我们在常常提着很重的物体的时候感到疲惫。
在原地停住不动休息的情况下面, 物体始终保持在静止的状态。
在此刻这个时间点, 我们究竟有没有在进行做功的这个动作呢。
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Q1 提着重物不移动，做功吗？
Q2 为什么干燥的泥土颜色浅，潮湿的泥土颜色深？
Q3 家用铝盆底面的彩色是怎么形成的？
Q4 无酸纸和变色油墨的构成与原理？
Q5 抛物线状的镜面为什么会将光线反射到一个点？
Q6 粘土、面粉等加水能揉成团，而碳粉等不行？
Q7 变色杯子是怎么变色的？
在第1个问题里, 我扛着东西不移动算不算做了功。
by
答：
这是一道经典的初中物理题目, 下面的解答都从初中物理的理想模型出发。先说结论, 提着重物不做功, 甚至还有一种情况, 即使提着重物匀速行走, 也不做功。物理学中的机械功和我们生活中的那种累的感觉, 完全是两回事。
想要叫做功, 必须满足两个条件, 一个是作用在物体上的力, 另一个是在这个力的方向上发生的位移。当你提着重物的时候, 如果保持不动, 那么就没有产生位移, 所以这个情况是不做功的；另外, 如果你提着重物在水平方向上行走, 由于你运动的方向和用力的方向是互相垂直的, 因此这种情况也是不做功的。
但是从微观的角度来看, 为了保持提着重物的那个拉力, 你的肌肉细胞就会处于一种疯狂收缩再放松的状态, 并且会以ATP的形式消耗掉非常多的能量, 所以这就导致了我们虽然在物理学意义上没有做功, 但体内依然在持续消耗能量, 于是人就感到了疲惫。
这个内容是由冰糕创作的。
Q.E.D.
by 耀华中学学生
答：
泥土颜色的深浅, 取决于反射进我们眼睛的光线多少, 反射的光越多, 看起来就越明亮。潮湿泥土中的水分子, 会填充在泥土颗粒的缝隙中, 改变了光的传播路径, 反射光线以各种角度射出, 使进入眼睛的光线变少。因此, 潮湿的泥土, 相比于干燥的泥土来说, 反射率更低。看上去更深、更暗。
by Sid
Q.E.D.
关于Q3这一普通材质的铝制容器底平面呈现出的彩色视觉效果, 其形成机理究竟是什么, 同时补充提到该铝盆在日常家用场景中的主要使用途径是放置于电磁炉设备之上进行加热作业。
by 羽毛球高手
答：
造成这个状况的原因, 在于一个非常古老的光学现象, 这种古老的叫作薄膜干涉。
铝属于金属之中那些非常容易发生氧化反应的类型。当它处于空气环境中被暴露出的时候, 那么其表面就会迅速产生一层保护膜, 而这一层保护膜是由氧化铝所构成的, 其化学式为Al2O3。在通常的日常情况下, 我们看到的这层氧化膜是比较薄的, 甚至到几乎无法被肉眼察觉的程度。
然而要是铝制的盆子经常处于被加热的状态之下, 比如说把它放置在炉子上去反复地使用的话, 那么由于高温的作用, 会让原先那层氧化膜的厚度逐渐地增加开来, 并且这种加厚现象在其不同的位置上, 其具体的厚度往往并不是完全一致的这样的结果。
问题的关键之处, 就在于存在着这一层透明的, 并且是由氧化物所形成的保护膜。
这时候光线照在了盆底的上面, 在氧化膜上表面有一部分光反射了回来。同时另一部分光穿过了氧化膜, 到了氧化膜和金属铝交界的那个地方又反射回去了。最后这样就有了两束反射光了, 它们是朝着几乎一模一样的方向在传播的。
因为那两束光走过的路径有着细微的差别, 所以它们就会发生干涉现象, 具体来说就是某些特定波长的光会彼此叠加从而增强亮度, 而另一些的波长则会相互抵消掉, 导致强度减弱, 当原本包含了各种颜色以及对应波长的白光遇上这种状况时, 一旦那层氧化膜的厚度发生了改变, 那么会被特别加强的光的颜色也随之发生变化, 由此我们就能够在盆底看到一片片颜色不断变幻的彩色纹路, 并且这种现象和那些肥皂泡或者漂在水面上的油膜呈现出如同彩虹一般绚丽色彩的原因本质上是一样的, 都属于同一种物理学原理在起作用。
至于为什么说颜色往往呈现出一圈一圈的分布。这通常是因为在加热的时候。盆底的温度并不完全均匀。不同区域的氧化速度是不同的。最终会形成厚度略有差别的氧化膜。于是就出现了这种彩色的干涉花纹。
另外再说一句, 这层彩色的氧化膜实际上是没有毒性的, 它是一种铝材的天然保护屏障。如果你觉得它的外观不好看的话, 那么可以使用少量醋液或者切开的柠檬来进行擦拭操作, 由于醋或柠檬中含有弱酸成分, 这种弱酸能够逐渐地把氧化膜进行溶解处理, 这样一来原本的颜色就会发生减弱乃至完全消失的变化。
这段话的作者是柠七。
Q.E.D.
关于第四部分中, 无酸纸的具体成分以及变色油墨的组成方式, 还有它们的工作原理分别是怎样的?
by是英文翻译, 所以保留。
答：
这个事儿是很“刑”的。大家都明白, 无酸纸和变色油墨是造币里面的核心科技。要是想要去制造假币, 犯罪分子就必须要弄懂一些物理方面的知识和化学方面的知识才行。
这是来自电影《无双>的一个场景截图, 该图片来源于互联网。
所谓的无酸纸, 其实就是不含活性酸的纸张类型。在普通纸张里头, 木质素还有明矾这些成分会产生酸性物质, 进而去破坏纤维素链, 这就导致旧书、旧报纸会发黄、会变脆。
相反地, 用来制造货币的无酸纸, 用的是不含木质素的棉浆, 还会加入中性施胶剂以及碱性缓冲剂, 让纸张呈现弱碱性状态, 这种纸张具备防老化、防止变脆和断裂的优良性质。
这个图是关于多层薄膜干涉原理的示意图。
那么, 咱们来说一说纸币防伪的关键技术, 也就是变色油墨, 这玩意儿究竟是什么原理呢? 颜色会随着视角改变的光学变色油墨, 专业点叫OVI, 它的核心原理就是光的干涉。
以常见的多层薄膜干涉型光变颜料为例来说, 这种颜料是由多层具有不同折射率的薄膜叠加而成的, 在不同的光线入射角以及不同的视角之下, 光线在这些薄膜之间产生的光程差, 是会发生改变。根据光的干涉原理, 在光程差满足特定条件的时候, 某些波长的光会进行叠加和增强, 而其它一些波长的光则会相互抵消。
这种防伪变色油墨是出现在一百元人民币上面的一种材料。
——我们可以把凹版印刷当作一个例子来说, 靠着它那比较特别的印版上的纹路结构, 它能把油墨涂得有多厚, 以及在哪儿分布得更匀这些情况, 都控制得非常精准, 这样就能让用在钞票表面的那种光会变色的油墨, 涂层做到既均匀又细腻, 好保证那个颜色跟着光线变的特效是一致的, 并且也是稳定的, 除此之外, 许多的纸币上面还会用上一种没颜色的荧光油墨, 在紫外光照着的时候, 就会出现一些特定的图案, 拿来当做辅助的手段去防伪用, 因为有了这么多的高科技东西帮忙支持, 想要去造假钱的人, 是变得越来越不容易做到成功了。
参考资料：
这个内容是由冰糕创作的。
Q.E.D.
关于第五个问题, 很多人会有一个疑问, 那就是为什么光线照到那个有着抛物线形状的镜面上去以后, 反射出去的那些光线会聚集到一处呢, 这个地方我们就把它叫做焦点。
by 安昊洋
答：
首先给出一个明确的结论来作为说明, 那就是当平行光线照射到抛物面镜上的时候, 这些光线经过反射之后都会汇聚指向同一个焦点, 这种现象的成因是因为它属于抛物线在几何学方面所具备的一种固有性质, 是由这一几何特性直接决定的。
这张图片来自于双木止月Tong, 发布在知乎平台上面。
大家想要把这个结论看懂, 其实可以换一种方式, 就是从一个更容易证明的事实出发, 假如说把光源直接放在抛物线的焦点那里, 那么从焦点这里发出的光线在经过抛物面反射以后, 会变得全部和轴线平行, 这样的情况正是很多手电筒、探照灯还有汽车大灯的工作原理, 它们做的就是把灯丝放在焦点的位置, 这样经过反射之后产生出来的光就会是一束近似平行的光束。
接下来的步骤里，仅仅只需要用到一个来自光学学科的基础规律, 这个规律叫做光路可逆性。具体而言, 如果假定有一条光线能够从点 A 出发最终到达点 B, 那么这条同样的光线也完全有能力沿着绝对一致的路径从点 B 反向走回点 A。
这样一来, 情况就变得更加简单清楚了。因为大家已经知道焦点发出的那些光线经过反射之后会变成平行光束, 所以反过来推导的话, 当有一束平行光照射在抛物面的时候, 它肯定也会遵循相反的路径进行反射, 并最终回到焦点所在的位置。
如果想要让验证过程变得更加严谨, 可以借助一个简单的平面几何推导方法来把这一点讲清楚。具体而言, 我们可以先设定抛物线对应的方程是。
其中指的是焦距, 焦点的位置是那个特定的点。我们在抛物线上任意选取一个点, 然后接下来进行下面的步骤或者推导。
在该点位置切线的斜率是。
那么, 法线的斜率就是。
我们这里需要假设一下, 那个入射的光线, 它是跟那个轴平行的。根据那个反射定律的说法就是, 入射角是等于反射角的这样一个规律来说的话, 那么反射出来的这道光线, 它就是关于那个法线对称的。
如果我们是通过那个解析几何的这种计算方式来得到的话, 我们就可以得出这么个结论, 就是经过那个点的这个反射光线所对应的方程是什么?
通过令 这一操作, 最终能够得出 这个结果。
也就是说, 不管取的是什么样的一个值, 这条反射光线所经过的路径, 最终都一定会去穿过同一个固定下来的那个点这个存在上边去。
换个说法来讲，那些光线如果跟轴线是平行的, 那么在碰到抛物面并被反射之后, 它们就会非常严格地汇聚到那个焦点上面。
正因为有这个特性, 所以像射电望远镜这样的东西、卫星天线还有好多光学设备, 都会选用抛物面这种结构。因为这个抛物面结构能够把从远处过来的、被看作是平行波的信号, 非常高效地集中到一个点上去。
这段话的作者是柠七。
Q.E.D.
对于第六个提问内容, 之所以能够将粘土以及面粉这类物质通过添加水来揉搓成团聚状, 然而像碳粉那样性质的物质却不可以达成这一状况, 具体原因是什么呢。
by dzy
答：
当粘土和面粉这类物质遇上水, 它们能够被揉搓起来形成一团, 可是碳粉还有沙子在遇到水以后却怎么也捏不到一块儿去；之所以会出现这样明显不同的状况, 根本性的原因乃是各种事物的内部微观构造存在着差别, 并且它们与水分子之间所呈现出的相互作用途径也不一样。
面筋的网络结构, 示意图。
当面粉变成面团的时候, 那完全是蛋白质的交联聚合反应起了作用。小麦里面是含有麦谷蛋白还有麦醇溶蛋白的, 这两种蛋白质在和面这个过程中间, 会吸水并发生溶胀现象, 接着就开始了交联与聚合的反应, 最后形成了一种既富有弹性又有延展性的面筋网络结构, 所以人们才把这两种蛋白质称呼为面筋蛋白。
至于说面筋蛋白的这个交联过程, 它的本质其实就是分子内部或者是分子之间形成了共价键的这个过程, 而这里的共价键主要是指的二硫键。
黏土颗粒及其表面的水分子
跟面粉不一样, 粘土能够结成团块, 依靠的是分子间的作用力。因为粘土颗粒本身带有负电性, 所以当极性分子形态的水分子接触到粘土的时候, 水分子中自带正电荷的那一端就会被紧紧地吸附住。那些距离粘土表面最近的一层或者两层水分子吸附得非常牢固, 这种现象被专业术语命名为“强结合水”。
随着位置从内向外推移, 也就是往更远处的层面去看, 水分子的排列状态会变得越来越松散, 这部分水则被称为“弱结合水”。因为水分子有非常强的表面张力, 还有分子之间存在的范德华力, 这些力量合力作用, 把那些被水膜包围着的粘土薄片紧紧地拉拽到了一起。
正是由于这种拉扯, 使得粘土变得既具有粘性, 又具备了可塑性。
碳粉颗粒上面缺少了那种有极性的官能团, 所以它的表面是非极性的, 表现出疏水的性质, 意思就是说水很难在碳粉的表面上铺成一层均匀的水膜, 反而喜欢缩成一团团独立的小水滴, 因为缺少了水的均匀包裹还有连接作用, 颗粒和颗粒之间自然也就生不出那种能把大家粘在一起的宏观力量来了, 另外, 碳粉颗粒们彼此之间也是没法像面粉那般互相交联去构建出一个高聚物的网络结构的。
所以, 你在向碳粉里面加水的时候, 水只是处在一种物理性填充的状态, 它钻进了那些颗粒与颗粒中间存在的缝隙里, 这一点是没法把它们揉合成所谓的“碳团”的。
参考资料：
刘书畅, 马荔讨论了蒸馒头这个过程中的化学原理。他们是在《化学教育(中英文)》这本书或者是期刊上发表的。发表的时间是二零零二年, 具体的期号是第四期。
这份资料是李广信、张丙印和于玉贞编著的土力学一书, 其内容是依据第二版来编写的, 由北京的清华大学出版社负责出版, 具体的出版年份标记为二零一三年年。
这个内容是由冰糕创作的。
Q.E.D.
关于Q7, 那个变色杯子之所以能够发生变化颜色, 具体是通过什么方式来实现的这一现象呢。
by
答：
类似于图片当中展示的这种会进行变色的铝质杯子, 当人们向其中倒入冰冷的水的时候, 上面的文字以及图案就会转变为深灰色状态, 然而如果倒入的是热水的话, 它又会重新恢复到原本的样子。这样一种神奇的变色效果, 完全是依靠杯体内部所设置的热敏涂层来进行实现的。
这种热致变色颜料, 它有时候也被叫做感温变色颜料。它是一种智能的材料, 这个材料的能力, 是能够随着温度的变化初中物理能量，而去改变自己的颜色的颜色。关于这种热致变色颜料的工作原理。它是基于一个微胶囊包覆的隐色染料系统来运作的。
在这个微胶囊的内部, 会包含有染料、显色剂, 还有溶剂, 这三种是关键的关键组分。它们在一起, 共同地去构成了一个体系。这个体系是可逆的, 这个机制是由温度来驱动的, 最终实现了显色的效果。根据不同的设计方式去判断。热致变色, 它可以呈现出两种主要的模式出来。
有色 → 无色:
这种类型也被称作“褪色型”, 在温度低的时候呈现颜色初中物理能量物理好资源网，一旦加热就会褪色或者变成透明的状态, 这就和图片1里所展示的那种效果是一模一样的。
当处于低温状态, 也就是说温度低于活化温度的时候, 基质还是处在固态中的, 隐藏颜色的染料跟显色剂相互结合在一起, 形成了稳定的有色结构, 所以它就显示出颜色来了。
但是到了加热的时候, 基质就熔化掉了, 染料和显色剂分开了或者是它们的结构发生了变化, 就不再形成有颜色的复合体了, 因此颜色就变得很浅或者直接变成没有颜色的了。
当处于冷却的状态之下时, 基质又重新实现了固化, 染料与显色剂也就再次重新地结合在一起, 所以颜色又会恢复原状, 这样就可以实现完全的可逆。
无色 → 有色:
这类材料属于显色型热致变色, 具体表现为, 在加热的时候会出现颜色变化, 等到冷却之后便恢复正常呈无色状态, 在低温条件之下也就是温度低于活化温度的时候, 染料物质与显色剂成分之间因为无法形成具有色彩的复合结构或者其反应过程受到抑制影响, 所以整个体系呈现无色的情形, 当进行加热操作时, 随着基材发生熔融或者是分子空间构型发生改变这种物理化学性质的波动, 染料和显色剂之间得以构建出有色的复合物结构, 从而让颜色显现出来, 当再次进入冷却阶段回到原先的低温室环境之中时, 之前形成的有色关联结构被彻底破坏或者两者发生分离现象, 使得整体系统恢复到原本无色的样子。
热致变色颜料的活化温度可以定制, 范围是从零下10摄氏度到70摄氏度, 颜色发生转变的时点, 一般是在标称温度的正负3到5摄氏度的区间内完成的, 这种热致颜料可以是用水配成的浆料, 也可以是自由流动的粉末形态, 如果是前面说的那种水性浆料, 它就适合用来做水性涂料, 还有油墨以及某些涂层体系, 假如是后面提到的那种粉末, 它就可以用在塑料产品里, 或者用来做不依赖水性的体系, 比如说在生产聚合物母料的时候, 就能用到这种粉末形式的颜料。
与此同时, 它们也存在一些不足之处, 因为它们长期被暴露在了紫外线以及高温的环境之下, 这样的话就会使得变色效果变得衰弱, 如果长期的温度高于50℃的话, 就可能会导致其功能出现永久性的失效情况。
by 蓝多多
Q.E.D.
投票
在本次答题环节中, 所组成的团队。
冰糕、蓝多多、Sid、柠七
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