第八章1 2科学效应和现象及详解科学效应和现象的作用第一节第二节 科学效应和现象清单 第三节 科学效应和现象的应用步骤 第四节 科学效应和现象详解34返回第一节?科学效应和现象的作用从跨进校门，我们就开始了对数学、物理、化学、生物等自然科学知识 的学习，花费了大量的时间和精力来学习和掌握各门知识。但是，对于 如何在实践中应用所学到的这些知识，却是一片茫然。进入社会以后， 在学生时代所学的大量自然科学知识基本上都被封存起来了，很少再有 机会来重新回顾这些知识，更谈不上利用这些知识来解决那些看起来难 以解决的技术问题。 ? 然而，在解决技术问题的过程中，这些科学原理，尤其是科学效应和现 象的应用，对于问题的求解往往具有不可估量的作用。一个普通的工程 师通常知道大约100个效应和现象，但是科学文献中却记录了大约10 000种效应。下一页返回第一节?科学效应和现象的作用每种效应都可能是求解某一类问题的关键由于在学校里学生们只学习到 了效应本身，而并没有学过如何将这些效应用到实际工作中。因此，当 他们从学校毕业以后，即使在运用一些众所周知的效应时也会出现问题， 更不用说那些很少听说的效应了。另一方面，作为科学原理和效应的发 现者，科学家们常常并不关心，也不知道该如何去应用他们所发现的效 应。 ? 在对大量高水平专利的研究过程中，阿奇舒勒发现了这样一个现象:那些 不同凡响的发明专利通常都是利用了某种科学效应，或者是出人意料地 将已知的效应及其综合，应用到以前没有使用过该效应的技术领域中。 例如，市场上出售的一次性压电打火机，是利用了压电陶瓷的压电效应 制成的。上一页 下一页返回第一节?科学效应和现象的作用只要用大拇指压一下打火机上的按钮，将压力施加到压电陶瓷上，压电 陶瓷就会产生高电压，由此形成火花放电，从而点燃可燃气体。 ? 为了帮助工程师利用科学原理和效应来解决工程技术问题，阿奇舒勒和 TRIZ理论的研究者共同开发了一个科学效应数据库。其目的就是为了将 那些在工程技术领域中常常用到的功能和特性，与人类已经发现的科学 原理和效应所能够提供的功能和特性对应起来，以方便工程师进行检索。 ? 下面首先介绍TRIZ理论中，解决发明问题时经常遇到的、需要实现的 30 种功能，以及实现这些功能时经常用到的100个科学效应和现象，然后 对这100个科学效应和现象进行了详细解释，以便于读者进行查阅和应 用。上一页返回第二节?科学效应和现象清单到目前为止，人类已经发现的科学原理和效应在数量上是非常惊人的。 如何将这些宝贵的知识组织起来，便于工程技术人员进行检索和使用呢? ? 通过对全世界250万份高水平发明专利的研究，TRIZ将高难度的问题和 所要实现的功能进行了归纳总结，常见的共有30个功能，并赋予每个功 能以相对应的一个代码，功能代码详见表8-1。有了功能代码，可根据 代码来查找TRIZ所推荐的此代码下的各种可用科学效应和现象，科学效 应和现象清单详见表8-1。返回第三节?科学效应和现象的应用步骤当设计一个新的技术系统时，为了将两个技术过程连接在一起，就需要 找到一个纽带。虽然我们清楚地知道这个纽带应该具备什么样的功能， 却不知道这个纽带到底应该是什么。此时，我们就可以到科学效应和现 象清单中，利用纽带所应该具备的功能来查找相应的科学效应。 ? 当对现有技术系统进行改造时，往往会希望将那些不能满足要求的组件 替换掉。此时，由于该组件的功能是明确的，所以我们可以将该组件所 承担的功能作为目标，到科学效应和现象清单中查找相应的科学效应。 ? 表8 -1列出了可以实现技术创新的30种功能及其对应的100个科学效应 和现象(其详细解释见本章第四节)，我们可以利用此表解决技术创新中 遇到的问题。应用科学效应和现象解决问题时，一般有如下6个步骤:下一页返回第三节?科学效应和现象的应用步骤?????(1)首先根据实际情况对问题进行分析，确定解决此问题所要实现的功能。 (2)根据功能从科学效应和现象清单表中确定与此功能相对应的功能代码， 此代码应是F1~F30中的一个。 (3)从科学效应和现象清单表中查找此功能代码下TRIZ所推荐的科学效 应和现象，获得相应的科学效应和现象的名称。 (4)筛选所推荐的每个科学效应和现象，优选适合解决本问题的科学效应 和现象。 (5)查找优选出来的每个科学效应和现象的详细解释，应用于该问题的解 决，并验证方案的可行性;如果问题没能得到解决或功能无法实现，重新 分析问题或查找合适的效应。 (6)形成最终的解决方案上一页 下一页返回第三节? ? ?科学效应和现象的应用步骤??例如，电灯泡厂的厂长将厂里的工程师召集起来开会，他让这些工程师 们看一叠来自顾客的批评信，显然顾客对灯泡质量非常不满意。 (1)问题分析:工程师们觉得灯泡里的压力有些问题。压力有时比正常的 高，有时比正常的低。 (2)确定功能:准确测量灯泡内部气体的压力。 (3)TRIZ推荐的可以测量压力的物理效应和现象:机械振动、压电效应、 驻极体、电晕放电、及韦森堡效应等。 (4)效应取舍:经过对以上效应逐一分析，只有“电晕”的出现依赖于气 体成分和导体周围的气压，所以电晕放电适合测量灯泡内部气体的压力。上一页 下一页返回第三节?科学效应和现象的应用步骤(5)方案验证:如果在灯泡灯口上加上额定高电压，气体达到额定压力就 会产生电晕放电。 ? (6)最终解决方案:用电晕放电效应测量灯泡内部气体的压力。 ? 应用科学效应和现象解决技术问题是再简单不过的事情了，这就像我们 到超市买东西一样，选择好要买东西的种类，衡量一下几种同类产品的 性价比，我们就可以做出决定了。其实TRIZ提供的所有工具都一样，只 要我们有“解决问题”的欲望，任何“方案”都会很简单地就属于自己 了。上一页返回第四节? 一、 X射线科学效应和现象详解X射线是波长介于紫外线和，射线间的电磁辐射，由德国物理学家伦琴 于1895年发现，故又称伦琴射线。波长小于0. 1埃(1埃=10-10m)的称为 超硬X射线，在0. 1~1埃范围内的称硬X射线，1~10埃范围内的称软X射 线。X射线的特征是波长非常短，频率很高，它是不带电的粒子流，因 此能产生干涉、衍射现象。 ? X射线具有很强的穿透力，医学上X射线常用做透视检查，工业中用来探 伤。长期受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、 使感光乳胶感光，故X射线可用做电离计、闪烁计数器和感光乳胶片检 测等。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已 成为研究晶体结构、形态和各种缺陷的重要手段。?下一页返回第四节? 二、安培力?科学效应和现象详解? ? ? ?安培力是电流在磁场中受到的磁场的作用力，其本质是在洛伦兹力的作 用下，导体中作定向运动的电子与金属导体中晶格上的正离子不断地碰 撞，把动量传给导体，因而使载流导体在磁场中受到磁力的作用。 电流为I、长为L的直导线，在匀强磁场B中受到的安培力大小为: F=BILsinθ 其中θ为电流方向与磁场方向间的夹角。 安培力的方向由左手定则判定:伸出左手，四指指向电流方向，让磁力线 穿过手心，大拇指的方向就是安培力的方向。对于任意形状的电流受非 匀强磁场的作用力，可把电流分解为许多段电流元IΔL，则每段电流元 处的磁场B可看成匀强磁场，电流元所受的安培力为:上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解ΔF=IΔL?Bsinθ ? 把这些安培力加起来就是整个电流受的力。 ? 应该注意，当电流方向与磁场方向相同或相反时，即θ=0°或180 °时， 电流不受磁场力的作用。当电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培 力最大: ? F=BIL? 三、巴克豪森效应?1919年，巴克豪森发现铁的磁化过程的不连续性，铁磁性物质在外场中 磁化实质上是它的磁畴存在逐渐变化的过程，与外场同向的磁畴不断增 大，不同向的磁畴逐渐减小。在磁化曲线最陡区域，磁畴的移动会出现 跃变，尤其硬磁材料更是如此。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解当铁受到逐渐增强的磁场作用时，它的磁化强度不是平衡地而是以微小 跳跃的方式增大的。发生跳跃时，有噪声伴随着出现。如果通过扩音器 把它们放大，就会听到一连串的“咔嗒”声，这就是“巴克豪森效应”。 后来，当人们认识到铁是由一系列小区域组成，而在每个小区域内，所 有的微小原子磁体都是同向排列的，巴克豪森效应才最后得到合理的解 释。每个独立的小区域，都是一个很强的磁体，但由于各个磁畴的磁性 彼此抵消，所以普通的铁显示不出磁性。但是当这些磁畴受到一个强磁 场作用时，它们才会同向排列起来，于是铁便成为磁体。在同向排列的 过程中，相邻的两个磁畴彼此摩擦并发生振动，噪声就是这样产生的。 只有所谓的“铁磁物质”具有这种磁畴结构，也就是说，这些物质具有 形成强磁体的能力，其中以铁表现得最为显著。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解如一个铁磁棒在一个线圈里，当线圈电流增大时，线圈磁场增大，此时 铁中的磁力线会猛增，然后趋向于饱和，这种现象也称为巴克豪森效应。? 四、包辛格效应?包辛格效应是塑性力学中的一个效应，是指原先经过变形，然后在反向 加载时，弹性极限或屈服强度降低的现象，特别是弹性极限在反向加载 时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。此效应是 德国的包辛格于1886年发现的，故称为包辛格效应。由于在金属单晶体 材料中不出现包辛格效应，所以一般认为，它是由多晶体材料晶界间的 残余应力引起的。包辛格效应使材料具有各向异性性质。若一个方向屈 服极限提高的值和相反方向降低的值相等，则称为理想包辛格效应。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解有反向塑性变形的问题须考虑包辛格效应，而其他问题，为了简化常忽 略这一效应。 ? 包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义。在理论上由于它是金属 变形时长程内应力的度量，包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。 在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应;其次，包 辛格效应大的材料，内应力较大。? 五、爆炸?爆炸是指一个化学反应能不断地自我加速而在瞬间完成，并伴随有光的 发射，系统温度瞬时达到极大值和气体的压力急剧变化，以致形成冲击 波等现象。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解由于急剧的化学反应被限制在一定的环境内导致气体剧烈膨胀，这能使 密闭环境的外壁损坏甚至破裂、粉碎，造成爆炸的效果。爆炸可通过化 学反应、放电、激光束效应、核反应等方法获得。 ? 爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及对爆炸的力学效应的利 用和防护。它从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸、 高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波、 高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆 发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。 ? 爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科， 在武器研制、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有着广泛的应用。上一页 下一页返回第四节? 六、标记物?科学效应和现象详解在材料中引入标记物，可以简化混合物中包含成分的辨别工作，而且使 有标记物的运动和过程的追踪更加容易。可作为标记物的物质有:铁磁物 质、普通的和发光的油漆、有强烈气味的物质等。? 七、表面?物体的表面:用面积和状态来描述物体外表的性质和特性。表面状态确定 了物体的大量特性和与其他物体交互作用时所呈现的本性。? 八、表面粗糙度?表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1 mm以下)，用肉眼是难以 看到的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度反映零件表面的光 滑程度，表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度是衡量零件表面 加工精度的一项重要指标，零件表面粗糙度的高低将影响到两配合零件 接触表面的摩擦、运动面的磨损、贴合面的密封、配合面的工作精度、 旋转件的疲劳强度、零件的美观等，甚至对零件表面的抗腐蚀性都有影 响。最常见的表面粗糙度参数是“轮廓算术平均偏差”，记作Ra。? 九、波的干涉?由两个或两个以上的波源发出的具有相同频率，相同振动方向和恒定的 相位差的波在空间叠加时，在叠加区的不同地方振动加强或减弱的现象， 称为“波的干涉”。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解符合上列条件的波源称为“相干波源”，它们发出的波称为“相干波”。 这是波的叠加中最简单的情况。 ? 两相干波叠加后，在叠加区内每一个位置有确定的振幅。在有的位置上， 振幅等于两波分别引起的振动的振幅之和，这些位置的合振动最强，称 为“相长干涉”;而有些位置的振幅等于两波分别引起的振动的振幅之差， 这些位置上的合振动最弱，称为“相消干涉”。它是波的一个重要特性。 在日常生活中最常见的是水波的干涉，利用电磁波的干涉，可作定向发 射天线;利用光的干涉，可精确地进行长度测量等。? 十、伯努利定律?丹尼尔? 伯努利于1726年首先提出了“伯努利定律”。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原 理，其实质是理想液体做稳定流动时能量守恒。在密封管道内流动的理 想液体具有压力能、动能和势能三种能量，它们可以互相转变，并且管 道内的任一处液体的这三种能量总和是一定的，即“动能+势能+压力能 =常数”。其最为著名的推论为:等高流动时，流速大，压力就小 ? 由以上定律得出伯努利方程为:式中P1/r――压力能; ? V2/(2g)――动能; ? h――势能。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解?? ? ?又流速公式为: V=Q/A 式中V――流速; U――流量; A――截面积 当流体的速度加快时，物体与流体接触的接口上的压力减小;反之，压力 会增加。? 十一、超导热开关?超导热开关是一个用于低温(接近0 K)下的装置，用于断开被冷却物体和 冷源之间的连接。当工作温度远低于临界温度的时候，此装置充分发挥 了超导体从常态到超导状态的转化过程中热导电率显著减少的特性(高达 10 000倍)。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解热开关由一条连接样本和冷却器的细导线或担丝组成(参见居里效应)。 当电流通过缠绕线螺线管时会产生磁场，使超导性停止，让热量通过导 线，就相当于开关处于“打开”;当移开磁场的时候，超导性就得到恢复， 电线的热阻快速增加，换句话说，相当于开关处于“关闭”。? 十二、超导性?超导性是指在温度和磁场都小于一定数值的条件下，许多导电材料的电 阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的材料称为超导 体。许多金属(如钢、锡、铝、铅、担、妮等)、合金(如妮错合金、妮钦 合金)和化合物(如Nb3Sn妮锡超导材料、Nb3Al等)都可成为超导体。从 正常态过渡到超导态的温度称为该超导体的转变温度(或临界温度Te )。 现有材料仅在很低的温度环境下才具有超导性。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解当磁场达到一定强度时，超导性被破坏，这个磁场极限值称为临界磁场。 ? 目前发现的超导体有两类:第一类只有一个临界磁场(如电汞、纯铅等);第 二类有下临界磁场He1和上临界磁场He2。当外磁场达到He1时，第二类 超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态;只有磁场增大到He2时， 其体内的混合状态消失而转化为正常导体。 ? 超导体已逐步应用于加感器、发电机、电缆、储能器和交通运输设备等 方面。? 十三、磁场?在永磁体或电流周围所发生的力场，即凡是磁力所能达到的空间，或磁 力作用的范围，叫做磁场;所以严格说来，磁场是没有一定界限的，只有 强弱之分。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解与任何力场一样，磁场是能量的一种形式，它将一个物体的作用传递给 另一物体。磁场的存在表现在它的各个不同的作用中，最容易观察的是 对场内所放置磁针的作用，力作用于磁针，使该针向一定方向旋转。自 由旋转磁针在某一地方所处的方位表示磁场在该处的方向，即每一点的 磁场方向都是朝着磁针的北极端所指的方向。如果我们想象有许许多多 的小磁针，则这些小磁针将沿磁力线而排列，所谓的磁力线是在每一点 上的方向都与此点的磁场方向相同。磁力线始于北极而终于南极，磁力 线在磁极附近较密，故磁极附近的磁场最强。磁场的第二个作用便是对 运动中的电荷产生力，此力恒与电荷的运动方向相垂直，与电荷的电量 成正比。 ? 磁场强度:表示磁场强弱和方向的矢量。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解由于磁场是电流或运动电荷引起的，而磁介质在磁场中发生的磁化对磁 场也有影响。 ? 磁力线:描述磁场分布情况的曲线。这些曲线上各点的一切线方向，就是 该点的磁场方向。曲线越密的地方表示磁场越强，曲线越稀的地方表示 磁场越弱。磁力线永远是闭合的曲线，永磁体的磁力线，可以认为是由 N极开始，终止于S极。实际上永磁体的磁性起源于电子和原子核的运 动，与电流的磁场没有本质上的区别，磁极只是一个抽象的概念，在考 虑到永磁体内部的磁场时，磁力线仍然是闭合的。? 十四、磁弹性上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解磁弹性效应是指当弹性应力作用于铁磁材料时，铁磁体不但会产生弹性 应变，还会产生磁致伸缩性质的应变，从而引起磁畴壁的位移，改变其 自发磁化的方向。? 十五、磁力?磁力是指磁场对电流、运动电荷和磁体的作用力。磁力是靠电磁场来传 播的，电磁场的速度是光速，因此磁力作用的速度也是光速。电流在磁 场中所受的力由安培定律确定。运动电荷在磁场中所受的力就是洛伦兹 力。但实际上磁体的磁性由分子电流所引起，所以磁极所受的磁力归根 结底仍然是磁场对电流的作用力。这是磁力作用的本质。? 十六、磁性材料上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解磁性材料主要是指由过渡元素铁、钻、镍及其合金等组成的能够直接或 间接产生磁性的材料。 ? 从材质和结构上讲，磁性材料分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体 磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。 从应用功能上讲，磁性材料分为软磁材料、永磁材料、磁记录一矩磁材 料、旋磁材料等。软磁材料、永磁材料、磁记录一矩磁材料中既有金属 材料又有铁氧体材料，而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料。 因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材 料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，能有效地克服这一问题而得到 广泛应用。从形态上讲，磁性材料包括粉体材料、液体材料、块体材料、 薄膜材料等。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解磁性材料现在主要分两大类:软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易丢失 磁性的材料称为软磁性材料，不容易丢失磁性的材料称为硬磁性材料。 软磁性材料包括硅钢片和软磁铁芯，硬磁性材料包括铝镍钻、衫钻、铁 氧体和铰铁硼。其中，最贵的是衫钻磁钢，最便宜的是铁氧体磁钢，性 能最好的是铰铁硼磁钢，但是性能最稳定、温度系数最好的是铝镍钻磁 钢，用户可以根据不同的需求选择不同的硬磁材料。 ? 磁性材料的应用很广，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆 元件、微波元件等。如记录语言、音乐、图像信息的磁带;计算机的磁性 存储设备;乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。? 十七、磁性液体上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解磁性液体又称磁流体、铁磁流体或磁液，是由强磁性粒子、基液以及界 面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性 吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。它既具有液体的流动性又 具有固体磁性材料的磁性。 ? 为了使磁流体具有足够的电导率，需在高温和高速下，加上钾、艳等碱 金属和加入微量碱金属的惰性气体(如氦、氢等)作为工质，以利用非平 衡电离原理来提高电离度。 ? 磁性液体在电子、仪表、机械、化工、环境、医疗等行业都具有独特而 广泛的应用。根据用途不同，可以选用不同基液的产品。? 十八、单向系统分离上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解单向系统的分离是建立在混合物中各成分的物理一化学特性不同的基础 上，例如尺寸、电荷、分子、活性、挥发性等。 ? 分离可通过热场作用(蒸馏、精馏、升华、结晶、区域熔化)来获得，也 可通过电场作用(电渗、电泳)来获得，或通过与物质一起的多相系统的 生成来促进分离，比如溶剂、吸附剂和其他的分离法(抽出、分离、色谱 法、使用半透膜和分子筛的分离法)。? 十九、弹性波?弹性波:弹性介质中物质粒子间有弹性相互作用，当某处物质粒子离开平 衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性力的作用下发生振动，同时又引 起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称 为“弹性波”。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在液体和气体内部只能由压缩和膨胀而引起应力，所以液体和气体只能 传递纵波。而固体内部能产生切应力，所以固体既能传递横波也能传递 纵波。 ? 纵波:也称“疏密波”。振动方向与波的传播方向一致的波称为“纵波”。 纵波的传播过程是沿着波前进的方向出现疏、密不同的部分。实质上， 纵波的传播是由于媒质中各体元发生压缩和拉伸的变形，并产生使体元 恢复原状的纵向弹性力而实现的。因此纵波只能在拉伸压缩的弹性的媒 质中传播，一般的固体、液体、气体都具有拉伸和压缩弹性，所以它们 都能传递纵波。声波在空气中传播时，由于空气微粒的振动方向与波的 传播方向一致，所以也是纵波。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解横波:质点的振动方向与波的传播方向垂直，这样的波称为“横波”。横 波在传播过程中，凡是传播到的地方，每个质点都在自己的平衡位置附 近振动。由于波以有限的速度向前传播，所以后开始振动的质点比先开 始振动的质点在步调上要落后一段时间，即存在一个相位差。横波的传 播，在外表上形成一种“波浪起伏”的现象，即形成波峰和波谷，传播 的只是振动状态，媒质的质点并不随波前进。实质上，横波的传播是由 于媒质内部发生剪切变形(即是媒质各层之间发生平行于这些层的相对移 动)并产生使体元恢复原状的剪切弹性力而实现的。否则一个体元的振动， 不会牵动附近体元也动起来，离开平衡位置的体元，也不会在弹性力的 作用下回到平衡位置。固体有切变弹性，所以在固体中能传播横波，液 体和气体没有切变弹性，因此只能传播纵波，而不能传播横波。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解液体表面形成的水波是由于重力和表面张力作用而产生的，表面每个质 点振动的方向又不与波的传播方向保持垂直，严格地说，在水表面的水 波并不属于横波的范畴，因为水波与地震波都是既有横波又有纵波的复 杂类型的机械波。为简便起见，有的书中仍将水波列为横波。 ? 声音:即“律音”，具有单一基频的声音。纯律音(或纯音)具有近似于单 一的谐振波形。这种律音可由音叉产生，乐器则产生复杂的律音，它可 以分解成一个基频以及一些较高频率的泛音。 ? 次声波:又称亚声波，是低于20 Hz，不能引起人的听觉的声波。它传播 的速度和声波相同。在很多大自然的变化中，如地震、台风、海啸、火 山爆发等过程都会有次声波发生人为的次声波也在核爆炸、喷气式飞机 飞行以及行驶的车船、压缩机运转时发生。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解凡晕车、晕船，也都是受车、船运行时次声波的影响。利用次声波亦可 监视和检测大气的变化。 ? 超声波:声波频率高于20 000 Hz，超过一般正常人听觉所能接收到的频 率上限，不能引起耳感的声波。其频率通常在2x104~5 x 108Hz，范围 内。它具有与声波一样的传播速度，因为超声波的频率高，波长短，所 以它具有很多特性。由于它在液体和固体中的衰减比在空气中衰减小， 因而穿透力大;超声波的定向性强，一般声波的波长大，在其传播过程中， 极易发生衍射现象，而超声波的波长很短，就不易发生衍射现象，会像 光波一样沿直线传播;当超声波遇到杂质时会发生反射，若遇到界面时则 将产生拆射现象;超声波的功率很大，能量容易集中，对物质能产生强大 作用。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解可用来焊接、切削、钻孔、清洗机件等;在工业上被用来探伤、测厚、测 定弹性模量等无损检测，以及研究物质的微观结构等;在医学上可用做临 床探测，如用“B超”测肝、胆、脾、肾等病症，或用来杀菌、治疗、 诊断等;在航海、渔业方面，可用来导航、探测鱼群、测量海深等，超声 波在许多领域都有着广泛的应用。 ? 波的反射:波由一种媒质达到与另一种媒质的分界面时，返回原媒质的现 象。例如声波遇障碍物时的反射，它遵从反射定律。在同类媒质中由于 媒质不均匀也会使波返回到原来密度的介质中，即产生反射。 ? 波的拆射:波在传播过程中，由一种媒质进入另一种媒质时，传播方向发 生偏拆的现象，称为波的拆射。在同类媒质中，由于媒质本身不均匀， 也会使波的传播方向改变。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解此种现象也称波的折射，它同样遵循波的折射定律。? 二十、弹性形变固体受外力作用而使各点间相对位置发生改变，若外力撤销后物体能恢 复原状，则这样的形变叫做弹性形变，如弹簧的形变等。当外力撤销后， 物体不能恢复原状，则称这样的形变为塑形形变。 ? 因物体受力情况不同，在弹性限度内，弹性形变有4中基本类型:拉伸、 压缩形变、切变、弯曲形变和扭转形变。弹性形变是指外力去除后能够 完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。?? 二十一、低摩阻上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解研究人员发现，在高度真空状态及暴露在高能量粒子发射的环境下，摩 擦力会下降并趋近于零。这种摩擦力趋近于零的性质称为低摩阻。当关 掉发射时，摩擦力会逐渐地增加。当发射再一次被打开的时候，摩擦力 又消失了。这个现象一直困扰着科学家们，直至找到一种合理解释。 ? 这个解释是:放射能量引起了固体表面的分子更自由地运动，从而减少了 摩擦力。此解释引起了另一个既不需要放射也不需要真空而减少摩擦力 的方案，这就是研究如何改变物体表面的成分以减少摩擦力。? 二十二、电场?电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。在电 荷周围总有电场存在;同时电场对场中其他电荷发生力的作用。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解静止电荷在其周围空间的电场，称为静电场;随时间变化的磁场在其周围 空间激发的电场称为有旋电场(也称感应电场或涡旋电场)。静电场是有 源无旋场，电荷是场源;有旋电场是无源有旋场。普通意义的电场则是静 电场和有旋电场之和。变化的磁场引起电场，所以运动电荷或电流之间 的作用要通过电磁场来传递。 ? 电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质 与通常的物质不同，它不是由分子、原子所组成，但它是客观存在的。 电场具有通常物质所具有的动力和能量等客观属性。电场力的性质表现 为电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为电场力。电场的能的性 质表现为:当电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功(这说明电场具有 能量)。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解电场是一个矢量场，其方向为正电荷的受力方向。电场的力的性质用电 场强度来描述。? 二十三、电磁场?电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。任何随 时间而变化的电场，都要在邻近空间激发磁场，因而变化的电场总是和 磁场的存在相联系。当电荷发生加速度运动时，在其周围除了磁场之外， 还有随时间而变化的电场。一般来说，随时间变化的电场也是时间的函 数，因而它所激发的磁场也随时间变化。故充满变化电场的空间，同时 也充满变化的磁场。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解二者互为因果，形成电磁场。这说明，电场与磁场并不是两个可分离的 实体，而是由它们形成了一个统一的物理实体。所以电与磁的交互作用 不能说是分开的过程，仅能说是电磁交互作用的两种形态。在电场和磁 场之间存在着最紧密的联系，不仅磁场的任何变化伴随着电场的出现， 而且电场的任何变化也伴随着磁场的出现。所以在电磁场内，电场可以 不因为电荷而存在，而由于磁场的变化而产生，磁场也可以不是由于电 流的存在而存在，而是由于电场变化所产生。 ? 电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。 电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定? 二十四、电磁感应上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解电磁感应是指因磁通量变化产生感应电动势的现象。闭合电路的一部分 导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象 叫做电磁感应现象，产生的电流称为感应电流、 ? 1820年奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应， 提出了磁能否产生电，磁能否对电产生作用的问题。1822年阿喇戈和洪 堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。 1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上 方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻 尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应 电流，因此当时未能予以说明。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路， 在导线下端附近平行放置一磁针，另一个线圈与电池组相连，接开关， 形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转;一切断开关， 磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立 即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把 产生感应电流的情形概括为五类:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定 电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电 磁感应。随后法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感 应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体 性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路、没有感应电流，感应电 动势依然存在。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解后来，法拉第给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定 量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分 为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变 化磁场产生的有旋电场。 ? 电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的发现之一。它不仅揭示 了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基 础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，具有重大的实用意义。 电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应 用。? 二十五、电弧上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解电弧是一种气体放电现象，即在电压的作用下，电流以电击穿产生等离 子体的方式，通过空气等绝缘介质所产生的瞬间火花。 ? 弧光放电:产生高温的气体放电现象，它能发射出耀眼的白光。通常是在 常压下发生，并不需要很高的电压，而有很强的电流。例如把两根炭棒 或金属棒接于电压为数十伏的电路上，先使两棒的顶端相互接触，通过 强大的电流，然后使两棒分开保持不大的距离，这时电流仍能通过空隙， 而使两端间维持弧形白光，称之为“电弧”。维持电弧中强大电流所需 的大量离子，主要是由电极上蒸发出来的。电弧可作为强光源(如弧光 灯)、紫外线源(太阳灯)或强热源(电弧炉、电焊机等)。在高压开关电器 中，由于触头分开而引起电弧，有烧毁触头的危险，必须采取措施，使 之迅速熄灭。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在加速器的离子源中，也有用弧光放电。这种弧光放电机制是:电子从加 热到白炽的阴极发射出来，在起弧电源的电场加速下，获得一定能量后 与气体原子碰撞，产生激发与电离而引起的放电，也称为“弧放电”。? 二十六、电介质?电工中一般认为电阻率超过0. 1Ω?m的物质便属于电介质。电介质的带 电粒子被原子、分子的内力或分力间的力紧密束缚着，因此，这些粒子 的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移 动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在磁场，这是电介质与 导体的基本区别。电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固 态物质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和 高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚 电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介 质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高， 不能称为绝缘体，但由于能产生极化过程，也归入电介质。通常情况下 电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性。 ? 电介质在电气工程上大量用做电气绝缘材料、电容器的介质及特殊电介 质器件(如压电晶体)等。? 二十七、古登―波尔和Dashen效应?实验证实，一个恒定的或交流的强电场，会影响到在紫外线激发下的发 光物质(磷光体)的特性，这种现象也可在随着紫外线移开后的一段衰减 期中观察到。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解用电场预激发晶体磷而生成闪光正是古登一波尔效应的结果，也可在使 用电场从金属电极进行磷光体的分解中观察到这种现象。? 二十八、电离?原子是由带正电的原子核及其周围带负电的电子所组成。由于原子核的 正电荷数与电子的负电荷数相等，所以原子对外呈中性。原子最外层的 电子称为价电子。所谓电离，就是原子受到外界的作用，如被加速的电 子或离子与原子碰撞时，使原子中的外层电子特别是价电子摆脱原子核 的束缚而脱离，原子成为带一个或几个正电荷的离子，这就是正离子。 如果在碰撞中原子得到了电子，则成为负离子。? 二十九、电液压冲压，电水压振扰上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解电液压冲压，电水压振扰:高压放电下液体的压力产生急剧升高的现象? 三十、电泳现象处于物质表面的那些原子、分子或离子与处于物质内部的原子、分子或 离子不一样。处于物质表面的原子、分子或离子只受到旁侧和底下其他 粒子的吸引。因此物质表面的粒子有剩余的吸附力，使物质的表面产生 了吸附作用。当物质被细分到胶粒大小时，暴露在周围介质中的表面积 与体积比变得十分巨大。所以，在胶体分散系中，胶粒往往能从介质中 吸附离子，使分散的胶粒带上电荷。 ? 不同的胶粒其表面的组成情况不同。它们有的能吸附正电荷，有的能吸 附负电荷。因此有的胶粒带正电荷，如氢氧化铝胶体;有的胶粒带负电荷， 如三硫化二砷(As2S3)胶体等。?上一页 下一页返回第四节? ? ? ? ? ?科学效应和现象详解如果在胶体中通以直流电，它们或者向阳极迁移，或者向阴极迁移。这 就是所谓的电泳现象。 影响电泳迁移率的因素有: (1)电场强度。电场强度是指单位长度的电位降，也称电势梯度。 (2)溶液的pH值。它决定被分离物质的解离程度和质点的带电性质及所 带净电荷量。 (3)溶液的离子强度。电泳液中的离子浓度增加时会引起质点迁移率的降 低。 (4)电渗。在电场作用下液体对于固体支持物的相对移动称为电渗。? 三十一、电晕放电上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解电晕放电是带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象，常发生在 不均匀电场中电场强度很高的区域内，例如高压导线的周围、带电体的 尖端附近等。其特点为出现与日晕相似的光层，发出“嗤嗤”的声音， 产生臭氧、氧化氮等。电晕引起电能的损耗，并对通信和广播产生干扰。 例如，雷雨时尖端电晕放电，避雷针即用此法中和带电的云层而防止雷 击。我们知道，电晕多发生在导体壳的曲率半径小的地方，因为这些地 方，特别是尖端，其电荷密度很大。而在紧邻带电表面处，电场(E)与电 荷密度(σ)成正比，故在导体的尖端处场强很强(即σ和E都极大)。所以在 空气周围的导体电势升高时，这些尖端之处能产生电晕放电。通常均将 空气视为非导体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带正 电的导体会吸收周围空气中的负离子而自行逐渐中和。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解若带电导体有尖端，该处附近空气中的电场强度(E)可变得很高。当离子 被吸向导体时将获得很大的加速度，这些离子与空气碰撞时，将会产生 大量的离子，使空气变得极易导电，同时借电晕放电而加速导体放电。 因空气分子在碰撞时会发光，故电晕时在导体尖端处可见到亮光。 ? 电晕放电在工程技术领域中有多种影响。电力系统中的高压及超高压输 电线路导线上发生电晕，会引起电晕功率损失、无线电干扰、电视干扰 以及噪声干扰。进行线路设计时，应选择足够的导线截面积，或采用分 裂导线降低导线表面电场的方式，以避免发生电晕。对于高电压电气设 备，发生电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能。电晕放电的空间电荷在一 定条件下又有提高间隙击穿强度的作用。当线路出现雷电或操作过电压 时，因电晕损失而能削弱过电压幅值。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化等。地面上的树 木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气静电平衡的重要 环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成， 还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效放电形式之一。针对 不同应用目的研究，电晕放电是具有不同重要意义的技术课题。? 三十二、电子力?按照电场强度的定义，电场中任一点的场强(E)大小等于单位正电荷在该 点所受的电场力的大小。那么，点电荷(a)在电场中某点所受的电场力 F=aE。电场力的大小为F= IaI E，方向取决于电荷a的正、负。不难判 断，正电荷所受的电场力，其方向与场强方向一致;负电荷所受的电场力， 其方向与场强方向相反。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解磁场对运动电荷的作用力、运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力都属于电 子力。? 三十三、电阻电阻是描述导体制约电流性能的物理量。根据欧姆定律，导体两端的电 压(U)和通过导体的电流强度(I)成正比。由U和I的比值定义的R =U/I称为 导体的电阻，其单位为欧姆，简称欧(Ω)。导体的电阻越大，表示导体 对电流的阻碍作用越大。电阻的倒数G=1/R称为电导，单位是西门子(S)。 ? 电阻率是表征物质导电性能的物理量，也称“体积电阻率”。电阻率越 小导电本领越强。用某种材料制成的长1 cm、横截面积为1 cm2的导体 电阻，在数值上等于这种材料的电阻率。也有取长1 m、截面积1 mm2 的导电体在一定温度下的电阻定义电阻率的。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解?? ? ??此两种定义法定义的电阻率在数值上相差4个数量级。如第一种定义， 铜在20℃时的电阻率为1.7 x10-6Ω? cm而第二种定义的电阻率为0. 017 Ω?mm。电阻率的倒数称为电导率电阻率(ρ)不仅和导体的材料有关，还 和导体的温度有关。在温度变化不大的范围内，几乎所有金属的电阻率 随温度作线性变化，即: ρ = ρ0(1+at) 式中t――摄氏温度; ρ0――℃时的电阻率; a――电阻率温度系数。 由于电阻率随温度的改变而改变，所以对某些电器的电阻，必须说明它 们所处的物理状态。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解如220 V , 100 W电灯的灯丝电阻，通电时是484Ω，未通电时是40Ω。 另外需要注意的是电阻率和电阻是两个不同的概念，电阻率是反映物质 对电流阻碍作用的属性，电阻是反映物体对电流的阻碍作用。 ? 电阻器是电路中用于限制电流、消耗能量和产生热量的电器元件。 ? 用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。不论磁场与电流方向平行还是 垂直，都将产生磁电阻效应前者(平行)称为纵磁场效应，后者(垂直)称为 横磁场效应。一般强磁性材料的磁电阻率(磁场引起的电阻变化与未加磁 场时电阻之比)在室温下小于8% ，在低温下可增加到10%以上。已实用 的磁电阻材料主要有镍铁系和镍钻系磁性合金。室温下镍铁系坡莫合金 的磁电阻率为1%~3%，若合金中加入铜、铬或锰元素，可使电阻率增 加;镍钻系合金的电阻率较高，可达6% 。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解与利用其他磁效应相比，利用磁电阻效应制成的换能器和传感器，其装 置简单，对速度和频率不敏感。磁电阻材料已用于制造磁记录磁头、磁 泡检测器和磁膜存储器的读出器等。? 三十四、对流?对流是液相或气相中各部分的相对运动，是液体或气体通过自身各部分 的宏观流动实现热量传递的过程。对流是流体热传递的主要方式，可分 为自然对流和强迫对流两种。因为浓度差或温差引起密度变化而产生的 对流，称为自然对流;由于外力推动而产生的对流，称为强制对流。对于 电解液来说，溶质将随液相的对流而移动，是电化学中物质传递过程的 一种类型。冬天室内取暖就是借助于室内空气的自然对流来传热的，大 气及海洋中也存在自然对流。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解靠外来作用使流体循环流动，从而传热的是强迫对流，如由于人工的搅 拌，或鼓风机等机械力的作用而产生的对流。? 三十五、多相系统分离多相系统的分离是以混合成分的聚合状态的不同为基础的，最常使用连 续相的聚合状态来进行判定。 ? 成分间具有不同分散度的多相固态系统通过沉积作用或筛分分离法来进 行分解，具有连续液体或气体相位的系统通过沉积作用、过滤或离心分 离机来进行分离。通过烘干将固态相中的易沸液体进行排除。?? 三十六、二级相变上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只 是比热容、热膨胀系数和等温压缩系数等物理量发生变化，这一类变化 称为二级相变。如正常液态氦(氦I)与超流氦(氦II)之间的转变，正常导体 与超导体之间的转变，顺磁体与铁磁体之间的转变，合金的有序态与无 序态之间的转变等都是典型的二级相变的例子。 ? 二级相变大多是发生在极低温度时的相变。例如，在居里点铁磁体转变 为顺磁体;在零磁场下超导体转变为正常导体;液态氦II与液态氦I之间的λ 相变等。二级相变的特点是，两相的化学势和化学势的一级偏微商相等， 但化学势的二级偏微商不相等。因此在相变时没有体积变化和潜热(即相 变热)。在相变点，两相的体积、烩和嫡的变化是连续的，故这种相变也 称为连续相变。上一页 下一页返回第四节? 三十七、发光科学效应和现象详解自发光:是一种“冷光”，可以在正常温度和低温下发出这种光。在自发 光中，一些能量促使原子中的电子从“基态”(低能量状态)跃进到“激 发态”。在这种状态之下，它会回复到“基态”，并以光这种能量形式 释放出来。 ? 光学促进的自发光:指的是可见光或红外光促发的磷光。在这其中，可见 光或红外光仅是先前储备能量释放的促发剂。 ? 白热光:是指光从热能中来。当一个物体加热到足够高的温度时，它就开 始发出光辉如炼炉中的金属或灯泡中发出的光，太阳和星星发出的光都 是这种光。 ? 荧光和光致发光:它们的能量是由电磁辐射提供的(如射线光)。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解一般光致发光是指任何由电磁辐射引起的发光;而荧光通常是指由紫外线 引起的，有时也用于其他类型的光致发光。 ? 磷光:是滞后的发光。当一个电子被推到一个高能态时，有时会被捕获 (就如你举起了那块石头，然后把它放在一张桌子上)。在一些时候，电 子及时地逃脱了捕获，有时则一直被捕获直到有别的起因使它们逃脱(如 石头一直在桌子上，直到有东西冲击它)。 ? 化学发光:由于吸收化学能，使分子产生电子激发而发光的现象。化学反 应放出的热量(即化学能)可转化为反应产物分子的电子激发能，当这种 产物分子产生辐射跃迁或将能量转移给其他会发光的分子使该分子再发 生辐射跃迁时，便产生发光现象。但是多数的反应所发出的光则是很微 弱的，而且多在红外线范围，不容易被观测。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解产生化学发光的反应通常应满足这些条件:必须是放热反应，所放出的化 学能足够使反应产物分子变成激发态分子;具备使化学能转变为电子激发 能的合适化学机制，这是化学发光最关键的一步;处于电子激发态的产物 分子本身会发光或者将能量传递给其他会发光的分子。 ? 阴极发光:物质表面在高能电子束的轰击下发光的现象称为阴极发光。不 同种类的宝石或相同种类、不同成因的宝石矿物在电子束的轰击下会发 出不同颜色及不同强度的光，并且排列式样有差别，由此可以研究宝石 矿物的杂质特点、结构缺陷、生长环境及过程。阴极发光仪是检测和记 录物质阴极发光现象的一种光学仪器，主要由电子枪、真空系统、控制 系统、真空样品仓、显微镜及照相系统构成。宝石学中可利用该仪器区 分天然与合成宝石。主要用于雷达、电视、示波器和飞点扫描等方面。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解??? ?辐射发光:是指由核放射引起的发光。一些老式的钟表晚上可以发光，可 见表针，就是在其表面涂了一层放射发光的材料。这个词也可指由X射 线引起的发光，也可叫光致发光。 摩擦发光:是指磷光是由机械运动或由机械运动产生的电流激发的电化学 发光。如一些矿石撞击或摩擦产生的，如两颗钻石在黑暗中撞击。 电致发光，场致发光:是指由电流引发的发光。 声致发光，声致冷光:如果声波以正确的方式振动液体，该液体就会“爆 裂”，所产生的气泡会剧烈收缩，从而造成发光的现象。 热发光:是指磷光由温度达到某个临界点而引发的。这也许会与致热发光 相混淆，但是致热发光需要很高的温度;在致热发光中，热不是能量的基 本来源，仅是其他来源的能量释放的促进剂。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解生物发光:是化学发光中的一类，特指在生物体内通过化学反应产生的发 光现象，主要由酶来催化产生，如萤火虫的发光。现在我们试验中经常 用到的荧光素酶报告基因系统，皆为生物发光。自然界具有发光能力的 有机体种类繁多，一些细菌和高等真菌有发光现象。不同生物体的发光 颜色也不尽相同，多数发射蓝光或绿光，少数发射黄光或红光。? 三十八、发光体?发光体在物理学上是指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外 线，红外线和X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体， 凡物体自身能发光者，称作光源，或称发光体，如太阳、灯以及燃烧着 的物质等。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到 它们，这样的反射物体不能称为光源。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在日常生活中离不开可见光的光源，可见光及不可见光的光源还被广泛 地应用于工农业、医学和国防现代化等方面。 ? 光源可以分为三种:第一种是热效应产生的光，太阳光就是很好的例子， 此外蜡烛等物体也都一样，此类光随着温度的变化会改变颜色;第二种是 原子发光，荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光， 此外霓虹灯的原理也一样，原子发光具有独自的基本色彩，所以彩色拍 摄时需要进行相应的补偿;第三种是synchrotron发光，这种发光过程同 时携带有强大的能量，原子炉发的光就是这种光，但是在我们的日常生 活中几乎没有接触到这种光的机会。? 三十九、发射聚焦?聚焦波阵面成为球形或圆筒形的形状。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解光学聚焦(焦点):理想光学系统主光轴上的一对特殊共扼点。主光轴上与 无穷远像点共扼的点称为物方焦点(或第1焦点)，记作F;主光轴上与无穷 远物点共扼的点称为像方焦点(或第2焦点)，记作F'。根据上述定义，中 心在物方焦点的同心光束经光学系统后成为与主光轴平行的平行光束;沿 主光轴入射的平行光束经光学系统后成为中心在像方焦点的同心光束。 凸透镜有实焦点，凹透镜有虚焦点。? 四十、法拉第效应法拉第效应于1845年由法拉第发现。当线偏振光在介质中传播，若在平 行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度 ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即: ? ψ =VBl?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解式中，比例系数v称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转 方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光 效应。 ? 法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。近年来在 激光技术中这一效应被用来制作光隔离器和红外调制器。 ? 该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特 性。在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识。在激光技术 中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。? 四十一、反射?波的反射:波由一种媒质达到与另一种媒质的分界面时，返回原媒质的现 象。例如声波遇障碍物时的反射，它遵循反射定律。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在同类媒质中由于媒质不均匀也会使波返回到原来密度的介质中，即产 生反射。 ? 光的反射:光遇到物体或遇到不同介质的交界面(如从空气射入水面)时， 光的一部分或全部被表面反射回去，这种现象叫做光的反射，由于反射 面的平坦程度不同，有单向反射和漫反射之分。人能够看到物体正是由 于物体能把光“反射”到人的眼睛里，没有光照明物体，人也就无法看 到它。 ? 光的反射定律:①入射光线、反射光线与法线(即通过入射点且垂直于入 射面的线)同在一平面内，且入射光线和反射光线在法线的两侧;②反射 角等于入射角(其中反射角是法线与反射线的夹角，入射角是入射线与法 线的夹角)。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在同一条件下，如果光沿原来的反射线的逆方向射到界面上，这时的反 射线一定沿原来的入射线的反方向射出。这一点称之为“光的可逆性”。 ? 反射率，又称“反射本领”，是反射光强度与入射光强度的比值。不同 材料的表面具有不同的反射率，其数值多以百分数表示。同一材料对不 同波长的光有不同的反射率，这个现象称为“选择反射”。所以，凡列 举一材料的反射率均应注明其波长。例如玻璃对可见光的反射率约为 4%，锗对波长为4μm红外光的反射率为36%，铝从紫外光到红外光的 反射率均可达90%左右，金的选择性很强，在绿光附近的反射率为50% ， 而对红外光的反射率可达96%以上。此外，反射率还与反射材料周围的 介质及光的入射角有关。上面所说的均是指光在各材料与空气分界面上 的反射率，并限于正入射的情况。上一页 下一页返回第四节? 四十二、放电科学效应和现象详解放电就是使带电的物体不带电。放电并不是消灭了电荷，而是引起了电 荷的转移，正负电荷抵消，使物体不显电性。 ? 放电的方法主要有接地放电、尖端放电、火花放电、中和放电等。?? 四十三、放射现象?1896年，法国物理学家贝克勒耳发现铀及含铀的矿物能发出某种看不见 的射线，这种射线可以穿透黑纸使相片底片感光。在贝克勒耳工作的启 发下，居里夫妇对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究，并发现了两种 放射性更强的元素镭和针。1903年，居里夫妇和贝克勒耳同获诺贝尔物 理学奖。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解?? ? ? ?放射性:物体向外发射某种看不见的射线的性质叫放射性。 放射性元素:具有放射性的元素。原子序数为82的铅后的许多元素都具 有放射性，少数位于铅之前的元素也具有放射性。 α射线:是速度约为光速1/10的氦核流。其电离本领大，穿透力小。 β射线:是速度接近光速的高速电子流。其电离本领较小，穿透力较大。 γ射线:是波长极短的光子流。其电离作用小，具有极强的穿透能力。 天然存在的放射性同位素能自发放出射线的特性，称为“天然放射性”。 而通过核反应，由人工制造出来的放射性，称为“人工放射性”。? 四十四、浮力?浮力指的是漂浮于流体表面或浸没于流体之中的物体，受到各方向流体 静压力产生的向上合力。其大小等于被物体排开流体的重力。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在液体内，不同深度处的压强不同。物体上、下面浸没在液体中的深度 不同，物体下部受到液体向上的压强较大，压力也较大，可以证明，浮 力等于物体所受液体向上、向下的压力之差 ? 浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开 的液体的重力。这就是著名的“阿基米德定律”，该定律是公元前200 年以前由阿基米德所发现的。浮力的大小可用下面的公式计算: ? F浮=ρ液gV排? 四十五、感光材料?感光材料是指一种具有光敏特性的半导体材料，因此又称之为光导材料 或者光敏半导体。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解它的特点就是在无光的状态下呈绝缘性，在有光的状态下呈导电性。复 印机的工作原理正是利用了这种特性。复印机上普遍应用的感光材料有 硒、氧化锌、硫化铬、有机光导体等，这些都是较理想的光导材料。? 四十六、耿氏效应?当电压高到某一值时，半导体电流便以很高频率振荡，该效应称为耿氏 效应，是1963年由耿氏发现的一种效应。当高于临界值的恒定直流电压 加到一小块N型砷化嫁相对面的接触电极上时，便产生微波振荡。在N 型砷化嫁薄片的两端制作良好的欧姆接触电极，并加上直流电压使产生 的电场超过3 kV/cm时，由于砷化嫁的特殊性质就会产生电流激荡，其 频率可达109 Hz，这就是耿氏二极管。这种在半导体本体内产生高频电 流的现象称为耿氏效应。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解耿氏效应的原理为:在砷化稼的能带结构中，导带有两个能谷，两能谷的 能隙为0. 36 eV。把砷化稼材料置于外电场中时，外电场的作用使体内 电子在能谷之间跃迁，导致其电导率随电场的增加时而增加，时而减小， 从而形成了体内的高频振荡现象。? 四十七、共振在物体做受迫振动的过程中，当驱动力的频率与物体的固有频率接近或 相等时，物体的振幅增大的现象叫做共振。自然中有许多地方有共振的 现象，人类也在其技术中利用或者试图避免共振现象。 ? 固有频率是系统本身所具有的一种振动性质。当系统做固有振动时，它 的振动频率就是“固有频率”。一个力学体系的固有频率由系统的质量 分布、内部的弹性以及其他的力学性质决定。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在很多情况下要利用共振现象，例如，收音机的调谐就是利用共振来接 收某一频率的电台广播，又如弦乐器的琴身和琴筒，就是用来增强声音 的共鸣器。但在不少情况下要防止共振的发生，例如机器在运转中可能 会因共振而降低精密度。20世纪中叶，法国昂热市附近一座长102 m的 桥，因一队士兵在桥上齐步走的步伐频率与桥的固有频率相近，引起桥 梁共振，振幅超过桥身的安全限度，而造成了桥塌人亡的事故。? 四十八、固体发光?固体发光是电磁波、带电粒子、电能、机械能及化学能等作用到固体上 而被转化为光能的现象。外界能量可来源于电磁波(可见光、紫外线、X 射线和y射线等)或带电粒子束，也可来自电场、机械作用或化学反应。 当外界激发源的作用停止后，固体发光仍能维持一段时间，称为余辉。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解历史上曾根据发光持续时间的长短把固体发光分为荧光和磷光两种，发 光持续时间小于10 -8 s的称为荧光，大于10 -8 s的称为磷光，相应的发 光体分别称为荧光体和磷光体。 ? 根据激发方式的不同，固体发光主要分为以下几种: ? 光致发光:是指发光材料在可见光、紫外光或X射线照射下产生的光。发 光波长比所吸收的光波波长要长。这种发光材料常用来使看不见的紫外 线或X射线转变为可见光，例如，日光灯管内壁的荧光物质把紫外线转 换为可见光，对X射线或，射线也常借助于荧光物质进行探测。另一种 具有电子陷阱(由杂质或缺陷形成的类似亚稳态的能级，位于禁带上方) 的发光材料在被激发后，只有在受热或红外线照射下才能发光，可用来 制造红外探测仪。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解场致发光:又称电致发光，是指利用直流或交流电场能量来激发发光。场 致发光实际上包括几种不同类型的电子过程，一种是物质中的电子从外 电场吸收能量，与晶格相碰时使晶格电离化，产生电子一空穴对，复合 时产生辐射。也可以是外电场使发光中心激发，回到基态时发光，这种 发光称为本征场致发光。还有一种类型是在半导体的PN结上加正向电 压，P区中的空穴和N区的电子分别向对方区域迁移后成为少数载流子， 复合时产生辐射，称为载流子注入发光，也称结型场致发光。用电磁辐 射调制场致发光称为光控场致发光。把ZnS , Mn , Cl2等发光材料制成薄 膜，加直流或交流电场，再用紫外线或X射线照射时可产生显著的光放 大，利用场致发光现象可提供特殊照明、制造发光管、用来实现光放大 和储存影像等。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解阴极射线致发光:是指以电子束使磷光物质激发发光，普遍用于示波管和 显像管，前者用来显示交流电的波形，后者用来显示影像。? 四十九、惯性力?牛顿运动定律只适用于惯性系。在非惯性系中，为使牛顿运动定律仍然 有效，常引入一个假想的力，用以解释物体在非惯性系中的运动。这个 由于物体的惯性而引入的假想力称为“惯性力”。它是物体的惯性在非 惯性系中的一种表现，并不反映物体间的相互作用。它也不服从牛顿第 三定律，于是惯性力没有施力物，也没有反作用力。例如，前进的汽车 突然刹车时，车内乘客就感觉到自己受到一个向前的力，使自己向前倾 倒，这个力就是惯性力。又如，汽车在转弯时，乘客也会感到有一个使 他离开弯道中心的力，这个力即称为“惯性离心力”。上一页 下一页返回第四节? 五十、光谱?科学效应和现象详解光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光 按波长(或频率)大小而依次排开的图案，全称为光学频谱。例如，太阳 光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩 色光谱。红色到紫色，对应于波长为7 700~3 900埃的区域，是能被人 眼感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光，紫端之外则为波长 更短的紫外光，都不能为肉眼所察觉，但能用仪器记录，光谱中最大的 一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，这个波长范围内的电 磁辐射区域被称做可见光区域。按波长区域不同，光谱可分为红外光谱、 可见光谱和紫外光谱;按产生的本质不同，可分为原子光谱、分子光谱; 按产生的方式不同，可分为线光谱、带光谱和连续光谱。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解光谱的研究已成为一门专门的学科，即光谱学。光谱学是研究原子和分 子结构的重要学科。? 五十一、光生伏特效应1839年，法国物理学家贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成 的伏特电池，受到阳光照射时会产生额外的伏特电势，他把这种现象称 为光生伏特效应。 ? 1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把 能够产生光生伏特效应的器件称为光伏器件。 ? 当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏特效应。光 生伏特效应使得PN结两边出现电压，称为光生电压。使PN结短路，就 会产生电流。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解? ? ??由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类 光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳能电池又称为 光电池、光生伏特电池，是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。 现主要有硅、硫化镐、砷化稼太阳能电池。 随着科学的进步，光伏发电技术已可用于任何需要电源且有光照的场合。 目前，光伏发电主要用于三大方面: (1)光伏发电为无电场合提供电源。 (2)光伏发电是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能灯具 等。 (3)光伏发电是并网发电。这在发达国家已经大面积推广使用。上一页 下一页返回第四节科学效应和现象详解? 五十二、混合物分离混合物分离是指把混合物中的几种成分分开得到几种纯净物，其原则和 方法与混合物的提纯(即除杂质)基本相似，不同之处是除杂质只需把杂 质除去恢复所需物质原来的状态即可，而混合物分离则要求被分离的每 种纯净物都要恢复原来状态。 ? 混合物分离的常用方法有:蒸发、过滤、结晶、重结晶、分步结晶、蒸馏、 分馏、萃取、分液、渗析、升华，根据氧化还原原理进行分步沉淀等。 ? 分离混合物，往往不只使用单独一种方法，而是几种方法交替使用。例 如，粗盐的提纯就用到过滤、蒸发、结晶三种方法，这些都是物理方法， 也就是说在过滤、蒸发、结晶的过程中都没有新物质生成，没有发生化 学变化。有些混合物的分离则需用化学方法。?上一页 下一页返回第四节科学效应和现象详解? 五十三、火花放电?火花放电是在电势差较高的正负带电区域之间，发出闪光并发出声响的 短时间气体放电现象。在放电空间内，气体分子发生电离，气体迅速而 剧烈地发热，发出闪光和声响。例如，当两个带电导体互相靠近到一定 距离时，就会在其间发生火花和声响，结果两个导体所带的电荷几乎全 部消失。实质上分立的异性电聚积至足够量时，电荷突破它们之间的绝 缘体而中和的现象就是放电。而中和时发生火花的就叫火花放电。在阴 雨天气，带电的云接近地面，由于感应作用，在云和地之间发生火花放 电即为落雷。由于它们之间电势差非常大，所以这种放电的危害特别大， 它能破坏建筑物，甚至打死人和牲畜。高大建筑物均装有避雷针就是为 了对落雷进行防范。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在日常生活中，常常会看到运送汽油的油罐车，在它的尾部，总是有一 根铁链在地上拖着走。这根铁链不是多余的，而是起着重要的作用。运 汽油的车中装载的是汽油，汽车在开动的时候，里面装着的汽油也在不 停地晃动，其结果会使汽油跟油槽壁发生碰撞和摩擦，从而会使油槽带 电。因为汽车的轮胎由橡胶制成，是绝缘体，油槽里产生的电荷不可能 通过轮胎传到地下，这样电荷就会积聚起来，甚至有时会发生电火花。 遇到火花，汽油很容易发生爆炸为了防止出现这样的危险，采用拖在汽 车后面的铁链来作导电工具，使产生的电荷不能积聚。火花放电可用于 金属加工，钻细孔，还可用于胶接表面的处理，以提高胶接强度，多用 于难粘塑料和金属等材料表面的处理。上一页 下一页返回第四节科学效应和现象详解? 五十四、霍尔效应霍尔效应是一种电磁效应，这一现象是由美国物理学家霍尔(Hall,
)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于 外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会 出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。 ? 下面列举霍尔效应的一些应用: ? (1)根据霍尔电压的极性可判定半导体的载流子的类型，即是 N型半导体， 还是P型半导体。 ? (2)半导体内载流子的浓度受温度、杂质及其他影响较大。根据实验测得 的霍尔系数k可计算出载流子的浓度。这为研究和测试半导体提供了有 效的方法。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解(3)利用半导体材料制成的霍尔元件还可测量强电流和功率。此外，还可 以把直流和交流信号放大以及对它们进行调制。? 五十五、霍普金森效应? ? ? ? ?霍普金森效应是由霍普金森于1889年发现的。霍普金森效应可在铁和镍 的单晶、多晶样本中观察到，也可在很多铁磁合金中观察到。 霍普金森效应由以下3点组成: (1)将铁磁物质放入弱磁场，导磁性会在居里点附近出现急剧增大。 (2)导磁率对温度的最大依赖关系，是由于处于居里点附近的铁磁物质的 磁各向异性的戏剧性减少而导致的。 (3)在居里点附近，因为铁磁物质自然磁化的消失，将使导磁性减小。上一页 下一页返回第四节? 五十六、加热科学效应和现象详解加热是热源将热能传给较冷物体而使其变热的过程。 ? 根据热能的获得方式，可分为直接加热和间接加热两类。直接热源加热 是将热能直接施加于物料，如烟道气加热、电流加热和太阳辐射能加热。 间接热源加热是将上述直接热源的热能施加于一中间载热体，然后由中 间载热体将热能再传给物料，如蒸汽加热、热水加热、矿物油加热等。?? 五十七、焦耳一楞次定律?1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻 时的水温。通过这一实验，他发现导体在一定时间内放出的热量与导体 的电阻及电流强度的平方之积成正比。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解同年12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流 通过导体产生热量的定律。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发 现了同样的定律，该定律也称为焦耳―楞次定律。? 五十八、焦耳一汤姆逊效应当气体在管道中流动时，由于局部阻力(如遇到缩口的调节阀门时)，其 压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门等流阻元 件时，流速大时间短，来不及与外界进行热交换，可近似的作为绝热过 程来处理，称为绝热节流。 ? 实验发现，实际气体节流前后的温度一般将发生变化。气体经过绝热节 流过程后温度发生变化的现象称为焦耳一汤姆逊效应。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解造成这种现象的原因是因为实际气体的烩值不仅是温度的函数，而且也 是压力的函数。大多数实际气体在室温下的节流过程中都有冷却效应， 即通过节流元件后温度降低，这种温度变化称为正焦耳―汤姆孙效应;少 数气体在室温下节流后温度升高，这种温度变化称负焦耳―汤姆逊效应。 ? 在通常温度下，许多气体都可以通过节流膨胀过程使温度降低、冷却而 成为液体。工业上就是利用这种效应来使气体变成液体的。? 五十九、金属覆层滑润剂?金属有机化合物中的金属会在高温下获得释放。金属覆层润滑剂中含有 金属有机化合物，这种润滑剂是依靠零件间的摩擦力来进行加热的。然 后，金属有机化合物将产生分解，释放出金属，释放的金属会填充到零 件表面的不平整部位，以此来减少零件的摩擦力。上一页 下一页返回第四节? 六十、居里效应科学效应和现象详解法国物理学家比埃尔? 居里()早期的主要贡献为确定磁性物质 的转变温度(居里点)，铁磁物质由于存在磁畴，因此在外加的交变磁场 的作用下将产生磁滞现象磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁 磁物质加热到一定的温度，由于金属点阵中的热运动的加剧，磁畴受到 破坏，铁磁物质将转变为顺磁物质，磁滞现象消失，铁磁物质这一转变 温度称为居里点温度。 ? 不同的铁磁物质，居里点不同。铁的居里点为769 ℃ ，钻是1 131℃， 镍的居里点较低，为358℃。锰锌铁氧化体的居里点只有215℃，比较低， 磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化，除正常温度25℃以外，还 要给出60℃、80℃、100℃时的各种参数数据。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解因此，锰锌铁氧化体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下。钻基非晶 合金的居里点为205℃，也较低，使用温度也限制在100℃以下。铁基非 晶合金的居里点为370 ℃，其可以在150℃~180℃以下使用。高磁导坡 莫合金的居里点为460℃~480 ℃ ,其可以在200℃~250℃以下使用。微 晶纳米晶合金的居里点为600℃，硅钢居里点为73 ℃，它们可以在 300℃~400℃以下使用。 电光克尔效应:1875年英国物理学家J? 克尔发现，玻璃板在强电场作用 下具有双拆射性质，称为克尔效应。后来发现多种液体和气体都能产生 克尔效应。观察克尔效应(如图8-1所示):内盛某种液体(如硝基苯)的玻璃 盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。? 六十一、克尔效应?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通 过P2。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时 有光通过P2。实验表明，在电场作用下，主拆射率之差与电场强度的平 方成正比。电场改变时，通过P2的光强随之改变，故克尔效应可用来对 光波进行调制。液体在电场作用下产生极化，这是产生双拆射性的原因。 电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10 -9 s内就可完成极化过程， 撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速 动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关―光闸，在高速摄影、光 速测量和激光技术中获得了重要应用。 ? 磁光克尔效应:入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生 旋转的现象，1876年由J? 克尔发现。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反 射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情 形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化程度，一般极向 的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。克尔磁光效应最重 要的应用是观察铁磁体的磁畴。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引 起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各 磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。? 六十二、扩散?物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象，称为 扩散。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。物质直接接触时，称为自 由扩散;若扩散是经过隔离物质进行时，则称为渗透。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解由于分子(原子等)的热运动而产生的物质迁移现象，一般可发生在一种 或几种物质与同一物态或不同物态之间，由不同区域之间的浓度差或温 度差所引起，而前者居多。一般从浓度较高的区域向较低的区域进行扩 散，直到同一物态内各部分的浓度达到均匀或两种物态间的浓度达到平 衡为止。显然，由于分子的热运动，这种“均匀”“平衡”都属于“动 态平衡”，即在同一时间内，界面两侧交换的粒子数相等，如红棕色的 二氧化氮气体在静止的空气中的散播，蓝色的硫酸铜溶液与静止的水相 互渗入，钢制零件表面的渗碳以及使纯净半导体材料成为N型或P型半 导体掺杂工艺等都是扩散现象的具体体现。在电学半导体PN结的形成 过程中，自由电子和空穴的扩散运动是基本依据。扩散速度在气体中最 大，在液体中次之，在固体中最小，而且浓度差越大、温度越高、参与 的粒子质量越小，扩散速度也越快。上一页 下一页返回第四节? 六十三、冷却?科学效应和现象详解将物体或系统的热量带走，使物体温度降低的过程，称为冷却。冷却的 方法通常有直接冷却法和间接冷却法。直接冷却法直接将冰或冷水加入 被冷却的物料中，间接冷却法将物料放在容器中，其热能通过器壁向周 围介质自然散热。? 六十四、洛伦兹力运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力。荷兰物理学家洛伦兹 ()首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作用力 的观点，为了纪念他，人们称这种力为洛伦兹力。在国际单位制中，洛 伦兹力的单位是牛顿。洛伦兹力的公式为: ? f=avBsin θ?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解?? ? ?式中a――点电荷的电量; v――点电荷的速度; B――点电荷所在处的磁感应强度; θ――v和B的夹角。 洛伦兹力的方向遵循左手定则(左手平展，使大拇指与其余垂直，并且都 跟手掌在一个平面内)，把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心(手 心对准N极，手背对准S极)，四指指向电流方向(即正电荷运动的方向)， 则拇指所指的方向就是导体或正电荷受力方向，垂直于v和B构成的平面 (若a为负电荷，则反方向)。由于洛伦兹力始终垂直于电荷的运动方向， 所以它对电荷不做功，不改变运动电荷的速率和动能，只能改变电荷的 运动方向使之偏转。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解洛伦兹力既适用于宏观电荷，也适用于微观电荷粒子。电流元在磁场中 所受安培力就是其中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。导体回路在恒 定磁场中运动，使其中磁通量变化而产生的动生电动势也是洛伦兹力的 结果，洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力。 ? 如果电场E和磁场B并存，则运动点电荷受力为电场力和磁场力之和， 即: F=a(E+vB) ? 公式中E, B为矢量，此式一般也称为洛伦兹力公式 ? 洛伦兹力在许多科学仪器和工业设备中都有着广泛的应用，例如刀谱仪、 质谱仪、粒子加速器、电子显微镜、磁镜装置、霍尔器件等。? 六十五、毛细现象上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解毛细管:凡内径很细的管子都叫“毛细管”。通常指的是内径小于或等于 1 mm的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。例如，水银温度计、 钢笔尖部的窄缝、毛巾和吸墨纸纤维间的缝隙、土壤结构中的缝隙以及 植物的根、茎、叶的脉络等，都可认为是毛细管。 ? 毛细现象:插入液体中的毛细管，管内外的液面会出现高度差。当浸润管 壁的液体在毛细管中上升(即管内液面高于管外)或当不浸润管壁的液体 在毛细管中下降(即管内液面低于管外)，这种现象叫做“毛细现象”。 产生毛细现象原因之一是由于附着层中分子的附着力与内聚力的作用， 造成浸润或不浸润，因而使毛细管中的液面呈现弯月形。原因之二是由 于存在表面张力，从而使弯曲液面产生附加压强。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解由于弯月面的形成，使得沿液面切向方向作用的表面张力的合力，在凸 弯月面处指向液体内部，在凹弯月面处指向液体外。由于合力的作用使 弯月面下液体的压强发生了变化，对液体产生了一个附加压强，从而使 凸弯月面下液体的压强大于水平液面下液体的压强，而凹弯月面下液体 的压强小于水平液面下液体的压强。根据在盛着同一液体的连通器中， 同一高度处各点的压强都相等的原理，当毛细管里的液面是凹弯月面时， 液体不断地上升，直到上升液柱的静压强抵消了附加压强为止。同样， 当液面成凸月面时，毛细管里的液体也将下降。 ? 当液体浸润管壁致使与管壁接触的液面是竖直的，而且表面张力的合力 也是竖直向上时，若毛细管内半径为r，液体表面张力系数是σ，沿周界 2πr作用的表面张力的合力等于2πr σ 。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在液面停止上升时，此一作用力恰好与毛细管中液体柱的重力相平衡。 若液柱上升高度为h，液体密度为ρ，则得: ? 2πr σ=πr 2h ρg ? 因而可知液柱上升高度是: h=2σ/rρg? 六十六、摩擦力相互接触的两个物体，当它们发生相对运动或有相对运动趋势时，在两 个物体的接触面之间会产生阻碍相对运动的作用力，这个力称为摩擦力。 ? 物体之间产生摩擦力必须具备4个条件:两物体相互接触;两物体相互挤压， 发生形变，有弹力;两物体发生相对运动或有相对运动趋势;两物体间接 触面粗糙。 ? 4个条件缺一不可。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解由此可见，有弹力的地方不一定有摩擦力，但有摩擦力的地方一定有弹 力。摩擦力是一种接触力，而且还是一种被动力。 ? 摩擦力可分为静摩擦力和滑动摩擦力。 ? 若两个相互接触而又相对静止的物体，在外力作用下只具有相对滑动趋 势，而未发生相对滑动，则其接触面间产生的阻碍相对滑动的力，称为 静摩擦力。静摩擦力很常见，例如拿在手中的瓶子、毛笔不会滑落，就 是静摩擦力作用的结果。静摩擦力在生产中的应用也很多，例如皮带运 输机靠货物与传送皮带之间的静摩擦力把货物送往其他地方。 ? 两接触物体产生相对滑动时的摩擦力称为滑动摩擦力。大量实验表明， 滑动摩擦力的大小只与法向正压力的大小和接触面的性质(动摩擦因数) 有关。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解接触面材料相同时，法向正压力越大，滑动摩擦力越大;法向正压力相同 时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。在低速情况下，摩擦力的大小与 物体的外表接触面积及物体运动的速度有关。滑动摩擦力是阻碍相互接 触物体之间相对运动的力，不一定是阻碍物体运动的力。摩擦力不一定 是阻力，它也可能是使物体运动的动力，要清楚阻碍“相对运动”是以 相互接触的物体作为参照物的。“物体运动”可能是以其他物体作参照 物的。? 六十七、王白尔帖效应?1834年，法国科学家拍尔帖发现:当两种不同属性的金属材料或半导体 材料互相紧密连接在一起的时候，在它们的两端通入直流电流后，只要 变换直流电流的方向，在它们的接头处，就会相应出现吸收或者放出热 量的物理现象，于是起到制冷或制热的效果，这种现象就称为“拍尔帖 效应”。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解拍尔帖冷却，是运用“拍尔帖效应”，即组合不同种类的两种金属，通 电时一方发热而另一方吸收热量的方式。因此，应用拍尔帖效应制成的 半导体制冷器，就能制造出不需制冷剂、制冷速度快、无噪声、体积小、 可靠性高的绿色电冰箱了。? 六十八、起电起电，就是使物体带电。起电并不是创造了电荷，而是引起了电荷的转 移，使物体显示电性。 ? 起电的方法有三种:摩擦起电、感应起电和接触起电。 ? 摩擦起电的原理是由于各种物体束缚电子的能力不一样，摩擦两个不同 物体就会引起电子的转移，使得到电子的物体显示负电，另一个显示正 电。两个被摩擦的物体带的是异性等量电荷。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解两个相同物体摩擦不能起电。用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒就失去电子而 带正电，丝绸得到电子而带负电。 ? 摩擦起电顺序为:空气、人手、石棉、兔毛、玻璃、云母、人发、尼龙、 羊毛、铅、丝绸、铝、纸、棉花、钢铁、木、唬拍、蜡、硬橡胶、镍/铜、 黄铜/银、金/铂、硫黄、人造丝、聚醋、赛璐洛、奥纶、聚氨醋、聚乙 烯、聚丙烯、聚氯乙烯、二氧化硅、聚四氟乙烯。在上述所列出的物体 中，距离越远，起电的效果就越好。 ? 感应起电:将一个带电体靠近一个不带电的物体，这个物体靠近带电体的 一端产生了与带电体相反的电荷，而远离带电体的一端产生了同种电荷， 而且两端电荷量相等。感应起电的原理是电荷间的相互作用力。带电的 物体能吸引不带电的物体，就是因为感应起电。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解接触起电:将一个带电体与一个不带电的物体接触，就可以使不带电的物 体带电。接触后，两个物体带同种电荷。接触起电的原理是感应起电和 电中和。? 六十九、气穴现象气穴来自拉丁文“cavitus&，是指空虚、空处的意思。气穴现象是由于 机械力，如由船用的旋转机械力产生的致使液体中突然形成低压气泡并 破裂的现象。 ? 水的气穴现象就是指冲击波到达水面后，使水面快速上升，并在一定的 水域内产生很多空泡层，最上层的空泡层最厚，向下逐渐变薄。随着静 水压力的增加超过一定的深度后，便不再产生空泡。?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解声波的气穴现象研究:用20~40 kHz的声波进行了实验，声波在浓硫酸液 体中产生高密度与低密度两个快速交替的区域，使得压力在其间振荡， 液体中的气泡在高压下收缩，低压下膨胀。压力的变化非常快，致使气 泡向内炸裂，有足够的能量产生热，这一过程被称为声学的气穴现象。 ? 气穴现象在水下武器中的应用:比如海底子弹，当子弹由特别的物体发射 出去后，在它的前部会形成一种类似于气泡状的东西，会让子弹的阻力 减小，以增加威力。? 七十、热传导?热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象 叫热传导。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解热传导是热传递的三种基本方式之一，它是固体中热传递的主要方式， 在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与对流同时发 生。热传导实质是大量物质的粒子热运动互相撞击，使能量从物体的高 温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中， 热传导的微观过程是:在温度高的部分，晶体中节点上的微粒振动动能较 大;在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相联系，所以在晶 体内部就发生微粒的振动，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。 在固体中热的传导，就是能量的迁移。在金属物质中，因存在大量的自 由电子，在不停地做无规则的热运动。自由电子在金属晶体中对热的传 导起主要作用。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解在液体中热传导表现为液体分子在温度高的区域热运动比较强，由于液 体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引 起了热传导现象。由于热传导系数小，传导得较慢，它与固体相似，而 不同于气体;气体依靠分子的无规则热运动及分子间的碰撞，在气体内部 发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。 ? 各种物质的热传导性能不同，一般金属都是热的良导体，玻璃、木材、 棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体。石棉的热传 导性能极差，常作为绝热材料。? 七十一、热电现象?温差电动势即热电动势:用两种金属接成回路，当两接头处温度不同时， 回路中就会产生电动势，这种称为热电动势(或温差电动势)。上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解热电动势的成因是:自由电子热扩散(汤姆逊电动势)，自由电子浓度不同 (拍尔帖电动势)，拍尔帖效应(塞贝克效应)。 热电子发射又称爱迪生效应，是爱迪生于1883年发现的，是指加热金属 使其中的大量电子克服表面势垒而逸出的现象。与气体分子相似，金属 中的自由电子做无规则的热运动，其速率有一定的分布。在金属表面存 在着阻碍电子逃脱出去的作用力，电子逸出需克服阻力做功，称为逸出 功。在室温下，只有极少量电子的动能大于逸出功，因此从金属表面逸 出的电子微乎其微。一般当金属温度上升到1 000℃以上时，动能大于 逸出功的电子数目急剧增加，大量电子从金属中逸出，这就是热电子发 射。? 七十二、热电子发射?上一页 下一页返回第四节?科学效应和现象详解若无外电场，逸出的热电子在金属表面附近堆积，成为空间电荷，它将 阻止热电子继续发射。通常以发射热电子的金属丝为阴极，金属板为阳 极，其间加电压，使热电子在电场作用下从阴极到达阳极，这样不断发 射，不断流动，形成电流。随着电压的升高，单位时间从阴极发射的电 子全部到达阳极，于是电流饱和。 ? 许多电真空器件的阴极是靠热电子发射工作的。由于热电子发射取决于 材料的逸出功及其温度，因此应选用熔点高而逸出功低的材料作阴极。 除热电子发射外，靠电子流或离子流轰击金属表面产生的电子发射，称 为二次电子发射，靠外加强电场引起的电子发射称为场效发射，靠光照 射金属表面引起的电子发射称为光电发射各种电子发射都有其特殊的应 用。上一页 下一页返回第四节? 七十三、热辐射?科学效应和现象详解热辐射是热的一种传递方式。它不依赖物质的接触而由热源自身的温度 作用向外发射能量，这种传递方式称为“热辐射”。它和热传导、对流 不同。它能不依靠媒介而把热量直接从一个系统传给另一个系统。热辐 射是以电磁波辐射的形式发射出能量，温度的高低，取决于辐射的强弱。 温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时，热 辐射中最强波长在5 x10-4cm左右，即在红外区。当物体的温度在500