光的慢动作
原理:2014年12月4日的《自然》以封面文章刊登了目前世界上最快的只接收(receive-only)2D 超高速摄像机,它的拍摄帧数达到了1000 亿帧/秒,即10皮秒1帧(作为参考,真空中的光在 10 皮秒内走过的距离约为 3 毫米)。上图就是通过这种摄像机拍摄的激光脉冲被镜面反射的过程,整个过程实际只经历了 300 皮秒。为了显示光的轨迹,研究者利用干冰制造了白雾,我们观察到的实际是散射光。
危险:对一般人不构成安全威胁,同时也是生活中完全没有机会观察到的现象……能够追上光速的摄像技术将再次推进基础物理学的研究发展。
声波悬浮
原理:声音具有能量,高声强的声波具有非线性效应,这一效应可对声场中的物体产生压差,将轻小物体悬浮在声波驻波的波节附近。上图中的这次实验在上下左右都设置了超声波相控阵列,从而实现了对物体的三维移动。
花絮:在原视频中,来自日本的研究者们还用这种装置悬浮了钉子君、螺母君、火柴君、电阻君、二极管君和肥皂泡君……够啦快放人家下来!声悬浮还有更多应用场合,例如利用它可以使液滴脱离容器的影响,由此便可以制备深度过冷的液体,并更好地控制晶体形成的过程。
危险:较低。不过,假如硬要造出声场极强的设备来悬浮人类,则有可能造成人体爆炸或严重的内出血……
隐形球
原理:让球隐身的关键在于相似的折射率。这里的小球是高吸水性材料,它们的吸水性实在太强,以至于吸满水时的折射率已经和纯水没有多大差别,因此当浸入水中时,它们自然就与背景融为一体了。
花絮:事实上,只要调配一种折射率合适的液体,用同样的方法也可以让玻璃棒消失不见。植物油+婴儿油就是一种可行的方案。
危险:很低。这些高吸水性材料广泛地应用在生活用品中,只要避免误食、误吸,就不会有什么危险。
神奇的小球
原理:卡车上射出的炮弹到底是运动还是静止的?这取决于你选择的参考系。这是《流言终结者》节目中进行的一个经典的实验:在一辆时速60英里的卡车上向正后方以时速60英里发射一颗“炮弹”。在运动参考系的速度远低于光速的情况下,速度的合成按照伽利略变换,即对地速度 = 对车速度 + 车速,因此若车速和炮弹的出膛速度相反,炮弹君便会被无辜地遗弃在原地。
花絮:在地面参考系看来,开炮后炮弹的动能反而减少了,这是因为火药爆炸的能量提供给车加速了。
危险:中低。炮弹比较难找。
活塞打火
原理:这是一种引火装置,在其中放入小片的引火物,并快速地压下活塞即可引燃。这可以看作是气体绝热压缩的过程,根据理想气体状态方程,绝热过程满足 TV(γ-1)=常数,也就是说,随着体积V的压缩,温度T会随之上升。空气的比热容比γ≈1.4,如果将空气的体积压缩为原来的1/5,则温度会升高到原来的2倍左右。假设室温为300K(26.85℃),2倍就是600K,即300℃以上。这一温度足以点燃很多常见易燃物,例如动图中的棉絮。
花絮:点燃之后要迅速把活塞抽出,以免火种因为氧气耗尽而熄灭。
危险:低。打火活塞是一种相对安全的引火方法,它在野外也很实用。注意不要用火棉(gun cotton)或气体燃料来引火,否则活塞可能会被猛喷出来。
锡疫
原理:你有没有听过一个“锡纽扣在严寒中变成粉末”的故事?这张动图呈现的就是这个过程。随着温度的降低,银白色的金属锡会逐渐转化成另外一种同素异形体——不具有金属特性的灰锡粉末。这个过程也被叫做“锡疫”。
花絮:在锡中加入锑或铋可以抑制灰锡的产生。
危险:很低。(不过,把锡器冻成粉末还是挺浪费的……)
羽落术
原理:这里使用了一块钕磁铁和一只粗铜管。当磁铁从铜管中落下时,磁感线切割导体,在铜管中生成感生电流;这个电流反过来产生磁场作用在磁铁上,产生斥力阻碍它下落。
管子必须导电性良好,但不能是铁管。铁自身的铁磁性会干扰这一现象。
危险:很低……但是为了较好效果,铜管和磁铁都需要很大很重,不要砸到脚。另外钕磁铁是非常强力的磁铁,不要让它靠近电子产品,也不要靠近铁制品——它可能会把铁器吸过来,弄伤你的手指。
铜线转圈圈
原理:只用一个电池,一片磁铁,一根导线,你就能做出一个简易的马达哦~(建议最好再加上电阻片或用电阻丝,否则是接近短路的情况,发热会很严重)
这转圈圈的原理如下图,载流导线在磁场中会受到安培力,形成力矩使线框转起来。
半锅煎蛋
原理:电磁炉的工作原理并不是让自己升温,而且利用电磁感应加热。电磁炉首先将市电转化为高频交流电(20~40 kHz,对于交流电属于高频,但对于无线电波属于低频,所以电磁辐射少),然后交变电流通过线圈建立交变磁场,交变的磁场感应出涡旋的电场,此时将导体放在线圈上的话就会形成涡电流,涡电流流过导体时因电阻产生焦耳热。所以,直接把鸡蛋打在电磁炉上是熟不了的,陶瓷或玻璃锅也不能被加热。
花絮:原理上,电磁炉可以加热所有导体锅,但市面上的电磁炉仅适用于加热铁锅(以及不锈钢等具有铁磁性的锅)。铁锅的特点是导磁性强,漏磁少,并且除了涡电流之外还有磁滞损耗效应(即上一张图中提到的转着方向磁化的过程,那个过程是会放热的)来产热,因此使用铁锅有更高的加热效率。
水之桥
原理:两个装满去离子水的烧杯彼此接触,如果此时给它们之间加上数千伏的电势差,那么即使把两个烧杯拉开几厘米距离,二者之间也依然会有一条“水桥”相连。这一现象的具体原理还有待进一步研究,目前普遍认为它是和表层液体发生极化有关。
花絮:这个不也是电解水的实验装置吗?不是的哦,电解水的实验通常需要加入离子增强导电性,而这个实验则要求水非常纯净。如果水中溶入了离子,“水桥”的稳定性会变差很多。