第一篇：物理科普教案1

彩虹的形成

教學(xué)目標(biāo)

1.讓學(xué)生了解天空形成彩虹的原因

2.讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)到生活中無(wú)處不在的科普知識(shí)

教學(xué)重點(diǎn)

學(xué)習(xí)這個(gè)課題的重點(diǎn)是在于把握彩虹的自然形成和養(yǎng)成一種以科學(xué)態(tài)度和觀點(diǎn)看待問(wèn)題，學(xué)習(xí)這一課時(shí)關(guān)鍵的是要明白一些自然地科普現(xiàn)象，學(xué)會(huì)在生活中發(fā)現(xiàn)科普的魅力 教學(xué)難點(diǎn)

1.彩虹的形成

2.彩帶顏色的順序以及形成原因

教學(xué)準(zhǔn)備

收集彩虹形成的知識(shí)和一些必要的科普現(xiàn)象 教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）、引入新課

彩虹是人們經(jīng)常看到的五彩繽紛的彩虹一種自然界的光現(xiàn)象，每當(dāng)當(dāng)空掛時(shí)，人們都會(huì)情不自禁地觀賞這種大自然美，古時(shí)有人說(shuō)，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞揮起的彩綢，也有人說(shuō)，那是仙女為窺視人間在云中搭起的彩橋，不管是彩綢還是彩橋，都只過(guò)是神奇的傳說(shuō)罷了，而現(xiàn)實(shí)中的彩虹是什么，它是如何形成的？（用多媒體課件展示彩虹圖片）

（二）、新課教學(xué) 1.彩虹的形成

師：（1）其實(shí)彩虹的形成跟我們學(xué)過(guò)的光的折射和反射有關(guān)，同學(xué)們知道什么是折射和反射嗎？

生：讓學(xué)生自己回憶總結(jié)光的折射和反射定律的內(nèi)容 師：那么它們?cè)诓屎缧纬傻倪^(guò)程中的作用（作圖分析）

折射和反射，是形成彩虹的必要條件，因?yàn)橹挥羞@樣才能夠把光集中起來(lái)才能形成彩虹

（2）同學(xué)們知道彩虹有幾種顏色嗎，這些顏色以什么樣的順序排列? 生：相互之間討論并舉手回答

師：總結(jié)，彩虹有七種顏色，分別為：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，紅色在最上面，紫色在最下面。(3)彩虹是怎樣形成的呢？ 生：

彩虹是光學(xué)現(xiàn)象中的一種色散現(xiàn)象。彩虹一般出現(xiàn)在雨后晴朗的天空，這是因?yàn)榭諝庵衅〈罅康男∷危?dāng)太光照射到這些小水滴上時(shí)。一個(gè)個(gè)的小水滴就像棱鏡似的把白光分解成七色單色光，對(duì)陽(yáng)光起分光色散作用。

師:那么陽(yáng)光是如何在小水滴中產(chǎn)生分光色散作用的？ 生：分組討論

師：當(dāng)陽(yáng)光射入小水滴時(shí)，光從空氣進(jìn)入水時(shí)，發(fā)生一次折射，由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長(zhǎng)最短，紅光波長(zhǎng)較大，其折射率最小，其余色光介于紅光和紫光之間，因此，光線在小水滴內(nèi)產(chǎn)生分光現(xiàn)象，同時(shí)各色光在小水滴內(nèi)繼續(xù)傳播，遇到水滴的另一界面時(shí)被反射回來(lái)，重新經(jīng)過(guò)小水滴內(nèi)部，出來(lái)時(shí)再一次發(fā)生折射回到空氣中，這樣，陽(yáng)光在小水滴中進(jìn)行了兩次折射和一次反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光，當(dāng)空氣中的小水滴數(shù)量很多時(shí)，陽(yáng)光通過(guò)這些小水滴，經(jīng)過(guò)反射和折射作用，射出來(lái)的的光集中在一起，就形成了美麗的彩虹。（4）彩虹形成過(guò)程中什么顏色是靠在最前面的？彩虹的大小由什么決定？

由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長(zhǎng)最短，紅光波長(zhǎng)較大，其折射率最小，其余色光介于紅光和紫光之間，彩虹形成后紅色是在最前面的，彩虹的大小是由水珠的大小決定的，當(dāng)水珠越大的時(shí)候紅色就會(huì)越明顯（5）怎樣才能夠看到彩虹？早晨的彩虹出現(xiàn)在什么方向？黃昏的彩虹出現(xiàn)在什么方向？

面對(duì)太陽(yáng)的時(shí)候我們是看不到彩虹的，要想看到彩虹我們必須背對(duì)太陽(yáng)才能夠看到，早晨的時(shí)候彩虹出現(xiàn)在西方，而黃昏的時(shí)候彩虹出現(xiàn)在東方，然而黃昏的時(shí)候我們是看不到彩虹的，因?yàn)檫@時(shí)我們的地球和太陽(yáng)在同一平面上，要想看到彩虹就必須在高空中才能夠看到

(6)彩虹一定出現(xiàn)在雨后嗎，怎樣在晴朗的天氣下自己動(dòng)手制作彩虹？冬天會(huì)出現(xiàn)彩虹嗎？ 生：各抒己見(jiàn)

師：雨后天空有時(shí)會(huì)出現(xiàn)彩虹，這固然是事實(shí)，但是在陽(yáng)光下，噴泉或瀑布的周?chē)矔?huì)出現(xiàn)彩虹；在夏天，街上奔跑的灑水車(chē)后面，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一段彩虹，用噴霧器在空中噴霧液可以形成彩虹，所以在晴朗的天氣下背對(duì)陽(yáng)光在空中灑水或噴灑水霧，可以人工制造彩虹。冬天一般不會(huì)出現(xiàn)彩虹，因?yàn)闅鉁氐停樯伲庹丈伲栽诙煲话闶遣粫?huì)出現(xiàn)彩虹這一科普現(xiàn)象的。2.彩虹的氣象原理

同學(xué)們都知道彩虹出現(xiàn)在雨后晴朗的天空，那么彩虹的出現(xiàn)和消失與氣象有沒(méi)有關(guān)系呢？ 生：分組討論

師：空氣里小水滴的大小，決定了彩虹的色彩與寬度。雨滴越大，彩虹帶越窄，色彩月鮮明，；雨滴越小，彩虹帶越寬，色彩月暗淡。當(dāng)雨滴小到一定程度時(shí)，分光和反射不明顯，彩虹就消失，這說(shuō)明了彩虹的形成直接與空氣中雨滴的存在、多少、大小有著直接關(guān)系，反過(guò)來(lái)說(shuō)，彩虹跟天氣變化有關(guān)。例如：如果彩虹的色彩從鮮艷變?yōu)榘档瑢挾葟莫M窄變?yōu)閷挻螅颊f(shuō)明空氣中雨滴由大逐漸變小，由此，我們可以推測(cè)空氣可能之間轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，天氣情況漸趨穩(wěn)定。3.課堂總結(jié) ①.彩虹的形成 ②.彩虹的氣象原理 4.作用布置

利用課外知識(shí)或網(wǎng)絡(luò)資源，回答以下問(wèn)題 ①.什么是科普？科學(xué)技術(shù)包括那兩個(gè)方面？

②.彩虹有幾種顏色組成？在這些顏色中什么顏色是在最前面的？它的大小由什么決定？

③.早晨和黃昏的時(shí)候彩虹出現(xiàn)在什么方向？為什

么彩虹在黃昏的時(shí)候我們看不到？

④.什么是折射和反射？折射和反射在形成彩虹時(shí)有這么作用？

⑤.怎樣自己動(dòng)手制作彩虹？ ⑥.簡(jiǎn)述彩虹的形成? ⑦.從古至今彩虹帶給我們的文化歷史什么影響？

第二篇：物理科普文章

物理科普文章

第一篇 2011年諾貝爾物理獎(jiǎng)--超新星與暗能量的發(fā)現(xiàn)

今年的諾貝爾物理獎(jiǎng)授予了三位在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的研究中做出杰出貢獻(xiàn)的學(xué)者：Perlmutter, Schmidt和Riess.應(yīng)該說(shuō)，由于這項(xiàng)工作無(wú)可爭(zhēng)辯的巨大重要性，幾年來(lái)他們一直是獲獎(jiǎng)的熱門(mén)人選。但是，導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量是什么仍是一個(gè)未解決的問(wèn)題，而相關(guān)的許多 理論和觀測(cè)還處在研究的前沿，存在許多疑問(wèn)和爭(zhēng)論，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)素有穩(wěn)重、保守的傳統(tǒng)，所以我原以為他們還要再過(guò)若干年才會(huì)獲獎(jiǎng)。因此，作為一名宇宙學(xué) 研究者，我為他們今年獲得這項(xiàng)殊榮感到非常高興。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因?yàn)閷?duì)超新星的研究而獲獎(jiǎng)的。超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測(cè)當(dāng)一些恒星壽命結(jié)束時(shí)將會(huì)塌縮，然后發(fā)生爆炸，其亮度可達(dá)到十億 甚至百億個(gè)太陽(yáng)的亮度，巴德和茨維基也觀測(cè)到了一些超新星。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)有兩種不同的超新星，一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機(jī)理不同，現(xiàn)在一般認(rèn)為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星比如太陽(yáng)在燃盡核燃料后就會(huì)變成白矮星）從其伴星中 吸積物質(zhì)，到一定程度后發(fā)生核爆炸。有趣的是，茨維基和巴德最早觀測(cè)到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過(guò)的類(lèi)型，被稱(chēng)為Ia型超新星。

[圖1：超新星遺跡Cas A.]

由于超新星很亮，可以在宇宙中很遠(yuǎn)的地方看到，因此可用來(lái)研究宇宙學(xué)。特別是，白矮星有一個(gè)質(zhì)量上限，稱(chēng)為錢(qián)德拉塞卡質(zhì)量，大約是1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì) 量，白矮星發(fā)生超新星爆炸時(shí)大多都比較接近這個(gè)質(zhì)量。既然這時(shí)白矮星的質(zhì)量都差不多，就有理由認(rèn)為，其爆炸時(shí)的亮度可能也差不多。這樣，Ia型超新星就有 可能作為―標(biāo)準(zhǔn)燭光‖來(lái)使用：假定所有超新星的―絕對(duì)亮度‖也就是本身的亮度相等，那么根據(jù)觀測(cè)到的一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測(cè)它到我們的距離。另一方面，我們還可以觀測(cè)到這些超新星的光譜，從中測(cè)出超新星的―紅移‖。比如，一條原來(lái)在615納米的譜線，經(jīng)過(guò)紅移后變?yōu)?230納米，那么我們就說(shuō) 這個(gè)超新星的紅移z=1,因?yàn)橛^測(cè)到的譜線長(zhǎng)度是原來(lái)的(1+z)倍。如果我們把測(cè)到的超新星的紅移和距離一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，我們就可以畫(huà)出所謂哈勃圖，不同 的宇宙學(xué)模型的哈勃圖是不一樣的，因此用這種辦法，可以測(cè)出宇宙到底是什么樣的。

[圖2：這是Perlmutter 等人1998年發(fā)表的超新星哈勃圖，橫坐標(biāo)是紅移，上面一圖的縱坐標(biāo)是星等（越暗星等越大），幾條曲線是不同宇宙學(xué)理論的預(yù)言。下面圖則是與理論的偏離。]

盡管上面敘述的這種辦法原則上講很簡(jiǎn)單，但實(shí)際做起來(lái)并不容易。首先是要發(fā)現(xiàn)超新星。盡管我們上面說(shuō)超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微 弱的一點(diǎn)。下面的圖演示了一個(gè)超新星的發(fā)現(xiàn)圖像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，經(jīng)過(guò)兩次放大之后也并不容易在圖像上看出來(lái)。發(fā)現(xiàn)它的辦法是，把兩個(gè)同 一天區(qū)但在不同時(shí)刻拍攝的照片疊放在一起，用后一張減去前一張，從二者之差發(fā)現(xiàn)可能變亮的候選目標(biāo)。這樣找到的候選者還不都是超新星，還有一些別的東西，比如星系中心的活動(dòng)星系核有時(shí)會(huì)變亮，太陽(yáng)系中的小行星有時(shí)會(huì)正好飛到這里，等等。在進(jìn)一步觀測(cè)排除這些其它東西后，才能找到超新星。這進(jìn)一步的觀測(cè)包括 用多次不同時(shí)刻的觀測(cè)得到超新星亮度隨時(shí)間變化的曲線（光變曲線），以及拍攝超新星的光譜以測(cè)定紅移。光譜觀測(cè)比照相觀測(cè)更難，往往需要更大的望遠(yuǎn)鏡，而 且需要在超新星最終變暗以前進(jìn)行。

[圖3：SCP組演示如何通過(guò)比較法找超新星的圖]

1980年代中期，一些丹麥的天文學(xué)家開(kāi)始試圖尋找這些宇宙中的遙遠(yuǎn)超新星，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2年的搜索，他們才找到了第1顆超新星，后來(lái)他們又發(fā)現(xiàn)了一 顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過(guò)少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)超新星，再加上對(duì)超新星是否真是―標(biāo)準(zhǔn)燭光‖持懷疑態(tài)度，許多天文學(xué)家當(dāng)時(shí)對(duì)這類(lèi)研究抱悲觀態(tài)度。也是在這一時(shí)期，勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBL)的一組物理學(xué)家開(kāi)始對(duì)搜尋超新星產(chǎn)生了興趣。這一小組的傳奇的創(chuàng)始人Luis Alvarez興趣廣泛。他本人因?yàn)楦吣芪锢韺?shí)驗(yàn)（氣泡室）方面的工作獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但他更為公眾所知是因?yàn)樘岢鲂⌒行亲矒舻厍驅(qū)е驴铸垳缃^的理論。這一 小組中的Carl Pennypacker 和Rich Muller開(kāi)始進(jìn)行超新星研究，發(fā)展了一套在圖像中自動(dòng)搜索超新星候選者的軟件。他們利用澳大利亞的3.9米望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了一段時(shí)間的搜尋，但是一開(kāi)始他 們失敗了，并未找到任何超新星。后來(lái)，Pennypacker 轉(zhuǎn)而從事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez關(guān)于恐龍滅絕研究的影響，轉(zhuǎn)向研究氣候變化和全球變暖問(wèn)題——其實(shí)他關(guān)于超新星搜尋的工作也是與尋找―復(fù)仇之星‖（Nemesis)相結(jié)合的。古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)歷史上的生物大規(guī)模滅絕存在周期性，Muller 認(rèn)為可能是由于太陽(yáng)有一顆紅矮星或褐矮星伴星即復(fù)仇之星，當(dāng)它沿周期軌道接近太陽(yáng)時(shí)，其對(duì)小行星軌道的擾動(dòng)就容易導(dǎo)致小行星撞擊地球。Muller 的弟子Perlmutter的研究一開(kāi)始就是尋找這顆復(fù)仇之星。后來(lái)，Perlmutter接掌了超新星項(xiàng)目。有趣的是，盡管Rich Muller本人在宇宙學(xué)領(lǐng)域工作的時(shí)間不長(zhǎng)就離開(kāi)了，但他有兩個(gè)弟子后來(lái)因?yàn)橛钪鎸W(xué)研究得到了諾貝爾獎(jiǎng)：研究CMB的George Smoot 2006年獲獎(jiǎng)，Perlmutter今年獲獎(jiǎng)。

Perlmutter 接掌這項(xiàng)工作正是在項(xiàng)目最困難的時(shí)期：他們未取得任何成果，連一顆超新星都沒(méi)能發(fā)現(xiàn)，而與澳大利亞人的合作也到期結(jié)束了。這一項(xiàng)目是否還能進(jìn)行下去？伯克 利以及美國(guó)的資助機(jī)構(gòu)在認(rèn)真的評(píng)估后決定繼續(xù)予以資助。Perlmutter工作專(zhuān)注，被認(rèn)為是可以挽救這一項(xiàng)目的人選。他們還是得到了經(jīng)費(fèi)，造了一臺(tái) CCD相機(jī)安放在西班牙加納利群島的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上，作為交換他們可以使用這一望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行超新星搜索。Perlmutter也很努力，為了對(duì)發(fā)現(xiàn)的候選超新 星進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，Perlmutter 會(huì)給全世界各處天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡打電話，懇求正在使用望遠(yuǎn)鏡的人幫助他進(jìn)行觀測(cè)。

早期超新星研究的一大困難在于如何保證找到超新星并拍攝到其光譜。這里除了技術(shù)上的困難外，還有獲得望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的困難。現(xiàn)代的天文望遠(yuǎn)鏡都是由 許多天文學(xué)家共用的。一位或一組天文學(xué)家要用望遠(yuǎn)鏡，需要寫(xiě)一份建議書(shū)，說(shuō)明自己的科學(xué)目標(biāo)和觀測(cè)方法，經(jīng)過(guò)同行評(píng)議后，由望遠(yuǎn)鏡時(shí)間分配委員會(huì)根據(jù)評(píng)議 結(jié)果決定分配多少時(shí)間。這樣，大型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間表一般早就提前一年或半年定下來(lái)了。而在發(fā)現(xiàn)超新星之前，人們很難預(yù)先申請(qǐng)到這些觀測(cè)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)超新星 后往往只好臨時(shí)借用別人的觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，這很難保證獲得大量數(shù)據(jù)。Perlmutter 發(fā)展了一套―批處理‖的方法：他們每隔一個(gè)月，用觀測(cè)條件最好的無(wú)月夜拍攝大片的星空，并立即與以往的觀測(cè)進(jìn)行比較，找出可能的超新星候選者，這樣第2天 他們就可以獲得一批超新星候選者樣本，然后再用Keck 10米望遠(yuǎn)鏡等大望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行后續(xù)光譜觀測(cè)。恰好超新星的光變周期是幾個(gè)月，因此這一方法非常有效。由于一次可以得到多個(gè)超新星候選者，也就可以申請(qǐng)到大望 遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間。用這種辦法，Perlmutter領(lǐng)導(dǎo)的研究小組（稱(chēng)為超新星宇宙學(xué)計(jì)劃Supernova Cosmology Project, SCP)開(kāi)始發(fā)現(xiàn)大量的超新星。

伯克利的SCP小組由物理學(xué)家組成，他們一開(kāi)始對(duì)于超新星天文學(xué)中的許多困難并不完全了解，―無(wú)知者無(wú)畏‖可能是他們?cè)诖蠖鄶?shù)天文學(xué)家對(duì)超新星觀測(cè) 感到悲觀時(shí)勇于進(jìn)行這項(xiàng)研究的部分原因。然而，隨著他們逐漸接近成功，天文學(xué)家們也開(kāi)始看到希望并準(zhǔn)備參加競(jìng)爭(zhēng)。哈佛大學(xué)的Bob Kirshner（Adam Riess的導(dǎo)師）等人也想進(jìn)行超新星觀測(cè)，但問(wèn)題是，SCP小組曾花費(fèi)幾年時(shí)間才研制出自動(dòng)化超新星搜尋軟件，別人能否在短期內(nèi)研制出這樣的軟件呢？如 果沒(méi)有，要進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)是困難的。Brian Schmidt 只用了一個(gè)月就開(kāi)發(fā)出了這樣一套軟件，他沒(méi)有象SCP小組那樣完全新寫(xiě)一套軟件，而是通過(guò)組合一些現(xiàn)成的天文軟件而實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。這樣，由 Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人組成的High-z 小組以出人意料的高速加入了競(jìng)爭(zhēng)的行列。

現(xiàn)在找超新星的問(wèn)題解決了，但I(xiàn)a型超新星是否真是標(biāo)準(zhǔn)燭光呢？遺憾的是，并非完全如此。漸漸地人們發(fā)現(xiàn)Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的 變化速度更快一些，有些則更慢一些。不過(guò)，Mark Philips 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，那些絕對(duì)亮度更大的超新星，其變化速度也往往更慢。因此利用光變曲線可以修正超新星絕對(duì)亮度的變化。

此外，對(duì)于實(shí)際觀測(cè)的超新星，還需要考慮好幾個(gè)其它問(wèn)題。星際空間存在著塵埃，這些塵埃會(huì)吸收光子，使超新星變暗。好在這一效應(yīng)還是可以修正補(bǔ)償 的。塵埃吸收除了使目標(biāo)變暗外，還會(huì)更多吸收藍(lán)光而導(dǎo)致目標(biāo)變紅，因此根據(jù)其變紅的程度進(jìn)行修正。問(wèn)題是，每顆超新星其本身的顏色其實(shí)也并不完全相同。最 后，即使本身光譜完全相同的超新星，當(dāng)它位于不同紅移時(shí)，用給定波長(zhǎng)的濾光片組進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，得到的顏色也是不一樣的，還需要對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行改正。好在這幾 個(gè)效應(yīng)雖然復(fù)雜，但有規(guī)律可循。哈佛大學(xué)的研究生Adam Riess 發(fā)展了一套數(shù)學(xué)方法，他發(fā)現(xiàn)，利用多個(gè)濾光片拍攝的光變曲線數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)改正后，Ia型超新星還是可以作為近似的標(biāo)準(zhǔn)燭光的，因此用Ia型超新星進(jìn)行宇宙學(xué) 研究是有希望的。實(shí)際上，即使到了今天，人們也還是不完全理解為什么Ia型超新星經(jīng)過(guò)修正后可以作為這么好的標(biāo)準(zhǔn)燭光。人們很容易想到各種因素，使得Ia 型超新星偏離標(biāo)準(zhǔn)燭光，這也是一開(kāi)始很多天文學(xué)家對(duì)超新星宇宙學(xué)感到悲觀的原因。然而數(shù)據(jù)顯示Ia型超新星經(jīng)過(guò)修正后確實(shí)還是不錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)燭光，這是大自然 給我們的一個(gè)驚喜。當(dāng)然，研究者們?nèi)栽谔骄窟@其中的原因。

SCP和High-z這兩個(gè)小組的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。到了1997年下半年，他們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)，高紅移的超新星比他們?cè)瓉?lái)預(yù)期的要暗。根據(jù)哈勃圖，這表明宇 宙的膨脹在加速而不是減速。這是否是由于觀測(cè)或數(shù)據(jù)處理上的錯(cuò)誤造成的呢？或者，塵埃吸收等因素考慮得不夠周全？經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，1998年1月，兩個(gè)小組 幾乎同時(shí)公布了自己的觀測(cè)結(jié)果，SCP組有42顆超新星數(shù)據(jù)，High-z 組只有16顆超新星數(shù)據(jù)，但每顆的誤差要小一些。總之，他們一致的結(jié)論是宇宙的膨脹在加速。這一結(jié)果轟動(dòng)了世界。

按照廣義相對(duì)論理論，如果宇宙由一般的―物質(zhì)‖（包括所謂―暗物質(zhì)‖）組成，其膨脹會(huì)逐漸減速，這是萬(wàn)有引力的作用。那么如何解釋觀測(cè)到的宇宙膨脹 加速呢？目前主流的解釋是引入―暗能量‖的概念。暗能量(dark energy)一詞是美國(guó)宇宙學(xué)家Mike Turner 引入的。它實(shí)際上也是物質(zhì)的一種形式，但具有很奇特的性質(zhì)。比如，它的有效―壓強(qiáng)‖小于0，這些壓強(qiáng)項(xiàng)使時(shí)空的彎曲與一般物質(zhì)造成的時(shí)空彎曲相反，因此可 以理解成是與萬(wàn)有引力相對(duì)的―斥力‖，可以導(dǎo)致宇宙加速膨脹。根據(jù)現(xiàn)在對(duì)宇宙微波背景輻射、超新星等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙中大約百分之七十五左右是暗 能量，此外還有百分之二十一左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占百分之四多一點(diǎn)。

[圖4：宇宙的組分]

也有人認(rèn)為不需要引入新的物質(zhì)形式―暗能量‖，而是萬(wàn)有引力的規(guī)律與我們一般所假定的廣義相對(duì)論理論有所不同造成。不過(guò)，這種修改引力理論往往比暗能量理論更為復(fù)雜。廣義地說(shuō)，這也可以算暗能量模型。

還有少數(shù)學(xué)者懷疑超新星的觀測(cè)或數(shù)據(jù)分析有錯(cuò)誤，宇宙并未加速膨脹。但是，13年來(lái)人們又觀測(cè)了許多超新星，目前總數(shù)有幾百顆，對(duì)其分析也更加深 入，雖然還存在很多疑點(diǎn)（比如Ia型超新星爆炸的機(jī)理到底是什么？），但數(shù)據(jù)本身經(jīng)過(guò)許多不同的天文學(xué)家用不同方法的分析，迄今并未發(fā)現(xiàn)大問(wèn)題。其次，有 人曾提出Ia型超新星的光在傳播中會(huì)由于與一種被稱(chēng)為―軸子‖的假想粒子的相互作用而變暗，導(dǎo)致其被誤認(rèn)為是宇宙加速膨脹。但是，這種假設(shè)與觀測(cè)的擬合并 不好。特別是，有的高紅移超新星測(cè)量結(jié)果表明，宇宙的膨脹并非一直加速，而是先減速再加速，這用上述假說(shuō)不容易解釋?zhuān)鴧s正是暗能量理論的預(yù)言。

暗能量的存在也有一些其它方面的證據(jù)。例如，早在SCP和High-z 小組公布他們的超新星觀測(cè)之前，有一些科學(xué)家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根據(jù)宇宙年齡、物質(zhì)密度和功率譜等因素考慮，就認(rèn)為宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩等其它觀測(cè)也支持 宇宙中存在暗能量的理論。目前，也有少部分觀測(cè)，例如強(qiáng)引力透鏡的數(shù)量，與根據(jù)暗能量理論做出的預(yù)言符合得不好，但這些觀測(cè)目前其可靠性本身是比較低的，因此暗能量是為大多數(shù)人所接收的模型。宇宙的加速膨脹是一個(gè)驚人的重大發(fā)現(xiàn)，因此其發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎(jiǎng)也是意料之中的。但是，暗能量的本質(zhì)仍是一個(gè)還未解決的問(wèn)題。對(duì)這一問(wèn)題的研究，也 很可能是未來(lái)基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)展的突破口。國(guó)外有許多計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而我國(guó)目前除了提出多種暗能量的理論模型外，一些天文學(xué)家也結(jié)合我國(guó)實(shí)際，提出了一些 未來(lái)的暗能量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)計(jì)劃。例如，在南極冰穹A(那里的觀測(cè)條件好）建造大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，在我國(guó)天宮空間站上裝設(shè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，在南美建造大型的光譜巡天望 遠(yuǎn)鏡等，以及參與一些國(guó)外重大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的合作。筆者本人目前也正在推動(dòng)開(kāi)展―天籟計(jì)劃‖研究，這是一項(xiàng)在國(guó)內(nèi)地面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，研制專(zhuān)用射電望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)行 巡天觀測(cè)，利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的重子聲波振蕩特征精密研究暗能量的性質(zhì)。希望未來(lái)我國(guó)在這一方面的研究中也能做出重大的發(fā)現(xiàn)。

從今年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的研究工作中，我們能受到什么啟發(fā)呢？我覺(jué)得，Schmidt 和 Riess 等人能夠憑借自己的研究積累，抓住戰(zhàn)機(jī)，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中一舉沖入研究的最前沿，其能力和敏銳令人欽佩。但更值得思索和借鑒的是Perlmutter等人的 頑強(qiáng)堅(jiān)持。作為研究者，要有信心和勇氣在困難時(shí)堅(jiān)持下去，正是這種信心和勇氣，使Perlmutter等人在人們大多對(duì)超新星宇宙學(xué)感到悲觀時(shí)能夠堅(jiān)持下 去。而美國(guó)的資助機(jī)構(gòu)能夠?qū)捜菔。闯鲞@一項(xiàng)目的科學(xué)價(jià)值和團(tuán)隊(duì)人員的能力，保持對(duì)這一項(xiàng)目的資助，也是非常有眼光的。有重大創(chuàng)新的科研常常有很大的風(fēng) 險(xiǎn)，很難保證完全實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的成果。這時(shí)應(yīng)該怎么辦？我國(guó)現(xiàn)在口頭上也常常說(shuō)支持探索、寬容失敗，但實(shí)際上有風(fēng)險(xiǎn)的研究計(jì)劃很難得到支持，更不用提對(duì)失敗的 理解和寬容了。這恐怕是我們所應(yīng)該深思的。

第二篇 和圓一樣的三角形

數(shù)學(xué)之所以重要，不僅因?yàn)樗强茖W(xué)理論的基石，還因?yàn)閿?shù)學(xué)在日常生活、工業(yè)制造甚至是藝術(shù)品審美上都用著非常廣泛的應(yīng)用和體現(xiàn)。如果不知道一些基本的數(shù)學(xué)道理，就是被科學(xué)武裝到牙齒的 NASA 工程師也會(huì)犯一些低級(jí)錯(cuò)誤。比如今天的故事主角——勒洛三角形。這個(gè)和圓是一家的多邊形，不僅性質(zhì)奇特，還是制造業(yè)的寵兒。它是如何滲透到廣大勞動(dòng)人民身邊的？死理性派告訴你。

不識(shí)勒洛三角形，NASA都要犯錯(cuò)誤

歷史上，一枚美國(guó)火箭的發(fā)射流程是這樣的：先在工廠完成推進(jìn)器的組裝，然后用駁船運(yùn)至佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心進(jìn)行整體吊裝，最后在發(fā)射臺(tái)上點(diǎn)火發(fā)射。然而，一些 NASA 的工程師發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：在運(yùn)抵總裝車(chē)間之前，推進(jìn)器需要橫躺著跋涉數(shù)千公里（例如在加利福尼亞組裝的土星-5 的第二級(jí)推進(jìn)器甚至需要繞道巴拿馬運(yùn)河），但在這一過(guò)程中，由于其本身的巨大重量，推進(jìn)器有可能會(huì)發(fā)生變形。對(duì)于液體燃料火箭來(lái)說(shuō)，輕微的變形也可能導(dǎo)致燃料泄漏造成發(fā)射事故。為了檢驗(yàn)火箭截面是否是正圓，NASA 的技術(shù)人員們提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，每隔 60° 測(cè)量一次火箭的直徑（該方向上界面內(nèi)兩點(diǎn)距離的最大值），如果 3 次測(cè)得的直徑都相等，那火箭的截面即使不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形也差不多了。

然而這個(gè)方案真的靠譜么？很不幸，一種叫做定寬曲線的曲線族粉碎了他們的幻想。定寬曲線是這樣的一種幾何圖形，它們?cè)谌魏畏较蛏系闹睆剑ɑ蚍Q(chēng)寬度）都是定值。當(dāng)然，圓也是一種定寬曲線，但是定寬曲線可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么一種，其中最具有代表性的當(dāng)屬勒洛三角形。

勒洛三角形

像上圖這樣把 3 個(gè)等半徑的圓重合起來(lái)，兩兩互相經(jīng)過(guò)圓心，3 個(gè)圓相交的部分就是勒洛三角形，或者其發(fā)現(xiàn)者所稱(chēng)的―曲邊三角形‖。如果不幸碰到這樣的一條曲線，NASA 的工作人員無(wú)論怎么測(cè)直徑，得到的結(jié)果都會(huì)是一樣的。

勒洛三角形和它的一干定寬曲線兄弟們都具有許多有趣的特性，其中最重要的當(dāng)然就是它們的定寬性。使用截面是定寬曲線的滾木來(lái)搬運(yùn)東西，不會(huì)發(fā)生上下抖動(dòng)。實(shí)際上這樣的裝置在許多科技館都能看到，下圖就是柏林一家博物館內(nèi)的定寬曲線滾木。另外定寬曲線還有一個(gè)有趣的性質(zhì)，就是寬度相等的定寬曲線有相同的周長(zhǎng)，所以下圖中的圓形滾木轉(zhuǎn)過(guò)一周的時(shí)候，旁邊的勒洛三角形滾木也恰好轉(zhuǎn)過(guò)一周。

制造工藝上的廣泛應(yīng)用 應(yīng)用上面滾木的原理，可以制造出許多有趣的小玩意。例如我國(guó)勞動(dòng)人民就充分發(fā)揮聰明才智制造了一輛利用等寬曲線輪的 角輪自行車(chē)，據(jù)說(shuō)已經(jīng)成功申請(qǐng)專(zhuān)利了。

有人會(huì)說(shuō)―角輪自行車(chē)‖只是觀賞性大于實(shí)用性的玩具，確實(shí)如此。那不妨讓我們?cè)賮?lái)看看等寬曲線在汽車(chē)工業(yè)上的應(yīng)用。當(dāng)然，汽車(chē)制造商們不會(huì)用等寬曲線制造輪子，他們把等寬曲線藏在了汽車(chē)更核心的部分——發(fā)動(dòng)機(jī)里。下圖就是馬自達(dá)公司的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)截面圖。其實(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)并不是什么新鮮發(fā)明，早在 20 世紀(jì) 50 年代德國(guó)工程師汪克爾就制造出了第一臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，因此這種發(fā)動(dòng)機(jī)又叫做汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。

熟悉汽車(chē)的同學(xué)可能已經(jīng)注意到了這種發(fā)動(dòng)機(jī)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)的不同之處，它沒(méi)有常見(jiàn)的活塞和曲桿。沒(méi)錯(cuò)，因?yàn)閷?duì)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，這些麻煩的東西已經(jīng)完全不需要了，取而代之的是一個(gè)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的截面是面積最小的等寬曲線勒洛三角形，無(wú)論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到什么角度，都嚴(yán)格將汽缸分成三部分，同時(shí)進(jìn)行進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣的周期，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)可以做功三次，效率遠(yuǎn)高于旋轉(zhuǎn)兩周才做工一次的傳統(tǒng)四沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積更小、振動(dòng)與噪音更低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。但轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料和工藝的要求也更高，同時(shí)提升功率較為困難，所以目前市場(chǎng)上，采用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)公司還并不多。

由于等寬性，等寬曲線還可以在一個(gè)正方形內(nèi)貼著邊沿滾動(dòng)。1914 年，一位注意到這一特性的美國(guó)工程師據(jù)此發(fā)明了方孔鉆頭。方孔鉆頭的截面是一個(gè)勒洛三角形，為使鉆頭更鋒利，它被削去了一部分的。在工作時(shí)鉆頭的中心隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)繞軸做圓周運(yùn)動(dòng)（事實(shí)上并不是嚴(yán)格的圓周運(yùn)動(dòng)），就可以鉆出四角略圓的正方形。

方孔鉆頭分解圖，中間的齒輪組是使鉆頭軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

在上面的段落里，勒洛三角形大出風(fēng)頭，但是等寬曲線家族可不是只有這么一位成員。在其他地方我們也能看見(jiàn)等寬曲線的身影，許多國(guó)家的硬幣就喜歡采用等寬曲線作為外形輪廓，例如英國(guó)的 20 便士與 50 便士銀幣采用的就是由 7 條弧組成的定寬曲線。除此之外，在不少藝術(shù)品中也常常能看到各種等寬曲線的身影，這主要是為了提高觀賞價(jià)值了。

物理科普文章

第三篇

神奇的“金屬橡膠

你能否想象，有一種材料既可以像橡膠一樣彎曲和拉伸，又可 以像金屬一樣導(dǎo)電？這就是利用納米技術(shù)制造出來(lái)的新材料———金屬橡膠。―金屬橡膠‖的出現(xiàn)是材料學(xué)上的一次革命，也是納米技術(shù)在新材料領(lǐng)域的成功應(yīng)用。有了它，未來(lái)的飛機(jī)可以擁有像鳥(niǎo)兒一樣可扇動(dòng)的翅膀；有了它，未來(lái)的航空座椅將舒適無(wú)比；有了它，甚至連電視都可以做得又平又軟，還能折疊起來(lái)放在口袋 里……

人類(lèi)一直幻想能夠擁有像鳥(niǎo)類(lèi)一樣的翅膀。從人類(lèi)第一次綁上羽毛模仿鳥(niǎo)類(lèi)飛行到制造出空中巨無(wú)霸波音747，這種追求從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。但即使在科技已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，人類(lèi)仍然無(wú)法完全模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛行。

科學(xué)家對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)研究后發(fā)現(xiàn)，在飛行中，鳥(niǎo)類(lèi)能根據(jù)飛行的需要，隨時(shí)改變翅膀的形狀，以適應(yīng)不同的飛行狀態(tài)，這種飛行不僅更經(jīng)濟(jì)，而且更有效、更安全。而制造可以變換形狀的翅膀，就需要一種既具備金屬的導(dǎo)電特性，又具備橡膠伸縮自如特點(diǎn)的新材料。

如今，金屬橡膠的問(wèn)世，給人類(lèi)制造出像鳥(niǎo)類(lèi)翅膀一樣的―智能飛行翼‖帶來(lái)了新的曙光。

柔韌性能超群

制造了金屬橡膠的能人，是來(lái)自美國(guó)弗吉尼亞州的一個(gè)科學(xué)小組，這個(gè)小組的帶頭人就是材料學(xué)和工程學(xué)專(zhuān)家理查德?克勞斯教授。該小組用了整整6年的時(shí)間，終于使金屬橡膠變成了現(xiàn)實(shí)。

金屬橡膠的顏色呈棕褐色，外表有點(diǎn)像普通的塑料包裝殼，但在這種普通外表的背后，則蘊(yùn)含著一些令人吃驚的物理特性：它可以在外力的作用下拉伸2到3倍，隨后恢復(fù)原狀；被拉伸時(shí)，這種材料仍能夠保持其金屬特征，具有導(dǎo)電性；它可以像金屬一樣百毒不侵，無(wú)論將其放入航空燃料還是丙酮液體里，它都能完好無(wú)損地 不被腐蝕，也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上或化學(xué)上的降解；它可以在華氏700度的高溫下不燃燒，也可以在華氏-167度的低溫下不變性，其結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。

制造工藝復(fù)雜

制造這種金屬橡膠可不是一件容易的事情。科學(xué)家們采用了一種全新的納米技術(shù)工藝流程，他們稱(chēng)之為―靜電分子自我組裝‖工藝。科學(xué)家形容，這種生產(chǎn)工藝就像人類(lèi)骨骼的形成一樣，通過(guò)單個(gè)分子在物質(zhì)表面層疊而成。

為了制造金屬橡膠，科學(xué)家們首先要找到一種可以使分子凝聚的基質(zhì)，一般使用塑料或玻璃。這些基質(zhì)被帶上正電荷或負(fù)電荷后，輪流放入兩種不同電荷的溶劑 中，一種溶劑為帶正電的塑料分子，另一種溶劑為帶負(fù)電的塑料分子。如果基質(zhì)帶正電，則先同帶負(fù)電的塑料分子溶劑接觸，反之則與帶正電的塑料分子產(chǎn)生反應(yīng)。塑料分子與基質(zhì)接觸后，就在基質(zhì)表面形成一個(gè)分子厚度的分子層。經(jīng)過(guò)在兩種溶液中反復(fù)反應(yīng)，分子層不斷重疊，最終形成的這種新型材料就是金屬橡膠。

科學(xué)家將這種制造過(guò)程形象地比喻成做蛋糕，一層一層地重疊，最終形成了一個(gè)漂亮的生日禮物。

未來(lái)應(yīng)用廣泛

按照目前的工藝水平，科學(xué)家每天可以制造出兩英尺見(jiàn)方、7毫米厚的金屬橡膠。科學(xué)家相信，隨著工藝水平的不斷進(jìn)步，將來(lái)，金屬橡膠的生產(chǎn)會(huì)像印刷報(bào)紙那樣簡(jiǎn)單容易，適合各種用途的金屬橡膠產(chǎn)品也將會(huì)被迅速生產(chǎn)出來(lái)。

金屬橡膠最令人激動(dòng)的應(yīng)用前景，莫過(guò)于在未來(lái)航空領(lǐng)域的廣泛使用。有了這種新型材料，人類(lèi)制造出像鳥(niǎo)類(lèi)那樣―智能飛行翼‖的夢(mèng)想就將得以實(shí)現(xiàn)。目前，這種材料已經(jīng)引起洛克希德－馬丁公司的關(guān)注，該公司的科學(xué)家正在努力開(kāi)發(fā)這種材料用于航空領(lǐng)域的可能性。

此外，這種材料還可以在生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品如人造肌肉等方面得到迅速應(yīng)用。利用這種新材料的特性，也可以設(shè)計(jì)出新型航空座椅、新型汽車(chē)，甚至連電視都可以設(shè)計(jì)成可以折疊的、放在口袋攜帶的超便攜款式。

物理科普文章 第四篇 最冷的，最凝聚

這話說(shuō)起來(lái)有點(diǎn)酷：距離我辦公桌數(shù)百米，在Eric Cornell教授的實(shí)驗(yàn)室里，存在著可能是這個(gè)星球上甚至這個(gè)宇宙中最寒冷的地方。那里面的物質(zhì)擁有一種神奇的狀態(tài)：玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。

這一切要從費(fèi)米子和玻色子說(shuō)起——

大家知道，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子是由質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成的，而質(zhì)子、中子等又是由夸克構(gòu)成的，另外還有傳遞相互作用的光子、膠子等等。從原 子、質(zhì)子、中子到夸克、光子、膠子，這些都是微觀粒子。根據(jù)它們的物理性質(zhì)不同，可以將這些微觀粒子分成不同的類(lèi)別，比如：是否為目前認(rèn)為不能再向下分的 基本粒子、是否帶有電荷、是否帶有靜止質(zhì)量，等等。

中子和質(zhì)子組成的原子核，再加上核外的電子云就構(gòu)成了原子的結(jié)構(gòu)

依據(jù)微觀粒子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的不同，物理學(xué)家們把微觀粒子劃分為兩類(lèi)：費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，玻色子則服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì) [1]，簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)，這兩種統(tǒng)計(jì)的不同意味著在不同微觀狀態(tài)之間分布的時(shí)候，占據(jù)狀態(tài)方法的不同。打個(gè)比方，如果同一種微觀粒子聚眾看電影，對(duì)于費(fèi)米子來(lái) 說(shuō)，兩個(gè)人不能同時(shí)坐在同一位置上，這就是有名的―泡利不相容‖原理，而對(duì)于玻色子來(lái)說(shuō)，則可以允許兩個(gè)甚至更多個(gè)人同時(shí)坐于同一個(gè)位置——雖然位子足夠 多時(shí)，這種情況也很少發(fā)生。

不可分辨的同一種粒子

抱歉，說(shuō)起來(lái)，前邊這個(gè)―電影院比喻‖其實(shí)還是有失準(zhǔn)確—— 因?yàn)椋?dāng)我們面對(duì)電影院里的人，還是可以清晰分辨張三和李四的不同。但當(dāng)我們面對(duì)微觀的粒子，同一種微觀粒子之間卻是不能夠分辨的，一個(gè)粒子與另外 一個(gè)粒子并無(wú)任何不同，所有人都失去了個(gè)性。我們可以說(shuō)―兩個(gè)費(fèi)米子不能坐在同一個(gè)位置上，兩個(gè)玻色子可以坐在同一個(gè)位置上‖，但是并不能分清楚到底是哪 個(gè)微觀粒子坐在這個(gè)位置上。這個(gè)就是一般統(tǒng)計(jì)物理里面說(shuō)的―全同的量子粒子不可分辨‖的概念。

1925年的玻色（來(lái)自維基百科相關(guān)頁(yè)面）。薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894年1月1日－1974年2月4日）是印度的一位物理學(xué)家，他最先提出了微觀全同粒子不可分辨的概念。

這個(gè)概念的歷史并不長(zhǎng)。直到100年前，大家還認(rèn)為微觀粒子可以分辨的，在不同狀態(tài)上的分布滿足―麥克斯韋-玻爾茲曼分布‖。這是一種經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的 分布規(guī)律，如果說(shuō)不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量是相當(dāng)于不同檔次的電影票價(jià)的話，那么最后每種座位上微觀粒子的數(shù)量只和微觀粒子所擁有的平均財(cái)富（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的溫度）和每種座位的票價(jià)（每個(gè)狀態(tài)的能量）有關(guān)系。但是對(duì)于費(fèi)米子和玻色子來(lái)說(shuō)，分布規(guī)律還要和粒子的總數(shù)有關(guān)系。仔細(xì)來(lái)說(shuō)，和每個(gè)粒子進(jìn)入系統(tǒng)都有的一個(gè)跟現(xiàn) 有的粒子數(shù)目相關(guān)的額外入場(chǎng)費(fèi)用或者是最低消費(fèi)額度有關(guān)系（統(tǒng)計(jì)物理里面是體系的化學(xué)能）。在使用光子的概念來(lái)解釋黑體輻射等實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，人們逐漸發(fā)現(xiàn)經(jīng) 典的麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)在研究微觀粒子的時(shí)候并不準(zhǔn)確。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的提出

最先提出―微觀全同粒子不可分辨‖概念的人是印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色。1924年，年輕帥氣的玻色寫(xiě)了一篇題為《普朗克定律和光量子假說(shuō)（Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta）》 的論文，提出可以通過(guò)這一概念來(lái)完美解釋普朗克總結(jié)的黑體輻射的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。但是，他這篇文章并沒(méi)有得到歐洲一些學(xué)術(shù)期刊的重視。遭到挫折的玻色將他的論文 寄給身在德國(guó)的愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦意識(shí)到了玻色這篇論文的重要性，親自將它翻譯成德語(yǔ)，然后以玻色的名義發(fā)表在德國(guó)著名的《德國(guó)物理學(xué)刊》上。通過(guò)愛(ài)因斯 坦的幫助，玻色的研究成果得以發(fā)表并獲得了人們的關(guān)注。

1923年的愛(ài)因斯坦，攝于巴塞羅那

1925年，愛(ài)因斯坦將玻色關(guān)于―沒(méi)有靜止質(zhì)量的光子‖的統(tǒng)計(jì)方法推廣到有質(zhì)量的原子體系中，預(yù)言了一種新的物質(zhì)狀態(tài)的存在。根據(jù)愛(ài)因斯坦的預(yù)言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的原子構(gòu)成的氣體可能會(huì)發(fā)生神奇的轉(zhuǎn)變，處于最低的能量狀態(tài)上的原子數(shù)目會(huì)隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所 有的原子都處于這一個(gè)能量狀態(tài)上，而整體呈現(xiàn)出一個(gè)量子狀態(tài)。這種狀態(tài)后來(lái)被稱(chēng)為―玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC）‖，是很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家致力實(shí)現(xiàn)的預(yù)言。

空間中粒子的分布：左圖，可分辨粒子可以看成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的波包；右圖，不可分辨的同一種粒子互相疊加起來(lái)，我們不能區(qū)分單個(gè)的粒子，它們形成一個(gè)整體的分布。

根據(jù)量子力學(xué)的知識(shí)，微觀粒子具有波粒二象性，原子是粒子也是波。一個(gè)原子在空間中的存在可以用波函數(shù)來(lái)表示，如上面左圖顯示的那樣，每一個(gè)粒子的 準(zhǔn)確位置都難以判定，只是在某一個(gè)位置附近有一定的分布，分布的大小對(duì)應(yīng)于原子的德布羅意波長(zhǎng)。原子的溫度越低，德布羅意波長(zhǎng)越大。如果原子之間的距離遠(yuǎn) 大于于德布羅意波長(zhǎng)，那么就可以把原子看成是一個(gè)個(gè)的點(diǎn)；如果距離小于德布羅意波長(zhǎng)，那么原子的分布就會(huì)互相重疊（左圖）。對(duì)于不可分辨的同一種粒子來(lái) 說(shuō)，互相重疊的分布使得他們表現(xiàn)出一個(gè)整體的量子態(tài)，如果粒子是玻色子，它們之間傾向于處于同一個(gè)狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成―玻色-愛(ài)因斯坦凝聚‖。

因此，對(duì)于給定的玻色原子體系，要形成這種凝聚需要一定體積里面含有的原子數(shù)比較大（這樣原子間的距離比較小），以及，溫度足夠低（這樣德布羅意波長(zhǎng)比較大）。

低溫和超流

20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得·卡皮查（Пётр Леонидович Капица，1894年7月9日－1984年4月8日）開(kāi)始低溫物理學(xué)的研究。1934年他開(kāi)發(fā)了能制造大量液氦的裝置。1937年的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)在將 液氦的溫度降低到2.17K（-270.98攝氏度）之下的時(shí)候，液氦會(huì)變成一種沒(méi)有摩擦的神奇液體，稱(chēng)做超流體。1978年，由于他―在低溫物理學(xué)領(lǐng)域 基本的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)‖[3]，這位低溫物理學(xué)的先驅(qū)和發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射的彭齊亞斯和威爾遜分享了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

超流體有著非常有趣的性質(zhì)。超流動(dòng)性使得懸掛容器內(nèi)的超流體在重力作用下沿著容器的壁到容器外來(lái)

卡皮查實(shí)現(xiàn)的是氦4的超流（氦4即一個(gè)氦原子核里含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子），里面的氦原子是一種玻色子，因此，超流體的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)在一定程度上驗(yàn)證 了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的正確性。然而，因?yàn)楹け緛?lái)就處于液體的狀態(tài)，原子和原子之間有著比較大的相互作用力，超流并不單純是由于玻色統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致的。如果想要 嚴(yán)格驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)，我們需要在氣體體系里面實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚才行。前面說(shuō)過(guò)，這需要將系統(tǒng)的溫度將到非常低，因此需要更先進(jìn)的制冷技術(shù)；同時(shí) 還需要有大量的有一定密度并處于氣體狀態(tài)的原子，原子數(shù)太少則很難形成凝聚，原子密度太大則有可能形成液體或者固體。

這一切，直到20世紀(jì)90年代才得以實(shí)現(xiàn)。

激光冷卻-低于千分之一度的低溫

1997年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的朱棣文教授（現(xiàn)任美國(guó)能源部部長(zhǎng)）、法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院的Claude Cohen-Tannoudji教授和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的William D.Phillips教授因?yàn)樗麄兝眉す饫鋮s并束縛原子的工作分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。激光冷卻使得我們能夠獲得更低溫度的原子氣體，從而制造更精確的冷原子 鐘。1985年的時(shí)候，朱棣文等人首先利用這個(gè)技術(shù)將鈉的原子氣體冷卻到了240微開(kāi)爾文的溫度（僅比絕對(duì)零度高出一百萬(wàn)分之二百四十度）[4]。

我們一般用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是攝氏度，一個(gè)大氣壓下，水結(jié)冰的溫度是0攝氏度，水沸騰的溫度是100攝氏度。很多情況下，物理學(xué)里面用的是絕對(duì)溫度，單位 為開(kāi)爾文（K），一個(gè)開(kāi)爾文和一攝氏度的單位是一樣的。絕對(duì)零度（0開(kāi)爾文）是-273.15攝氏度，室溫相當(dāng)于大約300開(kāi)爾文。對(duì)于空氣里面的絕大多 數(shù)成分來(lái)說(shuō)（氧氣、氮?dú)狻⒍趸嫉鹊龋瑴囟鹊慕档蜁?huì)使得它們變成液體，然后有的還會(huì)隨著溫度的繼續(xù)降低變成固體，比如說(shuō)，氧氣在90.20開(kāi)爾文（零 下182.95攝氏度）的時(shí)候變成液體，在54.36開(kāi)爾文（零下218.79攝氏度）的時(shí)候變成固體。空氣里的氣體分子是在不斷地到處運(yùn)動(dòng)并且互相碰撞 的，空氣的溫度和運(yùn)動(dòng)速度是聯(lián)系起來(lái)的。我們周?chē)目諝夥肿舆\(yùn)動(dòng)速度在數(shù)百米每秒的樣子，如果降低空氣的溫度，分子的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)降低，而如果能夠?qū)⒁粋€(gè) 個(gè)的空氣分子速度減下來(lái)，空氣的溫度也就降低了。而激光冷卻就是通過(guò)激光來(lái)減慢原子的運(yùn)動(dòng)速度，從而使得原子氣體的溫度變小。

激光器發(fā)出的光子在鈉原子上―散射‖，同時(shí)給鈉原子一個(gè)反沖的作用。在這個(gè)作用下，原來(lái)向右運(yùn)動(dòng)的鈉

原子速度會(huì)變慢。

大家可以想象一個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)的場(chǎng)面。失控的戰(zhàn)車(chē)沖向戰(zhàn)壕，戰(zhàn)壕里的戰(zhàn)士向戰(zhàn)車(chē)不斷開(kāi)槍?zhuān)訌棿蛴蓱?zhàn)車(chē)彈向四面八方。如果仔細(xì)看戰(zhàn)車(chē)的速度，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)由于 子彈的撞擊，戰(zhàn)車(chē)的速度會(huì)越來(lái)越小，利用激光冷卻原子和這個(gè)過(guò)程相似。如上圖顯示的，激光器發(fā)出的光子就像子彈一樣，如果光子在鈉原子上發(fā)生―散射‖，那 么向右運(yùn)動(dòng)的鈉原子在激光的作用下速度會(huì)越來(lái)越慢。仔細(xì)說(shuō)來(lái)，光子在鈉原子上發(fā)生的并不是散射，而是光子將鈉原子的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后電子躍遷回來(lái)的 時(shí)候會(huì)放出一個(gè)方向不確定的光子。在一段時(shí)間內(nèi)，鈉原子吸收的光子有特定方向，而放出的卻沒(méi)有，所以原子會(huì)被光束減速。這樣，原子的動(dòng)能有個(gè)和光子的能量 相關(guān)的不確定性，這也給出了激光冷卻能夠得到的最低溫度。

高壓鈉燈的發(fā)射譜線

為了利用這一點(diǎn)來(lái)冷卻氣體，我們它對(duì)不同的原子能有不同的效果。對(duì)于向著激光運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，我們希望能減慢他們的速度，對(duì)于遠(yuǎn)離激光運(yùn)動(dòng)的原子來(lái) 說(shuō)，我們不希望把它們推的越來(lái)越快。并不是所有波長(zhǎng)的激光都能夠和原子相互作用，原子在內(nèi)部的電子能級(jí)發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)放出或者吸收特定波長(zhǎng)的光，這構(gòu) 成了原子的發(fā)射光譜或者吸收光譜。每一條譜線都是有一定的寬度，激光的波長(zhǎng)越接近吸收譜線的中心位置，激光就越容易影響原子。

激光冷卻原子的示意圖，選擇激光的波長(zhǎng)在原子譜線偏紅（波長(zhǎng)偏長(zhǎng)）的一側(cè)，這樣可以實(shí)現(xiàn)原子的減速。來(lái)自[5]里的動(dòng)畫(huà)截屏（強(qiáng)烈推薦大家去玩一玩這里面的一系列關(guān)于BEC的動(dòng)畫(huà)游戲）。

如果像上圖右下角顯示的那樣，我們將激光的波長(zhǎng)選擇在原子譜線波長(zhǎng)略微比中心位置長(zhǎng)一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波 長(zhǎng)會(huì)顯得短一些（藍(lán)移），因此作用強(qiáng)烈；而背離激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長(zhǎng)會(huì)更長(zhǎng)一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個(gè)方向都有一束激光的 話，就可以保證把原子的速度降低下來(lái)。通過(guò)這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對(duì)零度之上大約千分之一攝氏度，這一溫度要比自然條件下存在的最冷溫度 低成千上萬(wàn)倍。（在自然條件下，最冷溫度是太空的溫度，也就是宇宙背景輻射的溫度，大約為3K）。

然而，這還不夠……要產(chǎn)生產(chǎn)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，我們還需要更低的溫度。

20世紀(jì)90年代的Carl Wieman教授（左）和Eric Cornell教授（右）。Eric Cornell教授現(xiàn)在是JILA的主任（JILA是科羅拉多大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的一個(gè)合作研究單位）。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的最終實(shí)現(xiàn)

1990年，從麻省理工學(xué)院（MIT）獲得博士學(xué)位的Eric Cornell來(lái)到科羅拉多州位于洛基山脈山腳下的小鎮(zhèn)博爾德（Boulder）做博士后，隨Carl Wieman教授一起致力于研究如何實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，兩年后他成為助理教授。他們采用了激光冷卻的方法將銣原子氣體冷卻到很低的溫度，然后利用磁 勢(shì)阱蒸發(fā)冷卻的方法得到了更低的溫度。

磁勢(shì)阱蒸發(fā)冷卻示意圖：磁勢(shì)阱里面束縛的原子氣體在勢(shì)阱降低的時(shí)候，帶有較高能量的原子會(huì)跑掉，留

下溫度較低的那些原子。

本身帶有磁性的原子，這使得可以用磁場(chǎng)來(lái)束縛住原子，稱(chēng)為一個(gè)磁場(chǎng)的勢(shì)阱。大家對(duì)蒸發(fā)冷卻的原理都很熟悉：一杯開(kāi)水放在桌子上，水里面速度較快的水 分子會(huì)沖出水面，散發(fā)到空氣中去，從而帶走了較多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同樣，通過(guò)降低磁勢(shì)阱的高度，我們可以讓束縛在勢(shì)阱里面的帶有較 高能量的原子跑掉，從而留下溫度較低的原子，得到非常冷的原子氣體。

利用這兩種制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地將含有大約2000個(gè)銣87原子（銣的一種同位素）的氣體冷卻到低于 170nK的溫度（僅比絕對(duì)零度高了百萬(wàn)分之零點(diǎn)一七度），這時(shí)，大量的原子聚集到了最低的能量狀態(tài)，形成了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚[6,7]。此時(shí)，距離玻 色和愛(ài)因斯坦提出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的構(gòu)想已過(guò)去70年。四個(gè)月之后，MIT的Wolfgang Ketterle教授等人成功地用鈉23原子實(shí)現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，他們實(shí)現(xiàn)的凝聚含有超過(guò)一百倍數(shù)量的原子，這使得他們可以觀測(cè)一些重要的性質(zhì)，比 如觀察兩個(gè)凝聚之間的量子干涉現(xiàn)象[2,8]。這三位科學(xué)家分享了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Eric Cornell和Carl Wieman得到的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚結(jié)果圖。從左到右依次為400nK，200nK和

50nK。

束縛在勢(shì)阱里面的冷原子氣體在關(guān)掉磁勢(shì)阱之后，會(huì)向著周?chē)目臻g運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有實(shí)現(xiàn)凝聚，那么原子就有不同的向四面八方的速度，一段時(shí)間之后的原子 在空間里分布就會(huì)很廣；而凝聚的原子稱(chēng)為一個(gè)整體，基本沒(méi)有向外擴(kuò)散的速度，在一段時(shí)間之后仍然表現(xiàn)為一個(gè)很集中的分布。利用光學(xué)成像的方 法，Cornell和Wieman得到了不同溫度下關(guān)掉磁勢(shì)阱之后得到的分布圖像（如上圖），200nK和50nK的結(jié)果里清晰地顯示了玻色-愛(ài)因斯坦凝 聚的存在。

Ketterle教授等人觀測(cè)到的兩個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之間的干涉現(xiàn)象[9]。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是一個(gè)宏觀的量子現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)的凝聚里面所有的原子可以用一個(gè)整體的波函數(shù)來(lái)描訴。因此，像兩束激光一樣，兩個(gè)凝聚之間也可以發(fā)生 干涉的現(xiàn)象。Ketterle教授等人利用兩個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)現(xiàn)了這個(gè)干涉的現(xiàn)象。上圖顯示了兩個(gè)凝聚之間的干涉現(xiàn)象，仔細(xì)看的話，水平方向有一系 列的干涉細(xì)線。原子構(gòu)成的凝聚清晰地體現(xiàn)了波的性質(zhì)。

關(guān)于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚有著非常多的有趣的實(shí)驗(yàn)可以介紹，而在某些條件下，費(fèi)米子也可以像玻色子那樣凝聚起來(lái)。（由于篇幅的問(wèn)題，在這里就不再介紹，期待以后有機(jī)會(huì)再一一展開(kāi)去講。）

凝聚有什么用？

近百年前的理論預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)許多物理學(xué)家孜孜不倦的努力才得以實(shí)現(xiàn)，這個(gè)領(lǐng)域是現(xiàn)代物理里面光學(xué)、凝聚態(tài)等方向的尖端前沿，里面誕生了許許多多的激動(dòng)人心的研究成果。然而對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚還只是一個(gè)剛剛開(kāi)始的方向，也許要等待數(shù)年才能有實(shí)際的應(yīng)用出現(xiàn)。

對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō)，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)研究量子現(xiàn)象的工具。很多的量子現(xiàn)象都只能在原子的大小上實(shí)現(xiàn)，而我們?nèi)狈线m的觀測(cè)方法。利 用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，我們可以把微小尺度上的量子現(xiàn)象放大到宏觀的尺度，進(jìn)而利用更方便的探測(cè)方式去研究其中的規(guī)律，去和物理的理論對(duì)比，從而可以得到 更多的進(jìn)展。舉個(gè)例子來(lái)，固體物理學(xué)的研究對(duì)象是不同的固體系統(tǒng)，比如說(shuō)半導(dǎo)體或者超導(dǎo)體，這些系統(tǒng)的性質(zhì)是由原子不同的排布方式和電子在原子排布的格點(diǎn) 里面運(yùn)動(dòng)的方式?jīng)Q定的。利用冷原子凝聚和激光構(gòu)成的系統(tǒng)，我們可以模擬這些固體系統(tǒng)并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段去調(diào)節(jié)系統(tǒng)里面不同的參數(shù)，這樣，我們可以獲得更多 的理解。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之間的干涉現(xiàn)象可以提供給我們提供一個(gè)更精確測(cè)量速度和位置的工具，因此將來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚為基礎(chǔ)的導(dǎo)航設(shè)備。此外，為了實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚而使用的冷卻方式也是用處多多，比如提供更好地制造原子鐘的技術(shù)，此處不再贅述。

參考閱讀：

1.更多細(xì)節(jié)可以參閱統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教材，例如：高等教育出版社，汪志誠(chéng)，《熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理》。2.維基百科，Maxwell–Boltzmann distribution，F(xiàn)ermi–Dirac statistics，Bose–Einstein statistics，Satyendra Nath Bose，Superfluid，laser cooling，Bose-Einstein condensate等相關(guān)內(nèi)容。3.諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站，1978年物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?4.Steven Chu et.al.，Physical

Review

Letters

55，48

(1985).鏈接

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v55/i1/p48_1 5.美國(guó)科羅拉

多大學(xué)

―Physics-2000‖項(xiàng)

目

關(guān)

于

BEC的內(nèi)

容

。http://www.tmdps.cn/abstract/PRL/v75/i22/p3969_1 9.D.S.Durfee and W.Ketterle, Optics Express 2, No.8, 299(1998).鏈接 http://www.tmdps.cn/oe/abstract.cfm?uri=oe-2-8-299

【返場(chǎng)注釋】

（文/沐右）

超流體有著非常奇特的性質(zhì)，它的粘滯系數(shù)為零，它的表面張力也為零。由于表面張力為零，超流 體會(huì)傾向于于覆蓋整個(gè)表面的狀態(tài)。這樣，如下圖所示，一個(gè)容器里面如果有超流體的話，那么整個(gè)表面都會(huì)有一層超流體，放在容器內(nèi)超流體表面的碗內(nèi)外也都會(huì) 有一層超流體薄膜，在重力的作用下，超流體會(huì)向碗內(nèi)運(yùn)動(dòng)。而前面提到的懸掛起來(lái)裝有超流體的容器，其內(nèi)部的超流體就會(huì)通過(guò)這一層薄膜在重力的作用下運(yùn)動(dòng)到 外面來(lái)。

圖片來(lái)自維基百科―Superfluid‖頁(yè)面[2]。

物理科普文章 第五篇 動(dòng)物為什么不會(huì)迷失方向? 兩項(xiàng)新的研究揭示了動(dòng)物是如何利用自身固有的―指南針‖來(lái)識(shí)別方向的。研究人員發(fā)現(xiàn)遷徙的海龜是依靠地域性磁場(chǎng)引導(dǎo)它們?cè)诒贝笪餮笾杏蝿?dòng)的。海龜通過(guò)沿著一個(gè)被稱(chēng)為北大西洋環(huán)流的循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)確定自身的方位，避免了進(jìn)入危險(xiǎn)的寒冷水域中。來(lái)自美國(guó)佛羅里達(dá)州東部的海龜幼仔在一進(jìn)入大海后，就開(kāi)始漫長(zhǎng)的遷徙。它們游向環(huán)繞著馬尾藻海域的北大西洋環(huán)流，并用幾年的時(shí)間沿著該環(huán)流游動(dòng)。

科學(xué)家把海龜放置在一個(gè)大水缸中，水缸由計(jì)算機(jī)控制的線圈環(huán)繞著，以此來(lái)研究海龜幼仔對(duì)不同磁場(chǎng)的反應(yīng)。每個(gè)海龜身上裝有一個(gè)電子跟蹤儀，可以記錄下海龜?shù)奈恢谩：｝斂梢酝ㄟ^(guò)改變它們游動(dòng)的方向，對(duì)磁場(chǎng)中的某些變化做出反應(yīng)。

在另一項(xiàng)對(duì)贊比亞地下鼴鼠的研究中，捷克和德國(guó)的研究人員發(fā)現(xiàn)在名為上丘腦的大腦結(jié)構(gòu)中有些神經(jīng)細(xì)胞是這種動(dòng)物生物―指南針‖的一部分。這些細(xì)胞組對(duì)不同磁場(chǎng)方向會(huì)做出有選擇性的反應(yīng)。鼴鼠利用這些磁感覺(jué)信息合成了一幅它們周?chē)h(huán)境的心理地形圖，而其它的動(dòng)物用不同感官信息來(lái)達(dá)到同樣的地形圖。

物理科普文章

第六篇

【科普】核輻射及預(yù)防

什么是核輻射

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量就叫核輻射。

核爆炸和核事故都有核輻射。它有a,b和y三種輻射形式。a輻射只要用一張紙就能擋住，但吸入體內(nèi)危害大;b輻射是高速電子，皮膚沾上后燒傷明顯;y輻射和X射線相似，能穿透人體和建筑物，危害距離遠(yuǎn)。宇宙、自然界能產(chǎn)生放射性的物質(zhì)不少，但危害都不太大，只有核爆炸或核電站事故泄漏的放射性物質(zhì)才能大范圍地對(duì)人員造成傷亡。

放射性物質(zhì)可通過(guò)呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射。y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。

核輻射有什么危害

核泄漏一般的情況對(duì)人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)可通過(guò)呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。

內(nèi)外照射形成放射病的癥狀有：疲勞、頭昏、失眠、皮膚發(fā)紅、潰瘍、出血、脫發(fā)、白血病、嘔吐、腹瀉等。有時(shí)還會(huì)增加癌癥、畸變、遺傳性病變發(fā)生率，影響幾代人的健康。一般講，身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴(yán)重，致癌、致畸風(fēng)險(xiǎn)越大。

核輻射分級(jí)

核輻射對(duì)人體的危害取決于受不同輻射的時(shí)間以及輻射量。以下是遭受的輻射量(單位：毫雷姆)的后果：

1：腿部或者手臂進(jìn)行 X 光檢查時(shí)的輻射量;

8：建筑材料每年所產(chǎn)生的輻射量;

10：乘飛機(jī)時(shí)遭受的輻射量;

60：人體內(nèi)的輻射量;

700：大腦掃描的核輻射量;

5000：每年的工作所遭受的核輻射量;

10000：患癌癥的可能性為 1/130;

60000～100000：出現(xiàn)各種輻射疾病;

200000～450000：掉頭發(fā)，血液發(fā)生嚴(yán)重病變，一些人在 2 至 6 周內(nèi)死亡;

450000～800000：30 天內(nèi)將進(jìn)入垂死狀態(tài)

民眾如何預(yù)防核輻射

1．隱蔽

早期停留于室內(nèi)是一種簡(jiǎn)單、有效的措施，可明顯降低全身及皮膚外照射劑量。當(dāng)人們受放射性煙云照射時(shí)，隱蔽在室內(nèi)可將外照射劑量減少50-90%，這要視建筑物的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)而定。

2.服用穩(wěn)定性碘

用穩(wěn)定性化合物可以阻止或減少特定器官對(duì)相應(yīng)的放射性核素的吸收，從而減少該器官的受照劑量，穩(wěn)定性碘就是一個(gè)例子。碘化鉀或碘酸鉀都能有效地減少甲狀腺對(duì)放射性碘同位素的吸收，但他們不能降低已攝入的其它放射性核素的劑量，更不能代替其它防護(hù)措施。

3.撤離

撤離是最有效的防護(hù)措施，可避免或減少來(lái)自各種途徑的照射，但也是各種措施中最困難、最易造成混亂的一種。

4.個(gè)人防護(hù)方法

主要指對(duì)人員呼吸道和體表的防護(hù)。當(dāng)空氣被放射性物質(zhì)污染時(shí)，用簡(jiǎn)易方法(如用手帕、毛巾、布料等捂住口鼻)可使吸入放射性物質(zhì)所致的劑量減少約90%。但防護(hù)效果與放射性物質(zhì)的理化狀態(tài)、粒子分散度、防護(hù)材料特點(diǎn)及防護(hù)物(如口罩)周?chē)男孤┣闆r等有關(guān)。對(duì)人員體表的防護(hù)可用各種日常服裝，包括帽子、頭巾、雨衣、手套和靴子等。當(dāng)人們開(kāi)始隱蔽及由污染區(qū)撤離時(shí)，可使用這些簡(jiǎn)易的防護(hù)用品。

物理科普文章

第七篇 簡(jiǎn)單科普：核輻射

核輻射，或通常稱(chēng)之為放射性，存在于所有的物質(zhì)之中，即包括你喝的水和我呼吸的空氣，這是億萬(wàn)年來(lái)存在的客觀事實(shí)，是正常現(xiàn)象。所以我們不是討論有沒(méi)有放射性，而是討論在日常生活中有哪些物質(zhì)，在一定條件下，有偏高或高的放射性，并足以對(duì)人造成傷害。

詳細(xì)介紹

核輻射主要是α、β、γ三種射線：

α射線是氦核，β射線是電子，這兩種射線由于穿透力小，影響距離比較近，只要輻射源不進(jìn)入體內(nèi)，影響不會(huì)太大。

γ射線的穿透力很強(qiáng)，是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。電磁波是很常見(jiàn)的輻射，對(duì)人體的影響主要由功率（與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)）和頻率決定。通訊用的無(wú)線電波是頻率較低的電磁波，如果按照頻率從低到高（波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短）按次序排列，電磁波可以分為：長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波、遠(yuǎn)紅外線、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線。以可見(jiàn)光為界，頻率低于（波長(zhǎng)長(zhǎng)于）可見(jiàn)光的電磁波對(duì)人體產(chǎn)生的主要是熱效應(yīng)，頻率高于可見(jiàn)光的射線對(duì)人體主要產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)。

核輻射定義

核輻射是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過(guò)程中所釋放出來(lái)的微觀粒子流。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱(chēng)為電離輻射。電離輻射又分直接致電離輻射和間接致電離輻射。直接致電離輻射包括質(zhì)子等帶電粒子。間接致電離輻射包括光子、中子等不帶電粒子。

輻射有什么危害？

答：人們?cè)陂L(zhǎng)期的實(shí)踐和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，少量的輻射照射不會(huì)危及人類(lèi)的健康，過(guò)量的放射性射線照射對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生傷害，使人致病、致死。劑量越大，危害越大。

為什么說(shuō)人類(lèi)生活在放射環(huán)境中？

答：實(shí)際上，人類(lèi)的生活沒(méi)有一刻離開(kāi)過(guò)放射性，這些放射性是天然放射性，主要來(lái)自三個(gè)方面：

1.宇宙射線；

2.地面和建筑物中的放射性；

3.人體內(nèi)部的放射性。

微量的放射性不會(huì)危及健康。

人們的哪些活動(dòng)也有放射性？

答：人類(lèi)的很多活動(dòng)都離不開(kāi)放射性。例如，人們攝入的空氣、食物、水中的輻射照射劑量約為0.25毫希/年。帶夜光表每年有0.02毫希；乘飛機(jī)旅行2000公里約0.01毫希；每 天抽20支煙，每年有0.5-1毫希；一次X光檢查0.1毫希等等。

生活中的核輻射污染

對(duì)于核輻射污染，即放射性污染，常人往往只注意到現(xiàn)代科學(xué)研究中的核輻射核工廠里某些特殊車(chē)間產(chǎn)生的放射性物質(zhì)造成的危害，或者醫(yī)院的X射線治療所產(chǎn)生的放射性造成的影響及損害，而未考慮生活中還會(huì)有放射性污染源。實(shí)際上，生活中的放射性物質(zhì)能通過(guò)多種途徑進(jìn)入人體，造成對(duì)機(jī)體的慢性損害。要防止生活中的放射性污染源對(duì)人體健康的危害，有關(guān)執(zhí)法部門(mén)要增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的宣傳。另一方面，政府及執(zhí)法部門(mén)要加強(qiáng)對(duì)放射性物質(zhì)的管理，對(duì)容易受放射性物質(zhì)污染的商品要進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

一、注意居室中的放射性污染

隨著工業(yè)的發(fā)展，經(jīng)常利用工業(yè)廢渣做建筑材料，可能造成建材中含有一些放射性物質(zhì)，經(jīng)放射性衰變產(chǎn)生了放射性氣體及其子體產(chǎn)物，懸浮于室內(nèi)空氣中，氛及其于體產(chǎn)物放射出能量較高的a射線（粒子），人若吸進(jìn)這樣的氣體，即會(huì)照射人體肺組織。如果長(zhǎng)期受到照射，便容易產(chǎn)生支氣管炎和肺癌等疾病。另?yè)?jù)國(guó)外報(bào)道，大多數(shù)家庭居室中自然出現(xiàn)的放射性氣體氛，如果與煙氣混合，將會(huì)有致命的影響。氛是肺癌的一個(gè)致病因素。另外，裝修居室用的花崗巖及其它板石材料也含有一定量的氛，特別是通風(fēng)不良時(shí)，可造成居室內(nèi)放射性污染加重。經(jīng)監(jiān)測(cè)表明，室內(nèi)氧氣多在通風(fēng)不良的地方積累，所以經(jīng)常打開(kāi)居室的窗戶，促進(jìn)空氣流通，使氧稀釋?zhuān)@是減少室內(nèi)氛濃度的良好措施。裝修房屋用的石（板）材要有選擇地使用。石材的放射性核素含量隨礦床，所在地等天然條件的不同而有所增減，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能知道是否適合居室裝修。要規(guī)范裝修材料的市場(chǎng)。

二、謹(jǐn)防飲用水的核污染

加強(qiáng)對(duì)飲用水源地的環(huán)境保護(hù)，謹(jǐn)防飲用水受到核污染。受放射性物質(zhì)污染的水不能直接飲用。

如果用受放射性物質(zhì)污染的水澆灌農(nóng)作物、蔬菜。其放射性物質(zhì)的含量普遍增高，食用有害人體健康。

中國(guó)礦泉水水源豐富，其中也有不少水源在流經(jīng)途中受到人工或天然的放射性污染。據(jù)報(bào)道，通過(guò)有關(guān)部門(mén)監(jiān)測(cè)，某些盲目開(kāi)發(fā)的礦泉水水源中含氧的濃度過(guò)高，若長(zhǎng)期飲用這種礦泉水就會(huì)危害身體。因此，各地有關(guān)執(zhí)法和監(jiān)督部門(mén)，要對(duì)礦泉水的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目要嚴(yán)加管理，不僅要嚴(yán)格控制商品礦泉水的衛(wèi)生指標(biāo)，還要重視它是否受到放射性物質(zhì)的污染。

三、要防燃煤的放射性污染

燃煤中常含有少量的放射性物質(zhì)。研究分析表明，許多煤炭煙氣中含有U、Th、Ra、210Po和210Pb。大多數(shù)情況下，盡管這些物質(zhì)含量稀少，但如長(zhǎng)期聚集，其放射性物質(zhì)亦會(huì)隨空氣及烘烤的食物進(jìn)入人體，造成機(jī)體的慢性損害。

平時(shí)生活使用燃煤，要注意通風(fēng)排氣，警惕煤煙通過(guò)呼吸進(jìn)入人體內(nèi)。禁止食用煤碳直接烘烤食物，尤其是茶葉、煙葉、肉類(lèi)和餅干等。如果必須使用燃煤（碳）烘烤食物時(shí)也要注意屏蔽，不要讓食物與煤煙直接接觸。

四、莫要長(zhǎng)期佩戴金銀首飾

佩戴金銀首飾是人們，尤其是女士們美容化妝的重要生活內(nèi)容。殊不知經(jīng)常佩戴首飾也會(huì)給人們帶來(lái)煩惱，那就是容易患“首飾病”，即皮膚病。

一般來(lái)講，除純金（24K）首飾以外，其他的首飾在制作過(guò)程中都要摻入少量鋼、鉻、鎳等材質(zhì)，特別是那些異常光彩奪目的或廉價(jià)合成首飾制品，這些首飾制品的材質(zhì)成分更加復(fù)雜，對(duì)人的皮膚造成傷害的可能性更大。據(jù)報(bào)道，美國(guó)專(zhuān)家在檢驗(yàn)了幾千件首飾后發(fā)現(xiàn)，其中有近百件含有放射性物質(zhì)，這些放射性元素對(duì)人體有嚴(yán)重地?fù)p害，如果長(zhǎng)期佩戴，有可能誘發(fā)皮膚病或皮癌。金銀首飾，不宜常戴。常戴的首飾制品，最好進(jìn)行含放射性物質(zhì)測(cè)定。

迄今最嚴(yán)重核事故一覽

1957 年9 月29 日：前蘇聯(lián)烏拉爾山中的秘密核工廠―車(chē)?yán)镅刨e斯克65 號(hào)‖一個(gè)裝有核廢料的倉(cāng)庫(kù)發(fā)生大爆炸，迫使蘇聯(lián)當(dāng)局緊急撤走當(dāng)?shù)?1000 名居民。

1957 年10月7日：英國(guó)東北岸的溫德斯凱爾一個(gè)核反應(yīng)堆發(fā)生火災(zāi)，這次事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)污染了英國(guó)全境，至少有 39 人患癌癥死亡。

1961年1月3日：美國(guó)愛(ài)荷華州一座實(shí)驗(yàn)室里的核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，當(dāng)場(chǎng)炸死3名工人。

1967年夏天：前蘇聯(lián)―車(chē)?yán)镅刨e斯克 65 號(hào)‖用于儲(chǔ)存核廢料的―卡拉察湖‖干枯，結(jié)果風(fēng)將許多放射性微粒子吹往各地，當(dāng)局不得不撤走了9000 名居民。

1971年11月9日：美國(guó)明尼蘇達(dá)州―北方州電力公司‖的一座核反應(yīng)堆的廢水儲(chǔ)存設(shè)施發(fā)生超庫(kù)存事件，結(jié)果導(dǎo)致5000 加侖放射性廢水流入密西西比河，其中一些水甚至流入圣保羅的城市飲水系統(tǒng)。

1979 年3月28日：美國(guó)三里島核反應(yīng)堆因?yàn)闄C(jī)械故障和人為的失誤而使冷卻水和放射性顆粒外逸，但沒(méi)有人員傷亡報(bào)告。

1979 年8月7日：美國(guó)田納西州濃縮鈾外泄，結(jié)果導(dǎo)致1000 人受傷。

1986 年1月6 日：美國(guó)俄克拉荷馬一座核電站因錯(cuò)誤加熱發(fā)生爆炸，結(jié)果造成一名工人死亡，100 人住院。

1986 年4月26 日：前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生大爆炸，其放射性云團(tuán)直抵西歐，造成約八千人死于輻射導(dǎo)致的各種疾病。

2011年3月12日：日本福島核電站第一機(jī)組因9.0級(jí)大地震導(dǎo)致泄漏爆炸，周?chē)?萬(wàn)居民緊急撤離。日本福島第一核電站1號(hào)機(jī)組廠房的外墻和屋頂在爆炸中受損，截止到3月13日，2號(hào)、3號(hào)機(jī)組也已開(kāi)始發(fā)生泄漏，已有190名人員被確認(rèn)受到核輻射。

物理科普文章

第八篇 彩虹為什么是彎的？

想必很多人都見(jiàn)過(guò)彩虹（至少彩虹的照片你見(jiàn)過(guò)吧）。一說(shuō)到它，你腦海里總能浮現(xiàn)出一道七色圓弧。但你知道彩虹為什么是彎的嗎？彩虹真的是恰好七種顏色嗎？彩虹的秘密，死理性派告訴你。

古代人對(duì)彩虹的觀察和研究

對(duì)彩虹的研究最早可以追溯至公元前 4 世紀(jì)。亞里士多德是第一個(gè)認(rèn)真研究彩虹的人，他曾指出彩虹最為重 要的幾個(gè)特征，比如：

如果太陽(yáng)在地平線上升起得不太高，彩虹就會(huì)出現(xiàn)。彩虹不會(huì)出現(xiàn)在夏日的中午我們可以同時(shí)看到兩條形狀相同但顏色順序排列相反的彩虹，其中外側(cè)那條顯得略為松散，彩虹主要由三種（或四種）顏色組成（現(xiàn)代的RGB三原色理論亦基于此）。

但是有一個(gè)很重要的現(xiàn)象亞里士多德并沒(méi)有注意到，那就是兩條虹中間的區(qū)域亮度較暗，直到公元約 200 年雅典哲學(xué)家亞歷山大（Alexander of Aphrodisia）才觀察到這個(gè)現(xiàn)象，所以后人就將這條暗帶命名為―亞歷山大暗帶‖（dark band of Alexander）。另外，亞里士多德對(duì)彩虹的解釋并不正確，他認(rèn)為只有大的鏡子可以反射出物體的全部外形，他把天空中的水滴比做小鏡子，認(rèn)為這個(gè)鏡子太小了，不可能反射出整個(gè)太陽(yáng)，但是又必須得有什么東西反射出來(lái)，所以會(huì)有顏色呈現(xiàn)出來(lái)。而且，亞里士多德也沒(méi)有注意到光的折射作用。

在此之后，古羅馬哲學(xué)家 塞內(nèi)卡、波斯物理學(xué)家 海什木 等人也都曾發(fā)表過(guò)自己的看法。中國(guó)北宋時(shí)期一位叫 孫思恭 的精通天文歷算的進(jìn)士也曾說(shuō)過(guò)―虹乃雨中日影也，日照雨則有之‖（沈括《夢(mèng)溪筆談》），這些均只停留在對(duì)現(xiàn)象的思考上，沒(méi)有更多深入和本質(zhì)性的研究。

彩虹是怎么形成的

我們現(xiàn)在知道，彩虹的形成和光的折射有關(guān)。所以直到人們發(fā)現(xiàn)折射定律，彩虹問(wèn)題才有條件被解決。光入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射，入射光和折射光位于同一個(gè)平面上，且與法線的夾角滿足如下關(guān)系：

其中，n 1 和 n 2 分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率，θ 1 和 θ 2 分別是入射光（或折射光）與法線的夾角，叫做入射角和折射角。這個(gè)定律最早在公元 984 年被波斯科學(xué)家 IbnSahl 精確描述。隨后又被英國(guó)科學(xué)家 托馬斯·哈利奧特（1602 年）、荷蘭物理學(xué)家 威理博?斯涅爾（1621 年）、法國(guó)數(shù)學(xué)家笛卡爾（1637 年）等人先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)這個(gè)定律。其中，笛卡爾利用折射定律，成功解釋了彩虹是如何形成的。笛卡爾假想在一個(gè) AFZ平面內(nèi)，光線從 AF 處射出，人眼位于 E 處。如果這時(shí)把一個(gè)代表水滴的圓球放在 BCD 處，那么 D 部分將呈現(xiàn)全紅色且比其它部分都更明亮。而無(wú)論是把球向前向后還是向左向右移動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象均不會(huì)改變。笛卡爾測(cè)出此時(shí)的 ∠DEM 約為 42°（M 為彩虹的圓心）。之后他將 ∠DEM 調(diào)得稍大一些，觀察到紅光立刻就消失了，稍小一些，則能看到黃色、藍(lán)色等其它顏色。在仔細(xì)檢查 BCD 處的球后，笛卡爾得出結(jié)論：光線 AB 在 B 點(diǎn)處射入球體發(fā)生折射打到 C 點(diǎn)，隨后在 C 點(diǎn)處發(fā)生反射傳遞到 D 點(diǎn)，并在 D 點(diǎn)再次發(fā)生折射而出。

【笛卡爾描繪彩虹是如何形成的。圖片來(lái)源：wikipedia.com】

上面這段話并不太好理解，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)代語(yǔ)言就是：以空中的一個(gè)水珠為例，如下圖所示，光線在水滴內(nèi)發(fā)生兩次折射和一次反射。其中α為入射角，β為折射角。容易看到，角 D（α）就是最后的光線偏離原始方向的角度。

【圖像來(lái)源：plus.maths.org】

那如果一簇平行光線射入水珠又是什么情況呢？如下圖所示，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)水珠兩次折射后，一部分光線散射出去，還有一部分光線則非常密集地射向（大致的）同一方向。實(shí)際上 可以證明，下圖中越靠近紅線處的光線越密集，光強(qiáng)越大。這條紅線就被稱(chēng)作為彩虹線。

【圖像來(lái)源：plus.maths.org】

要確定這條彩虹線的位置也并不困難。仍然以紅光為例，前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，角 D（α）是最后的光線偏離原始方向的角度。通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)我們?nèi)菀椎玫剑?/p>

而根據(jù)折射定律，有

其中，是紅光在水中的折射率（1.33），將上式代入到 的表達(dá)式中，繪制 的函數(shù)圖象如下圖藍(lán)線所示。從函數(shù)圖中我們可以看到，當(dāng)入射角 α 范圍相等時(shí)（I 1 = I 2），最后的光線偏移量范圍 J 1 比 J 2 間隔更小，也就是說(shuō)入射角在 I 1 范圍內(nèi)的入射光線（入射光線是平行的，但由于水珠是球形，所以幾乎每條光線的入射角都不相等，而是在一個(gè)范圍內(nèi)），光線偏移量的范圍更小。即兩次折射后的光線更加密集，光強(qiáng)更大。

因此，D f（α）的最小值就對(duì)應(yīng)著彩虹線的位置。通過(guò)求導(dǎo)計(jì)算，當(dāng) α = 59.58° 時(shí)有最小值 D f(α)= 137.48°。因此，最終的折射光線和入射光線的夾角是 180°-137.48°= 42.52°。這正是笛卡爾尋找的 ∠DEM，也就是人眼對(duì)于彩虹的仰角，稱(chēng)為紅光的―彩虹角‖（Rainbow angle）。我們所看到的彩虹中紅色部分均來(lái)在這一角度附近。

【圖像來(lái)源：plus.maths.org】

當(dāng)以人的眼睛為頂點(diǎn)，把所有與平行入射光線成 42.52° 彩虹角的光束連接起來(lái)，就形成一個(gè)紅色的圓錐體。圓錐底面的圓弧就是彩虹。到這里，我們就成功解決了彩虹為什么是彎的這個(gè)讓無(wú)數(shù)人困惑的難題。

【所有滿足紅光彩虹角形成的紅色圓錐體.圖像來(lái)源：plus.maths.org】

另一方面，對(duì)紅光的分析還可以拓展到其它顏色的光線。這樣就可構(gòu)建出彩虹的完整的彩色外形。比如對(duì)紫光分析，由于其頻率比紅光高，折射率要高于紅光，所以能計(jì)算出其彩虹角為41.07°（取紫光在水中折射率為1.34）。這個(gè)值小于紅光，這正是為什么在彩虹中，紫色排在紅色下方的原因。

為什么中午很難看到彩虹 順帶一說(shuō)的是，你在中午幾乎看不到彩虹。因?yàn)閺纳厦娴氖疽鈭D我們可以看到，太陽(yáng)位于底面圓心（即彩虹的圓心）與人眼連線的延長(zhǎng)線上，這導(dǎo)致了彩虹不會(huì)出現(xiàn)在中午——太陽(yáng)越高，彩虹的圓心將越往地平線以下偏移，這使得彩虹整體下移。當(dāng)然如果從空中俯瞰的話，可以觀察到完整的圓形彩虹。如果沒(méi)有飛機(jī)，站在視野開(kāi)闊的高山之巔也有可能看到。

【彩虹不會(huì)出現(xiàn)在中午的原因。圖像截自：The Rainbow-Aristotle's Theory】

彩虹是七色的嗎？

說(shuō)完彩虹的形狀，不妨再說(shuō)說(shuō)彩虹的顏色。一種廣為流傳的說(shuō)法是彩虹由 7 種顏色組成。但事實(shí)上彩虹是一道由紅色到紫色的連續(xù)光譜（―光譜‖一詞最先由牛頓創(chuàng)造），并非真的只是由 7 種涇渭分明的顏色組成。1665 年牛頓在棱鏡實(shí)驗(yàn)中將可見(jiàn)光分為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫這 7 種顏色，實(shí)際是受到了來(lái)源于古希臘的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的影響。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派認(rèn)為數(shù)學(xué)是美的（比如他們搞出的―黃金分割‖），在禱文中他們認(rèn)為 1 是純潔的，4 是圣潔的，10 是萬(wàn)物之母，而數(shù)字 7 則象征著完美。在牛頓之前，―七原色‖（seven principal colours）的概念就已出現(xiàn)在中世紀(jì)的神秘主義和煉金術(shù)理論之中，并在文藝復(fù)興時(shí)期成為遵行的顏色理論。

由于不同顏色光的波長(zhǎng)都不相同，所以彩虹實(shí)際就是可見(jiàn)光的色散，介質(zhì)就是雨后天空中的水滴。人的眼睛可以感知的電磁波波長(zhǎng)一般在 400 到 700 納米之間，而這只占寬廣的電磁波譜的極小部分。

【可見(jiàn)光光譜。圖像來(lái)源：wikipedia.com】

多重彩虹和亞歷山大暗帶

雖然牛頓在對(duì)彩虹的研究中頗有發(fā)現(xiàn)，但是在對(duì)彩虹的進(jìn)一步闡釋中，由于牛頓深陷于光的粒子性理論之中，因此無(wú)法解釋―復(fù)虹‖（supernumerary rainbow，指有時(shí)在一條彩虹的內(nèi)部還可以看到幾條模糊的彩虹）的存在。

直到 1801 年，英國(guó)科學(xué)家托馬斯?楊意識(shí)到了光在一定條件下還具有波的性質(zhì)，并用雙縫實(shí)驗(yàn)給予了有力的證明。隨后（1804 年）他用―光的干涉‖理論完美解釋了復(fù)虹現(xiàn)象：當(dāng)兩條光束從同一個(gè)水滴沿相同方向散播出來(lái)的時(shí)候，它們彼此之間會(huì)發(fā)生干涉。若兩光束的光程相差半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，則到達(dá)觀察者的光強(qiáng)彼此削弱；若相差整數(shù)波長(zhǎng)，則光強(qiáng)相互增強(qiáng)。由此造成了一系列位于彩虹內(nèi)側(cè)的明暗相同的光帶。根據(jù)這一解釋?zhuān)D復(fù)虹‖又被稱(chēng)為―干涉虹‖。

【副虹。圖像來(lái)源：wikipedia.com】

在上文中我們分析的彩虹又可稱(chēng)為―主虹‖（primary rainbow）。在主虹上方，我們有時(shí)還能看到―副虹‖（secondary rainbow），也就是文章開(kāi)頭提到的亞里士多德觀察到的兩條形狀相同但顏色順序排列相反的彩虹的外一層，即我們常說(shuō)的―霓‖。虹是光在水滴內(nèi)經(jīng)過(guò)了兩次折射和一次反射的結(jié)果，霓的形成則比虹在水滴內(nèi)多經(jīng)歷了一次反射（就是笛卡爾描述彩虹怎樣形成示意圖中的紅色光線所示），導(dǎo)致它的顏色排布與虹的顏色排布順序相反。霓中不同顏色的光線的彩虹角約在 51°左右，所以它比虹顯得要高。在自然界中，我們最多能觀察到一條副虹，而更高階的副虹則可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段制得。

到這里，霓虹之間的―亞歷山大暗帶‖也可以得到解釋了：人眼所能捕捉的光線幾乎全部集中在彩虹線及以下處，而幾乎沒(méi)有或者很少有光線高于彩虹線射出，所以虹的上半部是是偏暗的。彩虹線以下射出的光束基本上都是混合了光譜的顏色，呈可見(jiàn)光白色，所以虹的內(nèi)部要更明亮。霓的分析與之相對(duì)，由此形成―亞歷山大黑帶‖（也就是仰角大約在 42°到 51°之間）。

【虹、霓和亞歷山大暗帶。圖像來(lái)源：wikipedia.com】

關(guān)于彩虹各種觀察現(xiàn)象的科學(xué)討論還有很多很多，曾經(jīng)還有人為之還出了一本書(shū)，書(shū)名為《彩虹橋：藝術(shù)、神話和科學(xué)中的彩虹》（The rainbow bridge: rainbows in art, myth, and science by Raymond L.Lee,Alistair B.Fraser）。本文只討論了彩虹現(xiàn)象其中極小的一部分，涉及到了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等知識(shí)。20 世紀(jì)的時(shí)候，還曾有科學(xué)家用電磁波理論、光子理論等對(duì)彩虹現(xiàn)象進(jìn)行更精確的描述。關(guān)于彩虹的更多有意思的科學(xué)話題，歡迎參看后面的參考文獻(xiàn)。

物理科普文章

第九篇 七大著名流星雨

流星雨通常與彗星有關(guān)，在距離太陽(yáng)較近時(shí)，彗星會(huì)受到其巨大引力和輻射的影響，噴發(fā)出大量的塵埃物質(zhì)，其中一部分塵埃物質(zhì)會(huì)遺留在軌道附近，形成一 個(gè)柱狀的塵埃帶。當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，穿過(guò)塵埃帶時(shí)，就會(huì)有流星雨出現(xiàn)。為我們帶來(lái)這個(gè)流星雨的彗星，就被稱(chēng)為母彗星。也有母體是小行星的流星雨。

相關(guān)概念：

輻射點(diǎn)：流星雨看起來(lái)像是流星從夜空中的一點(diǎn)迸發(fā)并墜落下來(lái)。這一點(diǎn)或這一小塊天區(qū)叫作流星雨的輻射點(diǎn)。通常以流星雨輻射點(diǎn)所在天區(qū)的星座給流星雨命名，以區(qū)別來(lái)自不同方向的流星雨。所有流星的反向延長(zhǎng)線都相交于輻射點(diǎn)，通過(guò)這一點(diǎn)可以在觀測(cè)時(shí)判斷看到的是否是群內(nèi)流星。

偶發(fā)流星：?jiǎn)蝹€(gè)出現(xiàn)的流星，在方向和時(shí)間上都很隨機(jī)，也無(wú)任何輻射點(diǎn)可言。

ZHR值：極大時(shí)極限星等為6.5等且輻射點(diǎn)在天頂時(shí)觀測(cè)者每小時(shí)看到的流星數(shù)

R值：代表同一流星群內(nèi)亮流星數(shù)目所占的比例，如果一個(gè)流星群的r值為3，那么某一星等的流星數(shù)量就是比它亮一個(gè)星等的流星的3倍。r值越小，亮流星所占比例也就越大。

流星暴雨：ZHR大于1000的流星雨。

七大著名流星雨

1.獅子座流星雨

獅子座流星雨在每年的11月14至21日左右出現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，流星的數(shù)目大約為每小時(shí)10至15顆，但平均每33至34年獅子座流星雨會(huì)出現(xiàn)一次高峰期，流星數(shù)目可超過(guò)每小時(shí)數(shù)千顆。這個(gè)現(xiàn)象與譚普-塔特而彗星的周期有關(guān)。流星雨產(chǎn)生時(shí)，流星看來(lái)會(huì)像由天空上某個(gè)特定的點(diǎn)發(fā)射出來(lái)，這個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為―輻射點(diǎn)‖，由于獅子座流星雨的輻射點(diǎn)位于獅子座，因而得名。

2.雙子座流星雨

雙子座流星雨在每年的12月13至14日左右出現(xiàn)，最高時(shí)流量可以達(dá)到每小時(shí)120顆，且流量極大的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)。雙子座流星雨源自小行星1983 TB，該小行星由IRAS衛(wèi)星在1983年發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家判斷其可能是―燃盡‖的彗星遺骸。雙子座流星雨輻射點(diǎn)位于雙子座，是著名的流星雨。

3.英仙座流星雨 英仙座流星雨每年固定在7月17日到8月24日這段時(shí)間出現(xiàn)，它不但數(shù)量多，而且?guī)缀鯊膩?lái)沒(méi)有在夏季星空中缺席過(guò)，是最適合非專(zhuān)業(yè)流星觀測(cè)者的流星雨，地 位列全年三大周期性流星雨之首。彗星Swift-Tuttle是英仙座流星雨之母，1992年該彗星通過(guò)近日點(diǎn)前后，英仙座流星雨大放異彩，流星數(shù)目達(dá)到 每小時(shí)400顆以上。

4.獵戶座流星雨

獵戶座流星雨有兩種，輻射點(diǎn)在參宿四附近的流星雨一般在每年的10月20日左右出現(xiàn)；輻射點(diǎn)在ν附近的流星雨則發(fā)生于10月15日到10月30日，極大日 在10月21日，我們常說(shuō)的獵戶座流星雨是后者，它是由著名的哈雷彗星造成的，哈雷彗星每76年就會(huì)回到太陽(yáng)系的核心區(qū)，散布在彗星軌道上的碎片，由于哈 雷彗星軌道與地球軌道有兩個(gè)相交點(diǎn)形成了著名的獵戶座流星雨和寶瓶座流星雨。

5.金牛座流星雨(南金牛座流星雨，北金牛座流星雨)

金牛座流星雨在每年的10月25日至11月25日左右出現(xiàn)，一般11月8日是其極大日，Encke彗星軌道上的碎片形成了該流星雨，極大日時(shí)平均每小時(shí)可觀測(cè)到五顆流星曳空而過(guò)，雖然其流量不大，但由于其周期穩(wěn)定，所以也是廣大天文愛(ài)好者熱衷的對(duì)象之一。

6.天龍座流星

天龍座流星雨在每年的10月6日至10日左右出現(xiàn)，極大日是10月8日，該流星雨是全年三大周期性流星雨之一，最高時(shí)流量可以達(dá)到每小時(shí)400顆。Giacobini-Zinner彗星是天龍座流星雨的本源。

7.天琴座流星雨

天琴座流星雨一般出現(xiàn)于每年的4月19日至23日，通常22日是極大日。該流星雨是我國(guó)最早記錄的流星雨，在古代典籍《春秋》中就有對(duì)其在公 元前687年大爆發(fā)的生動(dòng)記載。彗星1861 I的軌道碎片形成了天琴座流星雨，該流星雨作為全年三大周期性流星雨之一在天文學(xué)中也占有的極其重要的地位。

物理科普文章

第十篇 別把煤灰不當(dāng)寶貝 環(huán)保汽車(chē)或可由其提取物制造

除了制造水泥、磚塊，以及走向其最終的―墓地‖——垃圾填埋場(chǎng)之外，燃煤電廠排放出來(lái)的煤灰還有其他用途嗎？美國(guó)科學(xué)家表示，未來(lái)更輕便、更節(jié)能的環(huán)保汽車(chē)或許可由煤灰提取物來(lái)參與制造。另外，經(jīng)不起任何風(fēng)吹雨打的煤灰也能―化身‖為道路橋梁的―護(hù)身符‖，讓其包裹的鋼筋和水泥更堅(jiān)固，以抵擋歲月的侵襲。

橋梁道路的“護(hù)身符”

美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)3月30日?qǐng)?bào)道稱(chēng)，美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系教授查爾斯·卡拉赫在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)大會(huì)上表示，燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的煤灰能用來(lái)制造包裝材料，包裹美國(guó)道路和橋梁所使用的水泥，經(jīng)過(guò)―包裝‖的道路和水泥的壽命可以延長(zhǎng)幾十年。而且，這種材料的經(jīng)久耐用性是現(xiàn)有包裝材料的幾百倍，而成本則僅為其一半，因此，每年能為美國(guó)節(jié)省數(shù)千億美元。

卡拉赫解釋說(shuō)，美國(guó)450家左右的燃煤電廠每年大約產(chǎn)生1.3億噸煤灰。在與空氣污染有關(guān)的法律出現(xiàn)之前，無(wú)人會(huì)理會(huì)這些細(xì)微的、毫不起眼的煤灰，徑由它們從煙囪散逸入空氣中。現(xiàn)在，發(fā)電廠開(kāi)始收集這些煤灰。

―不過(guò)，收集起來(lái)的煤灰如何處理成為令很多人深感頭疼的問(wèn)題。‖卡拉赫說(shuō)，―有些煤灰確實(shí)被回收并重新利用，但70%的煤灰進(jìn)了垃圾填埋場(chǎng)。隨著土地不斷減少，垃圾填埋場(chǎng)也變得越來(lái)越稀缺而昂貴。我們的研究表明，煤灰等?廢物‘能變成極有價(jià)值的資源，它們可以包裹水泥，成為水泥的?護(hù)身符‘，減緩水泥因?yàn)闀r(shí)間流逝而出現(xiàn)的品質(zhì)下降乃至崩塌的速度。而且，這種包裝材料也可以修復(fù)受損的水泥。‖

卡拉赫表示，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測(cè)試表明，當(dāng)暴露在炎熱、寒冷、下雨和其他比實(shí)際環(huán)境還要惡劣的模擬環(huán)境中時(shí)，煤灰制成的這種包裝材料具有非凡的硬度和耐用性。例如，當(dāng)將其暴露在酸度達(dá)正常室外空氣中酸度一萬(wàn)倍的空氣中時(shí)，這些包裝材料可讓水泥的品質(zhì)維持在很高的水平，在一年的觀察期內(nèi)，受到這種保護(hù)的水泥堅(jiān)固如初并毫發(fā)無(wú)傷，而暴露在同樣的環(huán)境下的普通水泥幾天后就開(kāi)始弱不禁風(fēng)了。

卡拉赫說(shuō)，美國(guó)環(huán)保署公布的數(shù)據(jù)顯示，目前美國(guó)在修復(fù)、加固和替代家用廢水系統(tǒng)和飲用水系統(tǒng)中所用水泥方面的花費(fèi)高達(dá)1.3萬(wàn)億美元，而且很多項(xiàng)目必須要在2020年前完成，以避免可能會(huì)出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題和公共安全問(wèn)題；同時(shí)，修復(fù)和重建凹凸不平的水泥路和搖搖晃晃的橋梁需要幾千億美元。―因此，煤灰制成的這種包裝材料能延長(zhǎng)這些道路、橋梁和水系統(tǒng)的壽命，節(jié)省成本，同時(shí)解決煤灰的廢物處理問(wèn)題。‖卡拉赫如是強(qiáng)調(diào)。

未來(lái)輕型汽車(chē)的“血肉”

其他科學(xué)家也將關(guān)注的目光投向了煤灰，他們認(rèn)為，煤灰提取物可能會(huì)成為未來(lái)包括電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的更輕便、更節(jié)能車(chē)輛的―血肉‖。

據(jù)美國(guó)《科學(xué)美國(guó)人》3月28日?qǐng)?bào)道，紐約大學(xué)理工學(xué)院的教師尼基爾·古普塔博士在上周出版的《金屬雜志》上指出，他的研究小組正致力于研發(fā)一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)——用煤灰提取物做原材料，讓汽油或柴油動(dòng)力汽車(chē)―瘦身‖10%；至于電動(dòng)汽車(chē)，可以通過(guò)使其電池減重20%到30%來(lái)進(jìn)一步減輕其重量，由此增加它們持續(xù)工作的能力。

古普塔說(shuō)，可以將發(fā)電站產(chǎn)生的大量煤灰收集起來(lái)很好地加以利用，包括用來(lái)制造熱門(mén)的汽車(chē)等。古普塔指出，煤灰―變臉‖為輕型汽車(chē)原料的奧秘在于煤灰中含有一種叫做煤胞的微結(jié)構(gòu)，這是一種堅(jiān)固而中空的含泡結(jié)構(gòu)，是煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)品的一部分。這些副產(chǎn)品中，煤胞會(huì)漂浮在水上，而其他物質(zhì)則下沉，因此，可以用水將其從這些廢棄的副產(chǎn)品中分離出來(lái)。

用鎳、銅或任何其他合金或陶瓷材料給這些煤胞加上涂層就能制成一種超級(jí)堅(jiān)固但輕巧的材料，這種材料可以混合入很多金屬―體內(nèi)‖。古普塔和同事們估計(jì)，任何一片金屬中都可以添加60%以上的煤灰提取物，這一比例可以根據(jù)最終得到的部件所需要的彈性進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以在保持鋼鐵或鋁的強(qiáng)度的同時(shí)大大降低其重量。盡管這項(xiàng)技術(shù)有幾百種用途，但古普塔表示，重型車(chē)輛制造商和軍方可能最感興趣。

研究人員稱(chēng)，他們與威斯康星的制造企業(yè)合作，制造出了一些汽車(chē)的原型，證明這一方法的確可行。他們說(shuō)，讓標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)減重10%是―保守估計(jì)‖，因?yàn)槠?chē)技術(shù)人員或許能在制造中發(fā)現(xiàn)研究人員沒(méi)有想到的其他用途。

古普塔團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo)是進(jìn)軍電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，同汽車(chē)制造商以及電池制造商合作。該研究團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)將這種煤胞融入電池使用的鉛或者其他金屬內(nèi)，可以將電池的重量減少20%到30%甚至更多。電池是電動(dòng)汽車(chē)中最重的部分，削減電池的重量可以大幅減少汽車(chē)的重量，這樣，一次充電能讓汽車(chē)行駛更長(zhǎng)時(shí)間。而這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)并且成本低廉。

不過(guò)，古普塔也承認(rèn)，來(lái)自煤灰的煤胞的質(zhì)量無(wú)法預(yù)測(cè)是一個(gè)問(wèn)題。但在美國(guó)，每年發(fā)電站產(chǎn)生的大量煤灰提供了廉價(jià)、充足的材料供應(yīng)，人們可以從中挑選出最好的煤胞。(劉霞)

煤灰或有望用于制造環(huán)保汽車(chē)等大用途(新聞配圖)

第三篇：物理科普展策劃書(shū)

2011年物理科學(xué)學(xué)院

——物理科普展

策

劃

書(shū)

物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會(huì)

物理科學(xué)學(xué)院“物理科普展”策劃書(shū)

一、活動(dòng)組織單位：

主辦：物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會(huì)

二、活動(dòng)地點(diǎn)

八食廣場(chǎng)

三、活動(dòng)時(shí)間

2011年5月25日(周三)10:00——15:00

2011年5月26日(周四)10:00——15:00（具體時(shí)間依實(shí)際情況定）

四、活動(dòng)意義

物理科學(xué)學(xué)院“物理科普宣傳展”旨在讓廣大學(xué)子在對(duì)自身專(zhuān)業(yè)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)的同時(shí)，對(duì)科普知識(shí)也進(jìn)行一定的了解，豐富知識(shí)體系的同時(shí)，加強(qiáng)自身的鉆研精神。同時(shí)，豐富大學(xué)生的校園文化生活，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，豐富大學(xué)生的科普理念。展現(xiàn)物理科學(xué)學(xué)院的新風(fēng)貌，科研創(chuàng)新成果，教學(xué)成果。組織同學(xué)們參與其中，傳遞生活科普常識(shí)，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的物理。

五、準(zhǔn)備工作

（一）工作分組

1、記錄組

記錄整個(gè)活動(dòng)的進(jìn)程最后發(fā)到媒體；記錄整個(gè)活動(dòng)的物品使用情況

2、宣傳組

前期和活動(dòng)當(dāng)天的宣傳

3、后勤組

負(fù)責(zé)場(chǎng)地布置及購(gòu)買(mǎi)所需用品，服務(wù)于同學(xué)

（二）所需籌備物品

1、學(xué)院橫幅

2、展板*8

3、桌子*4

4、相機(jī)*1

5、帳篷*2

6、演示實(shí)驗(yàn)儀器

7、生活實(shí)驗(yàn)儀器

六、前期宣傳工作

1、制作海報(bào)若干張貼在各宿舍樓下，展板一張，提前兩天放置在二食前進(jìn)行宣傳；

2、活動(dòng)進(jìn)行前一天，在前往八食廣場(chǎng)的路上貼相應(yīng)的標(biāo)志； 標(biāo)志包括：

（1）寫(xiě)有活動(dòng)具體名稱(chēng)時(shí)間地點(diǎn)的紙質(zhì)箭頭，貼在樹(shù)上、墻上；（2）腳印，貼在地上（此項(xiàng)根據(jù)學(xué)校環(huán)衛(wèi)情況考慮）；

3、在團(tuán)員之家等校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)媒體發(fā)布信息公告；

4、在八食廣場(chǎng)的路上拉橫幅；

七、活動(dòng)流程

1、工作人員到場(chǎng)簽到，布置會(huì)場(chǎng)。

2、展示過(guò)程中維持秩序。

3、結(jié)束后清理會(huì)場(chǎng)。

八、具體活動(dòng)內(nèi)容

（一）活動(dòng)地圖

（二）展示內(nèi)容

1．物理生活科普知識(shí)展示

2．著名物理實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室展示 3．著名物理學(xué)家展示

4．教學(xué)科研成果展示（待定）5．物理實(shí)驗(yàn)區(qū)

（1）演示實(shí)驗(yàn)室儀器展示（2）物理生活小實(shí)驗(yàn)展示（3）其他待定

********************經(jīng)費(fèi)預(yù)算********************

宣傳費(fèi)用：橫幅50元

彩色紙版、彩筆、腳印狀貼紙50元

展示費(fèi)用：打印費(fèi)160元工作用水10活動(dòng)費(fèi)用共計(jì)需要約270元。

元物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會(huì)

第四篇：物理科普之電鍍

[科目]物理

[關(guān)鍵詞]物理科普/電鍍

[文件]wlkp42.doc

[標(biāo)題]電鍍

[內(nèi)容]

電 鍍

利用電解作用，在物件之表面鍍以一層金屬以防止生銹，并使部件美觀的加工工藝。電鍍時(shí)以被鍍之物件作為陰極，并以欲鍍金屬的鹽或酸溶液為電解質(zhì)，通以電流則溶液分解，金屬附著于物體表面。陽(yáng)極為欲鍍金屬逐漸被溶解，以保持溶液的濃度一定。用這種方法可以將各種金屬鍍?cè)谖矬w表面，在金、銀、鎳、鉻等金屬，不易生銹又比較光亮，所以很多機(jī)件和生活日用品往往都是電鍍件。電鍍時(shí)析出的金屬皆為結(jié)晶體，晶體越細(xì)越均勻越好。在通常電鍍工藝中的注意之點(diǎn)有：（1）電鍍時(shí)電鍍液里的金屬離子濃度越低越好。而液體中的金屬鹽濃度則大些為宜；（2）要有適當(dāng)?shù)奶砑觿砑由倭康拿髂z等膠狀物質(zhì)。此種物質(zhì)與金屬共同被陰極吸收，可使被電鍍的金屬結(jié)晶變小；（3）電流密度不宜過(guò)大，因?yàn)殡娏髅芏刃r(shí)結(jié)晶核的生成較遲，故結(jié)晶的成長(zhǎng)甚佳，電鍍比較均勻。電流密度過(guò)大結(jié)晶核多，各部分離子濃度不均勻，以致發(fā)生樹(shù)脂狀海綿狀等；（4）要攪拌使電鍍液均勻，以得到平滑的電鍍；（5）溫度要適當(dāng)高一點(diǎn)，因?yàn)闇囟雀呖梢允闺婂円簼舛仍龈撸蚨鴾p少含氫現(xiàn)象；（6）酸性不宜過(guò)強(qiáng)，否則生氫而妨礙電鍍；（7）電鍍前應(yīng)把金屬件的銼痕、生銹或油污等弄平滑和清洗干凈，再行電鍍。

第五篇：科普教案

成人教育《科普大課堂》教案

韓村鄉(xiāng)成人教育學(xué)校

郭

棟

科 普 大 課 堂

一、教學(xué)目標(biāo)

1．通過(guò)讀新聞、舉身邊事例形式引起家長(zhǎng)們對(duì)煤氣中毒安全的重視。讓家長(zhǎng)初步掌握一些煤氣安全知識(shí)，和急救技術(shù)，學(xué)會(huì)保護(hù)自己和周?chē)娜恕?/p>

2．知識(shí)競(jìng)答形式鞏固并拓展對(duì)“安全”知識(shí)的理解和運(yùn)用，培養(yǎng)各方面的能力。

3．形成學(xué)習(xí)、宣講安全知識(shí)的氛圍，培養(yǎng)家長(zhǎng)自我保護(hù)的意識(shí)和能力，為家人的安全健康打好基礎(chǔ)。

二、教學(xué)準(zhǔn)備

收集有關(guān)煤氣事故的新聞或身邊的生活例子。

三、教學(xué)過(guò)程 第一板塊：營(yíng)造氛圍 各位家長(zhǎng)下午好：

歡迎大家走進(jìn)科普大課堂。今天我們一起來(lái)談一談煤氣中毒。防煤氣中毒知識(shí)年年談，煤氣中毒事件年年有，我們先來(lái)看一組短訊。

2010年3月18日記者從我市幾大醫(yī)院了解到，連日陰冷的倒春寒天氣，使我市一氧化碳（煤氣）中毒者明顯增多，不少患者癥狀較重，甚至失去了寶貴的生命。

“今年春天我院收治的一氧化碳（煤氣）中毒患者比去年同期增加了一倍。”市第二醫(yī)院高壓氧室的醫(yī)生告訴記者，近一個(gè)月來(lái)，到二醫(yī)院高壓氧倉(cāng)治療的患者多達(dá)110多人，而去年同期只有50多人。

據(jù)252醫(yī)院高文月大夫介紹，2009年春節(jié)前后該院收治煤氣中毒患者144例，僅急診科就收治117例。這117例中市區(qū)患者占60%，主要是無(wú)集中供暖用戶、拆遷戶在屋內(nèi)生火取暖所造成的。

市急救中心的醫(yī)生告訴記者，從今年2月14日到3月14日，該院共收治一氧化碳（煤氣）中毒病人25例，其中3月13日一天就收治了4例。由于接診快、搶救及時(shí)，這些患者都安全出院。據(jù)醫(yī)護(hù)人員介紹，上述患

而且一些人對(duì)煤氣存在種種誤解。

1．只有燒煤才會(huì)引起中毒。凡屬含碳的燃料，如汽油、煤 油、木炭等，在缺氧而不能燃燒時(shí)，皆可產(chǎn)生大量的一氧化碳，因此也能引起煤氣中毒。

2．室內(nèi)沒(méi)有煤煙不會(huì)引起中毒。煤氣是一種無(wú)色、無(wú)味氣體，室內(nèi)沒(méi)有煤煙，不等于沒(méi)有煤氣。煤氣中毒是在不知不覺(jué)中發(fā)生的。

3．用濕煤封火或放一盆水不會(huì)引起煤氣中毒。其實(shí)，一氧化碳極難溶于水；而且水分和煤在高溫下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種叫水煤氣的混合氣體，內(nèi)含有大量一氧化碳，且比重大，更易在室內(nèi)彌存，增加中毒危險(xiǎn)性。

4．爐上烤棗核、橘皮能解煤毒。在煤爐上烤這些香型物質(zhì)，也只能增加室內(nèi)的清香味，并不能吸收煤氣和預(yù)防中毒。

5．裝設(shè)煙筒就不會(huì)煤氣中毒。其實(shí)遇大風(fēng)倒煙、煙筒被煙灰或其它東西堵塞等，煤氣排不出或排量少，大部分?jǐn)U散在室內(nèi)，也會(huì)發(fā)生煤氣中毒。

6．裝上風(fēng)斗就不會(huì)引起煤氣中毒。許多人家使用舊風(fēng)斗、或風(fēng)斗過(guò)小或安裝高度不夠。由于煤氣排出不暢，所以也能引起中毒。

7．門(mén)窗上有縫隙不會(huì)引起煤氣中毒。空氣比重為1，煤氣比重為0．967，室外空氣比煤氣重。如果門(mén)窗縫隙處于低處，煤氣便不易排出。因此門(mén)窗上有隙也可能發(fā)生煤氣中毒。

8．燒液化石油氣不會(huì)引起煤氣中毒。液化石油氣比空氣重，如果灶具漏氣，易在低處聚集，吸進(jìn)體內(nèi)也會(huì)發(fā)生煤氣中毒。

9．灌醋和灌酸菜湯能救中毒病人。對(duì)煤氣中毒的病人，尤其是處于昏迷狀態(tài)的病人，硬往嘴里灌醋或酸菜湯，容易嗆入肺內(nèi)，阻斷肺泡氣體交換，致使病情加重，甚至死亡。

10．煤氣中毒病人搶救過(guò)來(lái)就沒(méi)事了。煤氣中毒對(duì)人的肺、心、腦等器官的損害都很大。對(duì)搶救過(guò)來(lái)的病人如不繼續(xù)精心治療，很可能留下后遺癥。

11、急救中不是煤氣中毒患者凍一下會(huì)醒

一位母親發(fā)現(xiàn)兒子和兒媳中了煤氣，她迅速將兒子從被窩里拽出放在

覺(jué)和運(yùn)動(dòng)分離(即尚有思維，但不能行動(dòng))，癥狀較重者可出現(xiàn)嗜睡、昏迷，經(jīng)及時(shí)搶救，可較快清醒，一般無(wú)并發(fā)癥和后遺癥。

三重度中毒。此時(shí)中毒者多已神智不清，牙關(guān)緊閉，全身抽動(dòng)，大小便失禁，面色口唇現(xiàn)櫻紅色，呼吸、脈搏增快，血壓上升，心律不齊，肺部有羅音，體溫可能上升。極度危重者可持續(xù)深度昏迷，脈細(xì)弱，不規(guī)則呼吸，血壓下降，也可出現(xiàn)高熱40攝氏度，此時(shí)生命垂危，死亡率高。即使有幸未亡，也會(huì)遺留嚴(yán)重后遺癥。

預(yù)防措施：（1）要注意通風(fēng)：屋里生火爐、燒炕取暖時(shí)，不要把門(mén)窗糊得太嚴(yán)，要注意通風(fēng)換氣，在窗戶上向外糊個(gè)“風(fēng)斗”或留個(gè)通風(fēng)孔。

（2）防止煙道堵塞和漏氣：用炕爐或火墻取暖時(shí)，要經(jīng)常檢查煙道和煙囪，還要檢查炕縫、火墻縫，如果漏煙，要抹好，煙孔要勤掏。免得堵塞，使煤氣進(jìn)屋里。

（3）白天用的取暖水，晚上最好搬到外面。在生炭火盆或用煤球爐、蜂窩煤爐取暖時(shí)，一定要在屋外點(diǎn)好，等火著旺后再搬到屋里來(lái)，晚上睡覺(jué)前要搬到屋外去。

（4）取暖爐一定要裝煙筒：在屋內(nèi)用煤爐取暖時(shí)一定要安裝煙筒，煙筒接口要嚴(yán)，安裝煙筒時(shí)應(yīng)注意風(fēng)向，不要讓風(fēng)把煤氣吹回室內(nèi)。同時(shí)要經(jīng)常檢查煙筒，如有裂縫、破損的地方，要及時(shí)修補(bǔ)好。

（5）晚上睡覺(jué)時(shí)，最好不要封火：如果要封火，煤不要壓得太多，防止把煙道堵死，發(fā)生中毒。

（6）鄰居之間，每天早晚要互相照應(yīng)，一旦發(fā)生中毒，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)搶救。

第三板塊：救治階段

出現(xiàn)了煤氣（一氧化碳）中毒可采取哪些自救措施？

萬(wàn)一有人發(fā)生了煤氣中毒，應(yīng)當(dāng)趕快搶救。要把門(mén)窗打開(kāi)，通風(fēng)換氣，并把病人抬到新鮮的地方，讓病人平躺下，解開(kāi)衣扣和褲帶，蓋好被子，防止著涼。對(duì)中毒較輕的病人，可以讓他喝些濃茶，鮮蘿卜汁和綠豆湯等。對(duì)呼吸衰竭或呼吸停止的病人，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行人工呼吸，還可以針炙，針炙時(shí)可刺入人中、足三里、十宣等穴位。中毒嚴(yán)重的要立即送醫(yī)院搶救治-