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第13章 踏遍物理世界(7)

当时不止奥斯特一个人猜想电和磁可能有联系,还有许多科学家,包括安培(就 是用他的名字作为电流单位名称的那位安培),也都想到了这一点。所以当奥斯特的 实验结果一公开发表,就引发了一阵研究电流的磁作用的热潮,进一步得出了电流产 生磁场的定量的规律,对磁铁为什么有磁性也得到了解释。

73.算算你家每月的电费

现在家家户户都用电,每月都必须缴电费。现在你可以明白了,你家用”电“的 多少,实际上不是”电荷“的多少,也不是”电流“的多少,而是”电能“的多少。 电费的多少是根据装在家门口的电能表指出的数字来计算的。电能表以前叫电度表。 每月末看一看上面显示的数字,这一月的数字减去上一月的数字就是你家这一月使用 电能的多少。电能是以”度“作单位的,准确的说叫”千瓦时“.1千瓦时就是1”度 “.

这”千瓦时“是什么意思呢?

先说”瓦“.家用灯泡的亮度不同,看书用的灯泡亮些,可用60瓦或40瓦的,过 道的灯泡可以暗些,15瓦或更小就可以了。亮的瓦数大,暗的瓦数小。什么是1”瓦 “呢?

原来,灯泡的亮度不同,说明同样时间内灯泡所消耗的电能多少不同,亮的消耗 的电能多,暗的消耗的电能少。1秒钟内用电器使用的电能的多少叫电功率。”瓦“ 就是电功率的量度单位,1秒钟使用1焦的电能叫1瓦。40瓦的灯泡,1秒钟消耗40焦电 能。500瓦的电熨斗1秒钟消耗500焦的电能。10千瓦的电动机1秒钟要消耗10000焦的 电能。

60瓦的灯泡使用1小时,就要消耗21600焦的电能。实用上,为便于计算,并不这 样算,而是把功率的千瓦数和时间的小时数直接乘起来得出消耗的电能。这样计算的 电能自然就以”千瓦时“作单位了,例如,60瓦的灯泡的电功率是0.06千瓦,使用1 小时消耗的电能就是0.06千瓦时。一晚上共用了3小时,消耗的电能就是0.18千瓦时 .把你家每个用电器(包括电灯、电视、电冰箱、微波炉等等)的电功率(以千瓦计 )乘上它们各用的小时数,就得出各自实际消耗的千瓦时数。这些数字每月的总和都 由你家的电能表自动记录下来了,你家就要按这个数字缴纳电费。

74.利用超导加快车速

先看一个实验,在一个用超导体做的盘(当然是在低温下)上方放一个小磁铁, 小磁铁会悬在空中而不落下。这一超导磁悬浮现象和电磁感应有关。原来,当小磁铁 靠近超导盘的过程中,超导体附近磁场就发生变化。由于电磁感应就在超导体的表面 感应出了电流。这电流产生的磁场对小磁铁的两极有向上的推力作用就把小磁铁托了 起来。超导盘中的电流因没有电阻而流动不止,小磁铁也就悬着不掉下来了。

超导磁悬浮现象被用到制造磁悬浮列车。这种列车的车厢靠磁力悬浮在轨道上, 和轨道没有接触。这就减少了列车所受的摩擦力而大大提高了行车速度。日本、德国 和美国都在开展这方面的研究工作,其中日本的磁悬浮列车曾达到每小时500公里的 速度,是目前一般快车速度的4到5倍。从北京到天津目前要1小时多一点的时间,如 果改成磁悬浮列车,只需要十几分钟就行了。磁悬浮列车将对短途旅行带来极大的方 便。由于超导体的制造和维持以及驱动等方面的技术困难,目前这种列车还在试验研 究中。将来可望获得实际的建造与运行。

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目前,科学家正在做这方面的实验,有的已制成了试验用的超导体输电线。由于 超导体可以通过很大的电流,所以可以做得比较细,可以敷设到地下管道中,这就大 大简化了输电设备的结构。还有,由于超导体可以通过很大的电流而不发热,不必升 高电压就可以直接用大电流输电。这样就可以省掉现今输电使用的大大小小的变压器 以及高压铁塔。这该是多大的节省呀!

75.镜子告诉我们

光的世界是个光怪陆离五彩缤纷的世界。如果说,我们今天的生活离不开电,那 么,从古到今,地球上的一切生命从不具有单细胞结构的原始生命,到最简单的单细 胞生物,直到最聪明最有本领的人类,都离不开光。这是因为,直到今天,在地球上 ,除原子核能和地热能以外,几乎所有能源都来自太阳光。动物的食物直接间接来自 植物,而植物只有在阳光的照射下,吸收太阳光的能量才能把二氧化碳和水合成自己 的养分而不断生长。我们日常用的电能是由火力发电厂或水力发电厂供给的。火力发 电厂要用煤和石油做燃料。煤和石油是几百万年前繁茂的植物埋在地下演变成的,这 些植物的生长都离不开太阳光。水力发电厂靠的是水库中水的能量。水的来源是雨水 ,雨水是从天上云中掉下来的,云是江河湖海的水蒸发而形成的,而水的蒸发就是太 阳光晒的结果。所以我们用的电归根到底是来自太阳光的。光对我们,对整个生物界 是多么重要啊!没有光,就没有我们,没有整个生气勃勃的自然界!

76.潜望镜与万花筒

现代潜水艇上也安装着利用两面镜子反射的装置。它的两面镜子装在一个高筒的 两端,上端露出水面,下端就在潜水艇内部。这样,水兵潜在水面以下时也可以看到 水面上的情况了。这个两面镜子组成的装置就叫潜望镜。

你玩过万花筒吗?它是一个纸筒,一端开有一个小孔,你拿着它放到眼前,从小 孔向里看时,可以看到里面花花绿绿十分好看。里面的图像是由六幅完全相同的图象 拼成的。你把纸筒一晃,图形就换了花样,仍是六幅完全相同的图像拼成的。这是怎 么回事呢?你如果打开圆筒就会看到里面不过是装了两面镜子,镜面夹角是60度,镜 面夹角内放了一些彩色玻璃碎块。你看到的图象就是这两面镜子成像的结果。左面镜 子内有右面镜子的像,这像里又有左面镜子在右面镜子里的像。这样像套像就产生了 几幅彩色玻璃碎块的同样的像。镜子之间夹角是60度,一圈是360°,根据光的反射 定律,两面镜子就能产生六幅同样的像,构成一幅六边形图案。晃动纸筒,玻璃碎块 的排布就会改变,那六幅图像也就换了花样了。

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唐代有的和尚讲经时,常取十面镜子,八方,上下各置一镜,使它们相对排列, 中间放置佛像,用火炬照明,通过各面镜子的反射就可以看到许多佛像和火炬,使人 感到好像进入了神奇无比的幻境,以此论证从人间凡世进入极乐世界的佛经理论。这 是巧妙地利用了光的反射定律,小朋友,别被谎言迷惑哟!

77.观察物体的真假虚实

电子波的一个重要的实际应用就是电子显微镜。前面曾介绍过显微镜是用来观察 物体的细微结构的。在讲光的衍射时又说过由于光的衍射,光学显微镜显示物体细微 结构的本领受到了限制,使得光学显微镜的放大倍数受到了限制,最大为1400倍。我 们知道,衍射的明显与否是和波长有关的。波长越短,衍射越不显著,越可以看清楚 物体结构的更细微的部分。那用波长更短的波代替光不是可以提高显微镜的放大倍数 了吗?是的,电子显微镜正是根据这一思想设计制造的。

在电子显微镜中照射被观察物体的电子波是电场加速电子而产生的。一般电子显 微镜中加速电子的电压有几万到几十万伏。相应的电子波的波长约10-12米,这只是 可见光的波长的十万分之一。因此,就能大大减弱衍射而显示物体的非常细微的结构 .这可以使电子显微镜的放大倍数达到几万到几十万倍。目前有的电子显微镜已可以 拍出清晰的分子中原子排列情况的照片。这给人们研究物质结构,开发新型材料,研 究生物细胞内部组成等等带来多大的方便呵!

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光学显微镜中要用透镜来会聚光线成像,有物镜,有目镜。电子显微镜中也有目 镜和物镜,不过它们不是用玻璃做的,而是用线圈做的。使用电子显微镜时就向这些 线圈中通电流,使线圈内部产生磁场。电子流,也就是电子波,通过这磁场时就受磁 场力改变运动方向而会聚或发散。这和光通过玻璃透镜时因折射改变运动方向而会聚 或发散类似。这种产生磁场的线圈因而就叫磁透镜。

78.电光一家

在无线电广播或电视的发射和接收时,发射台的振荡电流产生电磁波,这电磁波 在接收器内产生电流而被接收。可见发射台的电荷(在振荡电流中的)是通过电磁波 ,或说是光子,对接收机的电荷发生作用的。

人眼看见物体是物体发的光对人眼内视网膜刺激的结果。物体发光是物体原子内 的电子能级发生变化发出的。视网膜也是原子组成的。视网膜受刺激实际上是视网膜 的原子内的电子受光的作用的表现。因此由人看见物体这件事说明物体的电荷也是通 过光子,或说电磁波对视网膜内的电荷发生作用的。

上两例中,通过光子,或说电磁波,发生相互作用的电荷都是运动的。现代理论 说明即使不运动的电荷,即静止的电荷之间的作用,包括同电相斥异电相吸这样的作 用也都是光子传递时产生的。光子在两电荷间来回传递的吸引力或排斥力就表现为电 场力。

一方面,光子和电磁波本是一个东西;另一方面光子又是传递电荷间相互作用的 媒介。所以说,电和光是紧密联系而不可分的,谁也离不开谁。电光本是一家。小实 验

实验一:巧用铁丝做放大镜

1.找一段铁丝,在钉子上绕一圈,做成一个小铁丝环。

2.把铁丝环在水里蘸一下,使环上面形成了一层水膜。

3.通过水膜看看书上的字,会有和放大镜同样的效果。

4.晚上,小博士放学回家,在路灯下经过,现在请你猜猜小博士的影子会按照A 、B、C三条线中的哪一条移动?

答案:很多人会答C,其实答案是B.小朋友可以亲自到路灯下走一次看看。

实验二:顺风行船之一

1.每个人都喜欢操纵帆船,特别是在有风的日子里。假如在20千米/小时的风速 中,你张开了满帆在静水里顺风而驶,那么你预期能达到的最大速度为:

a)接近20千米/小时;

b)介于20千米/小时和40千米/小时之间;

c)在理论上速度不受限制。

答案:a.如果水的阻力为零,那么你所能达到的速度也只能是风速,即使这样, 船也不可能比风走得更快。为什么?因为如果船走得和风一样快,那么空气对帆就不 再会有任何的推力,帆将会松弛而失去作用,正如同在无风的日子一样。当船以风速 行驶时,相对于帆也就没有风了。

2.用两支塑料管分别吹一个大肥皂泡和一个小肥皂泡,再用一支塑料管把它们接 在一起,中间用夹子夹住。现在,把夹子打开,请你猜狭这两个肥皂泡会怎样变化?

答案:大的变得更大,小的变得更小。

实验三:顺风行船之二

1.你又一次驾帆船顺风而下,这一次你将帆转一角度使之不再与船的龙骨成90° 角。这样做将会使:

a)船速减小;

b)船速增加;

c)对船速无影响。

答案:a.有两个原因。首先,当帆位于倾斜位置时,所兜住的风少了,从而风对 帆的推力也小了。第二,风的推力的方向并不是船行进的方向。我们发现任何流体, 无论是气体还是液体,不论在何时,总是相互作用于一平面,且相互作用力总是垂直 于该平面的。如图所示,表示该力的矢量箭头与帆面成90°,这个矢量小于前题中的 值。因风力有

2.天上突然降下暴雨,小博士急忙打开伞往家里跑,可是他很想知道雨点是什么 形状的,现在请小朋友来告诉他吧?

答案:很多小朋友都会选①吧,因为童话书里经常把雨点画成这个形状。其实雨 点下落的速度非常快,空气的阻力使它变成扁平的形状,所以答案应该是③。

实验四:哪种接法比较亮

答案:③、④、⑥比较亮。在两支试管里分别加入等量的水和冰,然后用酒精灯 和蜡烛按照图中的方法加热,请你猜猜哪一支试管里的冰会先融化呢?

答案:蜡烛的火焰虽然温度比酒精灯低,可是因为是加热试管的底部,冷热水形 成对流,所以很快使冰块融化了。用酒精灯在试管的上部加热,下面的水不会变热, 冰块融化得很慢。

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