生活中的物理学

《了不起的物理》

严伯钧著

北京联合出版公司

2021年3月

●严伯钧

《了不起的物理》系知名科普作家严伯钧博士的新作。作者精选100个有趣的物理话题，涵盖物理学的方方面面，把复杂、艰深的知识用通俗易懂的方式传递出去。这里有生活中的物理学和黑科技，如5G、裸眼3D、超级高铁；有广阔如宇宙的物理学原理，如引力波、黑洞和宇宙大爆炸理论；还有微小如量子的内涵哲理，如薛定谔的猫、量子纠缠和不确定性原理；更有对重要物理学定律的总结，像能量守恒定律、爱因斯坦方程和熵增原理。除了普及具体的物理学知识，这本书可以透过物理学中的逻辑，让读者感受到其中思维的魅力和美感。

坐飞机为什么不让托运充电宝？

为什么坐飞机的时候充电宝不让托运？这不是充电宝的责任，而是锂离子电池的责任，充电宝用的电池是锂离子电池，在挤压、高低温、遇水等极端情况下容易起火。所以，不仅是充电宝，只要是带有锂离子电池的电器用品都不能托运，例如笔记本电脑。

在飞机上，由于气压骤变、行李会因颠簸而相互挤压，这些因素都会使锂离子电池有着火的风险。如果锂离子电池是在客舱着火，还能拿灭火器扑灭；但在飞机飞行过程中，锂离子电池在行李舱里起火的话，由于行李舱里没人，这就非常危险。

既然这样，为什么还要用锂做电池呢？因为锂充放电性能好，且储电量大，电动汽车之所以能够普及，就是因为锂离子电池的储电量大，使得电动车有足够的续航里程。

普通干电池靠化学反应放电，化学反应完了，电就用完了，很难通过充电让反应物回到反应前的状态。而锂元素在元素周期表上排行第三，一个锂原子里有三个电子，它的电子结构导致最外层的一个电子很容易被拔出来，相应地也容易被装回去，因为这个特性，锂的化合物成了优质充、放电材料。

除此之外，锂是最轻的金属，同样质量的不同金属，锂的原子数最多，因此，同样质量的金属，锂原子可用的电子也是最多的。理论上，其他材料都不如锂的储电量大。

因为充、放电容易和储电量大的特点，所以锂离子电池被广泛应用于电子产品中。不过锂元素易于充、放电的特性是把“双刃剑”，它的化学性质极其活跃，容易发生置换反应，比如把锂放在水里，锂会轻易地把水里的氢元素给置换出来，从而生成氢氧化锂和氢气。由于氢气有易燃易爆的特性，所以锂有一定的危险性，这也是充电宝在坐飞机时不让托运的根本原因。

其实很多技术都具有两面性，它们一方面可以满足我们的性能需求，另一方面也可能在其他方面产生隐患。例如，核能虽然产生能量的效率高，但是核电站的爆炸事故对环境的影响是灾难性的。技术的进步往往是举步维艰的，它们对我们并非永远有利。

保温杯如何做到一晚上水都不冷？

保温杯是日常生活中大家离不开的“养生神器”，保温效果好，开水倒进去可能10个小时都不会显著降温。为什么保温杯会具备如此强大的保温能力呢？

一杯热水会凉，是因为热量耗散了。热量的传递主要有三种方式，分别是热传导、热辐射和热对流。热传导指的是，当高温物体和低温物体直接接触时，热量会从高温物体自发地转移到低温物体。北方冬天室内用的暖气就是利用了热传导原理。高温暖气片通过与空气接触，把热量直接传递给周围的冷空气，使其升温，房间就变暖和了。热辐射指的是，物体通过向外发出电磁波散发热能。例如，冬天洗澡时用的浴霸，靠的就是热辐射，浴霸都很亮，这其实是高功率的电磁波把热量传递到了你身上。热对流指的是，发生在流体中的、带着热量的流质直接流入冷的流质当中，使本来低温的地方温度升高。吹风机利用的就是热对流的原理。

对于保温杯来说，它的设计原理是针对热水的主要散热方式进行阻隔，从而大幅度降低散热效率，使热水的降温速度减慢。那么热水在保温杯中的主要散热方式是前面提到的哪几种呢？

首先看热辐射，只要有温度的物体都会产生热辐射。而热水的温度通常不会超过100摄氏度，从热辐射的角度来看这个温度并不高，所以热辐射的散热效率很低，它不可能是保温杯主要的散热方式。热对流也不可能是保温杯的主要散热方式。因为杯子是固体，而热对流是发生在流体中的，所以对于一杯热水来说，最主要的散热方式就只能是热传导了。把热水放在普通杯子里，它会跟周围温度较低的空气接触，从而把热量散出去。

那么设计保温杯的目的，实际上就是降低热传导的效率。每个保温杯都有一个内胆，内胆中有一个抽真空的腔体。当把腔体抽成真空以后，热水的热量最多只能传导给内胆。内胆想要把这个热量散发出去，效率是很低的。因为抽了真空之后，理论上没有东西与它直接接触，或者说内胆中的空气密度很低，跟内胆接触的物质少，导致热传导效率低，因此保温杯就可以起到很好的保温作用。

除了保温杯，老式热水瓶也有一个内胆，它的保温原理跟保温杯是一样的。这也是老式热水瓶如果破了通常会发出很大响声的原因。正是因为内胆被抽成了真空，一旦强大的内外压差被打破，就会发出巨响。

在夏天，如果你想让冷藏的饮料保持低温，也可以把它放在保温杯里。因为根据上面的分析，保温杯的本质不是保“温”，而是降低热量的传导效率。它能阻止热水的热量向外流失，同样可以阻隔外部的热量传递到冷饮里，从而达到冷饮保“冷”的目的。

二维码的工作原理

二维码现在存在于我们生活中的方方面面，微信和QQ加好友可以扫二维码，收付款可以用二维码，取电影票可以用二维码。但你知道二维码的原理是什么吗？为什么二维码只有三个角有小方块，而不是四个角都有小方块呢？当然，现在的二维码形态多种多样，未必都是方形，也有圆形的二维码，但它只要是二维的，其工作原理都是类似的。

其实不管是二维码，还是超市里商品上的条形码，它们的工作原理都跟你考试填的答题卡是类似的。电脑能够理解的信号都是二进制信号，也就是电脑只认识0和1两个信号。但是现实生活中的信息多种多样，我们要怎样让电脑只通过二进制信号，就能处理那么复杂的信息呢？这里就涉及二进制信号和其他信号的转换问题。首先要理解二进制，二进制就是“逢2进1”。譬如1+1=2，但是在二进制的情况下，2是不存在的，碰到2，就要进一位，这就好像我们平时用的数学是十进制，9加1就要进一位变成10，而二进制中，满2就要进一位，2用二进制信号表示就是“10”。记住，这里的“10”不是“十”，而是“1”和“0”，那么3等于2+1，其实就是“10”+“1”就等于11，同样的，这里的“11”不是“十一”，而是“1”和“1”。再进一步，4要怎么用二进制表示呢？4=3+1，那就是“11”+1等于“1”和“2”，对吧？但是2在二进制的情况下又是“10”，所以4就是“20”，但是2用二进制表示又是“10”，所以4用二进制表示就是“100”，它不是“一百”，而是“1”和“0”和“0”。用这样一套方法，我们就可以把各种各样复杂的信号转换为二进制信号，让电脑读懂，并进行处理。

二维码其实就是把0和1的信号变成了小方格，一个二维码当中，黑色的小方格代表1，白色的小方格代表0，手机一扫就知道一个二维码里面的0跟1是怎么排列的了，二维码本质上就是给你手机里的计算芯片一串0和1的信号，手机接收到信号以后就开始运算了。

二维码里有三个小方块是分布在三个角上的，这是帮助二维码进行定位的，不管你的手机是横着扫、竖着扫，还是斜着扫，它都知道二维码应该从哪个方向开始读。四个方块反而不行，因为这样的话，手机无法辨认出这个二维码从什么位置开始才是第一行。

其实在二维码出现之前，我们常用的是条形码，条形码传递信息的原理跟二维码是一样的，那为什么不直接用条形码而要更多地使用二维码呢？因为条形码的信息量有限，它只有一行，但是二维码有很多行，所以二维码传递的信息量更大。手机普及以后，网络世界的信息越来越丰富，我们的手机要处理的网络信息也越来越复杂，能够传递更大信息量的二维码，会更加贴合我们的数据需求，于是二维码就变得越来越主流了。

新闻推荐

“百忍图”培育优良家风

■张佑周闽粤乃至海内外客家张氏“鄞江始祖”张化孙有遗诗（族诗）曰：“清河系出源流长，卜吉移居闽上杭。百忍家风思祖德，千秋金...