第一篇：物理科普教案1

彩虹的形成

教學(xué)目標(biāo)

1.讓學(xué)生了解天空形成彩虹的原因

2.讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)到生活中無處不在的科普知識

教學(xué)重點

學(xué)習(xí)這個課題的重點是在于把握彩虹的自然形成和養(yǎng)成一種以科學(xué)態(tài)度和觀點看待問題，學(xué)習(xí)這一課時關(guān)鍵的是要明白一些自然地科普現(xiàn)象，學(xué)會在生活中發(fā)現(xiàn)科普的魅力 教學(xué)難點

1.彩虹的形成

2.彩帶顏色的順序以及形成原因

教學(xué)準(zhǔn)備

收集彩虹形成的知識和一些必要的科普現(xiàn)象 教學(xué)設(shè)計

（一）、引入新課

彩虹是人們經(jīng)?？吹降奈宀世_紛的彩虹一種自然界的光現(xiàn)象，每當(dāng)當(dāng)空掛時，人們都會情不自禁地觀賞這種大自然美，古時有人說，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞揮起的彩綢，也有人說，那是仙女為窺視人間在云中搭起的彩橋，不管是彩綢還是彩橋，都只過是神奇的傳說罷了，而現(xiàn)實中的彩虹是什么，它是如何形成的？（用多媒體課件展示彩虹圖片）

（二）、新課教學(xué) 1.彩虹的形成

師：（1）其實彩虹的形成跟我們學(xué)過的光的折射和反射有關(guān)，同學(xué)們知道什么是折射和反射嗎？

生：讓學(xué)生自己回憶總結(jié)光的折射和反射定律的內(nèi)容 師：那么它們在彩虹形成的過程中的作用（作圖分析）

折射和反射，是形成彩虹的必要條件，因為只有這樣才能夠把光集中起來才能形成彩虹

（2）同學(xué)們知道彩虹有幾種顏色嗎，這些顏色以什么樣的順序排列? 生：相互之間討論并舉手回答

師：總結(jié)，彩虹有七種顏色，分別為：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，紅色在最上面，紫色在最下面。(3)彩虹是怎樣形成的呢？ 生：

彩虹是光學(xué)現(xiàn)象中的一種色散現(xiàn)象。彩虹一般出現(xiàn)在雨后晴朗的天空，這是因為空氣中漂浮大量的小水滴，當(dāng)太光照射到這些小水滴上時。一個個的小水滴就像棱鏡似的把白光分解成七色單色光，對陽光起分光色散作用。

師:那么陽光是如何在小水滴中產(chǎn)生分光色散作用的？ 生：分組討論

師：當(dāng)陽光射入小水滴時，光從空氣進入水時，發(fā)生一次折射，由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，紅光波長較大，其折射率最小，其余色光介于紅光和紫光之間，因此，光線在小水滴內(nèi)產(chǎn)生分光現(xiàn)象，同時各色光在小水滴內(nèi)繼續(xù)傳播，遇到水滴的另一界面時被反射回來，重新經(jīng)過小水滴內(nèi)部，出來時再一次發(fā)生折射回到空氣中，這樣，陽光在小水滴中進行了兩次折射和一次反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光，當(dāng)空氣中的小水滴數(shù)量很多時，陽光通過這些小水滴，經(jīng)過反射和折射作用，射出來的的光集中在一起，就形成了美麗的彩虹。（4）彩虹形成過程中什么顏色是靠在最前面的？彩虹的大小由什么決定？

由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，紅光波長較大，其折射率最小，其余色光介于紅光和紫光之間，彩虹形成后紅色是在最前面的，彩虹的大小是由水珠的大小決定的，當(dāng)水珠越大的時候紅色就會越明顯（5）怎樣才能夠看到彩虹？早晨的彩虹出現(xiàn)在什么方向？黃昏的彩虹出現(xiàn)在什么方向？

面對太陽的時候我們是看不到彩虹的，要想看到彩虹我們必須背對太陽才能夠看到，早晨的時候彩虹出現(xiàn)在西方，而黃昏的時候彩虹出現(xiàn)在東方，然而黃昏的時候我們是看不到彩虹的，因為這時我們的地球和太陽在同一平面上，要想看到彩虹就必須在高空中才能夠看到

(6)彩虹一定出現(xiàn)在雨后嗎，怎樣在晴朗的天氣下自己動手制作彩虹？冬天會出現(xiàn)彩虹嗎？ 生：各抒己見

師：雨后天空有時會出現(xiàn)彩虹，這固然是事實，但是在陽光下，噴泉或瀑布的周圍也會出現(xiàn)彩虹；在夏天，街上奔跑的灑水車后面，有時也會出現(xiàn)一段彩虹，用噴霧器在空中噴霧液可以形成彩虹，所以在晴朗的天氣下背對陽光在空中灑水或噴灑水霧，可以人工制造彩虹。冬天一般不會出現(xiàn)彩虹，因為氣溫低，水珠少，光照少，所以在冬天一般是不會出現(xiàn)彩虹這一科普現(xiàn)象的。2.彩虹的氣象原理

同學(xué)們都知道彩虹出現(xiàn)在雨后晴朗的天空，那么彩虹的出現(xiàn)和消失與氣象有沒有關(guān)系呢？ 生：分組討論

師：空氣里小水滴的大小，決定了彩虹的色彩與寬度。雨滴越大，彩虹帶越窄，色彩月鮮明，；雨滴越小，彩虹帶越寬，色彩月暗淡。當(dāng)雨滴小到一定程度時，分光和反射不明顯，彩虹就消失，這說明了彩虹的形成直接與空氣中雨滴的存在、多少、大小有著直接關(guān)系，反過來說，彩虹跟天氣變化有關(guān)。例如：如果彩虹的色彩從鮮艷變?yōu)榘档瑢挾葟莫M窄變?yōu)閷挻?，都說明空氣中雨滴由大逐漸變小，由此，我們可以推測空氣可能之間轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，天氣情況漸趨穩(wěn)定。3.課堂總結(jié) ①.彩虹的形成 ②.彩虹的氣象原理 4.作用布置

利用課外知識或網(wǎng)絡(luò)資源，回答以下問題 ①.什么是科普？科學(xué)技術(shù)包括那兩個方面？

②.彩虹有幾種顏色組成？在這些顏色中什么顏色是在最前面的？它的大小由什么決定？

③.早晨和黃昏的時候彩虹出現(xiàn)在什么方向？為什

么彩虹在黃昏的時候我們看不到？

④.什么是折射和反射？折射和反射在形成彩虹時有這么作用？

⑤.怎樣自己動手制作彩虹？ ⑥.簡述彩虹的形成? ⑦.從古至今彩虹帶給我們的文化歷史什么影響？

第二篇：物理科普文章

物理科普文章

第一篇 2011年諾貝爾物理獎--超新星與暗能量的發(fā)現(xiàn)

今年的諾貝爾物理獎授予了三位在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的研究中做出杰出貢獻的學(xué)者：Perlmutter, Schmidt和Riess.應(yīng)該說，由于這項工作無可爭辯的巨大重要性，幾年來他們一直是獲獎的熱門人選。但是，導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量是什么仍是一個未解決的問題，而相關(guān)的許多 理論和觀測還處在研究的前沿，存在許多疑問和爭論，諾貝爾獎評委會素有穩(wěn)重、保守的傳統(tǒng)，所以我原以為他們還要再過若干年才會獲獎。因此，作為一名宇宙學(xué) 研究者，我為他們今年獲得這項殊榮感到非常高興。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因為對超新星的研究而獲獎的。超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當(dāng)一些恒星壽命結(jié)束時將會塌縮，然后發(fā)生爆炸，其亮度可達到十億 甚至百億個太陽的亮度，巴德和茨維基也觀測到了一些超新星。后來發(fā)現(xiàn)，其實有兩種不同的超新星，一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機理不同，現(xiàn)在一般認為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星比如太陽在燃盡核燃料后就會變成白矮星）從其伴星中 吸積物質(zhì)，到一定程度后發(fā)生核爆炸。有趣的是，茨維基和巴德最早觀測到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過的類型，被稱為Ia型超新星。

[圖1：超新星遺跡Cas A.]

由于超新星很亮，可以在宇宙中很遠的地方看到，因此可用來研究宇宙學(xué)。特別是，白矮星有一個質(zhì)量上限，稱為錢德拉塞卡質(zhì)量，大約是1.4個太陽質(zhì) 量，白矮星發(fā)生超新星爆炸時大多都比較接近這個質(zhì)量。既然這時白矮星的質(zhì)量都差不多，就有理由認為，其爆炸時的亮度可能也差不多。這樣，Ia型超新星就有 可能作為―標(biāo)準(zhǔn)燭光‖來使用：假定所有超新星的―絕對亮度‖也就是本身的亮度相等，那么根據(jù)觀測到的一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測它到我們的距離。另一方面，我們還可以觀測到這些超新星的光譜，從中測出超新星的―紅移‖。比如，一條原來在615納米的譜線，經(jīng)過紅移后變?yōu)?230納米，那么我們就說 這個超新星的紅移z=1,因為觀測到的譜線長度是原來的(1+z)倍。如果我們把測到的超新星的紅移和距離一一對應(yīng)起來，我們就可以畫出所謂哈勃圖，不同 的宇宙學(xué)模型的哈勃圖是不一樣的，因此用這種辦法，可以測出宇宙到底是什么樣的。

[圖2：這是Perlmutter 等人1998年發(fā)表的超新星哈勃圖，橫坐標(biāo)是紅移，上面一圖的縱坐標(biāo)是星等（越暗星等越大），幾條曲線是不同宇宙學(xué)理論的預(yù)言。下面圖則是與理論的偏離。]

盡管上面敘述的這種辦法原則上講很簡單，但實際做起來并不容易。首先是要發(fā)現(xiàn)超新星。盡管我們上面說超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微 弱的一點。下面的圖演示了一個超新星的發(fā)現(xiàn)圖像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，經(jīng)過兩次放大之后也并不容易在圖像上看出來。發(fā)現(xiàn)它的辦法是，把兩個同 一天區(qū)但在不同時刻拍攝的照片疊放在一起，用后一張減去前一張，從二者之差發(fā)現(xiàn)可能變亮的候選目標(biāo)。這樣找到的候選者還不都是超新星，還有一些別的東西，比如星系中心的活動星系核有時會變亮，太陽系中的小行星有時會正好飛到這里，等等。在進一步觀測排除這些其它東西后，才能找到超新星。這進一步的觀測包括 用多次不同時刻的觀測得到超新星亮度隨時間變化的曲線（光變曲線），以及拍攝超新星的光譜以測定紅移。光譜觀測比照相觀測更難，往往需要更大的望遠鏡，而 且需要在超新星最終變暗以前進行。

[圖3：SCP組演示如何通過比較法找超新星的圖]

1980年代中期，一些丹麥的天文學(xué)家開始試圖尋找這些宇宙中的遙遠超新星，經(jīng)過長達2年的搜索，他們才找到了第1顆超新星，后來他們又發(fā)現(xiàn)了一 顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)超新星，再加上對超新星是否真是―標(biāo)準(zhǔn)燭光‖持懷疑態(tài)度，許多天文學(xué)家當(dāng)時對這類研究抱悲觀態(tài)度。也是在這一時期，勞倫斯伯克利實驗室(LBL)的一組物理學(xué)家開始對搜尋超新星產(chǎn)生了興趣。這一小組的傳奇的創(chuàng)始人Luis Alvarez興趣廣泛。他本人因為高能物理實驗（氣泡室）方面的工作獲得諾貝爾獎，但他更為公眾所知是因為提出小行星撞擊地球?qū)е驴铸垳缃^的理論。這一 小組中的Carl Pennypacker 和Rich Muller開始進行超新星研究，發(fā)展了一套在圖像中自動搜索超新星候選者的軟件。他們利用澳大利亞的3.9米望遠鏡進行了一段時間的搜尋，但是一開始他 們失敗了，并未找到任何超新星。后來，Pennypacker 轉(zhuǎn)而從事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez關(guān)于恐龍滅絕研究的影響，轉(zhuǎn)向研究氣候變化和全球變暖問題——其實他關(guān)于超新星搜尋的工作也是與尋找―復(fù)仇之星‖（Nemesis)相結(jié)合的。古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)歷史上的生物大規(guī)模滅絕存在周期性，Muller 認為可能是由于太陽有一顆紅矮星或褐矮星伴星即復(fù)仇之星，當(dāng)它沿周期軌道接近太陽時，其對小行星軌道的擾動就容易導(dǎo)致小行星撞擊地球。Muller 的弟子Perlmutter的研究一開始就是尋找這顆復(fù)仇之星。后來，Perlmutter接掌了超新星項目。有趣的是，盡管Rich Muller本人在宇宙學(xué)領(lǐng)域工作的時間不長就離開了，但他有兩個弟子后來因為宇宙學(xué)研究得到了諾貝爾獎：研究CMB的George Smoot 2006年獲獎，Perlmutter今年獲獎。

Perlmutter 接掌這項工作正是在項目最困難的時期：他們未取得任何成果，連一顆超新星都沒能發(fā)現(xiàn)，而與澳大利亞人的合作也到期結(jié)束了。這一項目是否還能進行下去？伯克 利以及美國的資助機構(gòu)在認真的評估后決定繼續(xù)予以資助。Perlmutter工作專注，被認為是可以挽救這一項目的人選。他們還是得到了經(jīng)費，造了一臺 CCD相機安放在西班牙加納利群島的一臺望遠鏡上，作為交換他們可以使用這一望遠鏡進行超新星搜索。Perlmutter也很努力，為了對發(fā)現(xiàn)的候選超新 星進行后續(xù)觀測，Perlmutter 會給全世界各處天文臺的望遠鏡打電話，懇求正在使用望遠鏡的人幫助他進行觀測。

早期超新星研究的一大困難在于如何保證找到超新星并拍攝到其光譜。這里除了技術(shù)上的困難外，還有獲得望遠鏡觀測時間的困難?，F(xiàn)代的天文望遠鏡都是由 許多天文學(xué)家共用的。一位或一組天文學(xué)家要用望遠鏡，需要寫一份建議書，說明自己的科學(xué)目標(biāo)和觀測方法，經(jīng)過同行評議后，由望遠鏡時間分配委員會根據(jù)評議 結(jié)果決定分配多少時間。這樣，大型望遠鏡的觀測時間表一般早就提前一年或半年定下來了。而在發(fā)現(xiàn)超新星之前，人們很難預(yù)先申請到這些觀測時間，發(fā)現(xiàn)超新星 后往往只好臨時借用別人的觀測時間進行后續(xù)觀測，這很難保證獲得大量數(shù)據(jù)。Perlmutter 發(fā)展了一套―批處理‖的方法：他們每隔一個月，用觀測條件最好的無月夜拍攝大片的星空，并立即與以往的觀測進行比較，找出可能的超新星候選者，這樣第2天 他們就可以獲得一批超新星候選者樣本，然后再用Keck 10米望遠鏡等大望遠鏡進行后續(xù)光譜觀測。恰好超新星的光變周期是幾個月，因此這一方法非常有效。由于一次可以得到多個超新星候選者，也就可以申請到大望 遠鏡的觀測時間。用這種辦法，Perlmutter領(lǐng)導(dǎo)的研究小組（稱為超新星宇宙學(xué)計劃Supernova Cosmology Project, SCP)開始發(fā)現(xiàn)大量的超新星。

伯克利的SCP小組由物理學(xué)家組成，他們一開始對于超新星天文學(xué)中的許多困難并不完全了解，―無知者無畏‖可能是他們在大多數(shù)天文學(xué)家對超新星觀測 感到悲觀時勇于進行這項研究的部分原因。然而，隨著他們逐漸接近成功，天文學(xué)家們也開始看到希望并準(zhǔn)備參加競爭。哈佛大學(xué)的Bob Kirshner（Adam Riess的導(dǎo)師）等人也想進行超新星觀測，但問題是，SCP小組曾花費幾年時間才研制出自動化超新星搜尋軟件，別人能否在短期內(nèi)研制出這樣的軟件呢？如 果沒有，要進行競爭是困難的。Brian Schmidt 只用了一個月就開發(fā)出了這樣一套軟件，他沒有象SCP小組那樣完全新寫一套軟件，而是通過組合一些現(xiàn)成的天文軟件而實現(xiàn)了這一目標(biāo)。這樣，由 Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人組成的High-z 小組以出人意料的高速加入了競爭的行列。

現(xiàn)在找超新星的問題解決了，但Ia型超新星是否真是標(biāo)準(zhǔn)燭光呢？遺憾的是，并非完全如此。漸漸地人們發(fā)現(xiàn)Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的 變化速度更快一些，有些則更慢一些。不過，Mark Philips 通過研究發(fā)現(xiàn)，那些絕對亮度更大的超新星，其變化速度也往往更慢。因此利用光變曲線可以修正超新星絕對亮度的變化。

此外，對于實際觀測的超新星，還需要考慮好幾個其它問題。星際空間存在著塵埃，這些塵埃會吸收光子，使超新星變暗。好在這一效應(yīng)還是可以修正補償 的。塵埃吸收除了使目標(biāo)變暗外，還會更多吸收藍光而導(dǎo)致目標(biāo)變紅，因此根據(jù)其變紅的程度進行修正。問題是，每顆超新星其本身的顏色其實也并不完全相同。最 后，即使本身光譜完全相同的超新星，當(dāng)它位于不同紅移時，用給定波長的濾光片組進行觀測時，得到的顏色也是不一樣的，還需要對這一效應(yīng)進行改正。好在這幾 個效應(yīng)雖然復(fù)雜，但有規(guī)律可循。哈佛大學(xué)的研究生Adam Riess 發(fā)展了一套數(shù)學(xué)方法，他發(fā)現(xiàn)，利用多個濾光片拍攝的光變曲線數(shù)據(jù)，經(jīng)過改正后，Ia型超新星還是可以作為近似的標(biāo)準(zhǔn)燭光的，因此用Ia型超新星進行宇宙學(xué) 研究是有希望的。實際上，即使到了今天，人們也還是不完全理解為什么Ia型超新星經(jīng)過修正后可以作為這么好的標(biāo)準(zhǔn)燭光。人們很容易想到各種因素，使得Ia 型超新星偏離標(biāo)準(zhǔn)燭光，這也是一開始很多天文學(xué)家對超新星宇宙學(xué)感到悲觀的原因。然而數(shù)據(jù)顯示Ia型超新星經(jīng)過修正后確實還是不錯的標(biāo)準(zhǔn)燭光，這是大自然 給我們的一個驚喜。當(dāng)然，研究者們?nèi)栽谔骄窟@其中的原因。

SCP和High-z這兩個小組的競爭非常激烈。到了1997年下半年，他們開始發(fā)現(xiàn)，高紅移的超新星比他們原來預(yù)期的要暗。根據(jù)哈勃圖，這表明宇 宙的膨脹在加速而不是減速。這是否是由于觀測或數(shù)據(jù)處理上的錯誤造成的呢？或者，塵埃吸收等因素考慮得不夠周全？經(jīng)過反復(fù)檢查，1998年1月，兩個小組 幾乎同時公布了自己的觀測結(jié)果，SCP組有42顆超新星數(shù)據(jù)，High-z 組只有16顆超新星數(shù)據(jù)，但每顆的誤差要小一些。總之，他們一致的結(jié)論是宇宙的膨脹在加速。這一結(jié)果轟動了世界。

按照廣義相對論理論，如果宇宙由一般的―物質(zhì)‖（包括所謂―暗物質(zhì)‖）組成，其膨脹會逐漸減速，這是萬有引力的作用。那么如何解釋觀測到的宇宙膨脹 加速呢？目前主流的解釋是引入―暗能量‖的概念。暗能量(dark energy)一詞是美國宇宙學(xué)家Mike Turner 引入的。它實際上也是物質(zhì)的一種形式，但具有很奇特的性質(zhì)。比如，它的有效―壓強‖小于0，這些壓強項使時空的彎曲與一般物質(zhì)造成的時空彎曲相反，因此可 以理解成是與萬有引力相對的―斥力‖，可以導(dǎo)致宇宙加速膨脹。根據(jù)現(xiàn)在對宇宙微波背景輻射、超新星等實驗數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙中大約百分之七十五左右是暗 能量，此外還有百分之二十一左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占百分之四多一點。

[圖4：宇宙的組分]

也有人認為不需要引入新的物質(zhì)形式―暗能量‖，而是萬有引力的規(guī)律與我們一般所假定的廣義相對論理論有所不同造成。不過，這種修改引力理論往往比暗能量理論更為復(fù)雜。廣義地說，這也可以算暗能量模型。

還有少數(shù)學(xué)者懷疑超新星的觀測或數(shù)據(jù)分析有錯誤，宇宙并未加速膨脹。但是，13年來人們又觀測了許多超新星，目前總數(shù)有幾百顆，對其分析也更加深 入，雖然還存在很多疑點（比如Ia型超新星爆炸的機理到底是什么？），但數(shù)據(jù)本身經(jīng)過許多不同的天文學(xué)家用不同方法的分析，迄今并未發(fā)現(xiàn)大問題。其次，有 人曾提出Ia型超新星的光在傳播中會由于與一種被稱為―軸子‖的假想粒子的相互作用而變暗，導(dǎo)致其被誤認為是宇宙加速膨脹。但是，這種假設(shè)與觀測的擬合并 不好。特別是，有的高紅移超新星測量結(jié)果表明，宇宙的膨脹并非一直加速，而是先減速再加速，這用上述假說不容易解釋，而卻正是暗能量理論的預(yù)言。

暗能量的存在也有一些其它方面的證據(jù)。例如，早在SCP和High-z 小組公布他們的超新星觀測之前，有一些科學(xué)家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根據(jù)宇宙年齡、物質(zhì)密度和功率譜等因素考慮，就認為宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩等其它觀測也支持 宇宙中存在暗能量的理論。目前，也有少部分觀測，例如強引力透鏡的數(shù)量，與根據(jù)暗能量理論做出的預(yù)言符合得不好，但這些觀測目前其可靠性本身是比較低的，因此暗能量是為大多數(shù)人所接收的模型。宇宙的加速膨脹是一個驚人的重大發(fā)現(xiàn)，因此其發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎也是意料之中的。但是，暗能量的本質(zhì)仍是一個還未解決的問題。對這一問題的研究，也 很可能是未來基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)展的突破口。國外有許多計劃中的實驗項目，而我國目前除了提出多種暗能量的理論模型外，一些天文學(xué)家也結(jié)合我國實際，提出了一些 未來的暗能量實驗觀測計劃。例如，在南極冰穹A(那里的觀測條件好）建造大型光學(xué)望遠鏡，在我國天宮空間站上裝設(shè)光學(xué)望遠鏡，在南美建造大型的光譜巡天望 遠鏡等，以及參與一些國外重大實驗項目的合作。筆者本人目前也正在推動開展―天籟計劃‖研究，這是一項在國內(nèi)地面進行的實驗，研制專用射電望遠鏡陣列進行 巡天觀測，利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的重子聲波振蕩特征精密研究暗能量的性質(zhì)。希望未來我國在這一方面的研究中也能做出重大的發(fā)現(xiàn)。

從今年獲諾貝爾物理獎的研究工作中，我們能受到什么啟發(fā)呢？我覺得，Schmidt 和 Riess 等人能夠憑借自己的研究積累，抓住戰(zhàn)機，在激烈的競爭中一舉沖入研究的最前沿，其能力和敏銳令人欽佩。但更值得思索和借鑒的是Perlmutter等人的 頑強堅持。作為研究者，要有信心和勇氣在困難時堅持下去，正是這種信心和勇氣，使Perlmutter等人在人們大多對超新星宇宙學(xué)感到悲觀時能夠堅持下 去。而美國的資助機構(gòu)能夠?qū)捜菔?，看出這一項目的科學(xué)價值和團隊人員的能力，保持對這一項目的資助，也是非常有眼光的。有重大創(chuàng)新的科研常常有很大的風(fēng) 險，很難保證完全實現(xiàn)計劃的成果。這時應(yīng)該怎么辦？我國現(xiàn)在口頭上也常常說支持探索、寬容失敗，但實際上有風(fēng)險的研究計劃很難得到支持，更不用提對失敗的 理解和寬容了。這恐怕是我們所應(yīng)該深思的。

第二篇 和圓一樣的三角形

數(shù)學(xué)之所以重要，不僅因為它是科學(xué)理論的基石，還因為數(shù)學(xué)在日常生活、工業(yè)制造甚至是藝術(shù)品審美上都用著非常廣泛的應(yīng)用和體現(xiàn)。如果不知道一些基本的數(shù)學(xué)道理，就是被科學(xué)武裝到牙齒的 NASA 工程師也會犯一些低級錯誤。比如今天的故事主角——勒洛三角形。這個和圓是一家的多邊形，不僅性質(zhì)奇特，還是制造業(yè)的寵兒。它是如何滲透到廣大勞動人民身邊的？死理性派告訴你。

不識勒洛三角形，NASA都要犯錯誤

歷史上，一枚美國火箭的發(fā)射流程是這樣的：先在工廠完成推進器的組裝，然后用駁船運至佛羅里達的肯尼迪航天中心進行整體吊裝，最后在發(fā)射臺上點火發(fā)射。然而，一些 NASA 的工程師發(fā)現(xiàn)一個問題：在運抵總裝車間之前，推進器需要橫躺著跋涉數(shù)千公里（例如在加利福尼亞組裝的土星-5 的第二級推進器甚至需要繞道巴拿馬運河），但在這一過程中，由于其本身的巨大重量，推進器有可能會發(fā)生變形。對于液體燃料火箭來說，輕微的變形也可能導(dǎo)致燃料泄漏造成發(fā)射事故。為了檢驗火箭截面是否是正圓，NASA 的技術(shù)人員們提出了一個標(biāo)準(zhǔn)，每隔 60° 測量一次火箭的直徑（該方向上界面內(nèi)兩點距離的最大值），如果 3 次測得的直徑都相等，那火箭的截面即使不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形也差不多了。

然而這個方案真的靠譜么？很不幸，一種叫做定寬曲線的曲線族粉碎了他們的幻想。定寬曲線是這樣的一種幾何圖形，它們在任何方向上的直徑（或稱寬度）都是定值。當(dāng)然，圓也是一種定寬曲線，但是定寬曲線可遠遠不止這么一種，其中最具有代表性的當(dāng)屬勒洛三角形。

勒洛三角形

像上圖這樣把 3 個等半徑的圓重合起來，兩兩互相經(jīng)過圓心，3 個圓相交的部分就是勒洛三角形，或者其發(fā)現(xiàn)者所稱的―曲邊三角形‖。如果不幸碰到這樣的一條曲線，NASA 的工作人員無論怎么測直徑，得到的結(jié)果都會是一樣的。

勒洛三角形和它的一干定寬曲線兄弟們都具有許多有趣的特性，其中最重要的當(dāng)然就是它們的定寬性。使用截面是定寬曲線的滾木來搬運東西，不會發(fā)生上下抖動。實際上這樣的裝置在許多科技館都能看到，下圖就是柏林一家博物館內(nèi)的定寬曲線滾木。另外定寬曲線還有一個有趣的性質(zhì)，就是寬度相等的定寬曲線有相同的周長，所以下圖中的圓形滾木轉(zhuǎn)過一周的時候，旁邊的勒洛三角形滾木也恰好轉(zhuǎn)過一周。

制造工藝上的廣泛應(yīng)用 應(yīng)用上面滾木的原理，可以制造出許多有趣的小玩意。例如我國勞動人民就充分發(fā)揮聰明才智制造了一輛利用等寬曲線輪的 角輪自行車，據(jù)說已經(jīng)成功申請專利了。

有人會說―角輪自行車‖只是觀賞性大于實用性的玩具，確實如此。那不妨讓我們再來看看等寬曲線在汽車工業(yè)上的應(yīng)用。當(dāng)然，汽車制造商們不會用等寬曲線制造輪子，他們把等寬曲線藏在了汽車更核心的部分——發(fā)動機里。下圖就是馬自達公司的轉(zhuǎn)子發(fā)動機截面圖。其實轉(zhuǎn)子發(fā)動機并不是什么新鮮發(fā)明，早在 20 世紀(jì) 50 年代德國工程師汪克爾就制造出了第一臺轉(zhuǎn)子發(fā)動機的樣機，因此這種發(fā)動機又叫做汪克爾發(fā)動機。

熟悉汽車的同學(xué)可能已經(jīng)注意到了這種發(fā)動機與其他發(fā)動機的不同之處，它沒有常見的活塞和曲桿。沒錯，因為對于轉(zhuǎn)子發(fā)動機來說，這些麻煩的東西已經(jīng)完全不需要了，取而代之的是一個轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的截面是面積最小的等寬曲線勒洛三角形，無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到什么角度，都嚴(yán)格將汽缸分成三部分，同時進行進氣、壓縮、點火與排氣的周期，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周時可以做功三次，效率遠高于旋轉(zhuǎn)兩周才做工一次的傳統(tǒng)四沖程活塞發(fā)動機。與傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有體積更小、振動與噪音更低、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低等優(yōu)點。但轉(zhuǎn)子發(fā)動機對材料和工藝的要求也更高，同時提升功率較為困難，所以目前市場上，采用轉(zhuǎn)子發(fā)動機的汽車公司還并不多。

由于等寬性，等寬曲線還可以在一個正方形內(nèi)貼著邊沿滾動。1914 年，一位注意到這一特性的美國工程師據(jù)此發(fā)明了方孔鉆頭。方孔鉆頭的截面是一個勒洛三角形，為使鉆頭更鋒利，它被削去了一部分的。在工作時鉆頭的中心隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動同時繞軸做圓周運動（事實上并不是嚴(yán)格的圓周運動），就可以鉆出四角略圓的正方形。

方孔鉆頭分解圖，中間的齒輪組是使鉆頭軸轉(zhuǎn)動的機構(gòu)

在上面的段落里，勒洛三角形大出風(fēng)頭，但是等寬曲線家族可不是只有這么一位成員。在其他地方我們也能看見等寬曲線的身影，許多國家的硬幣就喜歡采用等寬曲線作為外形輪廓，例如英國的 20 便士與 50 便士銀幣采用的就是由 7 條弧組成的定寬曲線。除此之外，在不少藝術(shù)品中也常常能看到各種等寬曲線的身影，這主要是為了提高觀賞價值了。

物理科普文章

第三篇

神奇的“金屬橡膠

你能否想象，有一種材料既可以像橡膠一樣彎曲和拉伸，又可 以像金屬一樣導(dǎo)電？這就是利用納米技術(shù)制造出來的新材料———金屬橡膠。―金屬橡膠‖的出現(xiàn)是材料學(xué)上的一次革命，也是納米技術(shù)在新材料領(lǐng)域的成功應(yīng)用。有了它，未來的飛機可以擁有像鳥兒一樣可扇動的翅膀；有了它，未來的航空座椅將舒適無比；有了它，甚至連電視都可以做得又平又軟，還能折疊起來放在口袋 里……

人類一直幻想能夠擁有像鳥類一樣的翅膀。從人類第一次綁上羽毛模仿鳥類飛行到制造出空中巨無霸波音747，這種追求從來沒有停止過。但即使在科技已經(jīng)高度發(fā)達的今天，人類仍然無法完全模仿鳥類的飛行。

科學(xué)家對鳥類研究后發(fā)現(xiàn)，在飛行中，鳥類能根據(jù)飛行的需要，隨時改變翅膀的形狀，以適應(yīng)不同的飛行狀態(tài)，這種飛行不僅更經(jīng)濟，而且更有效、更安全。而制造可以變換形狀的翅膀，就需要一種既具備金屬的導(dǎo)電特性，又具備橡膠伸縮自如特點的新材料。

如今，金屬橡膠的問世，給人類制造出像鳥類翅膀一樣的―智能飛行翼‖帶來了新的曙光。

柔韌性能超群

制造了金屬橡膠的能人，是來自美國弗吉尼亞州的一個科學(xué)小組，這個小組的帶頭人就是材料學(xué)和工程學(xué)專家理查德?克勞斯教授。該小組用了整整6年的時間，終于使金屬橡膠變成了現(xiàn)實。

金屬橡膠的顏色呈棕褐色，外表有點像普通的塑料包裝殼，但在這種普通外表的背后，則蘊含著一些令人吃驚的物理特性：它可以在外力的作用下拉伸2到3倍，隨后恢復(fù)原狀；被拉伸時，這種材料仍能夠保持其金屬特征，具有導(dǎo)電性；它可以像金屬一樣百毒不侵，無論將其放入航空燃料還是丙酮液體里，它都能完好無損地 不被腐蝕，也不會發(fā)生結(jié)構(gòu)上或化學(xué)上的降解；它可以在華氏700度的高溫下不燃燒，也可以在華氏-167度的低溫下不變性，其結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。

制造工藝復(fù)雜

制造這種金屬橡膠可不是一件容易的事情?？茖W(xué)家們采用了一種全新的納米技術(shù)工藝流程，他們稱之為―靜電分子自我組裝‖工藝?？茖W(xué)家形容，這種生產(chǎn)工藝就像人類骨骼的形成一樣，通過單個分子在物質(zhì)表面層疊而成。

為了制造金屬橡膠，科學(xué)家們首先要找到一種可以使分子凝聚的基質(zhì)，一般使用塑料或玻璃。這些基質(zhì)被帶上正電荷或負電荷后，輪流放入兩種不同電荷的溶劑 中，一種溶劑為帶正電的塑料分子，另一種溶劑為帶負電的塑料分子。如果基質(zhì)帶正電，則先同帶負電的塑料分子溶劑接觸，反之則與帶正電的塑料分子產(chǎn)生反應(yīng)。塑料分子與基質(zhì)接觸后，就在基質(zhì)表面形成一個分子厚度的分子層。經(jīng)過在兩種溶液中反復(fù)反應(yīng)，分子層不斷重疊，最終形成的這種新型材料就是金屬橡膠。

科學(xué)家將這種制造過程形象地比喻成做蛋糕，一層一層地重疊，最終形成了一個漂亮的生日禮物。

未來應(yīng)用廣泛

按照目前的工藝水平，科學(xué)家每天可以制造出兩英尺見方、7毫米厚的金屬橡膠?？茖W(xué)家相信，隨著工藝水平的不斷進步，將來，金屬橡膠的生產(chǎn)會像印刷報紙那樣簡單容易，適合各種用途的金屬橡膠產(chǎn)品也將會被迅速生產(chǎn)出來。

金屬橡膠最令人激動的應(yīng)用前景，莫過于在未來航空領(lǐng)域的廣泛使用。有了這種新型材料，人類制造出像鳥類那樣―智能飛行翼‖的夢想就將得以實現(xiàn)。目前，這種材料已經(jīng)引起洛克希德－馬丁公司的關(guān)注，該公司的科學(xué)家正在努力開發(fā)這種材料用于航空領(lǐng)域的可能性。

此外，這種材料還可以在生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品如人造肌肉等方面得到迅速應(yīng)用。利用這種新材料的特性，也可以設(shè)計出新型航空座椅、新型汽車，甚至連電視都可以設(shè)計成可以折疊的、放在口袋攜帶的超便攜款式。

物理科普文章 第四篇 最冷的，最凝聚

這話說起來有點酷：距離我辦公桌數(shù)百米，在Eric Cornell教授的實驗室里，存在著可能是這個星球上甚至這個宇宙中最寒冷的地方。那里面的物質(zhì)擁有一種神奇的狀態(tài)：玻色-愛因斯坦凝聚。

這一切要從費米子和玻色子說起——

大家知道，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子是由質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成的，而質(zhì)子、中子等又是由夸克構(gòu)成的，另外還有傳遞相互作用的光子、膠子等等。從原 子、質(zhì)子、中子到夸克、光子、膠子，這些都是微觀粒子。根據(jù)它們的物理性質(zhì)不同，可以將這些微觀粒子分成不同的類別，比如：是否為目前認為不能再向下分的 基本粒子、是否帶有電荷、是否帶有靜止質(zhì)量，等等。

中子和質(zhì)子組成的原子核，再加上核外的電子云就構(gòu)成了原子的結(jié)構(gòu)

依據(jù)微觀粒子統(tǒng)計性質(zhì)的不同，物理學(xué)家們把微觀粒子劃分為兩類：費米子和玻色子。費米子服從費米-狄拉克統(tǒng)計，玻色子則服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計 [1]，簡單一點說，這兩種統(tǒng)計的不同意味著在不同微觀狀態(tài)之間分布的時候，占據(jù)狀態(tài)方法的不同。打個比方，如果同一種微觀粒子聚眾看電影，對于費米子來 說，兩個人不能同時坐在同一位置上，這就是有名的―泡利不相容‖原理，而對于玻色子來說，則可以允許兩個甚至更多個人同時坐于同一個位置——雖然位子足夠 多時，這種情況也很少發(fā)生。

不可分辨的同一種粒子

抱歉，說起來，前邊這個―電影院比喻‖其實還是有失準(zhǔn)確—— 因為，當(dāng)我們面對電影院里的人，還是可以清晰分辨張三和李四的不同。但當(dāng)我們面對微觀的粒子，同一種微觀粒子之間卻是不能夠分辨的，一個粒子與另外 一個粒子并無任何不同，所有人都失去了個性。我們可以說―兩個費米子不能坐在同一個位置上，兩個玻色子可以坐在同一個位置上‖，但是并不能分清楚到底是哪 個微觀粒子坐在這個位置上。這個就是一般統(tǒng)計物理里面說的―全同的量子粒子不可分辨‖的概念。

1925年的玻色（來自維基百科相關(guān)頁面）。薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894年1月1日－1974年2月4日）是印度的一位物理學(xué)家，他最先提出了微觀全同粒子不可分辨的概念。

這個概念的歷史并不長。直到100年前，大家還認為微觀粒子可以分辨的，在不同狀態(tài)上的分布滿足―麥克斯韋-玻爾茲曼分布‖。這是一種經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)的 分布規(guī)律，如果說不同狀態(tài)對應(yīng)的能量是相當(dāng)于不同檔次的電影票價的話，那么最后每種座位上微觀粒子的數(shù)量只和微觀粒子所擁有的平均財富（對應(yīng)系統(tǒng)的溫度）和每種座位的票價（每個狀態(tài)的能量）有關(guān)系。但是對于費米子和玻色子來說，分布規(guī)律還要和粒子的總數(shù)有關(guān)系。仔細來說，和每個粒子進入系統(tǒng)都有的一個跟現(xiàn) 有的粒子數(shù)目相關(guān)的額外入場費用或者是最低消費額度有關(guān)系（統(tǒng)計物理里面是體系的化學(xué)能）。在使用光子的概念來解釋黑體輻射等實驗的時候，人們逐漸發(fā)現(xiàn)經(jīng) 典的麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計在研究微觀粒子的時候并不準(zhǔn)確。

玻色-愛因斯坦凝聚的提出

最先提出―微觀全同粒子不可分辨‖概念的人是印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色。1924年，年輕帥氣的玻色寫了一篇題為《普朗克定律和光量子假說（Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta）》 的論文，提出可以通過這一概念來完美解釋普朗克總結(jié)的黑體輻射的實驗發(fā)現(xiàn)。但是，他這篇文章并沒有得到歐洲一些學(xué)術(shù)期刊的重視。遭到挫折的玻色將他的論文 寄給身在德國的愛因斯坦，愛因斯坦意識到了玻色這篇論文的重要性，親自將它翻譯成德語，然后以玻色的名義發(fā)表在德國著名的《德國物理學(xué)刊》上。通過愛因斯 坦的幫助，玻色的研究成果得以發(fā)表并獲得了人們的關(guān)注。

1923年的愛因斯坦，攝于巴塞羅那

1925年，愛因斯坦將玻色關(guān)于―沒有靜止質(zhì)量的光子‖的統(tǒng)計方法推廣到有質(zhì)量的原子體系中，預(yù)言了一種新的物質(zhì)狀態(tài)的存在。根據(jù)愛因斯坦的預(yù)言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的原子構(gòu)成的氣體可能會發(fā)生神奇的轉(zhuǎn)變，處于最低的能量狀態(tài)上的原子數(shù)目會隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所 有的原子都處于這一個能量狀態(tài)上，而整體呈現(xiàn)出一個量子狀態(tài)。這種狀態(tài)后來被稱為―玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC）‖，是很多實驗物理學(xué)家致力實現(xiàn)的預(yù)言。

空間中粒子的分布：左圖，可分辨粒子可以看成一個個單獨的波包；右圖，不可分辨的同一種粒子互相疊加起來，我們不能區(qū)分單個的粒子，它們形成一個整體的分布。

根據(jù)量子力學(xué)的知識，微觀粒子具有波粒二象性，原子是粒子也是波。一個原子在空間中的存在可以用波函數(shù)來表示，如上面左圖顯示的那樣，每一個粒子的 準(zhǔn)確位置都難以判定，只是在某一個位置附近有一定的分布，分布的大小對應(yīng)于原子的德布羅意波長。原子的溫度越低，德布羅意波長越大。如果原子之間的距離遠 大于于德布羅意波長，那么就可以把原子看成是一個個的點；如果距離小于德布羅意波長，那么原子的分布就會互相重疊（左圖）。對于不可分辨的同一種粒子來 說，互相重疊的分布使得他們表現(xiàn)出一個整體的量子態(tài)，如果粒子是玻色子，它們之間傾向于處于同一個狀態(tài)，整個系統(tǒng)就會形成―玻色-愛因斯坦凝聚‖。

因此，對于給定的玻色原子體系，要形成這種凝聚需要一定體積里面含有的原子數(shù)比較大（這樣原子間的距離比較?。?，以及，溫度足夠低（這樣德布羅意波長比較大）。

低溫和超流

20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得·卡皮查（Пётр Леонидович Капица，1894年7月9日－1984年4月8日）開始低溫物理學(xué)的研究。1934年他開發(fā)了能制造大量液氦的裝置。1937年的時候，他發(fā)現(xiàn)在將 液氦的溫度降低到2.17K（-270.98攝氏度）之下的時候，液氦會變成一種沒有摩擦的神奇液體，稱做超流體。1978年，由于他―在低溫物理學(xué)領(lǐng)域 基本的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)‖[3]，這位低溫物理學(xué)的先驅(qū)和發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射的彭齊亞斯和威爾遜分享了諾貝爾物理獎。

超流體有著非常有趣的性質(zhì)。超流動性使得懸掛容器內(nèi)的超流體在重力作用下沿著容器的壁到容器外來

卡皮查實現(xiàn)的是氦4的超流（氦4即一個氦原子核里含有兩個質(zhì)子和兩個中子），里面的氦原子是一種玻色子，因此，超流體的發(fā)現(xiàn)可以說在一定程度上驗證 了玻色-愛因斯坦凝聚的正確性。然而，因為氦本來就處于液體的狀態(tài)，原子和原子之間有著比較大的相互作用力，超流并不單純是由于玻色統(tǒng)計導(dǎo)致的。如果想要 嚴(yán)格驗證愛因斯坦的預(yù)測，我們需要在氣體體系里面實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚才行。前面說過，這需要將系統(tǒng)的溫度將到非常低，因此需要更先進的制冷技術(shù)；同時 還需要有大量的有一定密度并處于氣體狀態(tài)的原子，原子數(shù)太少則很難形成凝聚，原子密度太大則有可能形成液體或者固體。

這一切，直到20世紀(jì)90年代才得以實現(xiàn)。

激光冷卻-低于千分之一度的低溫

1997年，美國斯坦福大學(xué)的朱棣文教授（現(xiàn)任美國能源部部長）、法國巴黎高等師范學(xué)院的Claude Cohen-Tannoudji教授和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的William D.Phillips教授因為他們利用激光冷卻并束縛原子的工作分享了諾貝爾物理學(xué)獎。激光冷卻使得我們能夠獲得更低溫度的原子氣體，從而制造更精確的冷原子 鐘。1985年的時候，朱棣文等人首先利用這個技術(shù)將鈉的原子氣體冷卻到了240微開爾文的溫度（僅比絕對零度高出一百萬分之二百四十度）[4]。

我們一般用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是攝氏度，一個大氣壓下，水結(jié)冰的溫度是0攝氏度，水沸騰的溫度是100攝氏度。很多情況下，物理學(xué)里面用的是絕對溫度，單位 為開爾文（K），一個開爾文和一攝氏度的單位是一樣的。絕對零度（0開爾文）是-273.15攝氏度，室溫相當(dāng)于大約300開爾文。對于空氣里面的絕大多 數(shù)成分來說（氧氣、氮氣、二氧化碳等等），溫度的降低會使得它們變成液體，然后有的還會隨著溫度的繼續(xù)降低變成固體，比如說，氧氣在90.20開爾文（零 下182.95攝氏度）的時候變成液體，在54.36開爾文（零下218.79攝氏度）的時候變成固體?？諝饫锏臍怏w分子是在不斷地到處運動并且互相碰撞 的，空氣的溫度和運動速度是聯(lián)系起來的。我們周圍的空氣分子運動速度在數(shù)百米每秒的樣子，如果降低空氣的溫度，分子的運動速度也會降低，而如果能夠?qū)⒁粋€ 個的空氣分子速度減下來，空氣的溫度也就降低了。而激光冷卻就是通過激光來減慢原子的運動速度，從而使得原子氣體的溫度變小。

激光器發(fā)出的光子在鈉原子上―散射‖，同時給鈉原子一個反沖的作用。在這個作用下，原來向右運動的鈉

原子速度會變慢。

大家可以想象一個戰(zhàn)爭的場面。失控的戰(zhàn)車沖向戰(zhàn)壕，戰(zhàn)壕里的戰(zhàn)士向戰(zhàn)車不斷開槍，子彈打由戰(zhàn)車彈向四面八方。如果仔細看戰(zhàn)車的速度，我們會發(fā)現(xiàn)由于 子彈的撞擊，戰(zhàn)車的速度會越來越小，利用激光冷卻原子和這個過程相似。如上圖顯示的，激光器發(fā)出的光子就像子彈一樣，如果光子在鈉原子上發(fā)生―散射‖，那 么向右運動的鈉原子在激光的作用下速度會越來越慢。仔細說來，光子在鈉原子上發(fā)生的并不是散射，而是光子將鈉原子的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后電子躍遷回來的 時候會放出一個方向不確定的光子。在一段時間內(nèi)，鈉原子吸收的光子有特定方向，而放出的卻沒有，所以原子會被光束減速。這樣，原子的動能有個和光子的能量 相關(guān)的不確定性，這也給出了激光冷卻能夠得到的最低溫度。

高壓鈉燈的發(fā)射譜線

為了利用這一點來冷卻氣體，我們它對不同的原子能有不同的效果。對于向著激光運動的原子來說，我們希望能減慢他們的速度，對于遠離激光運動的原子來 說，我們不希望把它們推的越來越快。并不是所有波長的激光都能夠和原子相互作用，原子在內(nèi)部的電子能級發(fā)生變化的時候，會放出或者吸收特定波長的光，這構(gòu) 成了原子的發(fā)射光譜或者吸收光譜。每一條譜線都是有一定的寬度，激光的波長越接近吸收譜線的中心位置，激光就越容易影響原子。

激光冷卻原子的示意圖，選擇激光的波長在原子譜線偏紅（波長偏長）的一側(cè)，這樣可以實現(xiàn)原子的減速。來自[5]里的動畫截屏（強烈推薦大家去玩一玩這里面的一系列關(guān)于BEC的動畫游戲）。

如果像上圖右下角顯示的那樣，我們將激光的波長選擇在原子譜線波長略微比中心位置長一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運動的原子感受到的波 長會顯得短一些（藍移），因此作用強烈；而背離激光運動的原子感受到的波長會更長一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個方向都有一束激光的 話，就可以保證把原子的速度降低下來。通過這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對零度之上大約千分之一攝氏度，這一溫度要比自然條件下存在的最冷溫度 低成千上萬倍。（在自然條件下，最冷溫度是太空的溫度，也就是宇宙背景輻射的溫度，大約為3K）。

然而，這還不夠……要產(chǎn)生產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚，我們還需要更低的溫度。

20世紀(jì)90年代的Carl Wieman教授（左）和Eric Cornell教授（右）。Eric Cornell教授現(xiàn)在是JILA的主任（JILA是科羅拉多大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的一個合作研究單位）。

玻色-愛因斯坦凝聚的最終實現(xiàn)

1990年，從麻省理工學(xué)院（MIT）獲得博士學(xué)位的Eric Cornell來到科羅拉多州位于洛基山脈山腳下的小鎮(zhèn)博爾德（Boulder）做博士后，隨Carl Wieman教授一起致力于研究如何實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚，兩年后他成為助理教授。他們采用了激光冷卻的方法將銣原子氣體冷卻到很低的溫度，然后利用磁 勢阱蒸發(fā)冷卻的方法得到了更低的溫度。

磁勢阱蒸發(fā)冷卻示意圖：磁勢阱里面束縛的原子氣體在勢阱降低的時候，帶有較高能量的原子會跑掉，留

下溫度較低的那些原子。

本身帶有磁性的原子，這使得可以用磁場來束縛住原子，稱為一個磁場的勢阱。大家對蒸發(fā)冷卻的原理都很熟悉：一杯開水放在桌子上，水里面速度較快的水 分子會沖出水面，散發(fā)到空氣中去，從而帶走了較多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同樣，通過降低磁勢阱的高度，我們可以讓束縛在勢阱里面的帶有較 高能量的原子跑掉，從而留下溫度較低的原子，得到非常冷的原子氣體。

利用這兩種制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地將含有大約2000個銣87原子（銣的一種同位素）的氣體冷卻到低于 170nK的溫度（僅比絕對零度高了百萬分之零點一七度），這時，大量的原子聚集到了最低的能量狀態(tài)，形成了玻色-愛因斯坦凝聚[6,7]。此時，距離玻 色和愛因斯坦提出玻色-愛因斯坦凝聚的構(gòu)想已過去70年。四個月之后，MIT的Wolfgang Ketterle教授等人成功地用鈉23原子實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚，他們實現(xiàn)的凝聚含有超過一百倍數(shù)量的原子，這使得他們可以觀測一些重要的性質(zhì)，比 如觀察兩個凝聚之間的量子干涉現(xiàn)象[2,8]。這三位科學(xué)家分享了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎。

Eric Cornell和Carl Wieman得到的玻色-愛因斯坦凝聚結(jié)果圖。從左到右依次為400nK，200nK和

50nK。

束縛在勢阱里面的冷原子氣體在關(guān)掉磁勢阱之后，會向著周圍的空間運動。如果沒有實現(xiàn)凝聚，那么原子就有不同的向四面八方的速度，一段時間之后的原子 在空間里分布就會很廣；而凝聚的原子稱為一個整體，基本沒有向外擴散的速度，在一段時間之后仍然表現(xiàn)為一個很集中的分布。利用光學(xué)成像的方 法，Cornell和Wieman得到了不同溫度下關(guān)掉磁勢阱之后得到的分布圖像（如上圖），200nK和50nK的結(jié)果里清晰地顯示了玻色-愛因斯坦凝 聚的存在。

Ketterle教授等人觀測到的兩個玻色-愛因斯坦凝聚之間的干涉現(xiàn)象[9]。

玻色-愛因斯坦凝聚是一個宏觀的量子現(xiàn)象，實現(xiàn)的凝聚里面所有的原子可以用一個整體的波函數(shù)來描訴。因此，像兩束激光一樣，兩個凝聚之間也可以發(fā)生 干涉的現(xiàn)象。Ketterle教授等人利用兩個玻色-愛因斯坦凝聚實現(xiàn)了這個干涉的現(xiàn)象。上圖顯示了兩個凝聚之間的干涉現(xiàn)象，仔細看的話，水平方向有一系 列的干涉細線。原子構(gòu)成的凝聚清晰地體現(xiàn)了波的性質(zhì)。

關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚有著非常多的有趣的實驗可以介紹，而在某些條件下，費米子也可以像玻色子那樣凝聚起來。（由于篇幅的問題，在這里就不再介紹，期待以后有機會再一一展開去講。）

凝聚有什么用？

近百年前的理論預(yù)測，經(jīng)過許多物理學(xué)家孜孜不倦的努力才得以實現(xiàn)，這個領(lǐng)域是現(xiàn)代物理里面光學(xué)、凝聚態(tài)等方向的尖端前沿，里面誕生了許許多多的激動人心的研究成果。然而對于實際應(yīng)用來說，玻色-愛因斯坦凝聚還只是一個剛剛開始的方向，也許要等待數(shù)年才能有實際的應(yīng)用出現(xiàn)。

對于物理學(xué)來說，玻色-愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)提供了一個研究量子現(xiàn)象的工具。很多的量子現(xiàn)象都只能在原子的大小上實現(xiàn)，而我們?nèi)狈线m的觀測方法。利 用玻色-愛因斯坦凝聚，我們可以把微小尺度上的量子現(xiàn)象放大到宏觀的尺度，進而利用更方便的探測方式去研究其中的規(guī)律，去和物理的理論對比，從而可以得到 更多的進展。舉個例子來，固體物理學(xué)的研究對象是不同的固體系統(tǒng)，比如說半導(dǎo)體或者超導(dǎo)體，這些系統(tǒng)的性質(zhì)是由原子不同的排布方式和電子在原子排布的格點 里面運動的方式?jīng)Q定的。利用冷原子凝聚和激光構(gòu)成的系統(tǒng)，我們可以模擬這些固體系統(tǒng)并且通過實驗的手段去調(diào)節(jié)系統(tǒng)里面不同的參數(shù)，這樣，我們可以獲得更多 的理解。玻色-愛因斯坦凝聚之間的干涉現(xiàn)象可以提供給我們提供一個更精確測量速度和位置的工具，因此將來有可能實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚為基礎(chǔ)的導(dǎo)航設(shè)備。此外，為了實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚而使用的冷卻方式也是用處多多，比如提供更好地制造原子鐘的技術(shù)，此處不再贅述。

參考閱讀：

1.更多細節(jié)可以參閱統(tǒng)計物理學(xué)教材，例如：高等教育出版社，汪志誠，《熱力學(xué)·統(tǒng)計物理》。2.維基百科，Maxwell–Boltzmann distribution，F(xiàn)ermi–Dirac statistics，Bose–Einstein statistics，Satyendra Nath Bose，Superfluid，laser cooling，Bose-Einstein condensate等相關(guān)內(nèi)容。3.諾貝爾獎網(wǎng)站，1978年物理獎獲獎?wù)?4.Steven Chu et.al.，Physical

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Letters

55，48

(1985).鏈接

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v55/i1/p48_1 5.美國科羅拉

多大學(xué)

―Physics-2000‖項

目

關(guān)

于

BEC的內(nèi)

容

。http://004km.cn/abstract/PRL/v75/i22/p3969_1 9.D.S.Durfee and W.Ketterle, Optics Express 2, No.8, 299(1998).鏈接 http://004km.cn/oe/abstract.cfm?uri=oe-2-8-299

【返場注釋】

（文/沐右）

超流體有著非常奇特的性質(zhì)，它的粘滯系數(shù)為零，它的表面張力也為零。由于表面張力為零，超流 體會傾向于于覆蓋整個表面的狀態(tài)。這樣，如下圖所示，一個容器里面如果有超流體的話，那么整個表面都會有一層超流體，放在容器內(nèi)超流體表面的碗內(nèi)外也都會 有一層超流體薄膜，在重力的作用下，超流體會向碗內(nèi)運動。而前面提到的懸掛起來裝有超流體的容器，其內(nèi)部的超流體就會通過這一層薄膜在重力的作用下運動到 外面來。

圖片來自維基百科―Superfluid‖頁面[2]。

物理科普文章 第五篇 動物為什么不會迷失方向? 兩項新的研究揭示了動物是如何利用自身固有的―指南針‖來識別方向的。研究人員發(fā)現(xiàn)遷徙的海龜是依靠地域性磁場引導(dǎo)它們在北大西洋中游動的。海龜通過沿著一個被稱為北大西洋環(huán)流的循環(huán)流動系統(tǒng)確定自身的方位，避免了進入危險的寒冷水域中。來自美國佛羅里達州東部的海龜幼仔在一進入大海后，就開始漫長的遷徙。它們游向環(huán)繞著馬尾藻海域的北大西洋環(huán)流，并用幾年的時間沿著該環(huán)流游動。

科學(xué)家把海龜放置在一個大水缸中，水缸由計算機控制的線圈環(huán)繞著，以此來研究海龜幼仔對不同磁場的反應(yīng)。每個海龜身上裝有一個電子跟蹤儀，可以記錄下海龜?shù)奈恢?。海龜可以通過改變它們游動的方向，對磁場中的某些變化做出反應(yīng)。

在另一項對贊比亞地下鼴鼠的研究中，捷克和德國的研究人員發(fā)現(xiàn)在名為上丘腦的大腦結(jié)構(gòu)中有些神經(jīng)細胞是這種動物生物―指南針‖的一部分。這些細胞組對不同磁場方向會做出有選擇性的反應(yīng)。鼴鼠利用這些磁感覺信息合成了一幅它們周圍環(huán)境的心理地形圖，而其它的動物用不同感官信息來達到同樣的地形圖。

物理科普文章

第六篇

【科普】核輻射及預(yù)防

什么是核輻射

簡單來說，放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量就叫核輻射。

核爆炸和核事故都有核輻射。它有a,b和y三種輻射形式。a輻射只要用一張紙就能擋住，但吸入體內(nèi)危害大;b輻射是高速電子，皮膚沾上后燒傷明顯;y輻射和X射線相似，能穿透人體和建筑物，危害距離遠。宇宙、自然界能產(chǎn)生放射性的物質(zhì)不少，但危害都不太大，只有核爆炸或核電站事故泄漏的放射性物質(zhì)才能大范圍地對人員造成傷亡。

放射性物質(zhì)可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射。y輻射可穿透一定距離被機體吸收，使人員受到外照射傷害。

核輻射有什么危害

核泄漏一般的情況對人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，y輻射可穿透一定距離被機體吸收，使人員受到外照射傷害。

內(nèi)外照射形成放射病的癥狀有：疲勞、頭昏、失眠、皮膚發(fā)紅、潰瘍、出血、脫發(fā)、白血病、嘔吐、腹瀉等。有時還會增加癌癥、畸變、遺傳性病變發(fā)生率，影響幾代人的健康。一般講，身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴(yán)重，致癌、致畸風(fēng)險越大。

核輻射分級

核輻射對人體的危害取決于受不同輻射的時間以及輻射量。以下是遭受的輻射量(單位：毫雷姆)的后果：

1：腿部或者手臂進行 X 光檢查時的輻射量;

8：建筑材料每年所產(chǎn)生的輻射量;

10：乘飛機時遭受的輻射量;

60：人體內(nèi)的輻射量;

700：大腦掃描的核輻射量;

5000：每年的工作所遭受的核輻射量;

10000：患癌癥的可能性為 1/130;

60000～100000：出現(xiàn)各種輻射疾病;

200000～450000：掉頭發(fā)，血液發(fā)生嚴(yán)重病變，一些人在 2 至 6 周內(nèi)死亡;

450000～800000：30 天內(nèi)將進入垂死狀態(tài)

民眾如何預(yù)防核輻射

1．隱蔽

早期停留于室內(nèi)是一種簡單、有效的措施，可明顯降低全身及皮膚外照射劑量。當(dāng)人們受放射性煙云照射時，隱蔽在室內(nèi)可將外照射劑量減少50-90%，這要視建筑物的類型和結(jié)構(gòu)而定。

2.服用穩(wěn)定性碘

用穩(wěn)定性化合物可以阻止或減少特定器官對相應(yīng)的放射性核素的吸收，從而減少該器官的受照劑量，穩(wěn)定性碘就是一個例子。碘化鉀或碘酸鉀都能有效地減少甲狀腺對放射性碘同位素的吸收，但他們不能降低已攝入的其它放射性核素的劑量，更不能代替其它防護措施。

3.撤離

撤離是最有效的防護措施，可避免或減少來自各種途徑的照射，但也是各種措施中最困難、最易造成混亂的一種。

4.個人防護方法

主要指對人員呼吸道和體表的防護。當(dāng)空氣被放射性物質(zhì)污染時，用簡易方法(如用手帕、毛巾、布料等捂住口鼻)可使吸入放射性物質(zhì)所致的劑量減少約90%。但防護效果與放射性物質(zhì)的理化狀態(tài)、粒子分散度、防護材料特點及防護物(如口罩)周圍的泄漏情況等有關(guān)。對人員體表的防護可用各種日常服裝，包括帽子、頭巾、雨衣、手套和靴子等。當(dāng)人們開始隱蔽及由污染區(qū)撤離時，可使用這些簡易的防護用品。

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第七篇 簡單科普：核輻射

核輻射，或通常稱之為放射性，存在于所有的物質(zhì)之中，即包括你喝的水和我呼吸的空氣，這是億萬年來存在的客觀事實，是正?，F(xiàn)象。所以我們不是討論有沒有放射性，而是討論在日常生活中有哪些物質(zhì)，在一定條件下，有偏高或高的放射性，并足以對人造成傷害。

詳細介紹

核輻射主要是α、β、γ三種射線：

α射線是氦核，β射線是電子，這兩種射線由于穿透力小，影響距離比較近，只要輻射源不進入體內(nèi)，影響不會太大。

γ射線的穿透力很強，是一種波長很短的電磁波。電磁波是很常見的輻射，對人體的影響主要由功率（與場強有關(guān)）和頻率決定。通訊用的無線電波是頻率較低的電磁波，如果按照頻率從低到高（波長從長到短）按次序排列，電磁波可以分為：長波、中波、短波、超短波、微波、遠紅外線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。以可見光為界，頻率低于（波長長于）可見光的電磁波對人體產(chǎn)生的主要是熱效應(yīng)，頻率高于可見光的射線對人體主要產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)。

核輻射定義

核輻射是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過程中所釋放出來的微觀粒子流。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。電離輻射又分直接致電離輻射和間接致電離輻射。直接致電離輻射包括質(zhì)子等帶電粒子。間接致電離輻射包括光子、中子等不帶電粒子。

輻射有什么危害？

答：人們在長期的實踐和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，少量的輻射照射不會危及人類的健康，過量的放射性射線照射對人體會產(chǎn)生傷害，使人致病、致死。劑量越大，危害越大。

為什么說人類生活在放射環(huán)境中？

答：實際上，人類的生活沒有一刻離開過放射性，這些放射性是天然放射性，主要來自三個方面：

1.宇宙射線；

2.地面和建筑物中的放射性；

3.人體內(nèi)部的放射性。

微量的放射性不會危及健康。

人們的哪些活動也有放射性？

答：人類的很多活動都離不開放射性。例如，人們攝入的空氣、食物、水中的輻射照射劑量約為0.25毫希/年。帶夜光表每年有0.02毫希；乘飛機旅行2000公里約0.01毫希；每 天抽20支煙，每年有0.5-1毫希；一次X光檢查0.1毫希等等。

生活中的核輻射污染

對于核輻射污染，即放射性污染，常人往往只注意到現(xiàn)代科學(xué)研究中的核輻射核工廠里某些特殊車間產(chǎn)生的放射性物質(zhì)造成的危害，或者醫(yī)院的X射線治療所產(chǎn)生的放射性造成的影響及損害，而未考慮生活中還會有放射性污染源。實際上，生活中的放射性物質(zhì)能通過多種途徑進入人體，造成對機體的慢性損害。要防止生活中的放射性污染源對人體健康的危害，有關(guān)執(zhí)法部門要增強環(huán)境保護意識的宣傳。另一方面，政府及執(zhí)法部門要加強對放射性物質(zhì)的管理，對容易受放射性物質(zhì)污染的商品要進行定期監(jiān)測。

一、注意居室中的放射性污染

隨著工業(yè)的發(fā)展，經(jīng)常利用工業(yè)廢渣做建筑材料，可能造成建材中含有一些放射性物質(zhì)，經(jīng)放射性衰變產(chǎn)生了放射性氣體及其子體產(chǎn)物，懸浮于室內(nèi)空氣中，氛及其于體產(chǎn)物放射出能量較高的a射線（粒子），人若吸進這樣的氣體，即會照射人體肺組織。如果長期受到照射，便容易產(chǎn)生支氣管炎和肺癌等疾病。另據(jù)國外報道，大多數(shù)家庭居室中自然出現(xiàn)的放射性氣體氛，如果與煙氣混合，將會有致命的影響。氛是肺癌的一個致病因素。另外，裝修居室用的花崗巖及其它板石材料也含有一定量的氛，特別是通風(fēng)不良時，可造成居室內(nèi)放射性污染加重。經(jīng)監(jiān)測表明，室內(nèi)氧氣多在通風(fēng)不良的地方積累，所以經(jīng)常打開居室的窗戶，促進空氣流通，使氧稀釋，這是減少室內(nèi)氛濃度的良好措施。裝修房屋用的石（板）材要有選擇地使用。石材的放射性核素含量隨礦床，所在地等天然條件的不同而有所增減，必須對其進行監(jiān)測，才能知道是否適合居室裝修。要規(guī)范裝修材料的市場。

二、謹(jǐn)防飲用水的核污染

加強對飲用水源地的環(huán)境保護，謹(jǐn)防飲用水受到核污染。受放射性物質(zhì)污染的水不能直接飲用。

如果用受放射性物質(zhì)污染的水澆灌農(nóng)作物、蔬菜。其放射性物質(zhì)的含量普遍增高，食用有害人體健康。

中國礦泉水水源豐富，其中也有不少水源在流經(jīng)途中受到人工或天然的放射性污染。據(jù)報道，通過有關(guān)部門監(jiān)測，某些盲目開發(fā)的礦泉水水源中含氧的濃度過高，若長期飲用這種礦泉水就會危害身體。因此，各地有關(guān)執(zhí)法和監(jiān)督部門，要對礦泉水的開發(fā)項目要嚴(yán)加管理，不僅要嚴(yán)格控制商品礦泉水的衛(wèi)生指標(biāo)，還要重視它是否受到放射性物質(zhì)的污染。

三、要防燃煤的放射性污染

燃煤中常含有少量的放射性物質(zhì)。研究分析表明，許多煤炭煙氣中含有U、Th、Ra、210Po和210Pb。大多數(shù)情況下，盡管這些物質(zhì)含量稀少，但如長期聚集，其放射性物質(zhì)亦會隨空氣及烘烤的食物進入人體，造成機體的慢性損害。

平時生活使用燃煤，要注意通風(fēng)排氣，警惕煤煙通過呼吸進入人體內(nèi)。禁止食用煤碳直接烘烤食物，尤其是茶葉、煙葉、肉類和餅干等。如果必須使用燃煤（碳）烘烤食物時也要注意屏蔽，不要讓食物與煤煙直接接觸。

四、莫要長期佩戴金銀首飾

佩戴金銀首飾是人們，尤其是女士們美容化妝的重要生活內(nèi)容。殊不知經(jīng)常佩戴首飾也會給人們帶來煩惱，那就是容易患“首飾病”，即皮膚病。

一般來講，除純金（24K）首飾以外，其他的首飾在制作過程中都要摻入少量鋼、鉻、鎳等材質(zhì)，特別是那些異常光彩奪目的或廉價合成首飾制品，這些首飾制品的材質(zhì)成分更加復(fù)雜，對人的皮膚造成傷害的可能性更大。據(jù)報道，美國專家在檢驗了幾千件首飾后發(fā)現(xiàn)，其中有近百件含有放射性物質(zhì)，這些放射性元素對人體有嚴(yán)重地損害，如果長期佩戴，有可能誘發(fā)皮膚病或皮癌。金銀首飾，不宜常戴。常戴的首飾制品，最好進行含放射性物質(zhì)測定。

迄今最嚴(yán)重核事故一覽

1957 年9 月29 日：前蘇聯(lián)烏拉爾山中的秘密核工廠―車?yán)镅刨e斯克65 號‖一個裝有核廢料的倉庫發(fā)生大爆炸，迫使蘇聯(lián)當(dāng)局緊急撤走當(dāng)?shù)?1000 名居民。

1957 年10月7日：英國東北岸的溫德斯凱爾一個核反應(yīng)堆發(fā)生火災(zāi)，這次事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)污染了英國全境，至少有 39 人患癌癥死亡。

1961年1月3日：美國愛荷華州一座實驗室里的核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，當(dāng)場炸死3名工人。

1967年夏天：前蘇聯(lián)―車?yán)镅刨e斯克 65 號‖用于儲存核廢料的―卡拉察湖‖干枯，結(jié)果風(fēng)將許多放射性微粒子吹往各地，當(dāng)局不得不撤走了9000 名居民。

1971年11月9日：美國明尼蘇達州―北方州電力公司‖的一座核反應(yīng)堆的廢水儲存設(shè)施發(fā)生超庫存事件，結(jié)果導(dǎo)致5000 加侖放射性廢水流入密西西比河，其中一些水甚至流入圣保羅的城市飲水系統(tǒng)。

1979 年3月28日：美國三里島核反應(yīng)堆因為機械故障和人為的失誤而使冷卻水和放射性顆粒外逸，但沒有人員傷亡報告。

1979 年8月7日：美國田納西州濃縮鈾外泄，結(jié)果導(dǎo)致1000 人受傷。

1986 年1月6 日：美國俄克拉荷馬一座核電站因錯誤加熱發(fā)生爆炸，結(jié)果造成一名工人死亡，100 人住院。

1986 年4月26 日：前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生大爆炸，其放射性云團直抵西歐，造成約八千人死于輻射導(dǎo)致的各種疾病。

2011年3月12日：日本福島核電站第一機組因9.0級大地震導(dǎo)致泄漏爆炸，周圍8萬居民緊急撤離。日本福島第一核電站1號機組廠房的外墻和屋頂在爆炸中受損，截止到3月13日，2號、3號機組也已開始發(fā)生泄漏，已有190名人員被確認受到核輻射。

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第八篇 彩虹為什么是彎的？

想必很多人都見過彩虹（至少彩虹的照片你見過吧）。一說到它，你腦海里總能浮現(xiàn)出一道七色圓弧。但你知道彩虹為什么是彎的嗎？彩虹真的是恰好七種顏色嗎？彩虹的秘密，死理性派告訴你。

古代人對彩虹的觀察和研究

對彩虹的研究最早可以追溯至公元前 4 世紀(jì)。亞里士多德是第一個認真研究彩虹的人，他曾指出彩虹最為重 要的幾個特征，比如：

如果太陽在地平線上升起得不太高，彩虹就會出現(xiàn)。彩虹不會出現(xiàn)在夏日的中午我們可以同時看到兩條形狀相同但顏色順序排列相反的彩虹，其中外側(cè)那條顯得略為松散，彩虹主要由三種（或四種）顏色組成（現(xiàn)代的RGB三原色理論亦基于此）。

但是有一個很重要的現(xiàn)象亞里士多德并沒有注意到，那就是兩條虹中間的區(qū)域亮度較暗，直到公元約 200 年雅典哲學(xué)家亞歷山大（Alexander of Aphrodisia）才觀察到這個現(xiàn)象，所以后人就將這條暗帶命名為―亞歷山大暗帶‖（dark band of Alexander）。另外，亞里士多德對彩虹的解釋并不正確，他認為只有大的鏡子可以反射出物體的全部外形，他把天空中的水滴比做小鏡子，認為這個鏡子太小了，不可能反射出整個太陽，但是又必須得有什么東西反射出來，所以會有顏色呈現(xiàn)出來。而且，亞里士多德也沒有注意到光的折射作用。

在此之后，古羅馬哲學(xué)家 塞內(nèi)卡、波斯物理學(xué)家 海什木 等人也都曾發(fā)表過自己的看法。中國北宋時期一位叫 孫思恭 的精通天文歷算的進士也曾說過―虹乃雨中日影也，日照雨則有之‖（沈括《夢溪筆談》），這些均只停留在對現(xiàn)象的思考上，沒有更多深入和本質(zhì)性的研究。

彩虹是怎么形成的

我們現(xiàn)在知道，彩虹的形成和光的折射有關(guān)。所以直到人們發(fā)現(xiàn)折射定律，彩虹問題才有條件被解決。光入射到不同介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射，入射光和折射光位于同一個平面上，且與法線的夾角滿足如下關(guān)系：

其中，n 1 和 n 2 分別是兩個介質(zhì)的折射率，θ 1 和 θ 2 分別是入射光（或折射光）與法線的夾角，叫做入射角和折射角。這個定律最早在公元 984 年被波斯科學(xué)家 IbnSahl 精確描述。隨后又被英國科學(xué)家 托馬斯·哈利奧特（1602 年）、荷蘭物理學(xué)家 威理博?斯涅爾（1621 年）、法國數(shù)學(xué)家笛卡爾（1637 年）等人先后獨立發(fā)現(xiàn)這個定律。其中，笛卡爾利用折射定律，成功解釋了彩虹是如何形成的。笛卡爾假想在一個 AFZ平面內(nèi)，光線從 AF 處射出，人眼位于 E 處。如果這時把一個代表水滴的圓球放在 BCD 處，那么 D 部分將呈現(xiàn)全紅色且比其它部分都更明亮。而無論是把球向前向后還是向左向右移動，這個現(xiàn)象均不會改變。笛卡爾測出此時的 ∠DEM 約為 42°（M 為彩虹的圓心）。之后他將 ∠DEM 調(diào)得稍大一些，觀察到紅光立刻就消失了，稍小一些，則能看到黃色、藍色等其它顏色。在仔細檢查 BCD 處的球后，笛卡爾得出結(jié)論：光線 AB 在 B 點處射入球體發(fā)生折射打到 C 點，隨后在 C 點處發(fā)生反射傳遞到 D 點，并在 D 點再次發(fā)生折射而出。

【笛卡爾描繪彩虹是如何形成的。圖片來源：wikipedia.com】

上面這段話并不太好理解，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)代語言就是：以空中的一個水珠為例，如下圖所示，光線在水滴內(nèi)發(fā)生兩次折射和一次反射。其中α為入射角，β為折射角。容易看到，角 D（α）就是最后的光線偏離原始方向的角度。

【圖像來源：plus.maths.org】

那如果一簇平行光線射入水珠又是什么情況呢？如下圖所示，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)水珠兩次折射后，一部分光線散射出去，還有一部分光線則非常密集地射向（大致的）同一方向。實際上 可以證明，下圖中越靠近紅線處的光線越密集，光強越大。這條紅線就被稱作為彩虹線。

【圖像來源：plus.maths.org】

要確定這條彩虹線的位置也并不困難。仍然以紅光為例，前面已經(jīng)說過，角 D（α）是最后的光線偏離原始方向的角度。通過簡單的幾何知識我們?nèi)菀椎玫剑?/p>

而根據(jù)折射定律，有

其中，是紅光在水中的折射率（1.33），將上式代入到 的表達式中，繪制 的函數(shù)圖象如下圖藍線所示。從函數(shù)圖中我們可以看到，當(dāng)入射角 α 范圍相等時（I 1 = I 2），最后的光線偏移量范圍 J 1 比 J 2 間隔更小，也就是說入射角在 I 1 范圍內(nèi)的入射光線（入射光線是平行的，但由于水珠是球形，所以幾乎每條光線的入射角都不相等，而是在一個范圍內(nèi)），光線偏移量的范圍更小。即兩次折射后的光線更加密集，光強更大。

因此，D f（α）的最小值就對應(yīng)著彩虹線的位置。通過求導(dǎo)計算，當(dāng) α = 59.58° 時有最小值 D f(α)= 137.48°。因此，最終的折射光線和入射光線的夾角是 180°-137.48°= 42.52°。這正是笛卡爾尋找的 ∠DEM，也就是人眼對于彩虹的仰角，稱為紅光的―彩虹角‖（Rainbow angle）。我們所看到的彩虹中紅色部分均來在這一角度附近。

【圖像來源：plus.maths.org】

當(dāng)以人的眼睛為頂點，把所有與平行入射光線成 42.52° 彩虹角的光束連接起來，就形成一個紅色的圓錐體。圓錐底面的圓弧就是彩虹。到這里，我們就成功解決了彩虹為什么是彎的這個讓無數(shù)人困惑的難題。

【所有滿足紅光彩虹角形成的紅色圓錐體.圖像來源：plus.maths.org】

另一方面，對紅光的分析還可以拓展到其它顏色的光線。這樣就可構(gòu)建出彩虹的完整的彩色外形。比如對紫光分析，由于其頻率比紅光高，折射率要高于紅光，所以能計算出其彩虹角為41.07°（取紫光在水中折射率為1.34）。這個值小于紅光，這正是為什么在彩虹中，紫色排在紅色下方的原因。

為什么中午很難看到彩虹 順帶一說的是，你在中午幾乎看不到彩虹。因為從上面的示意圖我們可以看到，太陽位于底面圓心（即彩虹的圓心）與人眼連線的延長線上，這導(dǎo)致了彩虹不會出現(xiàn)在中午——太陽越高，彩虹的圓心將越往地平線以下偏移，這使得彩虹整體下移。當(dāng)然如果從空中俯瞰的話，可以觀察到完整的圓形彩虹。如果沒有飛機，站在視野開闊的高山之巔也有可能看到。

【彩虹不會出現(xiàn)在中午的原因。圖像截自：The Rainbow-Aristotle's Theory】

彩虹是七色的嗎？

說完彩虹的形狀，不妨再說說彩虹的顏色。一種廣為流傳的說法是彩虹由 7 種顏色組成。但事實上彩虹是一道由紅色到紫色的連續(xù)光譜（―光譜‖一詞最先由牛頓創(chuàng)造），并非真的只是由 7 種涇渭分明的顏色組成。1665 年牛頓在棱鏡實驗中將可見光分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫這 7 種顏色，實際是受到了來源于古希臘的畢達哥拉斯學(xué)派的影響。畢達哥拉斯學(xué)派認為數(shù)學(xué)是美的（比如他們搞出的―黃金分割‖），在禱文中他們認為 1 是純潔的，4 是圣潔的，10 是萬物之母，而數(shù)字 7 則象征著完美。在牛頓之前，―七原色‖（seven principal colours）的概念就已出現(xiàn)在中世紀(jì)的神秘主義和煉金術(shù)理論之中，并在文藝復(fù)興時期成為遵行的顏色理論。

由于不同顏色光的波長都不相同，所以彩虹實際就是可見光的色散，介質(zhì)就是雨后天空中的水滴。人的眼睛可以感知的電磁波波長一般在 400 到 700 納米之間，而這只占寬廣的電磁波譜的極小部分。

【可見光光譜。圖像來源：wikipedia.com】

多重彩虹和亞歷山大暗帶

雖然牛頓在對彩虹的研究中頗有發(fā)現(xiàn)，但是在對彩虹的進一步闡釋中，由于牛頓深陷于光的粒子性理論之中，因此無法解釋―復(fù)虹‖（supernumerary rainbow，指有時在一條彩虹的內(nèi)部還可以看到幾條模糊的彩虹）的存在。

直到 1801 年，英國科學(xué)家托馬斯?楊意識到了光在一定條件下還具有波的性質(zhì)，并用雙縫實驗給予了有力的證明。隨后（1804 年）他用―光的干涉‖理論完美解釋了復(fù)虹現(xiàn)象：當(dāng)兩條光束從同一個水滴沿相同方向散播出來的時候，它們彼此之間會發(fā)生干涉。若兩光束的光程相差半波長的奇數(shù)倍，則到達觀察者的光強彼此削弱；若相差整數(shù)波長，則光強相互增強。由此造成了一系列位于彩虹內(nèi)側(cè)的明暗相同的光帶。根據(jù)這一解釋，―復(fù)虹‖又被稱為―干涉虹‖。

【副虹。圖像來源：wikipedia.com】

在上文中我們分析的彩虹又可稱為―主虹‖（primary rainbow）。在主虹上方，我們有時還能看到―副虹‖（secondary rainbow），也就是文章開頭提到的亞里士多德觀察到的兩條形狀相同但顏色順序排列相反的彩虹的外一層，即我們常說的―霓‖。虹是光在水滴內(nèi)經(jīng)過了兩次折射和一次反射的結(jié)果，霓的形成則比虹在水滴內(nèi)多經(jīng)歷了一次反射（就是笛卡爾描述彩虹怎樣形成示意圖中的紅色光線所示），導(dǎo)致它的顏色排布與虹的顏色排布順序相反。霓中不同顏色的光線的彩虹角約在 51°左右，所以它比虹顯得要高。在自然界中，我們最多能觀察到一條副虹，而更高階的副虹則可以通過實驗手段制得。

到這里，霓虹之間的―亞歷山大暗帶‖也可以得到解釋了：人眼所能捕捉的光線幾乎全部集中在彩虹線及以下處，而幾乎沒有或者很少有光線高于彩虹線射出，所以虹的上半部是是偏暗的。彩虹線以下射出的光束基本上都是混合了光譜的顏色，呈可見光白色，所以虹的內(nèi)部要更明亮。霓的分析與之相對，由此形成―亞歷山大黑帶‖（也就是仰角大約在 42°到 51°之間）。

【虹、霓和亞歷山大暗帶。圖像來源：wikipedia.com】

關(guān)于彩虹各種觀察現(xiàn)象的科學(xué)討論還有很多很多，曾經(jīng)還有人為之還出了一本書，書名為《彩虹橋：藝術(shù)、神話和科學(xué)中的彩虹》（The rainbow bridge: rainbows in art, myth, and science by Raymond L.Lee,Alistair B.Fraser）。本文只討論了彩虹現(xiàn)象其中極小的一部分，涉及到了幾何光學(xué)、波動光學(xué)等知識。20 世紀(jì)的時候，還曾有科學(xué)家用電磁波理論、光子理論等對彩虹現(xiàn)象進行更精確的描述。關(guān)于彩虹的更多有意思的科學(xué)話題，歡迎參看后面的參考文獻。

物理科普文章

第九篇 七大著名流星雨

流星雨通常與彗星有關(guān)，在距離太陽較近時，彗星會受到其巨大引力和輻射的影響，噴發(fā)出大量的塵埃物質(zhì)，其中一部分塵埃物質(zhì)會遺留在軌道附近，形成一 個柱狀的塵埃帶。當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)，穿過塵埃帶時，就會有流星雨出現(xiàn)。為我們帶來這個流星雨的彗星，就被稱為母彗星。也有母體是小行星的流星雨。

相關(guān)概念：

輻射點：流星雨看起來像是流星從夜空中的一點迸發(fā)并墜落下來。這一點或這一小塊天區(qū)叫作流星雨的輻射點。通常以流星雨輻射點所在天區(qū)的星座給流星雨命名，以區(qū)別來自不同方向的流星雨。所有流星的反向延長線都相交于輻射點，通過這一點可以在觀測時判斷看到的是否是群內(nèi)流星。

偶發(fā)流星：單個出現(xiàn)的流星，在方向和時間上都很隨機，也無任何輻射點可言。

ZHR值：極大時極限星等為6.5等且輻射點在天頂時觀測者每小時看到的流星數(shù)

R值：代表同一流星群內(nèi)亮流星數(shù)目所占的比例，如果一個流星群的r值為3，那么某一星等的流星數(shù)量就是比它亮一個星等的流星的3倍。r值越小，亮流星所占比例也就越大。

流星暴雨：ZHR大于1000的流星雨。

七大著名流星雨

1.獅子座流星雨

獅子座流星雨在每年的11月14至21日左右出現(xiàn)。一般來說，流星的數(shù)目大約為每小時10至15顆，但平均每33至34年獅子座流星雨會出現(xiàn)一次高峰期，流星數(shù)目可超過每小時數(shù)千顆。這個現(xiàn)象與譚普-塔特而彗星的周期有關(guān)。流星雨產(chǎn)生時，流星看來會像由天空上某個特定的點發(fā)射出來，這個點稱為―輻射點‖，由于獅子座流星雨的輻射點位于獅子座，因而得名。

2.雙子座流星雨

雙子座流星雨在每年的12月13至14日左右出現(xiàn)，最高時流量可以達到每小時120顆，且流量極大的持續(xù)時間比較長。雙子座流星雨源自小行星1983 TB，該小行星由IRAS衛(wèi)星在1983年發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家判斷其可能是―燃盡‖的彗星遺骸。雙子座流星雨輻射點位于雙子座，是著名的流星雨。

3.英仙座流星雨 英仙座流星雨每年固定在7月17日到8月24日這段時間出現(xiàn)，它不但數(shù)量多，而且?guī)缀鯊膩頉]有在夏季星空中缺席過，是最適合非專業(yè)流星觀測者的流星雨，地 位列全年三大周期性流星雨之首。彗星Swift-Tuttle是英仙座流星雨之母，1992年該彗星通過近日點前后，英仙座流星雨大放異彩，流星數(shù)目達到 每小時400顆以上。

4.獵戶座流星雨

獵戶座流星雨有兩種，輻射點在參宿四附近的流星雨一般在每年的10月20日左右出現(xiàn)；輻射點在ν附近的流星雨則發(fā)生于10月15日到10月30日，極大日 在10月21日，我們常說的獵戶座流星雨是后者，它是由著名的哈雷彗星造成的，哈雷彗星每76年就會回到太陽系的核心區(qū)，散布在彗星軌道上的碎片，由于哈 雷彗星軌道與地球軌道有兩個相交點形成了著名的獵戶座流星雨和寶瓶座流星雨。

5.金牛座流星雨(南金牛座流星雨，北金牛座流星雨)

金牛座流星雨在每年的10月25日至11月25日左右出現(xiàn)，一般11月8日是其極大日，Encke彗星軌道上的碎片形成了該流星雨，極大日時平均每小時可觀測到五顆流星曳空而過，雖然其流量不大，但由于其周期穩(wěn)定，所以也是廣大天文愛好者熱衷的對象之一。

6.天龍座流星

天龍座流星雨在每年的10月6日至10日左右出現(xiàn)，極大日是10月8日，該流星雨是全年三大周期性流星雨之一，最高時流量可以達到每小時400顆。Giacobini-Zinner彗星是天龍座流星雨的本源。

7.天琴座流星雨

天琴座流星雨一般出現(xiàn)于每年的4月19日至23日，通常22日是極大日。該流星雨是我國最早記錄的流星雨，在古代典籍《春秋》中就有對其在公 元前687年大爆發(fā)的生動記載。彗星1861 I的軌道碎片形成了天琴座流星雨，該流星雨作為全年三大周期性流星雨之一在天文學(xué)中也占有的極其重要的地位。

物理科普文章

第十篇 別把煤灰不當(dāng)寶貝 環(huán)保汽車或可由其提取物制造

除了制造水泥、磚塊，以及走向其最終的―墓地‖——垃圾填埋場之外，燃煤電廠排放出來的煤灰還有其他用途嗎？美國科學(xué)家表示，未來更輕便、更節(jié)能的環(huán)保汽車或許可由煤灰提取物來參與制造。另外，經(jīng)不起任何風(fēng)吹雨打的煤灰也能―化身‖為道路橋梁的―護身符‖，讓其包裹的鋼筋和水泥更堅固，以抵擋歲月的侵襲。

橋梁道路的“護身符”

美國物理學(xué)家組織網(wǎng)3月30日報道稱，美國佛羅里達大西洋大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系教授查爾斯·卡拉赫在美國化學(xué)學(xué)會大會上表示，燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的煤灰能用來制造包裝材料，包裹美國道路和橋梁所使用的水泥，經(jīng)過―包裝‖的道路和水泥的壽命可以延長幾十年。而且，這種材料的經(jīng)久耐用性是現(xiàn)有包裝材料的幾百倍，而成本則僅為其一半，因此，每年能為美國節(jié)省數(shù)千億美元。

卡拉赫解釋說，美國450家左右的燃煤電廠每年大約產(chǎn)生1.3億噸煤灰。在與空氣污染有關(guān)的法律出現(xiàn)之前，無人會理會這些細微的、毫不起眼的煤灰，徑由它們從煙囪散逸入空氣中?，F(xiàn)在，發(fā)電廠開始收集這些煤灰。

―不過，收集起來的煤灰如何處理成為令很多人深感頭疼的問題?！ɡ照f，―有些煤灰確實被回收并重新利用，但70%的煤灰進了垃圾填埋場。隨著土地不斷減少，垃圾填埋場也變得越來越稀缺而昂貴。我們的研究表明，煤灰等?廢物‘能變成極有價值的資源，它們可以包裹水泥，成為水泥的?護身符‘，減緩水泥因為時間流逝而出現(xiàn)的品質(zhì)下降乃至崩塌的速度。而且，這種包裝材料也可以修復(fù)受損的水泥。‖

卡拉赫表示，實驗室進行的測試表明，當(dāng)暴露在炎熱、寒冷、下雨和其他比實際環(huán)境還要惡劣的模擬環(huán)境中時，煤灰制成的這種包裝材料具有非凡的硬度和耐用性。例如，當(dāng)將其暴露在酸度達正常室外空氣中酸度一萬倍的空氣中時，這些包裝材料可讓水泥的品質(zhì)維持在很高的水平，在一年的觀察期內(nèi)，受到這種保護的水泥堅固如初并毫發(fā)無傷，而暴露在同樣的環(huán)境下的普通水泥幾天后就開始弱不禁風(fēng)了。

卡拉赫說，美國環(huán)保署公布的數(shù)據(jù)顯示，目前美國在修復(fù)、加固和替代家用廢水系統(tǒng)和飲用水系統(tǒng)中所用水泥方面的花費高達1.3萬億美元，而且很多項目必須要在2020年前完成，以避免可能會出現(xiàn)的環(huán)境問題和公共安全問題；同時，修復(fù)和重建凹凸不平的水泥路和搖搖晃晃的橋梁需要幾千億美元。―因此，煤灰制成的這種包裝材料能延長這些道路、橋梁和水系統(tǒng)的壽命，節(jié)省成本，同時解決煤灰的廢物處理問題?！ɡ杖缡菑娬{(diào)。

未來輕型汽車的“血肉”

其他科學(xué)家也將關(guān)注的目光投向了煤灰，他們認為，煤灰提取物可能會成為未來包括電動汽車在內(nèi)的更輕便、更節(jié)能車輛的―血肉‖。

據(jù)美國《科學(xué)美國人》3月28日報道，紐約大學(xué)理工學(xué)院的教師尼基爾·古普塔博士在上周出版的《金屬雜志》上指出，他的研究小組正致力于研發(fā)一項專利技術(shù)——用煤灰提取物做原材料，讓汽油或柴油動力汽車―瘦身‖10%；至于電動汽車，可以通過使其電池減重20%到30%來進一步減輕其重量，由此增加它們持續(xù)工作的能力。

古普塔說，可以將發(fā)電站產(chǎn)生的大量煤灰收集起來很好地加以利用，包括用來制造熱門的汽車等。古普塔指出，煤灰―變臉‖為輕型汽車原料的奧秘在于煤灰中含有一種叫做煤胞的微結(jié)構(gòu)，這是一種堅固而中空的含泡結(jié)構(gòu)，是煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)品的一部分。這些副產(chǎn)品中，煤胞會漂浮在水上，而其他物質(zhì)則下沉，因此，可以用水將其從這些廢棄的副產(chǎn)品中分離出來。

用鎳、銅或任何其他合金或陶瓷材料給這些煤胞加上涂層就能制成一種超級堅固但輕巧的材料，這種材料可以混合入很多金屬―體內(nèi)‖。古普塔和同事們估計，任何一片金屬中都可以添加60%以上的煤灰提取物，這一比例可以根據(jù)最終得到的部件所需要的彈性進行調(diào)整，這樣就可以在保持鋼鐵或鋁的強度的同時大大降低其重量。盡管這項技術(shù)有幾百種用途，但古普塔表示，重型車輛制造商和軍方可能最感興趣。

研究人員稱，他們與威斯康星的制造企業(yè)合作，制造出了一些汽車的原型，證明這一方法的確可行。他們說，讓標(biāo)準(zhǔn)汽車減重10%是―保守估計‖，因為汽車技術(shù)人員或許能在制造中發(fā)現(xiàn)研究人員沒有想到的其他用途。

古普塔團隊下一步的目標(biāo)是進軍電動汽車市場，同汽車制造商以及電池制造商合作。該研究團隊表示，通過將這種煤胞融入電池使用的鉛或者其他金屬內(nèi)，可以將電池的重量減少20%到30%甚至更多。電池是電動汽車中最重的部分，削減電池的重量可以大幅減少汽車的重量，這樣，一次充電能讓汽車行駛更長時間。而這項技術(shù)可以進行規(guī)?；a(chǎn)并且成本低廉。

不過，古普塔也承認，來自煤灰的煤胞的質(zhì)量無法預(yù)測是一個問題。但在美國，每年發(fā)電站產(chǎn)生的大量煤灰提供了廉價、充足的材料供應(yīng)，人們可以從中挑選出最好的煤胞。(劉霞)

煤灰或有望用于制造環(huán)保汽車等大用途(新聞配圖)

第三篇：物理科普展策劃書

2011年物理科學(xué)學(xué)院

——物理科普展

策

劃

書

物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會

物理科學(xué)學(xué)院“物理科普展”策劃書

一、活動組織單位：

主辦：物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會

二、活動地點

八食廣場

三、活動時間

2011年5月25日(周三)10:00——15:00

2011年5月26日(周四)10:00——15:00（具體時間依實際情況定）

四、活動意義

物理科學(xué)學(xué)院“物理科普宣傳展”旨在讓廣大學(xué)子在對自身專業(yè)進行深入學(xué)習(xí)的同時，對科普知識也進行一定的了解，豐富知識體系的同時，加強自身的鉆研精神。同時，豐富大學(xué)生的校園文化生活，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，豐富大學(xué)生的科普理念。展現(xiàn)物理科學(xué)學(xué)院的新風(fēng)貌，科研創(chuàng)新成果，教學(xué)成果。組織同學(xué)們參與其中，傳遞生活科普常識，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的物理。

五、準(zhǔn)備工作

（一）工作分組

1、記錄組

記錄整個活動的進程最后發(fā)到媒體；記錄整個活動的物品使用情況

2、宣傳組

前期和活動當(dāng)天的宣傳

3、后勤組

負責(zé)場地布置及購買所需用品，服務(wù)于同學(xué)

（二）所需籌備物品

1、學(xué)院橫幅

2、展板*8

3、桌子*4

4、相機*1

5、帳篷*2

6、演示實驗儀器

7、生活實驗儀器

六、前期宣傳工作

1、制作海報若干張貼在各宿舍樓下，展板一張，提前兩天放置在二食前進行宣傳；

2、活動進行前一天，在前往八食廣場的路上貼相應(yīng)的標(biāo)志； 標(biāo)志包括：

（1）寫有活動具體名稱時間地點的紙質(zhì)箭頭，貼在樹上、墻上；（2）腳印，貼在地上（此項根據(jù)學(xué)校環(huán)衛(wèi)情況考慮）；

3、在團員之家等校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)媒體發(fā)布信息公告；

4、在八食廣場的路上拉橫幅；

七、活動流程

1、工作人員到場簽到，布置會場。

2、展示過程中維持秩序。

3、結(jié)束后清理會場。

八、具體活動內(nèi)容

（一）活動地圖

（二）展示內(nèi)容

1．物理生活科普知識展示

2．著名物理實驗及實驗室展示 3．著名物理學(xué)家展示

4．教學(xué)科研成果展示（待定）5．物理實驗區(qū)

（1）演示實驗室儀器展示（2）物理生活小實驗展示（3）其他待定

********************經(jīng)費預(yù)算********************

宣傳費用：橫幅50元

彩色紙版、彩筆、腳印狀貼紙50元

展示費用：打印費160元工作用水10活動費用共計需要約270元。

元物理科學(xué)學(xué)院學(xué)生會

第四篇：物理科普之電鍍

[科目]物理

[關(guān)鍵詞]物理科普/電鍍

[文件]wlkp42.doc

[標(biāo)題]電鍍

[內(nèi)容]

電 鍍

利用電解作用，在物件之表面鍍以一層金屬以防止生銹，并使部件美觀的加工工藝。電鍍時以被鍍之物件作為陰極，并以欲鍍金屬的鹽或酸溶液為電解質(zhì)，通以電流則溶液分解，金屬附著于物體表面。陽極為欲鍍金屬逐漸被溶解，以保持溶液的濃度一定。用這種方法可以將各種金屬鍍在物體表面，在金、銀、鎳、鉻等金屬，不易生銹又比較光亮，所以很多機件和生活日用品往往都是電鍍件。電鍍時析出的金屬皆為結(jié)晶體，晶體越細越均勻越好。在通常電鍍工藝中的注意之點有：（1）電鍍時電鍍液里的金屬離子濃度越低越好。而液體中的金屬鹽濃度則大些為宜；（2）要有適當(dāng)?shù)奶砑觿?，添加少量的明膠等膠狀物質(zhì)。此種物質(zhì)與金屬共同被陰極吸收，可使被電鍍的金屬結(jié)晶變小；（3）電流密度不宜過大，因為電流密度小時結(jié)晶核的生成較遲，故結(jié)晶的成長甚佳，電鍍比較均勻。電流密度過大結(jié)晶核多，各部分離子濃度不均勻，以致發(fā)生樹脂狀海綿狀等；（4）要攪拌使電鍍液均勻，以得到平滑的電鍍；（5）溫度要適當(dāng)高一點，因為溫度高可以使電鍍液濃度增高，因而減少含氫現(xiàn)象；（6）酸性不宜過強，否則生氫而妨礙電鍍；（7）電鍍前應(yīng)把金屬件的銼痕、生銹或油污等弄平滑和清洗干凈，再行電鍍。

第五篇：科普教案

成人教育《科普大課堂》教案

韓村鄉(xiāng)成人教育學(xué)校

郭

棟

科 普 大 課 堂

一、教學(xué)目標(biāo)

1．通過讀新聞、舉身邊事例形式引起家長們對煤氣中毒安全的重視。讓家長初步掌握一些煤氣安全知識，和急救技術(shù)，學(xué)會保護自己和周圍的人。

2．知識競答形式鞏固并拓展對“安全”知識的理解和運用，培養(yǎng)各方面的能力。

3．形成學(xué)習(xí)、宣講安全知識的氛圍，培養(yǎng)家長自我保護的意識和能力，為家人的安全健康打好基礎(chǔ)。

二、教學(xué)準(zhǔn)備

收集有關(guān)煤氣事故的新聞或身邊的生活例子。

三、教學(xué)過程 第一板塊：營造氛圍 各位家長下午好：

歡迎大家走進科普大課堂。今天我們一起來談一談煤氣中毒。防煤氣中毒知識年年談，煤氣中毒事件年年有，我們先來看一組短訊。

2010年3月18日記者從我市幾大醫(yī)院了解到，連日陰冷的倒春寒天氣，使我市一氧化碳（煤氣）中毒者明顯增多，不少患者癥狀較重，甚至失去了寶貴的生命。

“今年春天我院收治的一氧化碳（煤氣）中毒患者比去年同期增加了一倍?！笔械诙t(yī)院高壓氧室的醫(yī)生告訴記者，近一個月來，到二醫(yī)院高壓氧倉治療的患者多達110多人，而去年同期只有50多人。

據(jù)252醫(yī)院高文月大夫介紹，2009年春節(jié)前后該院收治煤氣中毒患者144例，僅急診科就收治117例。這117例中市區(qū)患者占60%，主要是無集中供暖用戶、拆遷戶在屋內(nèi)生火取暖所造成的。

市急救中心的醫(yī)生告訴記者，從今年2月14日到3月14日，該院共收治一氧化碳（煤氣）中毒病人25例，其中3月13日一天就收治了4例。由于接診快、搶救及時，這些患者都安全出院。據(jù)醫(yī)護人員介紹，上述患

而且一些人對煤氣存在種種誤解。

1．只有燒煤才會引起中毒。凡屬含碳的燃料，如汽油、煤 油、木炭等，在缺氧而不能燃燒時，皆可產(chǎn)生大量的一氧化碳，因此也能引起煤氣中毒。

2．室內(nèi)沒有煤煙不會引起中毒。煤氣是一種無色、無味氣體，室內(nèi)沒有煤煙，不等于沒有煤氣。煤氣中毒是在不知不覺中發(fā)生的。

3．用濕煤封火或放一盆水不會引起煤氣中毒。其實，一氧化碳極難溶于水；而且水分和煤在高溫下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種叫水煤氣的混合氣體，內(nèi)含有大量一氧化碳，且比重大，更易在室內(nèi)彌存，增加中毒危險性。

4．爐上烤棗核、橘皮能解煤毒。在煤爐上烤這些香型物質(zhì)，也只能增加室內(nèi)的清香味，并不能吸收煤氣和預(yù)防中毒。

5．裝設(shè)煙筒就不會煤氣中毒。其實遇大風(fēng)倒煙、煙筒被煙灰或其它東西堵塞等，煤氣排不出或排量少，大部分?jǐn)U散在室內(nèi)，也會發(fā)生煤氣中毒。

6．裝上風(fēng)斗就不會引起煤氣中毒。許多人家使用舊風(fēng)斗、或風(fēng)斗過小或安裝高度不夠。由于煤氣排出不暢，所以也能引起中毒。

7．門窗上有縫隙不會引起煤氣中毒。空氣比重為1，煤氣比重為0．967，室外空氣比煤氣重。如果門窗縫隙處于低處，煤氣便不易排出。因此門窗上有隙也可能發(fā)生煤氣中毒。

8．燒液化石油氣不會引起煤氣中毒。液化石油氣比空氣重，如果灶具漏氣，易在低處聚集，吸進體內(nèi)也會發(fā)生煤氣中毒。

9．灌醋和灌酸菜湯能救中毒病人。對煤氣中毒的病人，尤其是處于昏迷狀態(tài)的病人，硬往嘴里灌醋或酸菜湯，容易嗆入肺內(nèi)，阻斷肺泡氣體交換，致使病情加重，甚至死亡。

10．煤氣中毒病人搶救過來就沒事了。煤氣中毒對人的肺、心、腦等器官的損害都很大。對搶救過來的病人如不繼續(xù)精心治療，很可能留下后遺癥。

11、急救中不是煤氣中毒患者凍一下會醒

一位母親發(fā)現(xiàn)兒子和兒媳中了煤氣，她迅速將兒子從被窩里拽出放在

覺和運動分離(即尚有思維，但不能行動)，癥狀較重者可出現(xiàn)嗜睡、昏迷，經(jīng)及時搶救，可較快清醒，一般無并發(fā)癥和后遺癥。

三重度中毒。此時中毒者多已神智不清，牙關(guān)緊閉，全身抽動，大小便失禁，面色口唇現(xiàn)櫻紅色，呼吸、脈搏增快，血壓上升，心律不齊，肺部有羅音，體溫可能上升。極度危重者可持續(xù)深度昏迷，脈細弱，不規(guī)則呼吸，血壓下降，也可出現(xiàn)高熱40攝氏度，此時生命垂危，死亡率高。即使有幸未亡，也會遺留嚴(yán)重后遺癥。

預(yù)防措施：（1）要注意通風(fēng)：屋里生火爐、燒炕取暖時，不要把門窗糊得太嚴(yán)，要注意通風(fēng)換氣，在窗戶上向外糊個“風(fēng)斗”或留個通風(fēng)孔。

（2）防止煙道堵塞和漏氣：用炕爐或火墻取暖時，要經(jīng)常檢查煙道和煙囪，還要檢查炕縫、火墻縫，如果漏煙，要抹好，煙孔要勤掏。免得堵塞，使煤氣進屋里。

（3）白天用的取暖水，晚上最好搬到外面。在生炭火盆或用煤球爐、蜂窩煤爐取暖時，一定要在屋外點好，等火著旺后再搬到屋里來，晚上睡覺前要搬到屋外去。

（4）取暖爐一定要裝煙筒：在屋內(nèi)用煤爐取暖時一定要安裝煙筒，煙筒接口要嚴(yán)，安裝煙筒時應(yīng)注意風(fēng)向，不要讓風(fēng)把煤氣吹回室內(nèi)。同時要經(jīng)常檢查煙筒，如有裂縫、破損的地方，要及時修補好。

（5）晚上睡覺時，最好不要封火：如果要封火，煤不要壓得太多，防止把煙道堵死，發(fā)生中毒。

（6）鄰居之間，每天早晚要互相照應(yīng)，一旦發(fā)生中毒，可以及時發(fā)現(xiàn)，及時搶救。

第三板塊：救治階段

出現(xiàn)了煤氣（一氧化碳）中毒可采取哪些自救措施？

萬一有人發(fā)生了煤氣中毒，應(yīng)當(dāng)趕快搶救。要把門窗打開，通風(fēng)換氣，并把病人抬到新鮮的地方，讓病人平躺下，解開衣扣和褲帶，蓋好被子，防止著涼。對中毒較輕的病人，可以讓他喝些濃茶，鮮蘿卜汁和綠豆湯等。對呼吸衰竭或呼吸停止的病人，應(yīng)當(dāng)立即進行人工呼吸，還可以針炙，針炙時可刺入人中、足三里、十宣等穴位。中毒嚴(yán)重的要立即送醫(yī)院搶救治-