“蒼蠅撞停火車”等４則

我們吸進的空氣里含有達·芬奇呼吸過的分子?

Q 我們每一次呼吸所吸進的空氣中都包含了500多年前達·芬奇呼吸過的分子。真的是這樣嗎?

(初三學生)

A 的確如此。我們每一次呼吸都會吸進數目不少的曾經在達·芬奇肺中轉過一圈的分子，不過，遺憾得很，其中也有希特勒和你不喜歡的其他人使用過的分子。

我們通過下面的計算來證明一下。地球大氣的總質量大約是5×10²¹克。假定我們吸進的空氣是4個氦分子和1個氧分子的混合氣體，于是1摩爾的空氣就有28.8克的質量。任何1摩爾的物質中都包含有6×10²³個分子。因此，地球大氣總共有大約1.04×10⁴⁴個分子。

在人體溫度和1個大氣壓條件下，1摩爾的氣體所占據的體積大約是25.4升。我們人類每1次呼吸，吸進或是呼出的空氣平均大約是1升。當達·芬奇每1次呼吸呼出的分子數目就大約是2.4×10²²個分子。

假定一般人1分鐘要進行25次呼吸，那么達·芬奇在他67歲的一生(1452—1519年)中就會呼出2.2×10³¹個分子。由此可以算出，在地球大氣中，每5×10¹²個分子中就有1個是當年達·芬奇曾經呼吸過的分子。

由于我們又算出每1次呼吸大約是2.4×10²²個分子，這就不難知道，這其中將會有大約4.9×10⁹個分子是當初達·芬奇曾經呼吸過的。你也可以幽默地計算證明，你多半還吸進過達·芬奇在臨終最后一口氣呼出的5個空氣分子。

當然，在上面的計算中，我們實際上還做了一些理想化的假定。比如，我們假定了達·芬奇呼出的分子已經與大氣中其余的分子充分混合了，還假定了達·芬奇沒有重復吸進他先前呼出的那些分子。同時還排除了人類自達·芬奇以來500多年里對空氣中氧和氮的應用，以及它們被固定在其他化合物中或燃燒等造成的大氣分子的消耗。

閃電為什么是這種形狀?

Q 我發現閃電是枝杈形狀的，這是為什么?

(初一學生)

A 閃電通常都會把負電荷從雷暴雨帶到地面。在我們看見的閃電的前方有一個帶負電荷的閃電先導，它快速向下移動到云層的下面，再穿過分布在正電荷的許多小區域的空氣，來到地面。云層下方的這些正電荷小區域，是雷暴云的強電場引起地面尖端放電釋放出大量離子形成的。

帶負電荷的閃電先導在尋找電阻最小的前進通道的過程中發生分叉，這就是我們看到的閃電枝杈。當某一枝杈的先導接近地面的時候，其中的負電荷吸引地面尖狀物體——比如草和樹木的正離子，在云層和地面之間形成導電通道。此后，從這個先導通道的底部開始，其中的負電荷源源流入地面而消失。隨著電荷向下移動，放電區——也就是我們看到的亮光則向上移動，這就是我們看見的“回擊”。閃電先導的那些沒有到達地面的枝杈，其中的電荷會流向主通道，從而使得閃電變得更加的明亮了。

蒼蠅撞停火車

Q 一只迎面飛向火車的蒼蠅，與火車的擋風玻璃迎頭對撞。蒼蠅可能粘貼在玻璃上，改變了運動方向。我覺得蒼蠅在改變方向的瞬間肯定有暫時的靜止，而正是在這同一瞬間蒼蠅撞擊火車，所以火車也應該有暫時的靜止。如此說來，蒼蠅能夠讓火車停止。但實際情況好像不是這樣。

(初三學生)

A 你的這種思路是正確的。蒼蠅的確在瞬間使得火車有暫時的停止。不過不是整列火車停止，而僅僅是被蒼蠅撞擊的那極小一部分面積，同時也是極短的時間。

任何物體在受力時都會發生形變。火車的擋風玻璃也不例外。玻璃受到蒼蠅撞擊的那一小塊表面將稍微發生變形，只是這種形變的量極其微小。作為火車的極小一部分，實際上不止是短暫停止，而是暫時向后運動，使那里發生形變。而且，被撞的那一小塊表面還將蒼蠅加速，同時也依靠自身的彈性恢復到原來的形狀。這種被撞擊產生的變形和恢復時產生的振動，就是我們聽到的蒼蠅撞擊玻璃發出的聲音。如果蒼蠅被擊碎或是將玻璃的慣性效應等因素也考慮進來，情況會更加復雜。

窗戶關得好好的

Q 我發現，房間的窗戶關得好好的，沒有什么空隙，但是卻感覺到有外面的風吹進來!這是為什么?

(初二學生)

A 乍想之下，好像很奇怪，可是仔細一想，你會發現道理很簡單。房間里的空氣并不是呈靜止狀態的，而是不斷活動著。當空氣受到各種因素(如暖氣機、壁爐等)加熱后就會膨脹，變得比較輕，于是便朝著天花板的方向跑。由于窗戶玻璃的保溫性較其他地方差，熱空氣在窗戶與外界冷空氣發生熱交換，溫度下降，密度變大。于是便朝著地板方向往下移動。所以，事實上并非是冷風吹進來，而是房內的冷、熱空氣對流循環在窗戶處表現得更強烈而已。

如果我們用氫氣球來實驗的話，房間里這種眼睛看不見的空氣流動就可以一目了然了。不過，我們必須在氣球下面掛上一個小墜子，使氣球的平均密度與房間里空氣的密度大致相等，這樣，讓氣球能夠隨著房間里的空氣流動而自由地飄動。首先，我們把氣球從冷氣機的旁邊放出去，然后我們就會看到氣球隨著氣流而移動，先從窗戶邊飄到天花板，再從天花板飄到地板。然后，又飄了上去。

所以，盡管我們把窗戶關得緊緊的，可是一到冬天，戶外總是刮著冷風。這時，窗戶旁邊的空氣就會比較冷從而密度變得比較大，因此，我們就會誤認為有冷風吹進來了。