科學Why

為什么太陽能電池可將光能轉化為電能

太陽能電池之所以能將光能轉化為電能，主要歸功于半導體材料的光電效應原理。

太陽能電池通常由硅等半導體材料制成，而半導體內部具有特殊的電子結構。當太陽光照射到太陽能電池表面時，光子的能量被半導體中的電子吸收，一旦電子獲得足夠的能量后，它就會擺脫原子的束縛，轉為自由電子，同時在原來的位置留下一個空穴。這種電子-空穴對的產生，形成了內建電場。在內建電場的作用下，電子和空穴會分別向電池的不同電極移動。電子向負極移動，空穴則向正極移動。隨著電子和空穴的分離，兩極之間逐漸形成了電位差，即電壓。當外接電路閉合時，電子會在外電路中定向移動，從而形成電流，最終實現了光能到電能的轉化。

為什么無土栽培能讓植物生長得更好

在農業種植領域，無土栽培技術正受到越來越多的關注。這種技術能讓植物生長得更好，主要得益于其獨特的優勢。

一方面，無土栽培能夠精準控制植物生長環境。通過科學配制含有各種營養元素的營養液，種植者可根據不同植物在不同生長階段的具體需求，精確調整營養成分的比例。例如，在植物的苗期提供高氮營養液，促進枝葉的快速生長；在植物的開花結果期，則增加磷、鉀元素的含量，滿足植物生殖生長的需求。

另一方面，無土栽培避免了土壤病蟲害的困擾。傳統土壤種植中，土壤里常存在各種病菌、害蟲和雜草種子，這些因素很容易導致病蟲害的發生。而無土栽培所使用的基質和營養液經過嚴格的消毒處理，植物生長的環境更潔凈，從而大大減少了病蟲害發生的概率。在這種健康的環境下，植物能夠茁壯生長，其產量和品質也得以提升。

為什么超聲波能用于醫學成像

在醫學領域，超聲波成像技術已成為疾病診斷的重要手段之一。超聲波能夠用于成像，主要得益于其獨特的物理特性及與人體組織的相互作用。

超聲波是一種頻率高于 20 000 赫茲的聲波，具有良好的方向性和穿透性。超聲波發射到人體組織中時，會在不同組織的界面處發生反射、折射和散射。不同組織的聲阻抗（組織密度與聲速的乘積）存在差異，而聲阻抗的差別越大，反射回來的超聲波信號就越強。例如，人體骨骼和肌肉組織的聲阻抗不同，超聲波在二者界面處反射的信號強度也就會有所不同。

醫學超聲設備可以接收這些反射回來的超聲波信號，并經過一系列復雜的處理和計算，將其轉化為圖像信息。超聲探頭中的壓電晶體在這一過程中發揮著關鍵作用。它能夠將電信號轉換為超聲波發射出去，同時也能接收反射回來的超聲波，并將其轉換為電信號。這些電信號經過放大、數字化處理后，被計算機重建為人體內部組織的二維或三維圖像。通過這些圖像，醫生可以清晰地觀察人體內部器官的形態、結構及病變情況。這便是超聲波能夠用于醫學成像的奧秘所在。

為什么激光能實現高精度切割

激光是一種高度相干、方向性極好且能量高度集中的光束。當激光照射到待切割材料表面時，材料會吸收激光的能量。對于金屬材料，激光能夠在極短時間內使材料表面的溫度急劇升高，讓材料變為液態或氣態。同時，激光還會產生強烈的沖擊波，將發生物態變化的材料從切割區域吹離，形成清晰的切割縫隙。對于非金屬材料，如有機玻璃、木材等，激光的能量則會引發材料的熱分解或燃燒反應，從而實現切割。

由于激光束的光斑直徑可以聚焦到非常小的范圍，通常在幾十微米到幾百微米，因此能夠以極高的精度控制切割位置。此外，激光切割過程中無機械接觸，不會對材料產生機械應力和變形，從而保證了切割質量和精度。例如，在電子元器件制造領域，激光切割技術能夠精確切割微小的電路板，滿足高精度加工的需求。

為什么藍牙耳機不用線也能播放音樂

藍牙耳機能夠不用連接線纜就能播放音樂，其工作原理就像“無線快遞員”。

手機會先把音樂信號編碼為數據包，常見的編碼格式包括AAC或aptX。隨后，這些數據包通過2.4吉赫的電磁波進行傳輸。

在耳機端，內置的芯片會依次完成以下關鍵步驟：第一步，解調信號，這就好比拆開快遞包裹；第二步，通過DAC（數字模擬轉換器）芯片把數字信號變回模擬音頻信號；第三步，通過微型揚聲器振動發聲，從而發出我們聽到的音樂。

藍牙耳機的傳輸速度有多快呢？較新的藍牙5.3版本的傳輸速度達3Mbps，延遲不到20毫秒，比人眨眼的時間（約100毫秒）還要短。不過，藍牙耳機的傳輸距離通常有限，一般在 10 米以內。這是因為藍牙耳機的功率只有手機信號功率的千分之一，這樣既省電又安全。

為什么5G網絡的通信速度比4G快很多

相比4G網絡，5G網絡在通信速度上實現了大幅躍升，這一進步的背后有著多項關鍵技術的支撐。

首先，5G 網絡在頻段資源上進行了拓展。4G主要使用相對較低的頻段，頻譜資源有限；而 5G 不僅延續使用了低頻段，還引入了毫米波頻段。毫米波頻段擁有更寬的頻譜帶寬，能夠承載更多的數據流量。更寬的頻譜帶寬為 5G 網絡的高速數據傳輸奠定了基礎。

其次，5G 網絡廣泛采用了大規模 MIMO（多輸入多輸出）技術。4G網絡的 MIMO 技術通常使用幾個到十幾個天線，而5G的大規模 MIMO技術可以配備幾十甚至上百個天線。通過這些天線，5G 網絡能夠同時在多個空間維度上傳輸數據，極大地提升了數據傳輸的并行性。例如，在一個基站中，大規模 MIMO技術可以同時與多個用戶設備進行通信，每個用戶設備都能在不同的空間流上傳輸數據，從而顯著提高了整體的數據傳輸速率。

此外， 5G網絡還采用了更先進的編碼調制技術，能夠更有效地抵抗信號傳輸中的干擾和噪聲，從而提升數據傳輸的可靠性和速度。

為什么真空包裝能延長食品保質期

真空包裝是延長食品保質期的有效手段，堪稱食品的“保鮮衛士”。當給食品進行真空包裝時，首先會將包裝內的空氣抽出。因為空氣中含有氧氣、水分及各種微生物，這些成分是導致食品變質的主要因素。

氧氣會使食品中的油脂發生氧化，產生哈喇味兒，同時還會加速食品中營養成分的分解。微生物則會在適宜的環境下大量繁殖，導致食品發霉、腐爛。真空包裝可將包裝內的氧氣含量降到極低水平，從而有效抑制了需氧微生物的生長和繁殖。同時，減少食品與氧氣的接觸，也顯著減緩了氧化反應的發生。

例如，一些肉類食品在普通環境下可能只能保存1～2 天，而經過真空包裝后，在常溫下可保存7～10 天，若在冷藏條件下，其保質期更可延長至數周。此外，真空包裝還能防止食品在運輸和儲存過程中受到外界灰塵、雜質的污染，進一步保障了食品的安全性和新鮮度。

為什么老式綠皮火車開動前要先倒退一下

老式綠皮火車在開動前會先倒退一下，這主要是由火車車廂之間的連接方式和啟動特性所決定的。

綠皮火車的車廂通過一種名為“車鉤”的裝置相連。這種車鉤設計獨特，類似兩只互相抓握的手，一旦連接就很難分開，但是車鉤之間會留有一定的間隙。

綠皮火車在開動前倒退，主要有兩個原因：一是通過倒退的動作，使后面車廂的車鉤更緊密地對接，確保車鉤之間的連接更加牢固，從而防止在行駛過程中因意外脫鉤而引發事故；二是因為綠皮火車的動力雖然足以一次性拉動整列火車，但是其啟動過程較為緩慢，利用倒退的動作和前面車廂的慣性，火車頭能更輕松地啟動整列火車，這樣不僅節省了燃料，還提高了啟動速度。

這種獨特的啟動方式是老式綠皮火車設計和運行特性的一種體現，盡管現代列車技術已經逐漸淘汰了這種操作，但它仍然是火車發展史上一個有趣且實用的細節。