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第17章 物理之谜(7)

试验成功了,人们为之欢呼。这种飞行器外形很像至今还叫人猜不透的“天外来客”飞碟,故人们给它起了个“人造飞碟”的名字,其实它是一种正在研制中的新型的空中交通工具,名叫“无翼飞行器”,也可以说是“无翼飞机”。

为什么在航空技术高度发展的今天,人们对研究无翼飞行器如此感兴趣呢?

现代飞机随着速度和载重量的增加,起飞和着陆时的滑跑距离也相应增长,因此,飞机场也不得不建造得越来越大。一个大型机场占地就是几十平方千米。又由于受机场数量的局限,飞机在遇到紧急情况时,不能就近降落,因此常会出现不应有的事故,造成机毁人亡的恶果。尽管直升飞机不需要从机场起飞、降落,也没有庞大的机翼,但却有巨大的旋翼,而且噪声大,飞行速度也只有一般飞机的1/3~1/4(即每小时250~260千米)。于是,科学家们便开始研制一种既能像直升飞机那样可以垂直起落(不需要特定的机场),又能高速飞行的灵活的飞行器。现代航空技术的发展,已经为这种飞行器的研制奠定了理论基础和技术条件。

无翼飞行器以喷气发动机作为动力,喷口分为4个,均匀地分布在飞行器的侧面。无翼飞行器采用超轻射流控制技术,来实现垂直飞行、水平飞行和改向飞行。它的控制过程是这样的:发动机在膨胀型喷管的出口管壁上有2个相对的控制小孔,当一个小孔关闭,另一个小孔打开,并流出一股气流时,超音速气流就会在0.001秒内向关闭小孔的管壁面拐弯,并贴此壁面流动。2个小孔同时关闭或同时打开,并同时流出一股气流时,超音速气流就不偏不斜地沿着喷管中心线方向喷出。飞行器四周有4条喷管,在每个喷口靠近喉部的出口段上下开2个控制小孔,只要调节8个控制孔的开与闭,就可以使飞行器自如地前进和后退、上升和下降。

无翼飞行器的种类很多,除了上面谈到的英国倒扣碗式无翼飞行器外,法国科学家还设计了一种环翼飞行器。这种飞行器,其机翼环绕机身,由4个支撑板将机身与机器同心地装在一起,前段为驾驶舱,中段有侧向或开缝式进气道,中间装有涡轮喷气发动机。驾驶员的座椅随飞行状态而转动。德国科学家也设计出一种没有机翼的能垂直起落的飞机。它采用双路式涡轮喷气发动机,起飞时,通过可调式节流阀门把水平喷气口挡住,使喷气垂直向下,从而产生升力。当飞机升到一定高度,需要水平飞行时,则减少垂直喷孔的喷气量,打开水平喷气口,使之产生水平推力。据说这种飞机飞行速度可达每小时2000千米。

无翼飞行器的特点是结构简单、重量轻、起落方便,安全性也优于普通的有翼飞机。无翼飞行器可用于勘探森林资源、寻找也下矿藏、跟踪鱼群、指挥城市交通、营救等工作,也是未来人类生活中不可缺少的空中交通工具。

次声之谜

1948年2月的一天,一艘荷兰货船正航行在马六甲海峡的海面上。傍晚前后,突然有一股强风暴袭来,吹得货船不住地在海面上颠簸摇荡。风暴过后,货船的甲板上再也没见到一个活动的人影,只是从机舱中不断传来有节奏的轰鸣。船径直地朝一个方向驶去,一直顶到A国的海岸上,再也不能前进了,然而发动机还在不停地鸣响着……

A国的边防人员见此情景,都感到困惑不解。有人猜想:莫非所有人员都睡着了,还是……他们很谨慎地登船一看,果然所有船员都卧倒了,横七竖八地躺在不同的地方。有人大声呼喊,这些人都毫无反应。又有人把手伸到船员的口鼻部,发现气息全无;触摸胸部,不见心跳。呵,全都死了!

边防人员立即将此事向有关当局报告,并请来法医查找死因。医生们对所有死者进行了仔细检查,没有发现任何外伤和任何中毒症状。医生们认为:船员们的死亡同心脏病突发者的死亡状况十分相似。但转而一想,这可能吗?回答显然是否定的。因为这些船员绝对不可能因心脏病同时发作而死亡。那究竟是什么原因造成这一惨案呢?这个问题在很长时期内都没有找到答案。于是这一震惊全球的海上惨案又为这个世界增加了一个不解之谜。

真是“一波未平,一波又起”。后来有一天,有人到匈牙利的包拉得里山洞去旅游,刚踏进洞口里面那十分狭长的通道,就发现地上躺着三具来历不明的尸体。吓得旅游者们失声叫了起来,赶紧回去报告。经查证,发现死者是三个旅行家。可是医生没有从死者身上找到任何谋杀或自杀的迹象,但也长时期找不出死因。

随着近代科学技术的发展,这两个“不解之谜”终于被科学家们解开了,原来都是那个看不见、摸不着的“凶手”——次声作的案。马六甲海峡惨案是由于海洋上的风暴产生的高强度次声所致;包拉得里山洞中的三名旅行家是由于气压剧变时所产生的高强度次声而致死。

次声是一种低频率的声音,人们的语言频率一般在300~5000赫兹之间。声频超过2万赫兹的叫超声,低于20赫兹的叫次声,超声和次声人们都听不到。次声的穿透力很强,在空气中能以1200多千米的时速传播。次声能使人烦躁不安,精神沮丧,甚至错乱癫狂。次声还能使人头晕目眩、呕吐恶心、全身痉挛或四肢麻木。低于7赫兹的高强度次声对人体有致命危害。例如:法国的一个次声研究所,有一次在进行次声试验时,因技术上的差错,让次声泄漏出去,致使十里地之外的30名无辜居民,顷刻间全部死亡。

为什么高强度、低频率的次声能使人致死呢?归根结底还应该说是“共振”。人体肌肉内脏器官都有其固有的振动频率,当这种较低的固有频率与次声波的频率相同时,就会发生共振,产生较大的振幅和能量,从而造成人体结构的巨大破坏而死亡。

自然界的次声波来源于多方面,如太阳磁暴、流星撞击、风暴、大海咆哮、火山喷发、雷鸣闪电等。各种人造机构也能成为次声源,如原子弹爆破、运载火箭的发射、鼓风机、真空泵、柴油机等。

因此,人们在防止噪音对环境污染的同时,还必须注意防止这种听不到的次声对人体的危害。

物体颜色之谜

关于物体的颜色,在教学活动中,往往有人说“物体是什么颜色就反射(或透射)什么颜色”,甚至有的说“物体所以呈现某种颜色,是因为它把其他颜色的光都吸收了的缘故”,我们认为,这两种说法是不妥的乃至错误的。非发光物体的颜色取决于施照光源的颜色和被照物体对光的吸收特性。在没有光源的黑暗环境里,任何物体都不会呈现其颜色,只有在光照下,物体才可呈现一定的颜色。同一物体在颜色不同的光源下呈现着不同的颜色;而在同一光源下的不同物体一般也呈现着不同的颜色。通常所谓物体的颜色是指这种物体在白色(阳光、白炽灯光、日光灯光等)下的颜色。众所周知,白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的,在科学技术上,人们还制造了各种单色光源,单色光源只有一种颜色,从波动理论讲,单色光就是波长单一的光。迄今波长最为单纯,颜色最为鲜艳的光源应推激光。

平常人们熟知白光可由七色光复合而成,却很少了解白光也可以由较少颜色的光复合而成。实验表明,如果把适当颜色的两种单色光按一定的强度比例混合,可以形成白光。这样的两种颜色就称为互补色。

当白光照射不透明物体时,由于物体对不同波长的光吸收、反射的程度不同,而使物体呈现了不同的反射颜色。若物体对各种波长的光都完全吸收,则物体呈现黑色;若完全反射,则呈现白色;若对各种波长的光,吸收程度差不多,则呈现灰色;如果物体有选择地吸收某一或某些波长的光,那么这种物体的颜色就由它所反射的光的颜色来决定,即反光物体的颜色是与其选择吸收光成互补色的颜色。例如,树叶由于吸收了阳光中紫色而呈现绿色。

当白光照射透明或部分透明物体时,因其对不同波长的光吸收。透射的程度不同而使物体呈现了不同的透射颜色。若物体对各种波长的光透过的程度相同,这种物质就是无色透明的;若只让一部分波长的光透过,其他波长的光被吸收,则这种部分透光物体的颜色就由透过光的颜色来决定,即透光的物体呈现的是与其选择吸收光成互补色的透光颜色。例如,高锰酸钾溶液吸收了白光中的绿色光而呈现了紫色的透光颜色。

总之,物体反光和透光所呈现的颜色都是由与物体选择吸收光成互补色的光而决定的颜色。当然,如果物体选择吸收的不只是一种颜色的光,那么物体(反光或透光)的颜色就将由几种吸收光的互补光复合而成。

100℃的水不沸腾之谜

炉子上放一口烧水的锅,盛一些水,再用小奶锅盛一点水,让它漂在大锅里。从锅底给锅加热,大锅里的水沸腾了,小奶锅里的水却不沸腾。做实验的时候,注意使小奶锅一直停在大锅中心,延长加热的时间,奶锅里的水也不沸腾。

这是为什么?

沸腾是液体的一种汽化现象。液体汽化的时候,都要吸收热量。

大锅放在炉火上,炉火的温度比100℃高得多,锅内的水升高到100℃以后,炉火仍不断把热传导给水,使大锅里的水不断汽化,不断沸腾。

奶锅放在水中,只能从水中得到热。大锅里的水温度升高,奶锅里的水温度也跟着升高,大锅的水达到100℃,奶锅里的水也达到了100℃。可是,大锅里的水沸腾以后,温度不再升高,始终停留在100℃。我们知道,两个物体的温度相同,它们之间是不会发生热传递的。现在,奶锅里的水和大锅里的水都达到100℃,奶锅里的水不能再从大锅里的水吸收热量,就不会沸腾。

如果奶锅底与大锅底接触,由于炉火的温度比100℃高,因此奶锅里的水可以通过金属从炉火吸收热量,奶锅里的水就会沸腾起来。

0℃的水不结冰之谜

在通常情况下,水的温度可以降低到0℃,同时也可能存在0℃的冰。有人认为:0℃的水一定会转化为0℃的冰。这种看法是不对的。0℃的水和0℃的冰相比较,虽然它们的温度都是0℃,但是由0℃的水转化为0℃的冰可不是一件容易的事。实验表明,1千克0℃的水转化为0℃的冰要放出80千卡的热量,这相当于同样质量的水,温度从80℃降低到0℃所放出的热量。0℃的水转化为0℃的冰既然要放出大量的热量,那么一定要有周围的物体吸收这部分热量才行。为了能使热量从0℃的水传至周围的物体,所以周围物体的温度一定要低于0℃。冬天,当气温降到0℃以下,0℃的水才能结冰。如果气温等于0℃,那么0℃的水和0℃的冰将处于一种热平衡状态,容器中的0℃的水不能使0℃的冰熔解,而0℃的冰也不能使周围的0℃的水凝固,成为一种0℃的冰和水共存的状况。解答有关冰水共存的热学问题,我们应当特别仔细,防止得出谬误的结果。

例如在质量200克、温度是10℃的水中丢入一块500克、0℃的冰,求热平衡时的温度是多少?

解:设热平衡时的温度是t℃,则200克水温度从10℃降低到t℃放出的热量Q1为:

Q1=1卡/(克·℃)×200克×(10-t)℃

=(20000-200t)卡。

500克、0℃的冰熔解为0℃的水吸收的热量Q2为:

Q2=80卡/克×500克=40000卡,

500克、0℃的水温度升高至t℃吸收的热量Q3为:

Q3=1卡/(克·℃)×500克×(t-0)℃=500t卡。

根据热平衡式,得

2000—200t=40000+500t

所以t=-54.2℃

答案显然是错误的,在0℃的水中丢进一块0℃的冰之后,绝不可能出现混合温度在零度以下的状况。检查运算过程,也看不出什么错误。到底错在什么地方?查其根源就在于设错了热平衡的温度在t℃。实际上,在这种情况下,热平衡的温度不可能在0℃以上。因为500克、0℃的冰要完全熔解为0℃的水需要吸收的热量:80卡/克×500克=40000卡。而200克、10℃的水温度降低至0℃也只能放出热量:1卡/(克·℃)×200克×10℃=2000卡,这部分热量只能使2000卡/80卡/克=25克0℃的冰转化为0℃的水。最后只能是一种0℃的水和0℃的冰共存的状态,其中0℃的冰500克-25克=475克,有0℃的水200克+25克=225克。

物质的无限可分性之谜

我国古代哲学家庄子说:“一尺之棰,日取其半,万事不竭。”指出了物质的无限可分性。但是,人们对物质的无限可分性,是逐步认识到的,夸克模式的提出,就是人的这一认识的深化。

在人们开始认识物质世界的时候,就提出了各种各样的说法。古希腊的一些哲学家认为,世上各种各样的物质,都是由一些永远不变,不可再分的基本单位构成,他们把这种基本单位叫原子。直到16世纪后叶,才由物理学家证实了原子的存在。后来,意大利科学家阿伏伽德罗又提出了分子学说,补充了道尔顿的原子论。由此人们便形成了这样一种思维模式:物质由分子组成,分子由原子组成,原子不能再分。

到19世纪末,原子不可分的模式受到了冲击,美国科学家汤姆逊发现了比原子小得多的粒子——电子。接着科学家们查明,原子中心有一个很小的原子核,有些电子围着原子核运转。到20世纪30年代,人们又发现了原子是由质子和中子组成的。质子带正电,中子是电中性,二者比电子重一千八百多倍。后来在宇宙线中又发现了电子的反粒子——正电子,同电子一样重,但带正电。后来人们又发现,电磁波和光也是由叫光子的粒子组成。这样,人们就发现了比原子更深入的一个新层次——属质子、中子、电子一个层次的正电子、中微子、μ子、τ子等。人们以为发现了构成物质世界的最基本单位,因此就称为基本粒子,认为他们是组成各种物质的永远不变、不可再分的基本单位。

可是后来人们发现的一些现象说明,基本粒子并不“基本”,在强子内部,还应有更小、更基本的东西。

对此,日本物理学家权田昌一于1956年提出了著名的坂田模型,认为强子是由质子、中子、A超子等三种基础粒子及其反粒子组成。到了1964年,美国物理学家盖尔曼改进了扳田模型,保留了三种“基础粒子”,但不是质子、中子和A超子,而是由某种未知的、具有一定对称性的东西——夸克组成。

为什么叫夸克呢?说来夸克的命名还有一个有趣的故事。在英国小说家詹姆斯·乔埃斯的小说《劳尼根斯彻夜祭》中,有这样几句诗:

“夸克……

夸克……夸克”,

三五海鸟把脖子伸直,

一齐冲着绅士马克。

除了三声“夸克”,

马克一无所得:

除了冀求的目标,

全部都归马克。

至高无上的天帝,

把身子躲在云里,

窥视下界,

不由得连连叹息。

马克先生啊,可笑可怜:

黑暗中拼命呼唤着——“我的衬衣,衬衣,”

为寻找那条沾满污泥的长裤,

蹒跚在公园深处,一步一跌。

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