文章来源：中科院物理所
原文作者：Frions

都说猫猫是液体
能柔软地适应各种姿态
那么它是牛顿流体
还是非牛顿流体？

Q1

为什么在天气寒冷时电动车总是耗电特别快呢？

by struggle

答：

小伙伴你好！确实，冬天的时候各种电池耗电量都特别快，比如电动车电瓶还有小编的手机电池😭来了北京之后感觉这种现象比南方明显好多。

这种现象主要是冬天的低温抑制了电池反应活性造成的。电动车的电池一般是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池主要由电极、隔板和电解液构成。正极是内含氧化铅的合金隔板，负极是内含海绵状铅的合金隔板，而电解液则是负责传导电子的硫酸。在冬天，温度降低会导致电解液中硫酸氢离子的电解度大大降低，从而降低反应速率。此外，低温还会导致负极板上的海绵状铅变为硫酸铅晶粒。这些晶粒会堵塞隔板上的孔洞，从而降低铅版的利用率，影响电池的蓄电能力。

铅酸蓄电池内部结构示意图 图源网络

by chen

Q.E.D.

Q2

关于无线电短波和长波在人类通信上的作用以及区别

by 某浙江高三生

答：

1.由于长波、短波都属于电磁波，所以首先解释一下电磁波。电磁波是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。

电磁波图 图源：百度百科

2.长波是指频率为100—300KHz，相应波长为3～1km范围内的电磁波。长波通信主要用地波形式传播。沿着地球表面传播的电磁波叫做地波形式传播，也叫表面波传播。

长波通信距离长，传输衰减小，穿透海水和土壤的能力强，多用于海上，水下，地下通信。

地波图 图源：百度百科

3.短波通信是波长在100米～10米之间，频率范围3～30MHz的一种无线电通信技术。短波通信主要利用电离层反射传播，传播距离环绕地球。电波通过高层大气的电离层进行折射或反射而回到地面达到远距离通信（天波传播方式），也可以通过地波传播实现近距离传播，就是无线电短波通信。

短波通信设备简单，不需要接力进行中续，对于自然灾害的抗毁性强。短波通信可以传送电报，低速数据和语音广播等多种信息，在防汛救灾，海难救援等方面也有着重要应用。

电波向天空辐射到达电离层中继续折射返回地面为天波传播方式。

天波图 图源：百度百科

参考资料：

[1]电磁波

[2]无线电通信中短波特点与作用(全文)

[3]长波通信-详解

by 扫地僧

Q.E.D.

Q3

非牛顿液体是什么道理？

by 曾经被选上过十几次的粉丝

答：

上帝说：“要有非牛顿流体。”，于是猫猫：“你叫我喵？😻”

猫，一种非牛顿流体

咳咳，言归正传，非牛顿流体，顾名思义，自然是一种不是牛顿流体的流体。牛顿流体通常被定义为服从广义牛顿公式的流体：

其中，μ和λ分别称为第一粘性系数和第二粘性系数，p称为静压。所以非牛顿流体就是一种不能被上述广义牛顿公式所描述的一类复杂流体的总称。其可以大致按照如下方式进行分类：

而其更是体现出十分有趣的物理特性，例如，爬杆效应：

在一只盛有黏弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆。对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面将呈凹形(如图a)；而对于黏弹性流体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形(如图b)。爬杆效应也称为Weissenberg效应。

而非牛顿流体也更是被广泛应用于生活中的各种事物中，例如，轻功水上漂😎：（实际上是剪切增稠效应）

非牛顿流体：不止一面👻

而对于猫猫的非牛顿流体研究，甚至获得了搞笑诺贝尔奖！（这篇文章Fardin M A. On the rheology of cats. Rheology Bulletin, 2014, 38(2):16-17,30.）

2017年，第27个“第一届”搞笑诺贝尔奖

是不是感觉难以置信？猫猫：“反正我是信了，这就给你表演个Weissenberg效应😼”

猫的爬杆效应(也即Weissenberg效应)

啊~多么美妙的非牛顿流体啊，多么美妙的猫猫啊，不妨让我们再次回味一下Fardin文章的第一句话[1]：

万物皆流，无物常驻...

怎么样，是不是想到孔子说过，“逝者如斯夫，不舍昼夜...”😛？

参考资料：

[1]Fardin M A. On the rheology of cats. Rheology Bulletin, 2014, 38(2):16-17,30

by Callo

Q.E.D.

Q4

爆炸是怎样的能量形式？它为什么会摧毁附近的物体？

by 开朗的网友

答：

爆炸是一种在极短时间内释放出大量能量，并伴随着高温高压和大量气体生成的行为。爆炸对周围物体的破坏作用，很大程度上是通过爆炸体系内部的大量高压气体和气体介质的作用来实现的，简而言之，就是通过冲击波的形式造成破坏。

爆炸有多种类型，比较常见的有物理爆炸、化学爆炸以及核爆炸。不同的爆炸类型伴随着不同的能量释放类型。物理爆炸是物理变化引起的，是体系内部积蓄的机械能（高压气体等）的突然释放，通常以冲击波和爆炸飞溅物的形式释放能量，例如锅炉爆炸，火山喷发等。而化学爆炸则是将化学能转化为机械能，通常以冲击波和高温火球的形式释放能量。而核爆炸除了冲击波、火球外，还有多种高能粒子辐射。

可以看出，对于不同种类的爆炸，冲击波是其共同特征。爆炸发生时，体系内部的大量高压气体会和周围的空气介质产生巨大的压力突变。这种压力突变会导致空气的压强、温度等发生巨大的变化，并会在介质中传播。冲击波会以高速从爆炸中心向四周传播，对周围的物体施加极高的压强来造成破坏。相应的，如果在高真空（比如太空坏境）中发生爆炸时，由于缺少气体介质的存在，冲击波的杀伤力会大打折扣。因此，在很多的科幻小说中，太空舰队往往会减少使用核弹这类高度依赖爆炸冲击波毁伤的武器。

by chen

Q.E.D.

Q5

我们知道，氢弹爆炸会释放出极大的能量，并发出极其巨大的声音。太阳每时每刻也在进行着核聚变，释放的能量也是超大的。如果太阳周围存在能传播声音的介质，我们是否能听到太阳的声音？这声音大概有多大？by 匿名

答：

看到这个题目，我不禁想起物理学家费米的一则轶事。1945年7月16日，世界上第一颗原子弹成功引爆40秒后，爆炸产生的冲击波传到了16公里外的实验中心。此时，费米在空中撒了一把纸片，通过纸片被冲击波吹飞的距离，估算出原子弹的当量为1万吨TNT，而仪器测得的爆炸当量为2万吨，估算的结果可以说是很接近了。

费米到底是怎么估算的？他并没有亲自解释过，不过后人倒是想出了一些估算方法，这里举一例。当时费米测验了爆炸前环境无风，冲击波到达时，纸片从6英尺高(按1.8米计，竖直下落估计用时0.6秒)下落，水平移动了2.5米，说明此时冲击导致的风速大概在4m/s。而冲击波从爆炸中心到实验中心的速度又有16公里÷40秒=400m/s。

接下来就要靠大胆的物理直觉了。爆炸的辐射照度（也就是单位接收面积所接收到的功率）应该具有能量÷（面积×时间）的量纲，也就是。如果密度的空气被加速，我们自然会想到单位体积的空气会有的能量密度，它的量纲是，之间刚好差，也就是速度的量纲。所以不妨就设辐射照度为。

再假设冲击波为半球面，半径自然是那16公里，不过再考虑到冲击波的高度不可能直插16公里高的云霄，那么把面积缩减约为的量级。再假设冲击波能完整地持续时间秒，那么爆炸当量可估算成

吨当量

嗯，虽然过程极其粗糙，忽略了热能辐射能忽略了空气压缩等等，但这套方案看起来比费米当年的估算还准。现在套入太阳，太阳的聚变功率，假设传播声音的介质是空气，并假设球面冲击波的传播速度不变，日地距离，那么产生的风速会是

相当于二级风力，你大概会觉得“天朗气清，惠风和畅，信可乐也”。至于声音？最多就是一只蚊子在你一米外嗡嗡的响度吧。

by 牧羊

Q.E.D.

Q6

土一般是由那些分子组成的？

by Aimin

答：

直接列举土壤的化学成分是很困难的，因此不妨先建立对于土壤物质组成的整体概念。土壤整体上是由固相和孔隙两部分组成的。其中固相称为土壤基质，约占总体积的50%，包含矿物质（约45%）和有机质（约5%）。孔隙被土壤气体或土壤水分占据，二者的体积占比大体相当，然而在不同的具体情况下二者的占比可能有较大差异。

图1 粉（砂）壤土的成分占比示意 | 图片源自【3】

土壤的结构是分层的，称为各个土层。从上到下一般可分为有机质层（O，又称腐殖质层）、表土层（A）、底土层（B）、风化层（C）和基岩层（R）。有机质层上部多为尚未分解的枯枝落叶，而下部可能已经经过强烈分解。表土层含有最多的有机质和微生物，且由于风化形成并积累了氧化物（主要是氧化铁）和粘土矿物。底土层的有机质通常比表土层少，因此其颜色主要来源于铁氧化物。风化层是刚风化岩石层，含有丰富的矿物质，如。基岩顾名思义是难以挖掘的坚硬岩石。

图2 土壤的分层结构 | 图片源自【1】

具体来讲，土壤矿物按照颗粒从大到小可以分为沙子（sand）、淤泥（silt）和粘土（clay）三种。

图3 各种类型的沙子 | 图片源自【4】

沙子直径范围从 0.0625 毫米到 2 毫米不等，其成分也千差万别。内陆大陆环境和非热带沿海环境中，沙子最常见的成分是二氧化硅（）。然而在不同的地域，沙子还可能含有珊瑚和贝壳碎片（）、长石（硅酸铝）、磁铁矿（）、绿泥石（铁镁铝硅酸盐）、海绿石（铁钾硅酸盐）、橄榄石（镁铁硅酸盐）或石膏（）等。

图4 山西大同附近的黄土地 | 图片源自【6】

淤泥的直径范围约为4至62微米，其主要成分也是石英。我国黄土高原或中亚、欧洲等地的黄土地就含有大量的淤泥成分，主要粒径在20至50微米。

图5 高岭土矿

粘土的颗粒更小，一般认为其直径约1-2微米。其主要成分为含水层状硅铝酸盐，如高岭土（）。

图6 土壤中常见的离子形态 | 图片源自【3】

土壤中的气体成分与大气有一定的差异，比如其中的含量为大气浓度（0.04%）的10-100倍。土壤大气也是各种土壤生物排放氮氧化物及其他挥发物质的场所。此外，在土壤中（包括溶解在水分中的）含有丰富的离子形式的营养物质，可以作为植物生长不可或缺的养分。

图7 植物残体成分的典型类型及占比 | 图片源自【3】

关于有机质，土壤中有大量活体的生物和一些残体形式存在的有机物质。典型土壤的活体生物量组成为 70% 的微生物、22% 的大型动物和 8% 的根系。而植物残体等可以含有纤维素、蛋白质等丰富的有机物质。可见土壤的成分十分复杂。

参考资料：

[1]土层 - 维基百科，自由的百科全书

[2]Soil Basics | Soil Science Society of America

[3]Soil

[4]Sand

[5]Silt

[6]Loess

[7]土壤的物质组成

by 云开叶落

Q.E.D.

Q7

既然说磁感线都是闭合曲线，那对于条形磁铁处在正中间延长到无限远的那条磁感线呢？不就不闭合了吗？by 匿名

答：

所谓“磁感线是闭合曲线”，实际是描述磁场无源的特征，对应于麦克斯韦方程中数学公式: 。如果换用中学的语言，磁感线只是描述磁场分布的虚构符号，只不过可以用它的疏密和方向代表磁场的大小和方向。可以画这样一条在正中间的特殊磁感线，也可以不画，画不画没有任何区别。你可以认为这条磁感线在无穷远处与另一磁极发出的对应磁感线相接。如果你的老师有其他能够自圆其说的说法，那也可以接受。

多说一句，磁感线的画法与磁场的大小没有任何关系。即使条形磁铁“存在”这样一条正中间延伸到无限远的磁感线，但是对于小电流环（条形磁铁可以视作许多小电流环叠放），磁场的法向分量按z的负三次方衰减 ，很快就会衰减到零。

by 藏痴

Q.E.D.

Q8

在物理学中，观测到底是什么样的一种行为？特别是在量子力学中，观测为什么能对微观粒子的状态造成影响？by 展金鳞

答：

在十几年前哥本哈根诠释还当道的时候，以Bohr为首的量子力学先驱们对测量这一行为的具体过程几乎是拒绝进行讨论的。在哥本哈根诠释里，观测几乎成了一种“鬼魅”的、超现实的东西，量子力学以奇妙的方式确保了观测可以瞬间让波函数超距坍塌，光是这个特点就已经让物理学家难以用常规思维理解了。

而量子力学测量理论的发展，以一定程度上抛弃哥本哈根诠释为起点。现代量子力学理论告诉我们，测量还是要通过相互作用实现。我们要想测量一个量子的磁针的指向，第一步，就必须要再搞一个（仪器）系统与它发生相互作用，之后（第二步）再从这个（仪器）系统中读取出数值。所以，问题并不是”为什么测量能对粒子微观状态产生影响“，而是”测量这个行为本身就必须依赖对微观粒子状态产生影响“。

而测量实现的第二步，目前看来还留有很大争议。量子系统的不确定性通过相互作用转移到（仪器）系统中后，看起来仪器应该也处于”量子态叠加“，这好像意味着宏观量子态的存在——这是不可能的，宏观的系统一定是经典的。那最终这个（仪器）系统的叠加态是如何坍塌到宏观层面上确定的状态，也就是一个经典的读数呢？这就涉及到关于多世界诠释之类的，暂时还无法实验证明的理论了。

by Luna

Q.E.D.

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编辑：木心