有多少物理知識與鋼筆有關？

李善君

鋼筆是每一位教師、每一位學生經常使用的書寫工具，那跟鋼筆有關的物理知識有哪些，你知道嗎？

每次當你奮筆疾書時，那美妙的“沙沙”聲是如何產生的呢？這就涉及初中物理聲現象的知識了。包括聲音是由于筆尖在凸凹不平的紙張上劃過時產生的紙張振動而產生；聲音通過空氣介質以聲波的形式傳入人的耳朵；聲音的等級大約10分貝；聲音振動頻率在20～20000赫茲。

當我們看到各種顏色的精美鋼筆和雋永秀麗的鋼筆字時，你是否想到這里也有很多物理知識呢？首先我們能看到各種顏色的鋼筆和各種顏色的鋼筆字，那是因為鋼筆或寫出來的鋼筆字雖然不是光源，但是它們反射的光傳入我們的眼睛，引起視覺的結果。而太陽光是由不看見光（紅外線和紫外線）和七種可見色光混合而成，七種可見光包括紅橙黃綠藍靛紫。不透明物體的顏色是由它反射的色光決定的；透明物體的顏色是由它透過的色光決定的。例如：我們能看到綠色的鋼筆，是因為這只鋼筆只反射綠光，其他色光都被它吸收的緣故；我們能看到紅墨水，是因為它只能使紅光透過，其余色光都被其吸收的緣故。也許你會有疑問：那用紅墨水寫在紙上的字為什么也是紅色呢？這是因為紅光透過紅墨水后經白色的紙反射的結果。其次，我們仔細觀察鋼筆，它上面有的地方很光很亮，說明那里發生的是鏡面反射；其余地方發生的是漫反射。我們能從各個角度看到我們寫的字，就是因為它發生了漫反射。

有時冬天我們從寒冷的室外進入室內，拿出鋼筆寫字時，開始寫不上字，過一會可能會有一大滴墨水從筆尖冒出，這又涉及熱學知識了。剛拿出來的鋼筆寫不出來字，是因為墨水發生了物態變化中的凝固現象；過一會兒有一大滴墨水從筆尖冒出，是因為握筆的手與鋼筆發生了熱傳遞，使鋼筆膽內空氣發生熱脹冷縮，而通氣孔暫時處于阻塞狀態，所以會把鋼筆膽內墨水擠出去。另外鋼筆用完要及時蓋上鋼筆帽，否則鋼筆內的墨水會由于分子不停地做無規則運動而發生汽化現象，蓋上筆帽可以阻止墨水的蒸發。還有，鋼筆有的連接處用膠水粘接，鋼筆字能附著在紙面上，這些都是分子間存在引力作用。墨水對于紙來說是浸潤的，它們之間能達到分子引力范圍。

我們到商店去買鋼筆時，有的人喜歡選較重的，有的人喜歡選較輕的，這說明我們用的鋼筆與力學也有很深的淵源。首先，鋼筆的輕重說的是物理中重力知識，物理課上我們可以讓學生利用彈簧測力計測鋼筆的重力，找鋼筆的重心位置。常見鋼筆的重力在0.1N～0.5N之間，重心在兩個筆帽的交接處。其次，我們在物理課上還經常讓學生利用刻度尺測鋼筆的長度，常見鋼筆長度在13cm～15cm之間；用托盤天平測鋼筆的質量，常見鋼筆的質量是10g～50g之間；鋼筆由課桌上落地地上的時間大約0.5s。再次，鋼筆的使用還與杠桿、摩擦力、輪軸、斜面、相互作用力、二力平衡、壓強、功、功率、機械能及其轉化、能量守恒定律、彈力等等有關。其中鋼筆在寫字時屬于費力杠桿，手掌虎口處是支點，捏筆的手指是施加動力的，筆尖與紙的摩擦力是阻力，它們之間滿足杠桿平衡條件；鋼筆尖與紙面之間的摩擦屬于滑動摩擦力，它的大小只與壓力和接觸面的粗糙程度有關，這點與圓珠筆不同，圓珠筆屬于滾動摩擦；鋼筆帽的頂部一般有一個小螺絲裝置，用來固定筆卡的，它是輪軸的體現；而鋼筆上的螺絲結構是斜面的應用；寫字時，筆尖與紙之間的力是一對相互作用力，它們大小相等，方向相反，在同一條直線上，作用在兩個物體上；紙對鋼筆的支持力和手對鋼筆的摩擦力是一對二力平衡的力，它們大小相等，方向相反，在一條直線上，作用在同一物體上；筆尖很尖這樣增大了鋼筆對紙面的壓強，筆膽中的墨水涉及了液體的壓強，液體壓強大小與液體深度和密度有關；而鋼筆為什么能連續不斷的寫字呢？這與鋼筆的結構有關，鋼筆與我們在醫院里輸液時所用的吊瓶很相似，鋼筆內部有兩條通道，一條是空氣通道，它由筆尖處進入鋼筆內部再與筆膽內小細管相連，另一條通路是留給墨水的。這樣筆尖在寫字時，由于墨水與紙的毛細作用使墨水下降，導氣管及時向筆膽中補充空氣，維持內外氣壓平衡，墨水在大氣壓強的作用下源源不斷的向外流，所以我們就可以不停地寫字了；而吸墨水時也是應用了大氣壓強；物理學中的功是指物體在力的作用下，沿著力的方向有距離，就說物體做了功。那我們在寫字時筆尖與紙的摩擦力是否做功了呢？當然做了功。如果再用做的功除以做功時間，得到的就是寫字時的功率；有時候，不小心把鋼筆碰掉地上，這里也有物理知識呀，放在桌子上的鋼筆有重力勢能，重力勢能大小與物體重力和高度有關。鋼筆下落時重力勢能轉化為動能，動能大小由物體的質量和速度決定，如果沒有空氣阻力或忽略空氣阻力時機械能是守恒的，如果考慮空氣阻力，那么有一部分機械能轉化為內能，但是能量的總量還是守恒的，這是能量守恒定律的內容了；鋼筆在彈力方面的應用包括筆尖寫字時筆膽吸墨水時按壓彈片，筆卡的使用。

到這是不是鋼筆所涉及的物理知識就列舉完了？當然不是，例如鋼筆所應用的材料，哪些是導體，哪些是絕緣體？各種材料的密度是多少？比熱容是多少？哪些材料是燃料，哪些不是燃料？是燃料的熱值是多少？哪些材料能阻止電磁波輻射？……一只小小的鋼筆所涉及的物理知識簡直太多了，在此做個拋磚引玉之舉，希望能與同仁對這個問題做進一步探討。