女朋友三月十五来的姨妈25二十号来例假五号同房房。一开始避孕套带反,又正过来干完全程,现在胸胀肚子大,没来姨妈,

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避孕套几乎是每一对情侣都用过的东西,目前市场上的避孕套种类繁多,样式新颖,相信大家在这些令人眼花缭乱的避孕套面前,往往会感到无从选择。(]其实在使用避孕套前,你肯定有一些疑问吧,今天小编就带大家一起了解一下关于避孕套的八个健康知识。
Q1:一般安全套的保存期限是多久?
A1:在阴凉干燥的保存环境下,一般安全套可保存5年。
Q2:一个安全套可以重复多次使用吗?
A2:不可以。因为安全套在使用过程中可能已经造成破损,若再经过清洗及干燥的过程,更无法保证安全套的品质。
Q3:除了怀孕,安全套还可以预防什么?
A3:可预防一般性病及艾滋病。
Q4:何种润滑剂适合与安全套同时使用?
A4:水性润滑剂(如KY乳液)。因为油性润滑剂(如婴儿油、凡士林等)会破坏安全套的材质,造成漏裂情况。
Q5:戴两层安全套比戴一层安全套安全?
A5:错!同时戴两层安全套反而会因相互的磨擦作用而导致安全套破损,反而造成反效果。
Q6:为确保安全套品质,可在使用前将安全套张开,吹气检查看看?
A6:错!安全套若有细小孔洞,也不易以此方法检查出来。而且将安全套张开后反而很难戴上,容易造成破损。
Q7:安全套可以在射精前再戴上就可以达到很好的避孕效果?
A7:错!安全套应在接触女方性器官前就先戴上。以避免射精前的液体中已含有精子。
Q8:安全套的内包装是否以正方型或是圆型包装较为适合?
A8:对!因为正方型或是圆型包装可使安全套保持自然的伸展状态。
看了上面的介绍,了解了上面的问题,相信各位就可以正确使用避孕套啦!最后,寻医问药网祝各位健康!
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篇二 : 揭秘西门庆七个妻妾们的可悲下场
花花太岁西门庆,金钱、权势、色欲集于一身;他是赚钱的能手,弄权的政客,玩女人的淫棍,无日无夜周旋于这三者之间。拳脚齐下,左右逢源,春风得意,恣意妄为。正当他而立之后,诸事顺遂之时,却枉死于他自己用金钱、权势经营起来的肉欲之中。
金莲是西门庆的第五房妾。人物是从《水浒传》中借衍而来,但在《金瓶梅》中,其经历、性格、生活等得到了多方面的重要的充实,从而塑造成一个既聪明伶俐、美丽风流,又是一个心狠手辣、搬弄是非、淫欲无度的典型。
潘金莲本是清河县南门外潘裁缝的女儿,排行第六,小名六姐。天生一副好姿色,又缠得一双好小脚。但好景不长,潘裁缝染上重病,无钱买药,蹬腿走了,撇下了老婆孩子。寡妇难撑家门面,女儿终是他家人。做娘的度日不过,便把9岁的金莲卖在城里王招宣府中,习学弹唱。这金莲不仅模样好,人也机灵聪明,学啥会啥,学啥像啥。到15岁时,描鸾绣凤,品竹弹丝,会弹一手好琵琶。这可都是让男人们心魂荡漾的技艺。不久,王招宣死了。潘姥姥把女儿要了出来,转手卖给了张大户家,身价三十两银子,合当时五十石米。潘金莲在张大户家也是学习弹唱。光阴荏苒,日子易过,眨眼18岁了,潘金莲出落得脸似三月桃花,身如出水芙蓉,杏眼动人心魄,细眉弯弯,把个张大户馋得如同饥饿极了的猫见了鱼。只因为当时主家婆余氏凶狠如虎,张大户才不敢轻易沾腥。但有一日,邻家嫁女,余氏赴席。张大户暗暗把金莲叫到房中,遂心收用了。张大户已是五十开外的老头,得如此娇嫩黄花闺秀,以为大占便宜,美不胜美。接二连三之后,毛病出来了,先是腰疼,后是耳聋,小便不畅如水滴,眼泪鼻涕时常流,白天哈欠连天睡不醒,晚上喷嚏无眠难受。老头中邪了!余氏厉害,见此情此况岂有不知根由的?咒骂丈夫,苦打金莲。张大户挨骂已是家常便饭,可就是舍不得小金莲。随后想了个好主意,倒赔房屋,把金莲嫁给了房客武大。武大老实忠厚,得此美妇,以为是房东看得起自己。
武大原先娶过一妻,生下女儿迎儿之后就命归黄泉了,家中正缺个帮手,以后可以放心地挑着炊饼满街走了。老实人的心眼实,然而倒霉也就倒在这个“实”字上。武大前脚出门,张大户就溜进来与小金莲抱成一团。有几次,武大出门未上正街,想起忘了什么,马上回来拿,结果就碰见自家床上睡着老少鸳鸯。可他老实,从不言语。再挑着担子走出去。张大户胆大了,彼此云雨更多了。那身上的邪病更重,一年不到,呜呼哀哉死了。张大户还没有入土,主家婆余氏就把武大一家赶出了大门。武大只好在紫石街西头租了两间房子住下。二十刚出头的金莲不比从前,她讨厌武大,要不,怎会去同那张大户私通呢?她倒不嫌“三寸丁,谷树皮”的,不嫌武大矮、丑,嫁鸡随鸡,嫁狗随狗。她嫌的是武大太老实。她心中暗恨,眼泪常流:“普天之下,男人有得是,为什么将奴嫁与这样一个不争气的?每日牵着不走,打着倒退。回家来除了酒就是睡,推他不醒,摸他不动,好像一截死木头。”她憎嫌武大,日逐站在门前勾引几个奸诈浮浪子弟,甚至在武松来到之后,竟也使出手段诱引,恨不得与武松成双(第一回)。后虽遭武松斥诫,但她不思改悔,在武松出行东京时,勾搭上了西门庆,药杀了亲夫武大,一顶轿子进了西门庆宅中。
潘金莲在西门庆众妻妾中,是个出名“专爱咬群”的主儿,她利嘴巧舌,机变伶俐,说话“似淮洪也一般”,尤其与那恃宠逞娇的丫环庞春梅撺合在一起,日常搬是弄非,人都怕她三分。她惯常手段之一是听篱察壁,安插耳目,即所谓设“影子”。当西门庆与来旺之妻宋惠莲勾搭,在藏春坞弄奸之时,被她潜身在月窗下偷听,听到那婆娘说她不过也是个后婚的人来,“露水夫妻”,便气得“两只胳膊都软了,半日移脚不动”,恨道:“若教这奴才淫妇在里面,把俺每都吃他撑下去了。”(第二十三回)日后来旺醉谤西门庆之言,被来兴告到她的耳中,她便咬牙切齿道:“我若饶了这奴才,除非是他就 下我来!”(第二十五回)并终于说动西门庆陷害来旺,蕙莲也无活路,上吊自尽(第二十六回)。
当西门庆与李瓶儿在翡翠轩私语,她又“走在翡翠轩槅子外潜听”,听得西门庆爱瓶儿“好个白屁股儿”,以及瓶儿已怀身孕(第二十七回),便刻意把话拿捏他俩,又常将茉莉花蕊儿搅酥油淀粉,“把身上都搽遍了,搽的白腻光滑,异香可掬,使西门庆见了爱她,以夺其宠”(第二十九回)。至于其他,如安插平安探听西门庆与书童狎事(第三十四回)。拿捏并安插玉箫专一探听吴月娘上房消息(第六十四回)等等,不一而足。此外她又心狠手辣,善于直接置人于死地。最典型的是当李瓶儿生下官哥之后,她眼看西门庆日益专宠瓶儿,“把汉子调唆的生根也似的”,便数次惊吓小儿,甚至训练了一只“雪狮子”猫,用红绢裹肉令它扑而挝食,终于得隙扑到了官哥的身上,将官哥吓得风搐起来,不久夭亡(第五十九回)。李瓶儿受了这一精神打击,一病不起,潘金莲便乘胜追击,日逐指桑骂槐,气得她病上加病,又不敢和她争执,于是也一命呜呼了(第五十九至六十二回)。
潘金莲在西门庆宅中惯于“咬群”的根本目的,其实在于争宠夺爱,以满足她“欲火难禁一丈高”(第十二回)的肉欲需要。潘金莲平日在家,一味“霸拦汉子”,凭着她生得标致,又会诗词赋曲、琵琶弹唱,“枕边风月,比娼妇尤甚”。这几件都可在西门庆的心上,因此西门庆极宠爱她,尤其此妇肯接溺尿、吊双足、行后庭花,兼最善品箫,故西门庆把她视作性虐泄欲的工具,而每有这方面需要,便入她房来。
但是,潘金莲并不以此为满足,一旦西门庆“旷”了她几日,或是外出远行,她便难熬孤身永夜,就会干出玩小童(第十二回)、私女婿的勾当。为了笼络住西门庆之心,她除了配合西门庆摆弄淫具、制作绫带、按宫中春图行房、施展枕边风月以外,还惯于当“窝主”。她腾地方教西门庆在她眼皮底下奸耍春梅;她明知西门庆与惠莲、王六儿、如意儿等有奸情,也不管,只要他凡事不瞒她,行一次向她说一次,有一人向她说一人即可。用她自己的话说:“你主子既爱你(如意儿),常言船多不碍港,车多不碍路,那好做恶人?”(第七十四回)在性生活上西门庆以她为玩物,她则反将西门庆做泄欲工具,无丝毫夫妻恩爱可言。最终,西门庆在外搞了王六儿回来,她明明见其瘫软无力,却给他灌下过量的淫药,不顾死活地骑在他上面,弄得他“精尽继之以血,血尽出其冷气”,当下昏死过去,不久油尽灯枯,髓竭人亡(第七十九回)。
西门庆一死,潘金莲即与女婿陈经济打得火热,两人在库房中,在花园中私会,甚至大白天隔着窗扇也会云雨弄事(第八十二回)。同时全不顾廉耻,一日被春梅撞破,竟不要脸要春梅同意与陈经济奸耍(第八十二回)。自此主仆打成一家,与这小伙三人对奸。她弄出了肚子,趁月娘去泰山酬愿进香而私行打胎,将已成形的“一个白胖的小厮儿”倒进茅厕里(第八十五回)。然而这一切,终于被受尽折磨的丫环秋菊揭发出来了。月娘变脸变色,将她让王婆领去变卖。但是她淫欲成性,“依旧打扮乔眉乔眼,在帘下看人”,晚间反而拿王婆的儿子王潮儿来解渴(第八十六回)。最后,被武松报兄仇,斩首、割胸、剜心,落个尸陈街头的悲惨下场,亡年32岁(第八十七回)。
李瓶儿是《金瓶梅》中西门庆的第六房妾。是作者用来与潘金莲对比、抗衡的主要角色,也是金、瓶、梅三女主角中虽淫荡而感情专注于西门庆的人物。她是一个绝色佳丽温情娃,一个天生弱命而自拥财富,以温情求温情,却缘温情亡,温柔而敦厚,血枯感夫君的人物。
朋友之妻不可欺,西门庆敢占友妻。花子虚家娘子本姓李,正月十五日元宵时生,那日人家送来一对鱼瓶儿来,因此取名叫瓶姐,长大后人们皆称瓶儿。瓶儿长到十六七岁便如花似玉,娇小玲珑。18岁时与大名府梁中书为妾。中书夫人却是个嫉妒心最强的女人。凡是丈夫喜欢的小妾、婢女,百般刁难,寻出根由毒打至死,埋入后花园。梁中书奈夫人不容,又十分喜欢瓶儿,便把她安排在外边书房住,并派养娘服侍。瓶儿虽为内妾,实是外房。当时看去不好,实际上是一桩好事,就因为住在外边书房,才躲过一场灾难,保全了一条性命。政和三年正月上元之夜,梁中书偕夫人登翠云楼观灯。梁山泊英雄趁机混进城来,烧了翠云楼。梁中书多亏手下将士拼命保护,才逃了一条命。李逵挥动两把大板斧,杀进梁中书府宅,把宅中老小杀个干干净净。中书夫人躲进后花园得以幸存。李瓶儿见火光冲天,杀声不绝,便随身带了一百颗西洋大珠、二两重一对鸦青宝石,与养娘一道,上东京投亲。
正值此时朝廷重用太监,年近花甲的花太监由御前值班升任广南镇守,得知李瓶儿美貌性和,因侄儿花子虚尚未配妻室,就使媒婆说亲,娶为正室。花太监广南上任,只带瓶儿随任,在广南住了半年有余,便体虚染疾,告老还乡,回老家清河县城买了一所宅院住下。这宅院就在西门庆家隔壁,两家后花园仅一墙之隔。花太监回乡不久,便重疾不治而死。一份大好家财落到花子虚手里。这花子虚虽非名门,却如同纨绔,巴掌缝大,花钱如流水。每月伙同朋友玩赌博,逛妓院,又入了西门庆等十人的结拜兄弟会,每月会在一处,叫上几个唱曲弹弦的妓儿,或上勾栏,或去酒馆,花攒锦簇,畅杯顽耍,只图快乐。这十兄弟会中,就是西门庆和花子虚算得上财主,其余数人,像应伯爵、谢希大,穷得叮当响,整日地寻来,邀着上馆逛院,干手沾芝麻,白吃白喝,白玩白捞。西门庆时常在外玩乐,心中还惦着家中妻妾,这花子虚却是越旬半月不归,真的把瓶儿当花瓶儿摆在家中、丢在一旁了。
花太监在世时与瓶儿关系暧昧,死后极大一份家财就交在了李瓶儿之手。西门庆与花子虚系“会友”,对这个标致出众,且手握巨财的娘子早就心怀不良。而瓶儿早就对丈夫终日在外飘风不满,经与西门庆勾搭,遇着了他的“狂风骤雨”,在性生活上深深地感到满足,便罄其所有,越墙转财来就他(第十四回)。后花子虚的叔伯兄弟们为财诉讼,将花子虚拘入狱中,花了银子卖了房,待子虚归家一看,家财早被瓶儿转移殆尽,因而一气丧命(第十四回)。李瓶儿此后与西门庆议就了过门之事。不料这个时候适逢杨戬被参事发,西门庆是其手下亲党,也在查办之列,于是终日将大门紧闭,一面差来保去东京干事,一面把瓶儿那里荒了。瓶儿相思成疾,遇郎中蒋竹山,看视得愈,便招赘蒋竹山做了夫婿(第十七回)。西门庆得知消息,便让两个恶徒将蒋竹山痛打一顿。而李瓶儿因蒋是个“中看不中吃蜡枪头,死王八”,一心还在西门庆身上,最终仍归入西门庆之宅(第十九回)。
李瓶儿进西门庆宅,对潘金莲夺宠是个威胁:首先,因她长得漂亮,“细弯弯两道眉儿,且自白净,好个温克性儿”,深可西门庆之心,小说不止一次写到西门庆爱其体白软绵,而枕上风月有她的独到处;其次,她压倒众妾地富有,转来之财使西门庆家顿时改观,西门庆接连翻房造室,打开门面各处开店等等,很大程度上系赖瓶儿之力;尤其重要的是,她为西门庆生了个传宗接代的宝贝儿子,官哥刚落地,西门庆即平白得官职,于是更相信“李大姐养的这孩儿甚是脚硬”(第三十回),是他家发迹显赫的福星。
由于这一切,李瓶儿在西门庆众妻妾中,很快地上升到独宠的地位,这就使潘金莲恨得必须除之而后快。
金、瓶、梅三妇,金瓶之争是小说浓墨重彩铺写的主要内容,其间处处以瓶儿与金莲对照:金莲恶毒尖刻,瓶儿谦让大度;金莲工于心计,瓶儿拙于争斗。虽然在西门之宅,金莲失道寡助,讲金莲好的人微乎其微,而瓶儿赢得了宅上宅下一片夸赞声,甚至连金莲的生身母亲也极口褒瓶贬金。但由于瓶儿有着性格软弱的根本弱点,在步步进逼的金莲面前,一味委曲求全、忍让退缩,即使在床笫间也不敢向西门庆提一声,反一次又一次地撺掇汉子往金莲房中去睡,因此,她也未能保住自己的儿子,自己引发了血崩之症,终于身亡。亡时年仅27岁(第六十二回)。
美艳少女庞春梅,命如纸薄,心比天高,天生一副傲骨头。她是潘金莲的贴身丫环,两人狼狈为奸,把西门庆大宅搅得鸡飞狗跳,淫乱无度。在《金瓶梅》中,庞春梅是一个颇有意味的人物。她的地位,在前八十五回中只不过是西门庆宅中的一个丫头,但她不时任性的脾气却使得潘金莲也要让她三分,西门庆依她话儿办事,且竟敢与孙雪娥对抗,教吴月娘拿她无可奈何。在后十五回中,她成了主子,而且是一个令吴月娘自惭的显赫大奶奶。但她在表现善心宽容大度的同时,又陷入到一种自贵的不规矩的欲望之中。庞春梅也许正是如此这般没规矩,才能在西门庆家脱颖而出,才在周守备家为所欲为,但是,也就违背了当时的“天理”,走上自我毁灭之路。高傲、艳情、负义、贪欲、残忍的春梅,淫乱无度,欲火高烧,最后淫死于19岁的小伙子身上。
北宋政和二年,黄河下游,河水溢岸,奔腾咆哮,河东平原大闹水灾,饿殍遍野,人相食人。当时只有15岁的庞春梅,本是庞员外的四侄女,因为命苦,周岁死娘,3岁死爹,全靠叔叔庞员外从洪水中抢出来,然而好人命苦,庞员外却被洪水淹没了。幸好庞四姐命不该绝,遇上好人被救出沧州地界,过南皮,上运河,到临清,进入清河县城,由薛嫂领入卖银十六两给西门庆家。原为吴月娘房丫环,后转入潘金莲房中。
春梅“性聪慧、喜谑浪、善应付”,兼具姿色,16岁那年就被西门庆收用。之后与潘金莲沆瀣一气,连裆结帮,霸道一方,人都怕她。在小说中此妇形象与潘金莲有许多相似之处。例如,她美丽、聪明、逞强、泼辣,又好淫乐贪汉,但似乎比金莲更高傲骄横。她虽出身奴婢,但因得宠于西门庆,因此把一般人既如孙雪娥这样的“主子”也根本不放在眼里,敢于嚷骂冒犯,引得西门庆把雪娥好打一顿(第十一回)。毁骂申二姐(第七十五回)。别人做不出,她做得出。而平白唆打与她处于相同地位的秋菊,更是家常便饭(第二十九回等)。即使如如意儿这样的为西门庆所宠之妇,她也敢寻事端(如借槌衣棒等)调动金莲,叫她服软(第七十二回)。小说借潘金莲之口说出她在西门庆家的地位:哪止“收用过二字儿?死鬼把她当心肝肺肠儿一般看待!说一句听十句,要一奉十,正经成房立纪老婆且打靠后,她要打哪个小厮小棍儿,她爹不敢打五棍儿”(第八十五回)。潘金莲明白:有时甚至在自己(金莲)面前,她也心气自高,无半点软媚之意。因此,要在西门庆家中压倒众妇,霸拦汉子,或与女婿偷情等,离开了她就不能成其事。于是两人沆瀣一气,狼狈为奸。
潘金莲主动腾空让西门庆“收用”了她,自己却避去一边(第十回)。以后凡遇西门庆与她行房,就主动多了,并不敢有半点醋意。同时,金莲被她(春梅)撞着与陈经济弄奸,就当面让女婿陈经济奸耍了她,从此三人暗约偷情,什么事做不出来?(第八十二回)终于,陈经济在两个人肚子中都弄出了个私生子。金莲打胎而败露,春梅则将肚子带去了周守备府,并就此而登上了周府“正室”之位(第八十五、九十四回)。自从她被卖离西门庆之宅,到周守备府中,构成了小说后半部的中心人物,一些故事情节由之发展:她收拾潘金莲尸首、哭祭金莲、为金莲做结(第八十八、八十九回);她荣归旧家池院,与西门庆宅迅速衰败景光辉相照应(第九十六回);她激打孙雪娥、卖雪娥为娼(第九十四回);她找回陈经济,暗续旧情,因此断送了陈经济性命(第九十九回);她贪淫不已,最后生出“骨蒸痨病症”,断气于19岁的姘夫小周义身上,亡年仅29岁(第一百回)。
[图文]揭秘西门庆七个妻妾们的可悲下场_西门庆
篇三 : 沢田纲吉不为人知的50个秘密
1沢田纲吉小时候的梦想是变成巨大的机器人拯救世界
2沢田纲吉对Giotto这个不知道曾了多少辈的爷爷怀着激动并且憧憬的心情去看待,并且希望自己也能像这个爷爷一样
3沢田纲吉对京子其实是一种崇拜的感情,不是喜欢,只有他自己知道自己喜欢的是谁。
4沢田纲吉对狱寺隼人很没辙,但是有一个这样要好的朋友对自己来说不算什么坏事,并且希望隼人能像G一样陪在自己的身边。
5沢田纲吉其实早就想叫隼人了,因为他觉得只有这样才能体现出很强烈的羁绊,但是由于过于害羞的性格还是放弃了。
6沢田纲吉对云雀恭弥这个男人总有一种说不清的感觉,云雀其实很会照顾人的,私下里给了自己很多建议,当面只是嘴硬而已,但自己对嘴硬的人最没辙。
7沢田纲吉很感谢里包恩,因为有里包恩的出现才让自己有了朋友,有了守护朋友的力量,并且希望里包恩永远待在自己的身边。
8其实在未来篇结束时回家第一件事就是抱住自己的妈妈,但是,被蓝波和一平抢了。
9他自己到现在也不明白,自己的家族和一世的家族为什么那么相像。(其实我也没明白。)
10沢田纲吉觉得自己的匣兵器纳兹很可爱,如果能实体化的话很希望带在身边,纳兹比隼人的瓜可爱听话的多了。
11沢田纲吉并不讨厌六道骸,并且对他和对云雀前辈有着一样的感觉,待在六道骸的身边很舒服。
12沢田纲吉其实是一个天真的过分的孩子,他到现在还不相信自己就是黑手党的boss.
13沢田纲吉对沢田言纲很奇怪,不知道自己为什么会变成那个样子,就算有了力量但是他自己也不希望自己是个面瘫,因为这样就和云雀前辈一样了。
14沢田纲吉也不明白为什么和他有关系的东西上面都有27两个字
15库洛姆对于他来说是个很可爱的女孩子,不过知道现在他还是很介意那个吻,如果库洛姆是六道骸的话不是骸吻了自己?!
16其实自己的床底下藏了很多考了0蛋的卷子,虽然有很多都被里包恩翻出来了。
17说不埋怨自己爸爸那是假的,把妈妈一个人丢下,但最后还是理解了他。
18沢田纲吉对小时候还是有那么一点记忆的,知道有一个哥哥在自己被坏孩子欺负的时候救了自己(云雀??)
19沢田纲吉看人的感觉非常准,只要认定你不是坏人,你就不是,虽然你能咬杀他。
20沢田纲吉虽然恨白兰,但是在彩虹之子战斗的时候就原谅了他,并且把后背留给曾经伤害过自己的人。
21明明有警告过自家的那群自然灾害们不要再破坏了,但每次都把他的话当成耳旁风。
22沢田纲吉知道自己是废柴,但是绝对不允许别人伤害他的朋友和家人,不然废柴也是会发威的
23沢田纲吉对于黑手党这一事件在战斗结束后接受了
24沢田纲吉不知道为什么碧洋琪能做出那么难吃的料理,简直就是黑暗料理嘛
25沢田纲吉不懂为什么自己的更衣室和大家不再一起,自从上次洗完澡光着身子出来后
26沢田纲吉对自己终于会骑摩托车这件事很高兴,回家后特地给妈妈说了,妈妈也很高兴并且提了和小春一样的要求
27对于骸经常跑到自己梦里来感觉很闹心,在加上个Giotto就更闹心了,真希望两个人别打扰他睡觉
28骸经常在他的梦里和Giotto大打出手,原因就是因为骸觉得Giotto老是把自己当小孩,Giotto则是因为打扰了自己和孙子交流感情
29沢田纲吉曾经想把头发染成金色,但是被里包恩制止了,还被大家揉了头发说棕发的自己很可爱什么的
30不止一次被人当成兔子,不止一次被人当成女生,沢田纲吉表示自己受够了。
31自从这些家伙从妈妈那里找到了自己小时候的照片,然后全部被他们带走了,甚至不惜用打架来抢。
32骸自从看了小时候自己的女装照时,目标冲原来的得到身体又加了一个,为他穿上女装
33Giotto其实是一个表里不一的男人,别看他表面挺稳重的,其实私底下是个大男孩的性格
34Giotto居然能和骸像小孩子一样的吵架,这让沢田纲吉非常理解不能
35沢田纲吉很想把这两个人从自己的梦境里赶出去,但是自从骸捏着自己的下巴想要亲上来的那一刻起,就不敢了
36沢田纲吉认为尤尼和库洛姆的属性是相同的,两个人总有那么相像的地方
37其实沢田纲吉私底下吐槽了很多字y和尤尼在一起,他死活都想不通尤尼为什么能看上大叔
38里包恩说过沢田纲吉其实是废萌形的总受,但是他自己死活不承认自己是受,被云雀教训了一顿以后老实了
39沢田纲吉翘班过很多次,但每一次都是被大家抓回来关小黑屋
40沢田纲吉的**被小春看过,在自己洗澡的时候小春不小心闯进来了,出来的时候一堆人盯着自己
41沢田纲吉对自己在十年间跨越性的进步有点吃惊,自己这个废材什么时候这么伟大了
42沢田纲吉绝对不会承认自己对十年后的自己有种期待的感觉
43沢田纲吉觉得十年后的六道骸比十年前的六道骸帅很多
44他怎么也不清楚自己在看到正一和白兰站在一起的时候就会有一种赞同的感觉,认为他俩就应该这样
45沢田纲吉每天晚上批文件累了趴在桌子上睡着了,但是第二天却在床上睁开眼
46其实沢田纲吉每晚批完文件都有专人抱回房间,而且还是经过抽签排顺序决定的
47沢田纲吉其实想让Giotto出来帮他批文件,但是每次找他的时候他都不在,不需要他的时候就出现了
48沢田纲吉虽然每次说着不介意,但是在他的守护者身边一出现不明身份的女人时还是会有一种不爽的感觉
49沢田纲吉其实非常想知道里包恩长大是什么样子,其实长大版的里包恩出现过,但是都被他废萌的性格忽略过去
50以上纯属yy,如有雷同纯属巧合。
篇四 : 你不可不知的50个物理知识
物理学通常被看作聪明人的游戏,这也难怪很多学生对它叫苦连天。本书的作者 JoanneBaker是一位物理学博士,她独出心裁,避开繁琐深奥的物理学理论,以一种新颖的方式向大众普及物理学知识。对大多数人而言,若能了解物理学的实质,便已足够,对细枝末节的纠缠实在是没有必要。《庄子》中有“天地有大美而不言”之语,本书则是用短小精悍的小短文“言天地之美”。通过50个小故事,Joanne从最基本的牛顿力学出发,到现代的量子力学和宇宙学,历数了物理学发展历程中的重大发现。颇具特色的是,书中提供了重大发现的时间表,方便读者了解本领域一脉相承的进展。此外,还提供了相关物理学家的简短生平,介绍了他们的教育背景,使读者能近距离地了解科学家们个性的闪光和缺陷。有志于走近科学的人们,应能从中受到启发,坚定自己的信念。
在翻译本书的过程中,译者参考了诸多资料。我深深感到,翻译不是易事,不但要把原文的意思译出,还应尽量保持语言上的韵味,后者尤其困难。本书中很可能会在上述两方面存在不足,请读者阅读时审慎明辨,并批评指正。本书如果能使读者产生一些对物理学的兴趣或者深入钻研的信心,则译者已欣慰至极。
翻译书的过程像是一段短暂而丰富的旅程,中间包含了欣喜、彷徨、激动和期盼。现在本书已经译成,可以稍松一口气。回顾翻译的过程,先要感谢图灵公司的编辑,她们从常规事务办理到书稿审阅,提供了许多细致有用的意见,沟通一直融洽畅通。还要感谢家人提供了安心的环境,感谢诸多同学帮我审阅,提出文字修改意见。
马潇潇2009 年10 月于清华园
第一部分 物质运动
01马赫原理
骑在旋转木马上的孩子可以感受到来自遥远星球的拉力。这种现象可以用马赫原理解释,即“物体的惯性受周围其他物体质量的影响”。通过引力,遥远的天体能够影响我们身边物体的移动和旋转。为什么会这样?你怎么判断某个物体是否在运动呢?
坐过火车的人应该有过这样的体验:透过车窗,看对面火车的车厢离你远去。是你乘坐的火车正在出站还是另一列正在进站?有时候这很难判断。有没有什么办法能帮助我们确定到底是哪列火车开动了呢?
奥地利哲学家和物理学家欧内斯特. 马赫在 19世纪就发现了这个问题。在研究牛顿的著作时,他注意到,牛顿认为空间是绝对的。对此,他本人并不认同。牛顿将空间理解为类似于标记在坐标纸上的坐标,所有的运动都可以映射到坐标纸的网格上。马赫不同意这个观点,他认为:只有相对于另外一个物体(而非坐标纸上的网格)来说,运动才是有意义的。如果不是相对于其他物体,那运动又有什么意义呢?在这一点上,马赫是受牛顿的竞争对手——戈特弗里德.莱布尼兹早期思想影响的。(编者注:关于是牛顿还是莱布尼兹首先发现了微积分,是科学史上一桩著名的公案。)而后,爱因斯坦又继承了马赫的思想,认为只有相对运动才是有意义的。马赫认为:一个皮球,无论是在法国还是奥地利,滚动方式都是一样的,跟空间网格无关。可见,唯一能够影响皮球滚动的就是重力(即引力)。在月球上,皮球滚动的速度可能会有所不同,因为在月球上它的重力要小一些。宇宙中的所有物体相互之间都存在着引力,并且通过这种相互作用感受其他物体的存在。从本质上说,运动不依赖于空间的属性,而依赖于物质或其质量的分布。
质量到底什么是质量?质量是物体所含物质多少的度量。一块金属的质量等于其内部所有原子质量的总和。质量和重量不同。重量是将物体向下拽的重力的度量。宇航员在月球上比在地球上轻,是因为月球比地球小,其对宇航员施加的重力也小。但不论是在月球还是地球,宇航员的质量都是不变的,因为身体内所包含的原子数量并没有变化。爱因斯坦提出,质量和能量是可以相互转化的,质量可以完全变成能量。因此从本质上说,质量就是能量。
惯性惯性源于拉丁词汇“懒惰”。与质量非常类似,它表示通过力的施加使某个物体的运动发生改变的难度。惯性大的物体较难发生运动。即使是在太空中,大型物体发生运动所需的力也是很大的。比如,假设一个在轨道上运行的巨型岩石小行星将与地球相撞,若要改变它的运动方向,必须使用巨大的冲击力——或是通过核爆炸提供一个短暂而巨大的力,或是长时间地施加一个稍小的力。而小型空间飞船,由于惯性比行星小得多,因此通过喷气发动机就可以改变其运动方向。
意大利天文学家伽利略早在 17世纪就提出了惯性定律:如果某一物体处于某种状态,并且不对其施加任何外力,则它的运动状态将保持不变。也就是说,如果该物体处于运动状态,那么它将按照原有的速率和方向继续运动;如果该物体处于静止状态,那么它将继续保持静止。牛顿对该思想进行了提炼,并提出了他的运动第一定律。
牛顿水桶牛顿也研究过重力。他注意到物体是互相吸引的——苹果之所以从树枝落到地面,是因为苹果受到了地球的吸引。同样地,地球也受到了苹果的吸引作用。只是我们可能很难测出地球被苹果吸引后所产生的微小位移。
牛顿证明,重力随距离的增加而迅速减少。所以我们在高空会受到远远小于在地表的重力。虽然在高空所受到的重力变小了,但仍可以感受得到,而且离开地表越远,所感受到的地球引力就越小。实际上,宇宙中的所有物体彼此之间都存在着微小的引力作用,并对我们的运动产生微妙的影响。
牛顿曾尝试通过“旋转水桶试验”来理解物体和运动的关系。在水桶刚开始旋转的时候,里面的水是不动的。逐渐地,水也会随着木桶旋转起来,并且水面会凹陷。这是由于水面外沿想要“爬过”水桶边沿逃出来,却又受到木桶的约束力而无法溢出。牛顿认为,只有在绝对空间里的固定参考系中才能理解水的旋转。其实,我们只要看一下桶中的水就可以知道水桶是否在旋转。这是因为水桶在旋转时,作用在水上的力会形成凹陷的水面。
几个世纪之后,马赫也研究了这个问题。如果这桶水是宇宙中仅有的物体,情况会是怎样呢?如何可知是桶在旋转呢?同样的现象,可否说是水相对于桶在旋转呢?要使讨论有意义,就必须把其他物体放到水桶的系统中,比如房间的墙或者遥远的不变的恒星。有了参考系,就可以判断水桶是否在旋转了。但若是没有静止的房间或者不变的恒星作为参考系,谁又能说清到底是哪个在旋转呢?当抬头仰望天空中沿弧形轨道运行的太阳和恒星时,我们也有类似的体验——到底谁在旋转,是恒星还是地球呢?
欧内斯特.马赫(Ernst Mach) 年
除马赫原理的贡献外,奥地利物理学家欧内斯特. 马赫在光学、声学、感觉 感知生理学、科学哲学,尤其是超音速方面的研究成绩斐然。在他1877年发表的那篇颇具影响力的论文中,马赫描述了高于音速的发射体是如何产生类似于尾流的冲击波的。正是空气中的这种冲击波导致了超音速飞机的音爆*。发射体或喷气式飞机的速度与音速之比现称为马赫数。马赫数为 2,是指其速度两倍于音速。
* 编者注:音爆是指飞机超音速飞行时发出的巨大声响。
根据马赫和莱布尼兹的思想,要使运动有意义,我们就需要外部参考系,在仅有一个物体存在的系统中讨论惯性这个概念是毫无意义的。因此,假如宇宙中没有恒星,我们就永远无法弄清地球是否在旋转。而恒星的存在证实了地球是相对于它们在旋转的。
“马赫原理”中相对运动和绝对运动的观点引起了许多科学家的思考,尤其是爱因斯坦(“马赫原理”的命名者)。爱因斯坦基于“所有运动都是相对的”这一观点,建立了狭义相对论和广义相对论。他还用马赫原理解决了一个重要问题:旋转和加速必定伴随出现额外的力,但这些力在哪里?爱因斯坦指出,如果宇宙中的所有物体都是相对于地球旋转的,那么我们应该可以感受得到一个较小的力。这个力会导致地球以某种方式摇晃。
几千年来,空间的本质问题困扰了无数科学家。现代粒子物理认为,太空是由不断生成和毁灭的亚原子粒子形成的“沸腾的大锅”。质量、惯性、力和运动实际上可能都是“沸腾量子汤”的外在表现而已。
质量与运动的关系密不可分
02牛顿运动定律
牛顿是有史以来最杰出、最具影响力和最具争议的科学家之一。他发明了微积分,阐释了万有引力,并确定了白光的组成。为何高尔夫球会沿着弯曲的路径下落?为何汽车转弯时乘客会感到被挤向一侧?为何可通过球棒感受到打击棒球的力?牛顿的三大运动定律对这些问题作出了解释。
在那个摩托车还未被发明的时代,牛顿的三大运动定律就已经解释了摩托车特技演员为何能够将摩托车骑上垂直于地面的“死亡之墙”上,以及奥林匹克自行车手为何可在倾斜的赛道上竞赛。(编者注:死亡之墙,即vertical wall of death,是一个垂直于地面的巨大圆桶,摩托 车特技演员以垂直于桶壁的角度在圆桶内壁行驶。)
生活在 17世纪的牛顿被认为是一位科学巨匠。他强烈的好奇心驱使他理解了一些看似简单、实则深奥的问题,比如向空中抛出的球会沿怎样的弧线下落,物体为何总是下落而不是上升,以及行星是如何围绕太阳运转的。
17 世纪 60 年代牛顿还只是剑桥大学的一名普通学生,那时的他就已经开始阅读经典的数学著作了。通过阅读,他的兴趣从民法转向了物理学定律。不久,剑桥大学因爆发瘟疫而被迫关闭,于是牛顿就利用在家休假的时间开始了他对三大运动定律的初步研究。
牛顿运动定律
第一定律物体沿直线匀速运动或保持静止,直到有外力改变其速率或方向为止。
第二定律力 产 生 加 速 度, 且 加 速 度 的 大 小 与 物 体 质 量 成 反 比
(F=ma)。
第三定律有作用力就有反作用力,二者大小相等,方向相反。
力按照伽利略的惯性原理,牛顿提出了第一定律。第一定律的基本思想是,在不受力的作用下,物体不会运动或者改变其速率。静止的物体将继续保持静止,除非对其施加力;而运动的物体将以恒定的速率继续运动,直至受到外力作用。力(例如推力)可以产生加速度,从而改变物体的速度。加速度表示一定时间内速度的变化。
这点凭生活经验是难以理解的。我们将冰球扔出后,它将沿着冰面滑行,但最终会因球与冰之间的摩擦而减速。摩擦产生了使冰球减速的力。不过,牛顿第一定律可以看作是没有摩擦的特殊情形。与此最为接近的情形是太空,但即便是在太空中亦存在着万有引力的作用。不管怎么说,第一定律为我们理解力和运动提供了一个标准。
加速度牛顿第二定律涉及力的大小和力所产生的加速度。加速物体所需的力与物体的质量成正比。较重(或惯性较大)的物体加速时所需的力大于较轻的物体。所以,要将静止的小汽车在1 分钟内加速到 100千米每小时,所需的力等于车的质量乘以单位时间内速度的增加量。牛顿第二定律的代数表达形式为“F=ma”,即力(F)等于质量(m)乘以加速度(a)。对该公式变形,则得到牛顿第二定律的另一种形式,即加速度等于单位质量上所受到的力。加速度不变,单位质量上所受到的力就不变。所以要让1千克的物体加速,则不管它是大物体还是小物体的一部分,所需力的大小是相等的。这就解释了伽利略在假想实验中所提出的问题:铁球和羽毛同时降落谁先落地?乍一看,我们会认为铁球会比漂浮的羽毛先落地,但这其实是由于空气的阻力令羽毛飘起来的缘故。如果没有空气,二者将以相同的速率下降,并同时到达地面。因为二者具有相同的加速度,即重力加速度,所以下落是同步的。
1971 年,阿波罗 15 号的宇航员们在月球上(没有大气阻力)所做的实 验表明:羽毛与地质锤是以相同的速率下降的。
作用力等于反作用力牛顿第三定律说的是任何施加到物体上的力都会受到该物体发出的一个与其大小相等、方向相反的力的作用,即每个力都有一个反作用力。有时这个反作用力表现为后坐力。如果一位溜冰者推另一位一下,那么同时自己也会向后退。枪手在射击时可感觉到枪对其肩膀的后坐力。后坐力与最初的推力或者施加到子弹上的力大小相等。在警匪片里,被射中的受害者常常被子弹的力向后推。这其实是一种误导,如果子弹的力果真如此之大,那么射击者也会在枪的后坐力作用下倒退一步。即便是我们从高处跳到地面上,也向地球施加了一个很小的、向下的力。只因地球的质量太大,所以影响几乎看不出来。
利用这三大运动定律(以及万有引力定律),牛顿就能够解决所有物体的运动问题,无论是落下的橡子还是打出的炮弹。有了这三个方程,牛顿就能信心十足地驾驶摩托车,加速驶上死亡之墙(要是那时也有这东西的话)。对于牛顿定律,你有多少信心呢?第一定律假设摩托车驾驶者想以恒定的速度在某个方向上保持行进。但是,如果要让自行车做圆周运动,那么根据第二定律,就需要一个约束力不断地调整自行车的方向。在本例中,这个力就是轨道通过车轮对自行车施加的力。所需的力等于自行车与驾驶者的质量之和与加速度的乘积。然后,第三定律解释了在其反作用力形成后,自行车对轨道所施加的压力。正是这个压力使得自行车特技演员能够“粘”在倾斜的墙面上。而且,如果车速足够快,墙面甚至可以是垂直的。
时至今日,要描述驾车快速通过或者撞击弯道(只是假设而已)时所涉及的力,牛顿定律也已经足够了。但是,牛顿定律不能解决接近光速的物体和极小物体的运动。这些极端情形需借助于爱因斯坦的相对论和量子力学。
艾萨克.牛顿(Isaac Newton) 年
艾萨克 . 牛顿是英国第一位被授予骑士勋 章的科学家。牛顿在学校比较“懒散”、“漫不经心”,在剑桥大学也算不上出色的学生,但 在1665 年剑桥大学因瘟疫而关闭之后,却突然活跃起来。他回到了家乡林肯郡,全身心投入到数学、物理学和天文学的研究中,最后成为微积分的奠基人之一。在家乡,他形成了三大运动定律的初步想法,并推出了万有引力的平方反比定律。因为这些出色想法的迸发,年 仅 27 岁 的 牛 顿 于 1669 年 当 选卢 卡 斯数 学 教 授(Lucasian Chair of Mathematics)。将精力转向光学之后,他通过三棱镜发现白光是由七彩光混合而成的,并在此问题上与罗伯特 . 胡克 和克里斯蒂安 .惠更斯发生过著名的争论。
牛 顿 有 两 部 主 要 著 作,《自 然 哲 学 的 数 学 原 理 》(Philosophiae NaturalisPrincipia Mathematica, 亦作 Principia)和《光学》(Opticks)。在职业生涯的后期,牛顿在政治上比较活跃。当国王 詹姆斯二世想要干涉大学人事任免之时,他捍 卫 了 学 术 自 由,并 于 1689 年 进入 议 会。但 与 牛顿上述性格相反的是,他一方面渴求关注, 另 一 方 面 性 格 又 比 较 内 向,竭 力 避 免 受 到 批评,而且利用自己的权位残酷打压学术上的竞 争对手。直到牛顿去世,他仍备受争议。
03开普勒定律
约翰尼斯.开普勒喜欢探索事物的规律。通过观察和分析在天空投影的火星环形轨道的天文表,开普勒发现了行星运动的三大定律。他描述了行星如何在椭圆形轨道上运行,以及为何轨道远端的行星绕太阳运行的速度较慢。开普勒的这三大定律不仅使天文学焕然一新,还为牛顿的重力定律奠定了基础。
离太阳近的行星绕太阳运行的速度更快。水星需 80个地球日就能绕太阳一周,而若木星 同的速度运行,就需要 3.5个地球年,而实需要 12 年。由于所有行星之间都有擦肩而机会,所以若从地球上观察,则每当地球超 们 的 时候,便 会 给 人 以这 样的 假象——被超越的行星在倒退。在开普勒的那个时代,这种”运动令人非常困惑。开普勒本人也正是通过解决此问题,才得以深入理解并提出行星运动的三大定律。
多面体形式德国数学家约翰尼斯.开普勒喜欢探索事物的规律。 他生活在 16 世纪末至 17世纪初期。在那段时期,占星术被视为邪术,同时天文学作为一门物理科学尚处于襁褓时期,而在揭示自然界的规律方面,宗教信仰同观察一样重要。开普勒是一位神秘主义者,他相信宇宙的组成结构出自于完美的几何形状。因而穷其一生致力于探索和想象隐藏在自然界中的完美的多面体图案。
在开普勒开展研究之前的一个世纪,一位波兰的天文学家尼克劳斯.哥白尼这样提出:太阳位于宇宙的中心,地球围绕太阳旋转,而不是相反。而在此之前,希腊哲学家托勒密的思想早已深入人心,即太阳和其他恒星皆绕地球旋转。哥白尼不敢公开发表他的激进观点,担心触犯教廷的戒律,因此直到去世前才请同事帮助自己发表。但他提出地球并不是宇宙的中心,着实产生了轰动。因为这暗示了人类并不是人类中心论的上帝所最钟爱的、宇宙中最重要的生灵。
开普勒虽然认同哥白尼的日心说观点,但仍坚持行星绕太阳运行的轨道是圆形的。他设想了一种体系,在该体系中,行星的轨道位于一系列嵌套式球体上。根据容纳这些球体所需三维图形的大小可得出一个数学比例,而它们就是按这个比例分开的。由此他想象出一系列边数逐渐增加,并适于这些球体的正多面体。这种自然规律遵循简单几何比想法源自古希腊人。
行星一词来自于希腊语中的“流浪者”。太阳系中的其他行星要遥远的恒星离地球近得多,因而它们看似在天空中游荡一般。日一日,这些行星在众多恒星之间选择了一条轨迹,但是它们的轨常常会逆转,并形成一个小逆行圈。这种“倒退”运动被视为不
。在托勒密的行星运行模型中,行星的这种行为是无法理此天文学家在行星的轨道上加上了“均轮”或额外环对这进行模拟。但实际上“均轮”的效果并不太好,相比于以地球为第谷的精心之作。在众多数据中,开普勒发现了的行星运动三大定律的苗头。
开普勒通过解释火星的“倒退”运动实现了 究上的突破。他认识到,如果行星和太阳所运的轨道是椭圆形的,而非之前所想象的圆形,么逆行圈就得以解释了。颇具讽刺意味的是, 就说 明 大 自 然并 未 采 取 完美 的 几 何形状。当时,开普勒对于自己成功地解释了行星轨道一定高兴至极,不过,他的纯粹几何思想体系同时被证明是错误的,这也一定令他备感意外。
轨道在第一定律中,开普勒提到:行星是沿椭圆形轨道围绕太阳 运动,而太阳位于椭圆的两个焦点之一。
开 普 勒 第二 定 律 描 述了 行 星 沿 轨道 运 行 的速A度。当行星沿轨道运行时,其在相同时间内扫过的太阳面积是相等的。此面积可通过太阳和行星两个位置D(AB 或 CD) 之 间 的连 线确 定, 看起 来 像 一 块饼。由于运行轨道是椭圆形的,所以当行星靠近太阳时,C需绕行较长的路径来扫过相同的面积。因此行星的行星B运行速度在离太阳较近时比较快。开普勒第二定律
将行星的速度与行星和太阳之间的距离联系了起来。不过当时他并未意识到,行星的这种行为本质上是由于靠近太阳时所受到的引力加速度较大,导致速度加快。
开普勒第三定律进一步说明,行星与太阳距离的不同造成了各种椭圆形轨道大小的差别,而轨道大小与轨道周期之间存在着一定的比例关系。第三定律认为:轨道周期的平方与椭圆形轨道长轴的立方成正比。
椭圆轨道越大,轨道周期就越长,行星运行一周的时间也就越长。假定一颗行星离太阳的距离是地球的 2 倍,那么它运行一周所需的时间就是地球的 8 倍。因此离太阳较远的行星运行速度较慢。火星绕太阳一圈大约需 2 个地球年,土星需 29 年,而海王星则需 165年。
通过三大定律,开普勒阐述了太阳系中所有的行星轨道。三大定律适用于任何天体绕另一天体的运行——从太阳系中的彗星、小行星和月球到其他恒星系的行星,甚至绕地球快速运行的人造卫星。开普勒虽然成功地将这些原理统一成几何定律,却并不知晓这些定律为何成立,他认为这些定律源于大自然的基本几何图案。牛顿将这些定律全部统一为万有引力理论。
约翰尼斯.开普勒(Johannes Kepler) 年
约翰尼斯 . 开普勒从小就喜欢天文学。还不 到 10 岁的 时 候, 他 就在 日 记 中 记录 下 了 彗 星和 月 食。 在格拉 茨 教 书 时,开 普 勒 提 出了宇宙学理论,并将其发表于《宇宙的奥秘》(MysteriumCosmographicum)上。后来,他来 到位于布拉格之外的天文台协助第谷(TychoBrahe)开展工作,并于 1601 年接替了第谷的皇家数学家一职。在那里,开普勒为君主编订了星座,分析了第谷的天文表,并在《新天文学》(Astronomia Nova)上发 表 了 他 的非 圆 形 轨道理论以及行星的第一运动定律和第二运动定律。1620年,他的母亲因用草药替人治病,被当作女巫抓进监狱,后通过开普勒的努力才 得以释放。但此事并未影响他的工作,他最终在《世界的和谐》(Harmonices Mundi)上发表 了行星的第三运动定律。
开普勒定律
中心的宇宙来说,哥白尼提出的以太阳为中心的宇宙所需的周转圆较 少,但仍不能对一些微小的细节作出解释。
为建立行星轨道的模型来支持其几何观点, 普勒采用了当时所能获得的最精确的数据——述行星在天空中运动的复杂表格,这些数据是
第一定律行星沿椭圆形轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆的一个焦点上。
第二定 律行星围绕太阳运行时,在相同的时间内扫过的面积相等。
第三定律 轨道周期与椭圆的大小存在比例关系,轨道周期的平方与椭圆半长轴长度的立方成正比。
04牛顿万有引力定律
艾萨克.牛顿将炮弹的运动、水果从树上的掉落,乃至行星的运动全部联系到一起,实现了天和地的统一,这无疑是巨大的飞跃。他的万有引力定律可以解释世界上的许多物理现象,至今仍是物理学界最具影响力的思想之一。牛顿认为:所有物体彼此都是通过万有引力相互吸引的,并且引力的大小与距离的平方成反比。
据说牛顿是由于看到苹果落地才悟出万有引力定律的。不论该说法是真是假,牛顿确是将想象力从地面物体的运动进一步拓展到天体的运动,从而发现了万有引力定律。
牛顿认为所有物体都是受到某种加速力的作用才会被地面吸引。如果苹果从树上掉落是这种情况,那么树高一些,情况又会如何呢?如果树一直长到月球,又会怎样?为何月球不会像苹果那样落到地面上来呢?
所有物体都下落牛顿的答案植根于他提出的将力、质量和加速度联系在一起的运动定律中。从炮筒中射出的炮弹要在落地之前飞行一段距离。如果炮弹的速度再快些,情况会如何呢?自然,炮弹飞行的距离会更远。若炮弹的飞行速度足够快,以至于飞行足够远之后,地平面在炮弹下开始弯曲,并与其保持一定的距离,如此,炮弹将落在何处呢?牛顿意识到炮弹将被拉向地球,并将在圆形轨道上运行。正如卫星一直受到地球的吸引力而围绕地球旋转,不会落到地面上一样。
当奥林匹克链球运动员做旋转运动的时候,维持铁饼旋转的力是铁链上的拉力。如果没有该拉力,铁饼将沿直线飞出,就如同运动员松手将其释放的那一瞬间牛顿的炮弹理论跟铁饼理论道理相同,如果没有一个将炮弹拉回地球的向心力,炮弹将飞入宇宙空间。于是,牛顿进一步得出:月球之所以高悬于天空也是因为受到了看不见的万有引力的作用。如果没有万有引力, 月球也将飞入宇宙空间。
平方反比定律牛顿继续尝试对他的假设进行定量研究。在与罗伯特.胡克几次通信之后,牛顿提出万有引力遵从平方反比定律,即引力的大小跟物体之间距离的平方成反比。因此,如果你距离物体是之前的两倍,那么万有引力将变为之前的四分之一;同样地,如果某颗行星与太阳的距离是地球与太阳的距离的两倍,那么受到太阳的引力将是地球所受引力大小的四分之一,如果距离是三倍,那么引力就是九分之一。
牛顿的万有引力平方反比定律仅用一个方程就可解释开普勒的行星运动三大定律所描述的行星轨道。牛顿定律预测了当行星在轨道上运行时,离太阳越近,运动速度越快。行星距太阳近,受到的万有引力就大,从而使运行速度加快。而速度加快后,行星就会再次远离太阳,于是速度又逐渐变慢。平方成反比因此,牛顿是把之前开普勒的工作融合起来,得出一个深邃的理论。
普遍规律牛顿随后又大胆推广,提出了适用于宇宙任何物体的万有引力理论。任何物体所施加的引力都与其质量成正比,且该引力与距离的平方成反比。因此,任何两物体之间均存在着引力。但由于万有引力是一种很弱的相互作用,我们只能在非常大的物体之间才能观察得到,例如太阳、地球和行星。
如果进一步观察,就可以发现地球表面的局部重力存在着大小上的细微差异。不同的大山和岩石密度不同,它们附近的重力大小也会有变化。因此,通过重力计就可了解地形、地表的结构。考古学家有时也通过微小的重力变化定位被掩埋的地下建筑。最近,科学家们已经利用航天卫星测量重力,来记录地球两极的冰覆盖量(消融速度),以及探讨大地震后地壳的变化。
回 到 17 世纪,牛 顿 将 其 关于 万 有 引 力的 所 有 思 想都 融 合 于 一本 书 中, 即《 自然 哲 学 的数学 原 理 》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica,亦作Principia)。该书于 1687 年出版,至今仍被视作科学史上的一个里程碑。牛顿的万有引力定律不仅解释了行星和月球的运动,还解释了发射体、钟摆和苹果等的运动。此外他还解释了彗星的轨迹,潮汐的形成以及地轴的摆动等诸多现象。牛顿在万有引力定律方面的贡献使他成为有史以来最伟大的科学家之一。
牛顿的万有引力定律虽已历经数百年,至今仍是描述物体 运动的基本定律之一。但科学不会停滞不前,20 世纪的科学家们以此为基础不断将科学推向前进,尤其是爱因斯坦建立了广义相对论。但万有引力对于我们可见的大部分物体都还适用,太阳系中距离太阳很远的行星、彗星和小行星的行为来说,虽然其万有引力较弱,但仍然也是适用的。牛顿的万有引力定律的确有效,用它甚至可以预测出海王星(于 1846年在比天王星更远的预测轨道上发现)的位置,但是它却无法解释水星的轨道。这时一种不同的新理论应运而生了。为解决万有引力很大的情形,例如靠近太阳、恒星和黑洞的情况,爱因斯坦提出了广义相对论。
海王星的发现
因为万有引力定律,海王星才得以发现。 在 19 世纪初期,天文学家们注意到天王星并不是沿着一个简单的轨道运行的,好像受到了其他天体的影响。基于牛顿定律,相继出现了 多种假设。直到 1846年,这颗新行星才在预定位置被发现。为纪念海神,该星被命名为海王星。英法两国的天文学家就谁先发现海王星一事意见相左,但一般认为海王星的发现者是亚当 斯(CouchAdams)和勒威耶(Urbain Le Verrier)。质量是地球 17 倍的海王星是一个“气态的庞然大物”,它的大气层是由高密度的氢气、氦气、氨气和甲烷构成的,而中心是一 个固体核。海王星上蓝色的云则是由于存在甲 烷的 缘故。海 王 星上 的 风 在 太阳 系 中 是 最强 的,风速可达 2500 千米每小时。
牛顿在《自然哲学的数学原理》中描述 了地球上的海洋潮汐是如何形成的。潮汐形成的 原 因 在 于:月球 对 离 其 较近 半 球和 较远 半 球上的海洋的引力大小不同(而这种引力的差别对坚固的地球是没有什么影响的)。这种两个半球上引力大小的不同导致了海洋分别有凸 向和远离月球的倾向,从而形成每12 小时的涨落更替现象,即潮汐。虽然太阳的质量比月球大,对地球的引力也比月球大,但月球离地球更近,所以对潮汐产生的影响也就更大。另外从平方反比定律中也可看出,离地球较近的月球对地球的引力梯度(两半球所受万有引力 的大小差异)比离地球较远的太阳要来得大得多。出现满月或新月时,地球、太阳和月球会 位 于一条 直 线 上,此 时的 潮 汐 特 别高,又 称 “大潮”;而当三者呈 90 度直角时,形成的潮汐较弱,又称“小潮”。
质量的吸引
05能量守恒
能量是使物体运动或发生变化的推动力。它有多种表现形式,例如高度或速度的变化、电磁波的传播,以及产生热量的原子振动等。虽然能量可以在各种形式之间互相转化,但其总量却永远是守恒的。能量既不能被创造,也不能被消灭。
说起能量,我们都知道它是最基本的推动力。我们累了,就是缺少能量;我们欢呼雀跃,就是能量充沛。什么是能量呢?为我们身体充电的能量来自于化学物质的燃烧。在燃烧过程中,分子从一种形式变为另一种形式,并将能量释放出来。但是使滑雪者沿斜坡加速或者点亮灯泡的都是什么类型的能量呢?它们真的都是能量吗?
由于能量具有如此之多的表现形式,很难为其下一个定义。时至今日,物理学家们仍不知能量的本质是什么,尽管他们能很好地描述能量,并通晓如何利用能量。能量是物质和空间的属性之一,是一种燃料或者封装的驱动力,可以被创造,发生变化以及使物体运动。自然哲学家们对能量的模糊认识,可以追溯到古希腊,他们认为:能量是赋予物体生命力的力量或者精华之所在。此种观念多年来一直伴随着人们。
类似地,势能和动能之间的相互转化也可用于给我们的房屋供电。水电站和潮汐大坝将水从一定高度释放,利用其速度驱动涡轮机发电。
能量的各种形式某一时刻能量可以有各种不同的表现形式。压 缩的弹簧中具有弹性势能,可在需要时释放出来。热能加速了热材料中原子和分子的振动。灶具上的金 属盘之所以温度升高,就是因为能 量的输入导致其内部的原子振动速度加快了。能量也可通过光波和无线电波等电磁波进行传播。存储的 化 学 能可 通 过 化 学反 应 释 放 出来,
爱因斯坦提出,质量本身就是能量,且能量可在物质被破坏时释放 出来。因此质量和能量是等价的。这就是著名的质能方程 E=mc2,其中质量(m)被破坏时释放出的能量(E)等于 m乘以光速(c)的平方。在核爆炸或者太阳内部发生的聚变反应中就有这种能量的释放。质能方程中的光速平方项是个很大的数字(光在真空中的速度为每秒 3&108 米),因此即便只是破坏区区几个原子,其所释放出的能量也是巨大的。
我们在家中消耗能量,也在利用能量发展工业。虽然经常谈及能量的产生,但事实上,能量只不过是从一种形式转化成为另一种形式。我们从煤或天然气中获取化学能,将其转化为热,来驱动涡轮机发电。说到底,煤和天然气中的能量来源于太阳,因此太阳能是地球万物赖以生存和发展的基础。尽管地球上有限的能源令人堪忧,然而只要能够对太阳能加以利用,那么太阳提供的能量远远大于人类的需求。
能量守恒作为一条物理定律,能量守恒不仅仅包含减少家庭内部的能源消耗问题。能量守恒定律说的是能量可在不同的形式之间转化,而保持总量不变。这个概念是伴随着最近对各种类型能量进行的独立研究才出现的。在 19 世纪初期,托马斯.杨(ThomasYoung)引进了能量一词,而在此之前,这种生命力被莱布尼兹称为活力。莱布尼兹最先 对钟摆的数学模型进行了研究。
很快人们就发现,动能自身是不守恒的。球和飞轮经过一段时间之后,速度都会逐渐变小,直到停止。但是快速运动确实导致摩擦生热(如在金属炮管上钻磨时),因此实验者推断释放出的能量的最终归宿是热。随着时间的推移,在制造机器的过程中各种不同形式的能量都被考虑进来,科学家提出,能量只能从一种形式变为另一种形式,而不会消失或创造。
角动量守恒与上述类似。对围绕一点旋转的物体来说,角动量定义为物体的线动量乘以物体与旋转点之间的距离。滑冰者完成旋转动作时就要用到角动量守恒,当他们把四肢伸出时,转速就会减慢;而将四肢贴紧身体时,转速就会加快。这是由于尺度变小了,若仍保持角动量守恒,就要加快转速进行补偿。你可以在办公室的椅子上试一试,道理是一样的。动量物理学里的守恒不仅仅限于能量。有两个概念在彼此之间是紧密关联的——线动量的守恒和角动量的守恒。线动量定义为质量和速度的乘积,它描述了使某一运动物体减速的困难程度。物体越重,运动速度越快,动量就越大,改变其运动方向或使其减速就越困难。因此,一辆车速为 60千米每小时的卡车要比相同车速的轿车的动量大得多,如果撞上你的话,造成的危害也就更加严重。动量不仅有大小,而且由于速度的关系,它还有方向。物体在相互碰撞交换动量之后,动量的总量(大小和方向)将保持不变。读者玩台球的时候就会用到这条定律。两球相撞时,互相交换运动,并保持动量守恒。如果你用一个运动的球去碰撞另一个静止的球,那么两球最后的路径将是最初运动的那个球的速度和方向的加和。通过假定动量在各个方向上均守恒,就能够算出两球速度的大小和方向。
能量守恒和动量守恒仍然是现代物理学的基本原理。即便是当代的物理学研究领域,例如广义相对论和量子力学,也是离不开这些基本概念的。
重 力 势 能(PE)的 公 式 是 PE=mgh,即 重 力 势 能的大小为质量(m)乘以重力加速度(g)乘以高度(h)。该式 等 价 于 力(根 据 牛 顿 第 二 定 律 F=ma)乘 以距离,因此力可以传输能量。
动 能(KE)的 代 数 表 达 式 是 KE=1/2mv2,因 此动能的大小与速度(v)的平方成正比。动能也可认为是平均力与移动的距离两者的乘积。
06简谐运动
许多运动都采取类似钟摆摆动的简谐运动方式。简谐运动与圆周运动相关,可见于振动的原子、电路、水波、光波,甚至是晃动的大桥中。虽然简谐运动可以预测且较为稳定,但即便稍微施加一个微小的外力也能破坏其稳定性,并造成灾难性的后果。
振动是极其普遍的现象。比如我们一屁股坐到弹性很好的床或者椅子上,就会上下反弹好几秒钟的时间。可能还有人弹拨过吉他的琴弦、伸手抓过摆动的灯或听过电子扬声器的回声等,这些都是振动的不同形式。
简谐运动描述了离开初始位置的物体所受到的使其恢复原位的回复力。离开起始点后,物体将来回摆动,直至回到最初的位置为止。发生简谐运动时,回复力总是抵抗物体的运动,且其大小与物体离开初始位置的距离成正比。物体离初始位置越远,所感受到的回复力就越大。物体在向着某个方向运动时,所受到的回复力的方向与运动方向恰好相反。荡秋千的孩童会感到背后受到回复力的作用。这个力最终让秋千停下来,并向着相反的方向摆动。于是物体就会来回振动。
钟摆想象简谐运动的另一种方法是将圆形运动投影到直线上,例如儿童秋千上的椅子在地面上的投影。像钟摆一样,椅子的投影随着椅子的摆动而前后移动,在端点处的速度较慢,而在循位移振幅环的中间位置速度较快。在这两种情况下,钟摆和椅子上均存在重力势能(高度)和动能(速度)的相互转化。
摆锤的摆动属于简谐运动。如果用摆锤离开中心起始点的距离对时间作图,可得到一条正弦波,或可称为频率为摆锤频率的谐波。静止时,摆锤呈垂直悬挂状态。一旦对其施加外力,将其推向一侧,则重力会将其再次拉回中心,并产生一定的速度,形成持续的振动。
地球转动钟摆对地球的自转很敏感。地球的转动导致钟摆的摆动平面慢慢转动。设想在北极上方悬挂一个钟摆,则其将在相对恒星固定的平面上摆动。地球在其下方旋转,因此若从地球上的某点观察钟摆的摆动,它在一天内看似会转过 360 度。而若在赤道上方悬挂这样一个钟摆,由于钟摆随地球旋转,其摆动平面不会发生变化,于是也就没有旋转效应了。在其他任何纬度上,旋转效应是介于北极和赤道上的情形之间。因此,地球在旋转这一事实可通过观察钟摆得到证实。
法国物理学家里昂.傅科(L&on Foucault)公开展示了他所设计的 高 70米的钟摆。该钟摆悬挂于巴黎万神殿的天花板上。当今世界上的许多博物馆都陈列有巨大的傅科摆。为了使傅科摆发生摆动,必须使它的起始摆动非常平稳,不能有扭转。传统的做法是将傅科摆的摆锤栓到一条绳子上,然后用蜡烛去烧绳子,绳子烧断后,摆锤就会被轻轻地放下来了。为能使巨大的钟摆长时间地持续运动,通常用电机对其进行驱动,来抵消空气阻力。
计时虽然早在 10 世纪钟摆就出现了,但直到 17世纪它才广泛用于钟表上。钟摆往复运动一次所需的时间是摆长的函数,摆长越小,振动速度越快。为使计时更加准确,伦敦大本钟是通过在钟摆块上添加硬币(便士)来调节钟摆的摆长。硬币会使摆锤的重心发生变化,这比直接调整摆锤的位置要更加容易和准确一些。
简谐运动并不仅仅限于钟摆,也在自然界中广泛存在。由振动的地方就存在简谐运动。电路中的振荡电流,水粒子的运动,甚至早期宇宙中原子的运动,都属于简谐。
共振如果给物体最初的简谐运动加上一些额外的力,可以描述更加复杂的振动了。可通过电机来提供能量,振动;也可通过吸收一部分能量,减弱振动直至消失。例如,有 规 律地 用 弦 弓 拉动大 提 琴 的琴 弦 可 使 其长 时 间振毡放到钢琴琴弦上则会吸收其上的能量,减缓其振动。适时地提供驱动力(如运弓),可加强主振动。当然,驱动力还可能与振动的节奏不一致。如果两者不同步,系统的振动行为很快就会变得非常奇怪。
振动行为的突然变化决定了美国一架最长的大桥的命运。这就是位 于华盛顿州的塔科玛海峡大桥(Tacoma NarrowsBridge)。作为一座悬索桥,它像一条粗粗的吉他弦跨越了塔科玛海峡。在与其长度和尺度相对应的特定频率之下,该桥很容易发生振动。正像乐器上的弦一样,它在基音时会发生共振,并且在(多种)基音的和声下会产生振荡。工程师们在设计桥梁的时候,通常会将其基音设计得与自然现象的频率(风、行驶中的汽车或水流的频率等)显著不同。但不幸的是,那时的工程师们显然没有充分做好对共振的预防工作。
塔科玛海峡大桥(当地人称为之“舞动的格蒂”)长1 英里(1 英 里 =1.609 千米),由钢筋主梁和混凝土建成。1940年11 月的一天,狂风大作,在桥的共振频率附近引发了扭曲振动,致使桥发生剧烈摇动,最终损毁、倒塌。幸运的是事故中并无人员伤亡,只有一条小狗受了惊吓。有人怕它从车上摔下来,想救它一命,还被它咬了一口。自此之后,工程师们对其他大桥进行了修复,防止发生扭曲。不过直到今天,因为某些不可预见力的存在,一些桥有时仍会发生共振。
受外部能量加强的振动会很快失去控制,而变得没有规律。此时振动会变得混乱无序、不可预测,毫无规律可循。简谐运动是稳定行为的基础,但此种稳定很容易被打破。
美妙的振动
电 流 在 电路 中 来 回 流动 的 时 候 会产 生 振 动,好 比钟 摆 的 摆 动一 样。这 样 的电 路 可 产 生电子 乐。 最 早的 电 子 乐 器是 特 雷 门 琴(Theremin),它能产生奇特的高音和低音,并最先被沙滩男孩(BeachBoys)在歌曲“Good vibrations”(美妙的振动)中采用。特雷门琴包含两个电子天线,演奏时无需触碰乐器,只需将双手靠近乐器挥动即可。演奏者一只手控制音调,另一只手控制音量,每只手都是电路的一部分。特雷门琴是以其发明者俄国物理学家里昂 . 特雷门(L&onTheremin)命名的,他 于 1919 年为俄国政府发明了运动传感器。列 宁在看过他的演示后,印象非常深刻。该传感器于 20 世纪20 年代被引入美国。特雷门琴由 罗 伯特 . 慕 格(Robert Moog) 投 入商 业 化 生产,之后以此为基础开发出了电子合成器,引爆了流行音乐的革命。
07胡克定律
胡克定律最初是通过观察钟表中弹簧的伸缩发现的,该定律描述了材料受力时的变形情况。弹性材料的伸缩与其所受的力成正比。罗伯特.胡克是一位多产的科学家, 对建筑学 和科学 均有贡献,不过奇 怪的是他 为人所知更多的是通过胡克 定 律。而胡克定律本身也正是跨越了诸多学科领域,在工程学、建筑学和材料科学中均有应用。
当你用瑞士手表看时间的时候,就要用到胡克定律了。作为 17 世 纪英国的一位博学的大师,胡克不仅发明了钟表中的平衡弹簧和擒纵机构,而且建成了精神病院,给出了生物学领域细胞的命名。他不但是一位数学家,更是一位实验学家。他组织了伦敦皇家学会的科学演示,发明了多种装置。在研究弹簧的过程中他发现了胡克定律,即弹簧的伸长量与其受到的拉力成正比。因此,用 2倍的拉力拉弹簧,其伸长量将变为之前的 2 倍。
弹性遵守胡克定律的材料称为“弹性”材料。弹性材料在外力消失后会恢复到原来的形状,也就是说,弹性材料的伸缩是可逆的。橡胶带和硬钢丝弹簧就是弹性材料,口香糖则不是。当拉口香糖时,它会伸长;但拉力消失后,口香糖还是保持伸长状态。许多材料在一定的受力范围内都会表现出弹性,但若拉力太大,材料就会裂开或者失效。其他一些太硬或者太柔软的材料,不能称为弹性材料,例如陶瓷或黏土。
根据胡克定律,弹性材料要伸长一定长度所需的力总是一定的,特定的力的大小取决于材料的弹性(弹性模量)。弹性材料伸长所需的力较大。高弹性材料包括坚硬的物质,例如金刚石、碳化硅和钨。低弹性的材料有铝合金和木头。
我们将材料的伸长称为应变。应变的定义是材料因为拉伸而伸长的百分数。(单位面积上)施加的力称为应力。应力和应变的比值称为弹性模量。许多材料,包括钢铁、碳纤维甚至玻璃,都具有恒定不变的弹性模量(针对较小的应变),因而遵守胡克定律。设计建筑时,建筑师和工程师要考虑这些属性,保证在负载较大时,建筑不会伸长或扭曲。
回弹会用到胡克定律的其实不只有工程师。每年成千上万的背包族都会尝试蹦极跳——从固定着弹力绳的平台上跳起来,此时也要用到胡克定律。胡克定律告诉跳跃者弹力绳在受体重作用后伸缩的长度。因为身体的头部是向下朝向峡谷的,所以要在头部撞上峡谷之前弹回。这样,就要求一定要事先计算准确,并采用长度合适的绳子。蹦极跳作为一项运动而出现,显然应归功于最初看到电视画面后受到启发的一些胆大的英国人。电视上的节目中,大洋洲瓦努阿图的土著人为了比赛谁最勇敢,在脚踝上系上葡萄藤,从高处跳下。那些英国人在 1979 年从布里斯托尔的克利夫顿悬索桥跳下潜水。跳水者随后被逮捕,不过他们被释放后还是继续跳水不止,并把这种运动传播到世界各地。现在,蹦极已成为一项商业化的运动项目。
经度旅行者也要靠胡克定律帮助自己定位。测量南北纬度是很容易的——通过测量天空中太阳和恒星的高度就可以计算出来,但是要测出地球的东西经度就困难得多了。17 世纪和 18 世纪初期,水手在海上随时面临着生命危险,就是因为无法定位。于是,英国政府悬赏 2 万英镑 解决经度测量这一技术难题,2万英镑的数目在当时已经是相当可观的了。
因为存在时差的问题,所以从地球的东部到西部,通过比较当前位置的海上时间(例如中午)与另一个已知地点的时间(例如伦敦格林尼治时间),就可以知道经度。因为世界各地的时间都是相对格林尼治天文台来确定的,所以格林尼治所在的经线就被确定为 0 度经线,而当地时间称为格林尼治标准时间。这当然很好,但问题是在大西洋中部怎么能知道格林尼治时间呢?现在如果你要从伦敦飞到纽约,只需带上一只表,把表设置成伦敦时间就行了,但在 18 世纪初期,事情可没这么简单。当时的钟表技术没有现在这么先进,最准确的带有计时器的钟摆,因为船只的晃动,也无法发挥作用。后来伦敦的一位制表商约翰.哈里逊(John Harrison),发明了一种在滑锤上连接弹簧的方法,取代了晃动的钟摆。但在实际的海洋测试中,该方法的效果仍然不好。弹簧计时存在的问题是,弹簧的伸长量会随着温度的变化而变化。如果船只从热带航行到两极的话,这种装置就不行了。
在(有可能致胡克的信中哈里逊想出了一个新的办法。他在钟表上安装了一条双金属带,由两种不同的金属粘合而成。两种金属(如黄铜和钢)在受热时的伸长量不同,使金属带发生弯曲。这样就把温度的变化考虑到钟表设计中去了。哈里逊的新式钟表,被称作精密时计(chronometer),解决了经度 的问题,赢得了现金大奖。
现在,哈里逊的 4 个实验钟表均位于伦敦的格林尼治天文台。前 3 个相当大,由黄铜制成,显示出复杂的弹簧平衡机制。这 3个钟表做得 很漂亮,看起来很不错。赢得现金奖的第 4 个钟表,设计比较紧凑,看起来比怀表略大一些。它虽然不是非常美观,却很准确。在石英电子表出现之前,类似的钟表在海上一直沿用多年。
胡克胡克因为获得了如此之多的成就,被称为伦敦的达芬奇。他是科学革命的关键人物,对包括天文学、生物学,甚至建筑学在内的许多科学领域均有贡献。他与牛顿有过著名的冲突,彼此之间积怨颇深。胡克不接受牛顿提出的光的颜色理论,这让牛顿很不高兴。胡克在万有引力的平方反比定律上的贡献也一直不被牛顿认可。
胡克取得了如此大的科学成就,却鲜为人知。这的确令人有些意外。他一生中没有留下任何一幅肖像。或许胡克定律就是对他本人创造力的最好见证。
罗伯特.胡克(Robert Hooke) 年
罗伯特 . 胡克生于英格兰的怀特岛,父亲 是 一 名 助理 牧 师。 他 在牛 津 的 基 督教 堂 学 习, 是物 理 学 家兼化 学 家 波 义尔 的 助 手。
1660 年, 他发 现 了 胡 克弹 性 定 律, 随后 被 任 命 为皇 家 学 会 会议 的 实 验 馆长。5 年 后他发 表 了《 显微 术 》(Micrographia),通 过 在 显微镜下比较植物细胞和猴子细胞,他提出了 细 胞 一 词。1666年, 胡 克参 与 了 伦 敦大 火 后 的 城市 重 建 工 作,与克 里 斯 托 弗. 雷恩(ChristopherWren)一起,进行了格林威治皇 家天文台以及为纪念伦敦大火而建造的纪念碑 和 伯 利 恒皇 家 医院(Bedlem)的 设 计。胡克于 1703 年在伦敦逝世,葬于伦敦的毕晓普斯 盖 特。 他 的骨 灰 曾 于 19 世 纪 被移至 伦 敦 北 部,现 在 何 处 已无 从 得 知。2006 年 2 月,一本丢失多年的胡克在皇家学会会议上的记录的副本被发现,该副本现存于伦敦皇家学会中。
08理想气体定律
理想气体定律告诉我们气体的压力、体积和温度三者之间是如何联系在一起的。对气体加热,气体会膨胀;而压缩气体,气体体积变小,温度会升高。飞机上的乘客对理想气体定律肯定会更为熟悉,一想到飞机舱外极冷的空气可能就会打颤。登山者也有类似的体验,登山过程中气体的温度和压力会逐渐降低。达尔文甚至可能还抱怨过,因为理想气体定律的缘故,他在安第斯山区宿营时竟然无法煮熟土豆。
使用压力锅的时候,实际上就是在利用理想气体定律做饭了。
压力锅是如何工作的?压力锅是密封的锅,可以阻止做饭时水蒸气的释放。当水沸腾时,不断产生的蒸汽使锅内的压力异常地高。当压力高到一定程度之后,水蒸汽便不再蒸发,而锅内汤的温度就会高于水 的沸点100 摄氏度。这样食物就会熟得更快,并保留了原有的风味。
理想气体定律首先是由法国物理学家埃米尔.克拉伯龙(Emil Clapeyron)于 19世纪提出来的。该定律告诉我们气体的压力、体积和温度三者之间是如何联系在一起的,减小气体的体积或者升高气体的温度会使气体压力增加。想象有一个装满空气的密闭容器。若将容器的体积减半,其内部压力就会加倍;而若将容器的温度提高 到之前的 2倍,压力也会加倍。
克 拉 伯 龙基 于 之 前 的两 个 定 律,推 导出 了 理 想气体定律。这两个定律一个是波义尔提出的,另一个是查尔斯和盖.吕萨克提出的。波义尔指出了压力和体积之间的联系,查尔斯和盖.吕萨克则指出了体积和温度之间的联系。为了把这三个量统一起来,克拉伯龙采用了“摩尔”(mole)的概念。“摩尔”是一定数量的原子或分是 6&1023(6 后面有 23个“0”),称为阿伏伽德罗常数。这么多的原子听起来是一个很庞大的数字,但实际仅是一根铅笔中的石墨所包含的原 子数而已。摩尔的定义是12 克碳中所包含的碳 12 原子的个数。1 摩尔 葡萄柚的体积足以占据整个地球。
理想气体什么是理想气体?简单地说,理想气体就是遵循理想气体定律的气体。组成理想气体的原子或分子相比它们之间的距离非常小,因此碰撞之后,会很容易地分散开。而且,原子或分子之间没有额外的力(例如电荷)使其能相互结合在一起。
“稀有”气体,例如氖、氩和氙都属于单原子(不是单分子)理想气体。对称小分子的气体,例如氢气、氮气和氧气也表现出理想气体的特性。而分子较大的气体,例如丁烷,就不能视为理想气体了。
气体的密度很低,其中的原子或分子可以自由运动,不会发生聚集。理想气体的原子就好比壁球场中成千上万的橡胶球,原子与原子之间,原子与器壁之间均存在相互碰撞。气体本身没有体积,但可以被收集到固定体积的容器中。减小容器的体积将使容器内的分子之间靠得更近,而根据理想气体定律,压力和温度都将上升。
理想气体的压力源自气体中的原子和分子与器壁间的碰撞或者分子、原子相互间的碰撞。根据牛顿第三定律(见第 8 页),反弹回来的粒子会对器壁施加一个反作用力。粒子与器壁之间的碰撞是弹性的,因此反弹回来时粒子不会损失能量或者黏附到器壁上。但是粒子将动量传递给了器壁,产生了压力。动量使容器有膨胀的倾向,而容器本身的强度则不允许其发生膨胀。容器所受到的力存在于各个方向,但是除了在与器壁垂直的方向外,其他任何方向上的力都是互相抵消的。
提 高 温 度会 加 快 粒 子运 动 的 速 度,使得器壁上感受到的力更大。热量传递 到粒子后,增加了分子的动能,使其运动速度加快。这样,粒子与器壁碰撞后,传递的动量更大,于是又进一步增大了压力。减小体积可以增加气体的密度,增低压高压加粒子与器壁碰撞的频率,导致压力上升。同时,温度也会上升,因为能量守恒,分子在受限空间内,运动速度会加快。
某些实际气体并不严格遵守该定律。由较大或较复杂分子组成的气体在分子之间会有额外的力存在,这意味着这种分子比理想气体中的分子更容易聚集在一起。这样的黏滞力可能是受组成分子的原子所带电荷的影响。在高度压缩气体或者冷冻气体等分子运动较为缓慢的气体中这种情况尤为明显。实际上,像蛋白质或者脂肪一类的黏性分子是从来不会变成气体的。
压力与海拔爬山时,大气压会下降到低于海平面上大气压的水平,这是由于较高海拔处的大气较少的缘故。你可能还会注意到,海拔的升高也会带来温度的降低。飞机飞行时,机舱外的温度常常会降到零度以下。这也是理想气体定律的一个旁证。
由于海拔较高处的大气压较低,因此水的沸点比在海平面上要低,这样食物就不易煮熟,登山者就需要使用压力锅了。甚至达尔文都曾抱怨,在他1835 年去安第斯山的时候连这样一个工具都没有。其实达尔文知道,在 17 世纪末期就有一位叫丹尼斯.柏潘(DanisPapin)的法 国物理学家发明出“热压蒸煮器”了。
达尔文在《小猎犬号航海记》(Voyage ofthe Beagle)中写道:
“在我们休息的地方,水还是可以沸腾的。但由于大气压力较小的缘故,水的沸点比低海拔处的低。因此,煮了好几个小时的土豆还是那么硬。我们把锅搁在火上一晚,第二天发现锅里还在沸腾,土豆却还没煮熟。我是在第二天早上无意间听到两个伙伴讨论此事时才发现这一点的,他们的说法很简单:'这该死的锅(这锅是新的)就是不想把土豆煮熟而已。’”
真空倘若能飞跃高山,到达大气层的上部,甚至进入外部空间, 就能发现那儿的压力接近于 0。在宇宙中不存在不包含任何原子的绝对真空。即使在外部空间,也含有一些零星分布的原子,密度大概是每立方厘米几个氢原子。希腊哲学家柏拉图和亚里士多德认为绝对真空不可能存在,因为“无”是不可能存在的。
现在,量子力学理论也不再研究真空是否是不包含任何物体的空间,而是研究进出于存在物的虚拟亚原子粒子。宇宙学甚至提出,空间可能是一种负压,它表现为暗能量,会加速宇宙的膨胀。这样看来,大自然似乎是憎恶真空的。
理想气体定律可写成 PV=nRT 的形式,其中 P 是压力,V 是体 积,T 是 温 度,n 是 气 体 的物 质 的 量(1摩 尔 等 于 6&1023,叫 作 阿 伏 伽德 罗 常 数),R 是气体常数。
09热力学第二定律
热力学第二定律是现代物理学的基础。它的基本思想是热量只能自发地从高温物体传到低温物体,而不能从低温物体传递到高温物体。由于热量是混乱度或者熵的度量,因此热力学第二定律的另一种表达形式是:对孤立系统来说,熵总是增加的。第二定律与时间的演进和事件的发生相关联,是宇宙演化的最终归宿。
向一杯冰中加入热咖啡,冰因为温度升高而融化,咖啡则被冷却。那么你是否有过这样的疑问:为什么它们的温度不会变得更极端?咖啡为什么不会从冰决中吸收热量,从而使冰块的温度变得更低,而自身的温度变得更高?经验告诉我们那样的事情不会发生。那么为什么会这样呢?
较热物体和较冷物体有一种通过交换热量来达到相同温度的倾向。这就是热力学第二定律。它告诉我们,从整体上来说热量不能从低温物体传递到高温物体。
那么冰箱是如何工作的呢?如果不能把一杯橘子汁的热量传递到其他的物体上,如何才能将其冷却呢?热力学第二定律允许我们在特定情况下考虑该问题。冰箱将某物冷却,是有副产物形成的。这个副产物就是冰箱自身所产生的大量热。你把手放到冰箱的后部摸一下就不难明白了。正因为冰箱放热,若将冰箱及其所处的环境考虑成一个整体,冰箱的制冷仍旧遵守热力学第二定律。
熵热是混乱程度的度量。在物理学上,混乱度用“熵”度量,它测定的是一定数量项目的排列组合数。一包没有煮过的意大利面或者一扎挂面的“熵”是较小的,因为两者都是高度有序的。如果将意大利面放到一锅热水里去煮,它就会乱成一团,而混乱度的增加,导致熵增加。类似地,一列整齐的玩具兵的熵较低,如果将它们散乱地扔在地板上,熵就变大。
熵与冰箱的制冷有什么关系呢?热力学第二定律的另一种说法是,封闭系统的熵永远是增加的。温度与熵有着直接的关系。低温物体的熵值较低,是因为低温物体中原子的混乱度较小;高温物体中的原子振动更加剧烈,所以混乱度较高。因此,考虑到系统的所有部分,将其视为一个整体,熵变就一定是增加的。
再回过来考虑电冰箱的情形。橘子汁冷却后熵会变小,电冰箱排出的热气又补偿了熵的减小。实际上,热气的熵增超过橘子汁冷却导致的熵减。如果考虑包括冰箱和冰箱环境在内的整个体系,热力学第二定律仍然是成立的。热力学第二定律的另一种说法就是熵永远是增加的。
对于孤立系统,也就是没有能量流入和流出的系统来说,热力学第二定律仍然适用。孤立系统的能量是守恒的。从宇宙的定义上来说,由于宇宙之外不包含任何物体,它也是孤立系统。因此,将宇宙作为一个整体,能量是守恒的,熵也总是增加的。若某些区域的温度下降,那么熵的确是减小了。但正像电冰箱制冷一样,其他区域的温度必定会升高,补偿温度降低区域的熵减,因此整体上来说熵仍然是增加的。
如何直观地表示熵的增加呢?
如果将巧克力糖浆倒入一杯牛奶中, 一开始熵是较小的。牛奶和巧克力糖浆相互分开,分别呈白色和棕色。 如果加以搅拌使熵增大,牛奶分子和巧克力分子就会互相混合。混乱度最大的时候,巧克力糖浆和牛奶 完全混合,呈现均一的浅棕色。
再重新考察整个宇宙。热力学第二定律表明,随着时间的推移,原子的混乱度会逐渐增大,各种不同的物质会缓慢扩散,直到整个宇宙都充满了这些物质的原子。因此,宇宙最终将由各种颜色的恒星和星系,演变成原子相互混合形成的灰色海洋。当宇宙膨胀到星系分散、物质稀释时,它就变成了粒子的海洋。如果宇宙继续膨胀,它的最终状态就是“热寂”。
永动 热是能量的一种形式,因此可用热来做功。蒸汽机将热转换为活塞或者涡轮机的机械运动,用来发电。人类大部分的热力学知识 都是在19 世纪开展的蒸汽机实践工程中获得的,而不是物理学家推导出来的。热力学第二定律的另一个含义是热机和其他使用热能的发动机都是不完美的。在将热能转化为其他形式能量的过程中,总要损失一小部分能量,因此系统的熵在整体上是增加的。
永动机是指不损失能量,而能永远运行下去的机器。自中世纪起,永动机就引起了科学家们极大的兴趣。热力学第二定律的出现粉碎了这个梦想。但在热力学第二定律被提出之前,许多人还是乐此不疲地提出了一些可能的机器模型。波义尔想象出一种杯子,可以自己排空和倒满。印度数学家婆什迦罗设想出一个轮子,可利用滚动时重量的下落推进自身的转动。实际上,如果仔细考察一下这两种机器,就会发现它们都是要损失能量的。这类的设想还有很多,甚至在 18世纪使永动机背负恶名。法国皇家科学院和美国专利局对永动机一概不予考虑。现在,永动机仍是古怪私人发明家热衷的对象。
麦克斯韦妖19 世纪 60 年代,苏格兰物理学家麦克斯韦提出了一个假想实验,企图说明热力学第二定律未必成立。该实验被认为是最具争议的实验之一。想象有两个并排放置的气筒,二者温度相同。在两个气筒上各钻一个孔,这样气体粒子就可以从一个气筒进入另一个气筒了。假如一侧的温度比另一侧高,那么过一段时间之后,由于粒子的通过,两边的温度将变得相等。之后,麦克斯韦就想象,有一个微观的小妖,它能够从一个气筒中抓出速度较快的分子,并将其放入另一个气筒这样该气筒的温度就会升高,而另一个气筒的温度会降低。于是麦克斯韦推测,热量就可以从低温的气筒传递到高温的气筒了。那么这个过程是否违反热力学第二定律呢?通过选出速度较快的分子真的可以把热量传递到高温的气筒上吗?
“麦克斯韦妖为何不成立”这一问题的解释多年来一直困扰着物理学家们。麦克斯韦的解释是,测量粒子的速度以及阀门的开合需要做功,也就是说需要能量。这意味着系统的熵是不会减少的。与“麦克斯韦妖”最接近的是爱丁堡物理学家戴维.利(David Leigh)的机器妖(demonmachine)。这个机器的确可以将速度大小不同的粒子分开,但需要外部为它提供能量。也正是因为至今也没有一种办法能在无需外部能量的前提下将不同速度的粒子分开,直到今天物理学家们也没找出不遵循热力学第二定律的情况。至少在目前看来,热力学第二定律总是成立的。
五彩斑斓(或单调)的宇宙
最近,天文学家们正在尝试计算出宇宙的平均颜色。通过对宇宙中的星光进行加和,他们发现,宇宙的颜色并不是像阳光一样的黄色或是粉色、淡蓝色,而是沉闷的米黄色。几十亿年之后,当熵最终胜过万 有引力之后,整个宇宙将变成米黄色的海洋。
另一种角度看热力学定律
你不能出局
混乱度定律
10绝对零度
绝对零度是想象出来的温度。在该温度下,物质中的原子不发生运动。无论是在自然界还是在实验室里,绝对零度永远无法达到。不过科学家已经能够获得非常接近绝对零度的温度了。一方面,绝对零度无法达到;另一方面,即便是达到了绝对零度,我们也无从得知,因为没有任何一种温度计能测出其温度。
我们测量物体温度的时候,实际上测量的是组成该物体的原子的平均能量。温度是粒子振动或运动速度快慢的度量。在气体和液体当中,分子可以在各个方向上自由运动,互相之间经常发生碰撞,因此,温度是与粒子的平均运动速度相关的。在固体中,原子被束缚在晶格结构中,就像 Meccano被电铐铐在一起。(译者注:这是一种儿童玩具的商标。)温度升高时,原子就变得活跃起来,振动加剧,如同晃动的吉露(Jello)果冻,不过,原子不能离开原来的位置。
如果对物质进行冷却,那么原子的运动就会慢下来。对气体来说,原子的运动速度减慢;对固体来说,原子的振动减缓。如果温度继续降低,原子运动或振动的速度还会进一步减慢。如果冷却的温度足够低,原子最终可以完全停止运动。这个假设的静止点就叫做绝对零度。
开氏温标绝对零度的概念是在 18 世纪通过将温度—能量图外推到 0而得出的,并被人们普遍接受。温度升高的时候,能量也升高。将连接这两个量 的连线向后延长,就可以找到能量为 0的点,亦即零下273.15 摄氏度或者零下 459.67 华氏度。
19 世纪,开尔文勋爵提出了一种将绝对零度作为零点的新温标。开尔文温标源 自 摄 氏温 标,但 之 后取 代 了 摄 氏温标。之 前 说水 在 0 摄氏 度 结 冰,而 现在 则 说 成 是水 在 273 开尔 文 下 结 冰,在 373 开 尔文(相当于100 摄氏度)下沸腾。开尔文温标的上限是水的三相点,也就是在特定压力下,水、水蒸汽和冰三相共存时的温度。该温度在低压下(低于 1%大气压)为 273.16 开尔文或者0.01 摄氏度。现在,许多科学家都采用开氏温标测量温度。
大寒冷在绝对零度下会是什么感觉呢?户外温度达到冰点,大雪纷飞时的感觉大家都知道。呼吸都凝结了,手也开始麻木。真够冷的啊!北美局部地区和西伯利亚在冬季时温度可达到零下 10 到零下 20摄氏度,而在南极,甚至可以达到零下 70 摄氏度。目前地球上有记录的最低温度是零下 89 摄氏度,或者 184 开尔文。该温度是沃斯托克(Vostok)于 1983 年在南极中心腹地测量到的。
登 山 或 乘飞 机 进 入 大气 层 时, 温 度也 会 下 降。 如果再远一些,进入外部空间的话,温度会更低。但是,即便因为喜欢把冰棒放在绝对零度下冷冻,所以我比大部分美国人更经常 地使用开氏温标。在我看来,小甜食只有在没有任何分子运动的时候,才是在空间的最深最空处,最冷的原子的温度也高于绝对零度 几 度。目 前 在 宇 宙中 发 现的 最冷 的 环 境 位于 回 旋 标 星云(Boomerang Nebula)中。该星云是一团黑色的气体云,温度仅比绝对零度高了 1度。
在星云之外的太空中,环境温度相对温和,约为2.7 开尔文。温度较为温和是宇宙微波背景辐射的功劳,即大爆炸之后残余下的、充满整个空间的热量(见第 188 页)。如果要将温度进一步降低,必须对相应区域进行屏蔽,消除背景辐射的影响,使所有原子都将残余热量损失掉。因此,宇宙中实际上是不可能存在温度为绝对温度的区域的。
室内严寒更低的温度可以临时在实验室中达到。物理学家们已经尝试在短时间内获得非}

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