是一片有关weyl的
关于重力和电磁场的规范理论的文章,weyl评价说这片文章带有强烈的
pauli风格
在pauli 21岁的时候,他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达
237叶的关于狭义和广义相对论的词条,该文,到今天仍然是该领域的
经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说,“任何该领域的专家都不会相信,
该文出自一个仅21岁的青年之手,作者在文中显示出来的对这个领域的
理解力,熟练的数学推导能力,对物理深刻的洞察力,使问题明晰的能
力,系统的表述,对语言的把握,对该问题的完整处理,和对其评价,
是任何一个人都会感到羡慕”
少数年轻人大约以为这个物理学的王子的名字只是与不相容原理联系在
一起,甚至他们以为这个原理只是量子力学的一个推论。实际上,这个
原理的提出是在1925年,甚至早于海森堡提出量子力学,pauli是用他
天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据中得出的不相容原理,其难度甚至
远大过开普勒整理行星轨道的数据
pauli的贡献遍及当时物理学的各个领域,他参与了量子力学的基础建设,
量子场论的基础建设,相对论。。。。。。
pauli似乎在物理学领域是一个征服者而不是一个殖民者,他大量的工作
没有发表,而是遗留在私人信件里。今天我能查到的信件中,我们发现
大量这样的例子,他的关于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在
给jordan的信件里,测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里,dirac
的泊松括号量子化被Hendrik Kramers 独立发现,而他指出,pauli早就
指出了这种对易关系的表示方法
或许有些天才的生命是注定短暂的,pauli生于1900年,于1958年去世,仅比
他心中帝王晚去世3年,(爱因斯坦1879-1955),他唯一的遗憾就是一生中
觉得没有做出像他的king一样伟大的工作。
仅以此怀念pauli
 
相关信息

上一篇:下面没有链接了

下一篇:海洋资源

   
网站首页  |  免责条款  |  联系我们  |  管理登录
苏ICP备10208588号       吴江市第二高级中学 版权所有 © 2010新版