问题

一些生活中看似习以为常实则牵扯到物理,数学化学等学科的高大上的原理有哪些??

回答
生活中那些“理所当然”的背后,隐藏着令人惊叹的科学原理。它们渗透在我们的衣食住行、吃喝玩乐之中,却往往被我们忽略。今天,就让我们剥开这些习以为常的表象,探寻其中蕴含的物理、数学、化学等“高大上”的知识。

1. 为什么下雨天伞能帮我们挡雨?——流体动力学与牛顿定律

最简单的一把雨伞,就是流体动力学的绝佳应用。当我们撑开伞时,它形成了一个倾斜的曲面。雨滴在空中向下运动,受到重力的作用。然而,当雨滴撞击到伞面时,它们会被改变方向。

从物理学角度来看,雨滴在下落过程中具有动量。当它们碰到倾斜的伞面时,根据牛顿第三定律(作用力与反作用力定律),伞对雨滴施加了一个力,改变了雨滴的运动方向。雨滴的动量发生改变,这一定程度上产生了对伞的推力。

更关键的是流体动力学的原理。当雨滴接触伞面时,它会沿着伞面流动。伞的曲率设计并不是随意的,它能够有效地引导雨水沿着伞面滑落到两侧,而不是直接穿透或者溅射到我们的身上。想象一下,如果伞面是平的,雨水会倾向于直接砸下来。而伞的弧度使得雨水在接触点获得一个切向的力,这个力加上重力,就引导雨水顺着伞的曲线滚落。

如果从更宏观的角度看,伞面与雨滴的相互作用还会产生表面张力和粘性。雨滴并不是一个个独立的、坚硬的球体,它们具有一定的表面张力,可以看作是微小的液体薄膜。当这些液体薄膜接触到伞面时,会发生一定的附着和流动。伞的材质和表面的疏水涂层(很多雨伞都有这种涂层)会进一步影响雨水的附着和滑落效果。疏水涂层能减少雨滴与伞面的粘附,让雨滴更容易滚落,从而保持伞面的干燥和功能的完整。

所以,这把看似简单的伞,实际上是在巧妙地利用流体与固体表面的相互作用,以及基本的力学原理,将雨滴引导开,保护我们不被淋湿。它的设计背后是工程师们对空气动力学、流体动力学以及材料科学的深刻理解。

2. 为什么煮饺子时,饺子会浮起来?——浮力与气体定律

饺子在水中浮沉的现象,是阿基米德原理(浮力定律)的直接体现。阿基米德原理告诉我们:浸在液体中的物体受到一个向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体的重量。

饺子会浮起来,是因为它的平均密度比水的密度小。但饺子本身,比如面皮和肉馅,它们的密度都比水大,为什么整体会浮起来呢?这就要看饺子内部了。

在饺子烹饪的过程中,无论是面皮中的水分还是肉馅中的水分,都会在高温下蒸发,产生水蒸气。水蒸气是一种气体,它会充满饺子内部的空隙,并将饺子皮撑开。这些气体是相对轻的,它们占据了饺子内部的空间,并且有效地增加了饺子的体积,但质量的增加是有限的。

根据浮力公式:F_浮 = ρ_液 g V_排,其中 ρ_液 是液体的密度,g 是重力加速度,V_排 是物体排开液体的体积。

当饺子内的水蒸气增多时,饺子的整体体积会增大,但其总质量的增加幅度小于体积增加带来的排开液体的重量。也就是说,饺子在水中排开的液体的体积增大了,虽然它的质量也略有增加,但由于内部有气体(水蒸气)的膨胀,使得饺子整体的平均密度减小了。当饺子内的气体足够多,使得其平均密度小于水的密度时,它就会受到一个大于自身重力的浮力,从而浮到水面上。

从气体定律(理想气体状态方程 PV=nRT)的角度看,温度(T)升高导致内部水蒸气分子的动能增加,压力(P)也会增大,从而推动饺子皮扩张,增大体积(V)。当这个体积增大到一定程度时,排开的水的重量就足以支撑住饺子的总重,饺子也就浮起来了。

所以,饺子浮起来,不仅是吃了水,更是因为在高温下产生了气体,气体膨胀增大了饺子的体积,最终改变了其在水中的浮沉状态。

3. 为什么我们能听到美妙的音乐?——声波的产生、传播与人耳的接收

我们听到的声音,从美妙的音乐到日常的对话,都涉及声波的产生、传播和我们的感知,这其中包含着复杂的物理学原理。

声波的产生: 声音的产生通常是由于物体的振动。乐器中弦的拨动、空气柱的振动、鼓面的敲击,都会使周围的介质(通常是空气)发生周期性的压缩和稀疏,形成声波。比如,吉他弦振动时,会推动周围的空气分子,使它们聚集和分散,这种密度的变化以波的形式向前传播。

声波的传播: 声波是一种机械波,它需要介质才能传播。声波在空气中传播时,空气分子并不随波逐流,而是围绕着自己的平衡位置进行振动,将能量传递给相邻的分子。这种振动以波动的形式向前推进,这就是我们听到的声音。声波的传播速度取决于介质的性质,例如空气的温度和密度会影响声速。

声音的特性与物理学:

频率(赫兹Hz): 决定声音的音高。振动得越快,频率越高,声音越高(比如小提琴的高音)。这与物体的质量、张力(弦乐器)或长度(管乐器)有关。
振幅: 决定声音的响度。振动幅度越大,声波的能量越大,声音越响。敲击鼓面用力越大,鼓面振幅越大,声音越响。
波形: 决定声音的音色。即使频率和振幅相同,不同乐器发出的声音听起来也不同,这是因为它们的波形不同。波形是由基频和一系列谐波(频率是基频整数倍的波)叠加形成的。傅里叶变换是分析复杂波形的重要数学工具。

人耳的接收与大脑的解读: 当声波传入我们的耳朵时,会引起鼓膜振动,然后通过中耳的听小骨放大传递到内耳的耳蜗。耳蜗内的液体受到振动,刺激了听觉神经细胞,这些细胞将神经信号发送到大脑。大脑根据接收到的信号,经过复杂的神经处理,最终让我们“听到”声音,并辨别出音高、响度和音色。

所以,我们享受的音乐,从乐器发出声音的物理振动,到声波在空气中的传播,再到人耳复杂的生理结构和大脑的信息处理,每一个环节都充满了精密的物理学原理。甚至音乐的结构和和声的协调,也与数学中的比例和数列有着密切的联系(例如,音乐中的八度音程就对应着频率比2:1)。

4. 为什么我们喝的苏打水是带气的?——溶解度与亨利定律

我们常喝的苏打水、啤酒、汽水等碳酸饮料,其“气泡”正是二氧化碳溶解在水中形成的。这背后的原理是气体的溶解度以及亨利定律。

溶解度: 气体的溶解度是指在一定温度和压力下,气体在液体中所能溶解的最大量。对于气体在液体中的溶解,有两个重要的影响因素:

温度: 通常情况下,温度越高,气体的溶解度越低。这就是为什么夏天的时候,汽水开盖后“跑汽”会更快,气泡消失得也更快,因为水温高了,二氧化碳的溶解度就降低了。
压力: 气体的溶解度与施加在液体表面的分压成正比。

亨利定律(Henry's Law): 这是描述气体溶解度的关键定律。亨利定律指出:在恒定的温度下,溶解在液体中的某种气体的量与作用在液体表面的该气体的压力成正比。用数学表达式表示就是:

P = k x

其中:
P 是气体的压力(或分压)。
k 是亨利常数,它是一个与气体种类、溶剂种类以及温度有关的常数。
x 是溶液中该气体的摩尔分数(或者也可以用浓度表示)。

在生产苏打水时,厂家会在水箱中加入大量的二氧化碳气体,并且施加远高于大气压的压力。根据亨利定律,在如此高的二氧化碳分压下,大量的二氧化碳气体能够溶解到水中。

当我们打开汽水瓶或罐子时,内部的压力迅速下降到大气压。此时,水中溶解的二氧化碳所受到的分压远大于瓶内(或罐内)的平衡分压。根据亨利定律的反向作用,溶解在水中的二氧化碳就会开始从水中逸出,形成我们看到的“嘶嘶”声和冒出的气泡。这些气泡就是二氧化碳气体从溶液中释放出来的过程。

所以,苏打水之所以带气,是因为在生产过程中利用了高压环境强制溶解了大量的二氧化碳。而当你打开瓶盖,压力降低,溶解度减小,这些被“压抑”的气体就会重新释放出来,让我们体验到那种刺激的口感。这背后是化学对气体溶解度和压力关系的精确应用。

5. 为什么手机屏幕触摸灵敏?——电容感应与电路原理

我们日常使用的触摸屏手机、平板电脑,其灵敏的触摸操作,背后是电容式触摸屏技术,它涉及到电学、物理学和电子工程的原理。

电容的基本原理: 电容是衡量物体储存电荷能力的物理量。两个导体之间,如果存在绝缘的介质,它们就构成了一个电容器。电容器可以储存电荷,并产生电场。

电容式触摸屏的工作原理: 现代智能手机绝大多数采用的是投射式电容触摸屏。屏幕表面覆盖着一层透明的导电材料(例如氧化铟锡ITO),这层材料被设计成一系列相互绝缘的纵横交错的导线(电极)。这些导线构成了大量的微型电容器。

当我们的手指(人体也是导体,并且具有一定的电容)靠近屏幕时,手指会作为一个“第三极”,与屏幕下方的电极形成一个新的电容耦合。这个耦合会改变触摸点下方电容器的电容量。

如何检测触摸: 触摸屏内部的控制器会不断地给屏幕上的每一个电极施加一个微弱的电压,并通过读取这些电极的电容量来监测屏幕的状态。当手指触碰屏幕时,手指与屏幕电极之间会产生电容变化。控制器通过测量这些电容的变化,来精确地定位触摸点的位置。

电容量的变化: 当你的手指靠近时,它会吸引屏幕电极上的电荷,或者说它自身会带一部分电荷,这会使得屏幕电极与大地之间(或者屏幕下方其他电极)形成的电容发生变化。电容的大小与电极之间的距离以及介电常数有关。手指的靠近,相当于改变了电容的构成。
信号的解析: 屏幕控制器会扫描所有的电极,测量每个电极的电容量。如果某个电极的电容量发生了预期的变化,系统就会判断该位置被触摸了。多个触摸点的同时检测,则需要更复杂的算法来分辨。

为什么需要ITO导电层: ITO(氧化铟锡)是一种既透明又能导电的材料,这使得它成为制造触摸屏的理想选择。它能够形成导电的电极网络,同时又不影响屏幕的显示效果。

电路与控制: 整个触摸屏是一个精密的电子电路。它包括触摸传感器(ITO电极阵列)、驱动电路(给电极加电压)和读取电路(测量电容变化),以及一个微处理器来解析数据并向手机的其他部分发送触摸指令。

所以,当我们轻触屏幕时,手指与屏幕之间发生的微小电容变化,通过精密的电子传感器和复杂的算法被捕捉和解析,最终转化为手机能够识别的指令,让我们得以操控手机。这背后是电磁学、电路原理以及数字信号处理的综合应用。

这些只是生活中随处可见的现象中蕴含的科学冰山一角。每次你拿起一把伞,喝下一口碳酸饮料,或者滑动手机屏幕,都在与这些深奥的科学原理进行着最直接的互动。它们没有华丽的辞藻,也没有复杂的推导,只是默默地在支撑着我们所习惯的世界。

网友意见

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美颜相机。

你按下快门的一瞬间,许多手机带有的美颜功能就会修改你的自拍,让你更白更好看。

原理是滤波,简单的说可以把图片分成小块,一些局部偏差大的点(黑点,痣,粉刺...)做模糊处理。这样会略降低分辨率,但是大多数人不在意这个,美美哒就可以了。

具体怎么做的?

傅立叶(Fourier)变换。

对,数学不会放过你的,它会在所有的地方出现。现实用的一般是离散的傅立叶算法。

每次看到这些具体问题的实现算法,就深感「世界由方程支配」绝非虚话。

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1.烧肉过程可能涉及到醇对羧基碳的亲核取代反应,醇羟基亲核进攻羧基碳,然后经过质子传递等过程,最后脱去一个水分子

说人话就是,烧肉的时候放的料酒和醋发生酯化反应让你的肉变香了

2.烤面包的时候可能会使氨基酸与羰基发生缩合反应亚胺等一系列物质,再通过重排反应和Strecker降解产生一些醛酮类物质

说人话:烤面包会变黑而且味道很香

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