王大虎

王大虎:当物体加速到接近光速时会发生什么?

王大虎

公路的最高时速大都限制在80~120千米之间。在辽阔的宇宙空间里,虽然没有限速牌,但没有物体的时速能够超过10.77×108千米。

这个天然的速度屏障就是光速。科学家们习惯于用秒来计算光速,即3×108米/秒。光的最小单位是光子,每个光子的运动速度都是3×108米/秒。

光子是一种特殊的粒子,它没有静止质量,也就没有通常意义上的重量。很难想象这世界上竟然存在没有质量却有能量的物质,而光子就是这样的物质。

我们可以将光速与我们能够想到的高速运动的物体加以比较。以“先驱者号”太空探测器为例,它离开太阳系时的速度是60千米/秒,这个速度足可以在两分钟之内横穿中国,但与光速比起来,这个速度简直就是乌龟爬。

或者可以想象一下太阳的运动。就在你读这句话的时候,我们太阳系中的太阳、地球和其他七大行星正在像旋转木马一样围绕着银河系的中心高速运动,时速约为94.08×105千米,即248千米/秒(虽然你对此全然不知)。可是这个速度仍然不及光速的1%。

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当物体的运动速度接近光速时,奇怪的现象就会出现。这些事物之外的观察者会看到这个物体的长度和质量都在改变,甚至时间也开始改变。

当宇宙飞船以11.55×104千米/秒的速度运行时,长度会缩短一半;速度越快缩短得越多;当速度达到光速时,长度甚至变为0。而对于飞船里的宇航员来说,他们眼中的飞船不会有任何变化,只是船舱外眼前的景象被严重地压缩了。

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当飞船以90%光速运行时,它的质量会猛涨,比正常情况下的3倍还多——宇航员同样感觉不到这种变化。速度越大,质量越大;速度达到光速时,质量接近无穷大。科学家们已经证实这种现象是真实存在的,因为质量很小的基本粒子可以在加速器中获得很大的速度,而随着速度的变大,粒子的质量也随之增长。

最后,对于时间也有同样的规律:如果站在地面上的人可以看到飞船里的物体,他们就会看到飞船上的钟表走得慢了,而在宇航员眼前时钟却没有变慢;当飞船达到光速时,地面上的人就会看到飞船上的时间完全停止。

 

 

飞机如何测量自身的飞行速度?

 

飞机的时速是由安装在飞机前端表面上叫做空速管的空心管子测得的。旅客在登机时,或许能够看到这根测速管朝向飞机底部。

空速管与飞机飞行时空气掠过飞机的方向相同,对气流全压进行测量。飞机飞行速度越快,气流的全压就越大。在此同时,空速管还需要测量气流静压。气流静压是局部空气的热力学压力,它随着温度变化产生压力的变化而变化。

根据测得的气流全压和静压值大小就可以计算出局部空气速度。在空气顺次流过机头和整个机身的过程中,气流的压力会不断发生变化,所以要测量机身不同区域的局部气压值,从而算出气流局部速度与飞机实际速度的比值。

与航天飞机和洲际导弹一样,在许多飞机上也都装有惯性导航系统。惯性导航系统通过保持对自旋陀螺仪上产生的负载的精确跟踪,在减去重力影响因子后,在一个绝对基准上测量出飞机飞行时的加速度。在飞机起飞时对惯性导航系统进行精确的设定,因此使它不仅能够指示飞行速度,同时还能准确地指示出飞机相对于起飞地点的精确位置。

 

 

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火箭如X没有空气的太空里前进?

 

火箭能够把宇宙飞船送入绕地轨道,也可以把卫星和各种探测器送进宇宙空间。一说起火箭,我们就会联想到太空飞行。

其实,在房间里飞的气球也可以成为火箭。我们都做过这样的游戏:先向气球里吹气,再扎紧开口,然后松手,气球就一边撒气一边向着相反的方向冲出去。

再举一个简单的例子。假如光滑的轨道上有一辆小车,小车的尾部装有一架X。X每X一枚子弹,小车就向前移动一点。随着子弹一枚枚地X,小车的速度越来越快。可以想象得出,X每向后发射一枚子弹,小车就受到一次向前的推力,这个力就是子弹对小车的反作用力。这也是火箭前进的制动机制。

为了把宇宙飞船送入太空,火箭的发动机必须有强劲的动力,工程师设计发动机必须基于特定的原理。第一个详细描述这种特定原理的人是英国17世纪末的伟大的科学家艾萨克·牛顿。牛顿定律主要描述万有引力和物体运动的定律,他的第二定律和第三定律的内容比较具体地描述了物体受力与运动的关系,从中我们可以得知火箭是如X太空里前进的。

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牛顿第二定律指出,运动中的物体的力取决于其质量和其加速度。所以,想要获得动力十足的火箭,就必须保证它每秒钟都喷X很多高速运动的物质。

牛顿第三定律是说,两个物体之间只要存在力的作用,那么作用力和反作用力则必然成对出现,而且大小相等,方向相反。在火箭的例子中,火箭对喷射物的作用力使喷射物被高速喷出,喷射物同时会给火箭一个相反的力,推动火箭向前运动。

运载宇宙飞船的火箭将燃料燃烧生成的气体向后推出获得向前的动力。其实,无论向后推出的是什么东西——可以是固体颗粒,液体,甚至是原子或是质子、中子、电子——都能够获得向前的动力。

有人可能会以为火箭是靠喷出的气体推动了周围环境中的气体才获得反冲力的,却没有料到其实是喷出的气体本身使火箭具有如此强大的力量。

事实上,由于太空中没有空气,火箭在向前运动时不必克服空气阻力,所以它比在有空气的环境里更容易前进。而且,火箭表面与周围环境之间的摩擦为零,这就是说火箭在启动后不会有任何阻力使它减速。

另外,太空中的宇宙飞船不受重力作用,没有重量,所以即使是一个很小的推力也能够让飞船获得很大的速度。

 

 

如果把指南针拿到南极会怎样?

 

地球绕着地轴自转,南极和北极分别是地轴的两端。吸引磁铁及指南针的,叫做地磁场,其磁力线两端叫做南磁极与北磁极。地磁轴线与地轴之间的角度相差了11度,也就是说,南磁极并不在南极,而是位于南极东北方约1 600千米的地方。

所以,指南针指的并不是真正的南方,而是南磁极的位置,而且它每年会移动约10~15千米。当你拿着指南针站在南极时,指南针会指向东北方。如果你带着指南针到南磁极,由于指南针失去了水平的拉力,所以没有固定的指向,会X旋转。

 

 

铁轨上为什么要铺碎石子?

 

碎石子和轨道是紧密相连的,轨道和枕木负责承受火车通过时的重量,而碎石子则担任防止它们陷入地面的缓冲工作,还能吸收火车所产生的噪音。铺在铁轨上的碎石以较硬的石子最为合适,所以大多使用硬质砂岩。

 

 

为什么清澈的水结成的冰总是浑浊的?

 

有三个很好的解释,所有恰当的例子都是在当你开始用一个障碍物挡住光束去路的时候产生的。

第一,冰块不是一个大的晶体,而是由很多小晶体组成的,这为光线碰撞到晶体边缘发生衍射提供了大量的机会。衍射和折射之间有什么不同呢?衍射是你看到光波在障碍物边缘发生弯曲的情况,而折射是光从一种介质射向另一种介质时发生的弯曲。

第二,空气中像二氧化碳、氧气和氮气这些气体在寒冷的天气里会更易溶解在冷水里,而在水冷到结冰的时候这些气体产生的气泡会被留在冰块里。它们可能是非常小的气泡,但对于折射光线来说它们仍然影响相当大。

第三,即使在冰块内部,一小部分的液态水仍能保持溶解状态——这是另一种折光的机会。

将这三种情况放到一起你会发现光没有办法完全穿过冰块从另一边X来。

 

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