物理问题 【趣味物理】那些让你脑洞大开的物理问题？

我年轻的时候思维活跃，思想总是很开阔。我经常问一些不靠谱的问题，比如:

●如果失控电梯处于自由落体状态，电梯即将落地时，里面的人跳起来，电梯在人落地前落地，这个人会受伤吗？

●为什么光可以被什么东西挡住，声音却不行？

●据说孙武空以音速飞行，因为他的筋斗云是音爆云。这是真的吗？在水中以音速运动呢？

●外星人的眼睛有可能接收到红外线或紫外线吗？他们会比地球人视野更广吗？

●一只苍蝇在没有任何附件的汽车里飞行。为什么相对于地面保持和车一样的速度？

●光对物体施加压力吗？如果是，为什么光不杀人？

●地球的自转速度是否在减缓？

问:如果失控电梯处于自由落体状态，电梯即将落地时，里面的人跳起来，电梯在人落地前落地，这个人会受伤吗？

不要笑，很多人年轻的时候就想过用这种方式规避风险。答案当然是否定的，我们来详细分析一下为什么不可以。男子跳高的世界纪录是2.45米。别忘了这是仰泳风格，运动员实际重心上升不到2米。这还是在助跑的情况下。美国职业篮球联赛明星ChrisWebber原地跳投1米33的纪录。别忘了人会蹲着省力气抬腿再跳。

可惜你在自由落体电梯里，不要说助跑，不能深蹲。

现在假设我们什么都不在乎，我们疯了，我们觉得你的骨头怪怪的，你原地跳2米高。但是那又怎么样呢？举个例子，如果电梯从10米的高度失控，你跳下去后速度抵消的效果等于从8米的高度失控。你还是“正经”...

现在，让我们假设你是一个无与伦比的大师，40年的努力是为了今天，当你跳10米高的时候！而且电梯天花板消失一段时间也很明智。这次你终于能活下来了吗？

可惜我不能。你还是“正经”...

记住，真正杀死你的不是速度，而是加速度。

问:为什么光可以被什么东西挡住，声音却不行？

其实声音也可以被东西挡住，光也可以不被东西挡住。你问题中的光是指我们能看到的可见光，你问题中的声音只是可听的声音。

物理上，光和声音都是波动现象。只有一个叫电磁波，一个叫机械波。决定一个波会不会被什么东西阻挡的因素很简单:波长的尺度和物体的尺度。如果波长小于物体的大小，那么这样的波就会被物体阻挡。相反，不会。

人们能听到的声音波长在17 mm到17 m的尺度范围内，日常生活中绝大多数的事情也恰好在这个尺度之内。结果就是声波很容易绕过这些物体，被我们听到。这种现象叫做衍射。

另一方面，可见光的波长在数量级上只有几百纳米，远小于日常生活中物体的波长。所以光似乎几乎是直线传播的。

问题的关键不是光或声音，而是波长。当声波的波长很短时，就无法绕过物体。超声波是一种准线性声波。同样，长波长光波/电磁波也可以绕过物体。这就是为什么你在家里到处都能收到Wi-Fi信号。(Wi-Fi信号是电磁波，2.4GHz协议，波长几乎和你的脸一样宽。)

问:据说孙武空以音速飞行，因为他的筋斗云是音爆云。这是真的吗？在水中以音速运动呢？

声音的本质是介质振动的密度波(纵波)。飞机飞行时与空空气碰撞产生振动，振动以声波的形式向外传播。

当达到音速时，飞机与自身前方的空气体发生碰撞，但空气体来不及扩散这种挤压，就被紧紧地压在一起，对飞机造成严重的阻力和扰动。这种现象叫做音障。

在这个过程中，空压缩气体压力很大，空气体中的水蒸气在高压下液化成小水滴，形成白色的“云”。这种现象叫做音爆云。

音爆云和音爆都是飞机突破音速的瞬间产生的，一般持续几秒钟——没有飞机会一直以音速飞行。速度完全超过音速后，飞机本身平静多了。飞机还在和空空气碰撞，但是它把自己的声音抛在了后面，本来应该以球面波形式扩散出去的声波阵面现在形成了一个锥面——飞机在锥尖。

在飞机外面，你听不到圆锥体外面的任何声音。当锥形界面经过你的位置时，空气压的突然变化会让你听到像爆炸一样的砰的一声，这叫音爆。之后你就在圆锥里了，听到的都是飞机正常的飞行声音。

上面说的“声锥”有个学名叫冲击波。在任何介质中，当点波源的速度超过介质中的波速时，都会发生冲击波现象。声音在水中的速度约为1500 m/s，如果一个物体在水中能超过这个速度，肯定会产生比空更剧烈的冲击波现象，但很少观察到这种现象。

虽然声音在水中的速度很快，但是表面波(也就是一块石头扔进水中产生的波纹)往往很慢——通常只有每秒几米。速度快的船在水上会产生船头波，这也是一种冲击波现象。

事实上，这种现象甚至对光也成立。True 空光速无法超越，但光速在介质中可以。一些高能粒子在介质中可以有高于光速的速度，也会产生类似的冲击波现象，称为切伦科夫辐射。这一现象在高能粒子的探测中有着重要的应用。

问:外星人的眼睛有可能接收红外线或紫外线吗？他们会比地球人视野更广吗？

也许，很有可能！其实外星人就不用提了——题主是不是忘了江湖有名的大获成功的皮皮虾了？我们要说的不是食者口中的土气皮皮虾，而是它的亲戚，口虾蛄科的七彩孔雀螳螂虾。这家伙至少有16种视觉感受器，包括6种普通颜色，6种紫外线，4种圆偏振光！不是很糟糕吗？

事实上，视觉能力与生物拥有的视觉受体类型直接相关，往往与它们的生活环境和生存需求密切相关。人类有负责感知光强的杆状细胞和负责捕捉颜色的三个锥形细胞。王兴仁和彗星人更关注黑暗中捕捉猎物的能力，对颜色的需求很少，所以杆细胞比人更发达，锥细胞比人少；蜜蜂和蝴蝶每天在太阳下开花，在紫外线图片下能分辨出各种花瓣；响尾蛇需要准确感知温度变化，判断猎物的位置，红外视觉对它来说非常重要。

至于皮皮虾，逆天的能力其实是用来谈恋爱的！只有它能欣赏多彩的外壳，只有它能理解圆偏振光的通信码...同在一个地球上，还是那么的不同和独特，那么远离宇宙深处的外星人会怎么样呢？

问:一只苍蝇在汽车里飞行，没有附着任何东西。为什么相对于地面保持和车一样的速度？

不是没有附带任何东西。它粘附在空气体上。空燃气附车。

其实所有常见的问题都可以用上面这句话来回答。比如空中漂浮的热气球为什么还和地球一起旋转？因为空气随地球自转。空气体与地球一起自转的原因是，如果不自转，地表会不断与空气体摩擦，使其缓慢自转，直到达到稳定状态。

问:光会对物体施加压力吗？如果是，为什么光不杀人？

从现代物理学的角度来看，力并不是一个很本质的概念。力的本质是单位时间内动量的变化，或者说是与动量传递相互作用的一种形式。这一点在经典力学中有一定程度的体现:力F=dP/dt。所以要判断一个过程是否存在有力度，关键是看这个过程中是否有动量传递，或者参与交互的双方之间是否有动量变化。说了这么多，我们回到光会不会对物体施加压力的问题。从量子力学的角度来看，光实际上是电磁相互作用的传播者，被称为光子，携带着一定的动量和能量。其动量的大小(真空)与其能量成正比，比例系数c为真空中的光速。光照射物体时，会被吸收或反射，两者都会改变光子动量，所以光照射的物体会受到力的影响。可能有人会问，为什么我每天晒太阳都感觉不到光的压力？这是因为日常生活中的光压太小。在能把你热成狗的烈日下，你接收到的光压只有大气压的百分之几(整个地球都暴露在数万吨的阳光下)。

日常生活中的低光压主要是因为光功率密度低。这里再举一个高光压的例子:人工光源中恐怕只有大功率激光才能产生高光压，更不用说人了，大功率激光瞬间就能升华钢铁。但这和恒星内部的光压比起来根本不算什么。例如，太阳核心附近的光压大约是大气压的十亿倍。

问:地球的自转速度在减慢吗？

嗯，它慢下来了。日子终于可以慢慢过去了——物理大师胡说八道。地球的自转周期，即一天的长度，每10万年增加1.6秒。然而，地球自转速度减慢的原因可以分为外部因素和内部因素两类，其中外部因素起着主要作用。外部因素主要来自长期潮汐摩擦效应，内部因素主要来自随机地核运动和季节性大气运动。

所谓“潮汐摩擦”，简单来说就是月球和太阳通过占据地球表面71%的海洋引发潮汐，使地球减速。地球表面的潮汐在两侧形成一个凸起的椭球体，其自转速度比地壳慢。因此，地壳与海洋之间的剧烈摩擦导致地球自转速度变慢。另外，潮汐的旋转角速度比月球快，所以海洋的部分角动量是通过潮汐力产生的力矩传递给月球的。

当然，说到地球上不规则分布的物质，由于地球自转的角速度相对较大，都是通过月球引潮力产生的平均力矩将角动量传递给月球。地球即使是一个完美的球体，也会在重力的作用下发生变形，产生力矩，这就是所谓的“潮汐锁定”。

而且由于能量守恒，在地球自转速度变慢的同时，月球公转周期会变长，逐渐远离地球。最终潮汐摩擦和力矩使双方趋于相互锁定，即月球公转周期与地球自转周期相同，也就是说一天的时间与一个月的时间相同。我们共同的月亮一直都是用同一张脸对着我们。这是因为月球的质量比地球小得多，月球的潮汐锁定以前就已经完成了。

同样的过程发生在太阳和地球之间。现在，地球上一年的时间比一天长得多。当地球相对太阳的潮汐锁定在某一天完成时，一天的时间就等于一年的时间。那真的是“日如年”。当然，在地球和月球、太阳和地球分别达到潮汐锁定之前，还有足够长的演化时间。这也从侧面反映了我们的地球，作为太阳的行星，还处于非常年轻的阶段。

地球自转缓慢的两个内在原因——随机地核运动和季节性大气运动——可以理解为:(1)角动量不变时，角速度可以变化；(2)角速度的方向和角动量的方向可以不同。

比如花样滑冰运动员做原地旋转，手臂向内回缩，旋转速度会变快。只要角速度的方向不平行于旋转物体的主轴，角速度的方向就会一直变化。考虑一个极端的情况:如果向上抛一根细长杆，让杆沿长轴高速旋转(如果杆足够细，其贡献角动量可以忽略不计)，然后让杆沿垂直于长轴的方向旋转向上抛。这时角速度必然会在空变化，但角动量是不变的。牢记这一点，你自然就能理解地球内部运动引起的自转速度的变化。

最后，物理大师还可以(滑稽地)识别出一个可以减缓地球自转的内在因素，这是一个地球上所有人都可以参与的活动，就是把所有靠左行驶的车都换成靠右行驶，从而增加一天的时间。当然，这种所谓的一天加长是相对于车停在同一个地方的情况而言的，它的变化也很微弱。

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ID:浣秋五里