第二节 让人头大的物理

时间是什么

你们是不是觉得这个问题很可笑，有谁会连时间都不知道呢？我们每天都按时起床，按时吃饭，按时上学，按时睡觉，提醒我们去做这些事情的不就是时间吗？你们是不是觉得钟表上所显示出来的就是时间呢？这当然不能说是错误的，可事实上，时间并没有我们想象的那么简单。

在钟表发明之前，人类是利用地球的运转规律（通过观看天空中的太阳、月亮和星星的运动情况）来计时的，现在则可以通过钟表表针的变化情况来确定时间。目前人们研制的原子钟是一种极精密的计时器，准确度极高。但是仍有一些科学家和哲学家认为原子钟不能与真实时间完全吻合。科学家们认为时间也是一维的（如同长度和宽度一样），可以上下、前后、左右移动，因而把时间定义为除长度、宽度、高度三维空间外的第四维。但是时间不会倒流：一根蜡烛不会越烧越长，人也不可能越活越年轻。

测来测去

你们是如何知道自己的身高和体重的呢？是用身高体重测量仪。

没错。再来思考一个问题，体育老师是怎么测量你们的百米速度的呢？是用秒表，他用秒表记下了我们所跑的时间。

现在让我们把这两样东西联系起来，看看它们有什么共同点呢？也许你可能认为这根本就是毫不相关的两件事，但事实并不是这样的。它们虽然功能和长相不同，但是它们却有一点是相同的，那就是都是用来测量的。换句话说，它们都是测量工具。

上面所说的两样东西是我们生活中最常见的，它们分别是用来测量身高、体重和速度。如果推广开来，其实我们生活中最常见的测量就是对长度、质量和时间的测量，而它们的测量工具也是多种多样的。

虽然说我们现在有先进的电子测量工具，可是在遥远的古代，人们可没见过这样的东西，那么他们是用什么来进行测量的呢？传说我国古代的夏禹，曾经以自己的身长作为基准来测量，并将身长定为一丈；古埃及人把成年人的前臂作为基准来测量，并将其定为一尺；古代的英国人曾以成年男人的脚长作为基准来测量，并将其定为一英尺。

说完了长度，我们再来说说时间。同样，在古代，也没有这些机械的或电子的仪表，可是聪明的古代人还是有办法来测量时间的。在最初没有任何测量工具的情况下，人们想到了利用太阳光下物体的投影来确定时间。因为在不同的时间，物体的投影也是有所差异的。所以说这在没有仪器可用的年代，还不失为一个好办法。后来，人们发明了测量时间的仪器，如日晷和沙漏等，更加方便了时间的测量。

日晷是一个像大圆盘一样的东西，它是通过观测太阳的方位角来预报时间的，原理还是我们在上面所提到的投影原理，只不过这个要精确得多。这个大圆盘上是有刻度的，我们通过指针在盘上的投影，就可以知道当时的时间了。此外，古代人们还发明了很多不依赖日光计时的方法。例如，蜡烛可以稳定地燃烧，因此可以利用燃烧时蜡烛的长度来计算时间，即蜡烛计时法。水或者沙子可以很稳定地从一个容器流到另一个容器里面，这也可以作为测量时间的依据。17世纪时，伟大的意大利科学家伽利略发现一定长度的摆（在线或者杆的底端有一重物）在摆动时具有等时性。正是这个发现使得获得准确时间成为可能，把钟摆的一端与表针连在一起，钟表盘就可以显示时间了。

无处不在的力

力是指物体之间的相互作用。一个物体受到力的作用，一定有另一个物体对它施加这种作用，力是不能摆脱物体而独立存在的。

力可是一个非常粘人的家伙，因为它总是喜欢跟着我们，一点儿私人的空间都不给我们。怎么？不信吗？好吧，今天就带领你们去认识一下这些在我们的生活中无处不在的力。

首先，我们一定要认识这位跟我们时刻不离的力——重力。要知道，我们在任何情况下都一定会受到重力的作用。虽然我们不喜欢被别人粘着，不过我们的生活还真不能离开它。因为只要你想安稳地站在地上，不想在空中飘着，就一定要受到重力的作用。

地球上所有的物体都要受到重力的作用，不止我们人类，其他的生物和物体也同样要受到它的作用，就连高山、流水和空气也逃脱不掉。

说到重力，就不得不提起牛顿。一次偶然的机会，牛顿看到苹果落地的现象后陷入了思考：为什么苹果会自己掉到地上来呢？又没有人上去摘。于是，他就发现了重力的存在，是重力的作用促使苹果掉到了地上。

重力还有个好朋友，它们也是形影不离的，那就是支持力。也就是说，我们在受到重力的同时，也同样会受到支持力。那么支持力是谁给我们的呢？是支持我们的物体。如果我们站在桌子上，那么就是桌子给我们支持力；如果我们躺在床上，那就是床给我们支持力；如果我们站在地上，那给我们支持力的就是大地。如果没有其他的力来凑热闹，我们所受到的支持力与我们本身的重力是相等的。其实这也是牛顿说的，即牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力是大小相等、方向相反且作用在一条直线上的两个力。

还有一个力也是很讨厌的，那就是摩擦力，这是一种阻碍相对运动的力。当我们骑着自行车向前行走时，摩擦力就找上门了。本来我们可以骑得很快，可就是因为摩擦力在作怪，所以才限制了我们的速度。不过这样也好，最起码减少了交通事故的发生率。如果没有摩擦力，那还不都成了飞车了？摩擦力是两个互相滑行的物体之间的运动阻力。任何质地的物质表面，或者有起伏的表面，甚至是玻璃上，都会有摩擦力存在，它的表面与沙砾相比，只不过是表面更加光滑而已。物体表面上的起伏对于运动的抵抗效果就如同崎岖不平的道路对于汽车速度的减慢。摩擦力实际上是由于两个物体的分子被虚弱地连接在一起，然后又被分开形成的。摩擦力有一个特点，那就是它只喜欢跟着运动的人，而如果我们老老实实地坐在那里，摩擦力是不会找上门儿的。

机械与传动

机械能够改变力的大小或方向，通过机械，我们能够轻而易举地完成一些徒手很难完成或根本无法完成的任务。机械多种多样，简单的如门把手，复杂的如太空飞船。机械可以划分为6种基本类型：斜面、楔、杠杆、螺旋体、滑轮以及轮轴。所有的机械，包括那些最复杂的机械，都是基于力和位移的关系原理而工作的。

在日常的生活中，我们可以看到很多机械，它们是通过传动的方式来进行运作的，比如说吊车、传送带等。那么，究竟什么是传动呢？其实很简单，就是通过一定的方式把力传给机械。各种活动装置把机械连成了一个整体。

首先让我们来认识伟大的杠杆。古希腊著名的物理学家阿基米德曾说过：“如果给我一个支点，我就能撬起地球。”杠杆其实非常简单，只要有一个固定的支点和一根可以围绕支点旋转的木棍就行了，就像我们小时候玩的跷跷板那样。如果在杠杆的一端加力，那么在它的另一端就可以产生比这个力大几倍或小几倍的力。当然，在大多数情况下，我们用它都是为了省力，没有人会以这种方式跟自己较劲。所以说我们在移动重物的时候，借助一根木棍就会轻松多了。这个原理就是阿基米德发现的，现在想想他的话似乎也不是不可能的。只要我们所用的杠杆足够长，又足够结实，我们真的可以撬起地球。

斜面是简单机械的一种，指同水平面呈一向上倾斜角度的平面。沿垂线向上举物体费力，若把物体放在斜面上，沿斜面往上推或拉就可以省力。斜面与平面的倾角越小，斜面较长，则省力，但费距离，机械效率低；斜面与平面的倾角越大，斜面较短，则费力，但省距离，机械效率高。

两个斜面背靠背地放在一起，就构成一个楔。我们用楔，例如斧头，来劈开物体。螺丝钉实际上就是缠绕着一根小硬棒的楔，它可以将旋转力转化为缓慢而稳定的推进力。

接下来再让我们认识一下神奇的滑轮。既然叫做滑轮，那就一定是一个像轮子一样的东西了。滑轮的家族有两个兄弟，老大比较稳重，我们叫它定滑轮；老二比较活泼好动，我们叫它动滑轮。两种滑轮虽然样子长得差不多，不过作用可是完全不一样的。定滑轮可以帮助我们改变力的方向，动滑轮则可以帮助我们节省一半的力。

如果要提起一个重物，我们是应该选择定滑轮还是动滑轮呢？如果选用定滑轮，我们就可以改变力的方向，由向上提改为向下拉，这显然要方便得多，但这样做并不能省力；可如果选择动滑轮，我们虽然省了一半的力，但却不能改变力的方向，还是要向上提，比较麻烦。不管选择哪一种滑轮，都不能让我们完全满意。那么，有没有一种办法既可以改变力的方向，又能省力呢？当然有，那就是将定滑轮和动滑轮组合在一起，组成滑轮组，这样定滑轮和动滑轮的功用全都得以发挥，岂不是两全其美吗？其实，在现实的生活之中，由定滑轮和动滑轮所组成的滑轮组是最常用的，也是最实用的，而且滑轮的个数可以根据自己的需要，随意增加组合。

钟表及汽车等设备上能够转动的部分都有传动装置。传动装置可以改变引擎产生的机械力，从而调整设备运动的方向和速度。传动装置通常由两个相互咬合、同步旋转的齿轮构成。当大齿轮带动小齿轮转动时，需要的力较小，转速较快；当小齿轮带动大齿轮转动时，需要的力较大，转速较慢。

神奇的流体

你们知道流体是什么吗？

当然就是可以流动的物体了。这可不是在和你们开玩笑，我们的生活中确实是存在这样的物体的。如果不相信，你可以想一下，风筝是怎么飞起来的，海上的船又是怎么航行的呢？它们依靠的就是流体的特性。也许你已经想到了，所有的气体和液体都是具有流动性的，所以它们都可以被称为流体。

流体也是有质量的，它的质量与密度和体积有关。与固体不同的是，流体没有固定的形状，你用手去抓也抓不到它。我们都知道，固体是会对我们产生压力的，那么流体会不会呢？答案是肯定的。而且随着流体深度的增加，压力也会越来越大。比如说我们在潜水的时候，潜入的深度越深，我们所受到的压力就越大，不适感也就越明显。不过流体的“攻击”范围更广，固体只会从一个方向对我们施压，可流体却可以从四面八方对我们造成压力，让我们无处可逃。

你一定会觉得很奇怪，既然随着流体深度的增加，我们所感受到的压力也越大，可为什么我们生活在大气压力最大的底部，却丝毫都感觉不到呢？这主要是由流体的密度决定的。液体的密度比较大，所以压力也就大；而大气的密度则要小得多，所以压力自然也就小得多，而这种压力是不会对我们产生什么影响的，当然也就感受不到了。

流体是可以进行压缩的，这是让固体很嫉妒的地方。但是由于液体的密度比较大，所以它的压缩空间是很小的。相反，气体的压缩空间则比较大。液体虽然也具有流动性，但是它很听话，你如果用一个容器盛着它，它就会乖乖地呆在里面。可是气体就比较淘气，它会充满它所能达到的所有空间。由于各个气体分子之间的距离都很远，所以它们的压缩空间是很大的。

还记得阿基米德吗？就是那个扬言要撬起地球的人。他不仅对杠杆感兴趣，而且对流体也很感兴趣。他在洗澡时，看到水溢出澡盆而受到启发，发现了浮力。他认为，所有浸在流体中的物体，都会受到一个向上的浮力，而这个浮力的大小就等于物体排开流体的重量。这里所说的重量指的可不是流体的质量，而是流体所受到的重力的大小。这就是阿基米德定律。

阿基米德定律同样适用于气体。根据这一定律，如果我们受到的浮力比我们本身的重力大，那我们就可以飘浮起来。比如说水中石头的重力要大于它排开的水的重量，所以说石头不会漂在水面上，而是会下沉到水底。而木头的重力要小于它排开的水的重量，所以木头可以漂浮在水面上。还有氢气球可以飘在空中，也是同样的道理。

看得见看不见的波

波其实就是波动的简称，也就是振动的传播过程。比如说将一个小石子扔到水中，水面上马上会泛起层层的水纹，这就是水波，是我们所能看到的最明显的波。除此之外，大部分波是我们看不到的，可它们是的确存在的，比如说声波、无线电波等。波其实就是能量的一种传递形式，将振动物体的能量传递出去。如果振动停止了，没有了能量的来源，波就会自动消失。

波也有横竖之分吗？当然有。那么我们该如何判断横波和纵波呢？首先我们应该弄清楚波的传播方向和波源的振动方向。波的传播方向和波源的振动方向可能一致，也可能相互垂直。当二者方向一致时，这样的波就是纵波；当二者的方向互相垂直时，这样的波就是横波。你可以试着自己判断一下。

根据上面的定义，我们就可以很快地判断出横波和纵波。举个例子吧：当我们向水面扔石子的时候，石子的振动方向应该是向下的，但我们看到它所形成的波形却是向四周扩散开来，可见它是向四周传播的，所以说水波是横波。再比如说一根绳子，我们拿着它的一端上下抖动，可这时形成的波却呈水平方向向前传播，所以说它也是横波。但是我们在敲鼓的时候，鼓的振动方向与波的传播方向是一致的，所以我们说声波是纵波。

我们对电磁波可能比较陌生，但实际上，电磁波是非常有用的，而且与我们的生活密切相关。比如说，电视机上的影像、手机信号等，都是通过电磁波来传送的。它包括无线电波、微波、紫外线、红外线、X射线等，我们生活中的很多物品和设备就是利用它们的原理制成的。比如说，我们所使用的微波炉就用到了微波；到医院去做疾病诊断的时候又会用到X光；根据红外线的性质，人们又制成了红外线遥感器、红外线烤箱等物品；就连我们都很讨厌的紫外线也具有消毒杀菌的作用，所以我们要经常出去晒晒被子。但是有些电磁波可以产生电磁辐射，对人体是有害的，像我们平常所用的电脑、电视、电热毯等，都可以产生电磁辐射，危害健康。

既然电磁波有这么多种，我们又该怎样进行区分呢？其实，这样的事早就有人想好了，我们只要分享科学家的劳动果实就可以了。由于每种电磁波的波长和频率都是不一样的，所以人们就想到了用这个标准来进行区分，并按照波长或频率的顺序排列起来，列出电磁波谱。其中，无线电波的波长是最长的，而γ射线的波长是最短的。

声音的魔力

声音绝对是一个法力高强的魔法师，因为它可以让平凡的事物变得神奇，让我们的生活更加美好。一个平凡的乐器，因为有了声音，它就会变得不平凡起来，由此它的身价也会倍增。一个普通的人，也很可能因为声音的悦耳而受到大家的喜爱。有了声音，我们可以清楚地表达内心的感受，与人交流；动物们也可以通过它们的语言与同伴交流，并向人类发出特定的信号。比如说小狗会看家、公鸡会叫早等，都是借助它们的声音来向我们传递信息的。

那么，声音是从哪来的呢？

答案是振动。物体的振动会产生声波，而这个正在振动的物体就叫做声源。

人类的声音也是通过振动产生的。我们拥有一个叫做声带的器官，当它振动的时候，声音就会从我们嘴里发出来了。声带就是我们的声源，当我们说话或唱歌的时候，声带就会产生振动，所以我们可以发出声音。

各种声源所发出的声音都是不同的，因为声源不同，振动的频率也不同，发出的声音自然就不相同。

我们可以听见声音，是因为我们拥有健康的听觉器官。也就是说，没有听觉器官的物体是听不见声音的。但是由于听觉器官的功能不同，所以我们所能听到的声音范围也是不同的。比如说我们人类可以听到频率在20～20000赫兹的声波，称为可听声波，低于20赫兹的声波称为次声波，而高于20000赫兹的声波称为超声波。虽然次声波和超声波我们都听不到，但是有些动物却能听得到。所以说动物通常可以及时发现一些我们人类无法察觉的特殊现象，如地震、台风等。

那么是不是在听觉范围以内的声音，我们就一定可以听到呢？这个也不一定。因为声波发出以后，还必须得传播出去，我们才能听得到。那么声音的传播靠什么呢？靠的是介质。所有能传播声音的物质都可以叫做介质。水、空气、钢铁等物质都可以传播声音。而且不同的介质，传播声音的速度也不同。也就是说，同一种声音，在不同的介质中传播，你能听到的时间就不同。比如说在钢铁中会快一些，而在空气中则会慢一些。但是如果在真空中，声音就是不能传播的。所以说，即使物体所发出的声音在我们的听觉范围内，在真空中我们也是听不到的。

声音可以柔和也可以高亢，音调可高可低，这主要是由声音的能量和频率决定的。大且高的能量波使耳膜振动幅度变大，人就会听到很响的声音；反之低能量波使耳膜振动的幅度变小，人会听到较轻微的声音。声音的音调是由发声体的振动频率（振动频率是指发声体每秒钟的振动次数）决定的。频率越大，音调越高。每一秒内波的振动次数叫做频率，量度单位是赫兹（Hz）。

人们用分贝来测量声音的相对响度。0分贝大约等于人耳通常可觉察响度差别的最小值。人耳对响度差别能察觉的范围，大约包括以最微弱的可闻声为1而开始的标度上的130分贝。

乐音和噪音

虽然各种各样的声音让我们体会到了声音的美妙，可并不是所有的声音都会让人心情愉快的，有些声音听起来特别刺耳，甚至还会影响我们的身体健康。

跟这些讨厌的声音比起来，有些声音则要顺耳得多。这些声音不仅让我们觉得是一种美的享受，更把我们带入了另一个世界，使我们的身心都得到了完全的放松。这种美妙的声音我们就叫它乐音，而那些嘈杂得让人发疯的声音我们就叫它噪音。乐音和噪音虽然都是声音，但是对我们的影响却完全不同。

在紧张的学习之余，或者是当你很劳累的时候，如果能听一听音乐，就会消除紧张和疲劳感，使你的精神振作起来。不仅如此，美妙的乐音还可以促进我们的健康，并具有辅助治疗疾病的作用。有研究表明，当乐音中的声波振动作用于人体的时候，就可以促使我们体内的各器官之间的生理运动更加协调，并能够激发大脑细胞分泌出有益于健康的激素，改善血液循环和新陈代谢，使我们更年轻。所以在临床上，音乐疗法也有很广泛的应用。

如果你已经决定试一试神奇的音乐疗法，那就一定要注意选择合适的音乐。多选择那些优美动听、舒展流畅的乐曲，不要选择那些悲观凄凉的，那只会让你的意志更消沉。

如果你还没有认识到噪音的危害，那么今天就让我们共同来数一数噪音的罪行。首先，噪音会刺激我们的听觉系统，干扰我们正常的学习和生活。想想如果我们在上课的时候，外面有一台锄草机在不停地叫嚷，那我们还能继续学习吗？如果长期生活在噪音下，我们的听觉系统就会受到破坏，导致我们的听力下降。更严重的是，过强的噪音还会损害我们的健康，导致头痛、失眠等症状，并可引起心血管疾病和消化系统疾病，严重者还可导致耳聋。

所以说，噪音绝对是一个破坏力很强的家伙，而且也不会成为我们的朋友。我们真的就拿噪音没有办法了吗？我们当然有办法减少噪音对我们的伤害，但是却没有办法彻底消除噪音。我们现在所采取的办法就是将一些不可避免的噪音声源与生活区隔离开来，并尽可能地采取无噪音设备，还可以利用吸声系统和隔音系统来降低噪音。

神秘莫测的光

你们觉得光很神秘吗？也许确实是这样的，因为它有着太多美丽的外表，可是我们却始终看不清它的本质。给我们光明的白色太阳光、雨后所出现的七色光，还有交通岗上的红绿灯……这些都是光的化身。我们是离不开光的，因为没有了它，我们就会生活在一片黑暗之中，连太阳光都会远离我们。如果没有了光，我们不仅看不见任何东西，无法继续正常的学习和生活，而且失去太阳照耀的地球还会变成一个大冰窖，我们根本就无法生存。所以说失去光是一件非常可怕的事情。

光究竟是什么颜色的呢？光可不是只有一种颜色，它是有很多颜色的。看看我们这个五颜六色的世界，这可是有光的一份功劳呢！

为什么光有这么多种颜色呢？

因为光本身是一种电磁波，而这些光的波长是不同的。不同波长的光呈现出来的颜色是不同的，所以我们可以看到五颜六色的光。比如太阳光，它是由七种不同颜色的光组合而成的。这七种颜色就是我们所熟悉的赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，也就是雨后彩虹的颜色。

既然自然界中七种颜色的光可以组合成白色光，那么是不是所有的光都可以由其他颜色的几种光混合得到呢？对此，科学家们发现，将红、绿、蓝三种颜色的光按照一定的比例混合，就可以形成任意颜色的光。所以我们就把红、绿、蓝这三种颜色的光称为三基色，因为所有的光都可以由它们得到。但是，其他颜色的光却没有办法混合成这三种颜色，这也是它们的独特之处。

我们之所以觉得光很神秘，还有一个很重要的原因，那就是光很会欺骗人的眼睛。你可别小看了它，它欺骗人的本事可高着呢！如果我们要去捞鱼，河里面各种各样的鱼真是讨人喜欢，可是当你去抓它的时候，却怎么也抓不到。你们是不是也遇到过这样的烦恼呢？明明看见鱼就在那里，可是伸手一抓，却什么也没抓到。其实这都是光耍的小把戏，它欺骗了我们的眼睛，让我们觉得鱼好像就在那里。而实际上，鱼却在我们所看到的“鱼”的下面，所以我们才会抓不到它。

我们的眼睛之所以会被骗，那是因为光在水中发生了折射现象。当光从一种物质进入另一种物质的时候，就会使光的传播方向发生偏折，这种现象就叫做光的折射。在上面的现象中，光是从空气中进入了水中，所以传播方向发生了偏折，我们所看到的鱼还是光沿直线传播时的位置，这就是我们被骗的原因。其实，在我们的生活中有很多光的折射现象，在沙漠或沿海地区所出现的海市蜃楼，也是由于光在大气层中产生折射造成的。

光的性质

早期的科学家通过不断的研究逐步揭示了光的各种特点：光是如何被透镜折射的？光是如何投下阴影的？光的传播速度有多快？然而对于自然光本身的了解则是理解以上所有光学特性的基础。尤其是：光是由微小的粒子流——像机枪射出的子弹那样——组成的，还是由波纹——像涟漪一般穿过无限的真空——组成的？

我们可以明显地看到平行光线经过透镜后汇聚于一点，而集中的光线可以使得焦点处的温度陡然升高，从而使得放大镜成为“取火镜”。放大镜的这一用途在古希腊时代便为人们所知晓。据说公元前212年，希腊科学家阿基米德就曾使用取火镜击退来犯的罗马战船，保卫锡拉库扎。但是在这种情况下光线传播的路线是如何改变的？在其偏转的角度之间又存在着什么性质？这些问题一直没人能够解答，直到1621年荷兰数学家威尔布罗德·斯奈尔成为首位研究并测量光线偏转角度的科学家。他发现光线由空气进入玻璃中时，入射角（光线进入玻璃时的角度）与折射角（光线被扭曲偏转后的角度）的关系同玻璃的属性有关，称之为“折射率”。

另一位数学家、法国人皮埃尔·德·费马揭示了光能投影的原理。1640年，费马指出由于光沿直线传播，因此不可能“绕过障碍物”照亮阴影，这就是“费马原理”。同时，费马也观察到光线在较为稠密的介质中传播速度较慢。

1676年，丹麦天文学家奥列·罗默首次尝试测定光速。他重新核对了意大利天文学家乔瓦尼·卡西尼观察记录中关于木星卫星发生“星食”（当卫星运动到木星背面看不到时所发生的现象）的时间记载，发现当地球朝木星方向运行时所观测到的“星食”发生的时间比当地球向远离木星方向运动时所观测到的时间要提前很多。罗默因此意识到光一定传播了某段距离，因而光速是有限的，由此入手，他开始计算时间差并测量光速。罗默的计算值为22.5万千米/秒，大约是光速实际值的约75%。大约200年后，法国物理学家阿曼德·菲索设计出更为精确地测量光速的方法，并测得光速值为31.5万千米/秒，比光速实际值大了约5%。随后，美国物理学家阿尔伯特·迈克逊于1882年改进了菲索的方法，重新测量光速为299853千米/秒。当今国际上采用的标准光速值为299793千米/秒。

1675年，英国科学家牛顿认为光是以微小粒子流的方式传播的，因此提出了光的“粒子”理论。数年间，多位科学家均不同程度地质疑过这一理论，而罗伯特·胡克于1665年提出的光的“波”理论就直接挑战着“粒子”理论。胡克根据光线被玻璃折射的现象以及光在密度较大的介质中传播速度较慢的现象等，推断光必然以波的形式传播。1801年，英国物理学家托马斯·扬发现光的干涉现象，这对“粒子”理论是最致命的一击。干涉现象即为白光透过狭缝时，被分成由各种色彩组成的虹，而在当时，只有“波”理论能够解释这一现象。1804年，托马斯·扬将这一成果发表。

但是“粒子”理论与“波”理论的争论仍未停止，直至20世纪初德国物理学家马克思·普朗克提出量子理论之后，才最终将这场争论画上句号。量子理论认为包括光在内的所有形式的能量，在空间中均以有限“量子”（普朗克又称其为“小微粒”）的形式传播，这同牛顿的“粒子”理论非常接近。但随着现代物理的发展，1924年，路易斯·德·波尔提出波尔量子理论，认为所有移动的微粒亦同时表现出“波”的性质，即“波粒二象性”，并证明了这一理论的正确性。因此，牛顿、胡克等人的理论均是正确的，科学上一个伟大的争议话题也最终画上了句号。

揭开能量的面纱

能量是什么？对于这个问题，你可以充分发挥你的想象力，你可以把它想象成一个可爱的小精灵，也可以把它想象成一个庞大的怪物，无论你把它想象成什么样子，它都绝对不会介意。因为它知道，即使我们十分讨厌它，也是绝对离不开它的。如果没有了能量，我们就无法生存。可以说，能量是无处不在的。而且能量的化身也很多，它有很多种存在形式，比如说热能、动能、电能、势能等。

你们能说出来有什么是没有能量的吗？

有人说书桌上的书是静止的，所以它应该是没有能量的。

这是不对的。书放在书桌上，本身有一定的高度，所以它至少也是有重力势能的。另外，物体都是有热能的，想想将书本燃烧之后所释放出来的热量就知道了。

有人说寒冷的冰块应该是没有能量的吧，它还需要借助外力才能融化呢！

这也是不对的。别看冰的温度很低，可是它也是具有能量的。也许你会觉得很不可思议，如果将一个冰块里面的所有能量加在一起，还可以点起一个火焰呢！

其实，所有的物体都是具有能量的，而且不同的能量之间是可以相互转化的。比如说一个物体从高空落下，是将重力势能转化为动能；摩擦生热是将动能转化为热能，等等。总之，我们应该明白，我们所生活的世界到处都充满了能量，没有谁能够制造出能量，也没有人能够让能量消失，能量永远都是守恒的。虽然我们不能制造能量，但是我们可以通过能量的转化来得到我们所需要的能量，利用风力发电机风能转化为电能就是一个很好的例子。

再问一个问题，为什么我们每天都要摄入食物呢？

因为食物是我们获得能量的主要来源。我们每时每刻都在消耗能量。人体所进行的任何生理活动都要有能量的支持。换句话说，只要生命还在继续，就必须要不断地补充能量。即使是睡觉的时候，我们体内的生理代谢活动也仍然没有停止。只是如果你做的运动多，消耗的能量就多，整天什么都不干，消耗的能量就少。

有的人可能会担心，万一我们所摄入的能量满足不了身体的需要可怎么办呀？

别担心，我们的身体具有储存能量的功能。如果我们所摄入的能量已经消耗完，那么身体就会动用储存在身体内部的能量，也就是脂肪，这是可以满足我们暂时的需要的。可是千万不要长时间停留在这种状态，因为机体为了满足生命活动的需要，不仅会动用身体内部的脂肪，甚至还有可能消耗自身的组织。一旦我们的体内已经没有什么可消耗的，那么生命活动将无法继续下去，生命也就终止了。

所以，我们必须摄取足够的食物，维持身体的正常运转。

当然，也不能吃得太多，能满足我们的需要就好。如果摄入的能量过多，身体又没有那么大的消耗，剩下的能量就会转化成脂肪在体内堆积起来。如果体内堆积了过多的脂肪，不仅会使人肥胖，而且还会增加机体的负担，引起心脑血管等多种疾病。

热能

热能，又叫内能或者物质内的蓄能。热能是能的一种形式，当两个物体温度不同时，热能会从一个物体传递到另外一个物体。人们可以通过做功或者热传递的方式增加物体的内能。用打气筒给自行车打气时，会感到筒身发热，这是由于每次按下打气筒手柄时，里面的气体被压缩的缘故。压缩空气所做的功使空气获得更多的能，空气分子和原子运动加快。能从一种形式转化为另一种形式时，总有一部分会变为热能，这部分热能会散失到环境中去。这就是为什么电脑、电视机以及其他机器在工作时通常都会发热的缘故。

物体被加热时，其中的分子运动越来越快，分子间距离的增加导致物体膨胀；当物体被冷却时，其中的分子运动变慢，分子间的距离减小导致物体收缩。有些固体热胀冷缩的现象并不明显，例如，对钢棒而言，温度每升高1℃其长度只增加0.0001%，但是当热量足够大时，这种膨胀的力量也会引发无法意料的后果，会使铁轨扭曲、桥梁断裂等。

热量总是从高温物体自发地向低温物体传递，但是通过压缩机的作用可以使热量反方向传递，即从低温物体传向高温物体。冰箱中食物的热量传递给管内的特殊液体，液体吸收热量蒸发（由液体变为气体），汽化后的特殊液体被压回箱外的冷凝器散热，再重新变为液体，液体再进入冰箱内吸收食物的热量、蒸发，以此循环往复。

热传递有3种形式：传导、对流和辐射。传导是热量从一个原子到另一个原子的传递过程。热物体中的原子之间运动比较快并且相互碰撞，这种碰撞使它将热量传递给与它邻近的原子，邻近的原子再把热量传递给其他原子，如此传递下去。对流是流体（气体、液体）中热传递的主要方式，当流体被加热时，其分子运动加速，分子之间的碰撞更加频繁，这就使得热流体变得比周围的冷流体要轻，于是热流体便向上流动，从而形成对流。热辐射是以不可见的红外线传递热量的。

有些情况下阻止热量在某个空间的流动和散失是非常重要的。冬天给建筑物供暖时，热量有从室内散失到周围环境中以达到相同温度的趋势。玻璃的导热速度要比墙壁和屋顶的导热速度快得多，因而有很大一部分热量都从窗户散失到外界。为了阻止这部分热量的散失，很多建筑物都使用双层玻璃窗，双层玻璃窗装有两层玻璃，中间有不易传热的空气作为隔层，这样就大大减少了热量的散失。

所有的物体都有温度

温度指的就是物体的冷热程度。所有的物体都是具有温度的。在生活中，有很多温度是固定的。比如说蜡烛燃烧时中心的温度是1400℃，冰水混合物的温度是0℃，等等。

每一个物体都有最适宜它生存的温度，所以一般的物体都会保持着这个温度。一旦它的温度发生变化，我们就可以判断一定是出现了什么异常状况。比如说人的体温是保持在一定的范围之内的（36℃～37℃），如果你的体温达到了39℃，那你一定是发高烧了。

为什么温度会有高有低呢？是什么在影响着温度的变化呢？原来，物体的温度是由它内部分子的运动决定的。如果从这个角度给温度下一个定义的话，温度所反映的就是物体内部分子运动的激烈程度。分子运动得越慢，物体的温度就越低；分子运动得越快，物体的温度就越高。如果你懂得能量守恒，就会觉得这其中的道理很简单。分子运动越激烈，产生的动能就越多，转化成的热能也就越多，温度自然就高。

我们怎么才能知道物体的温度呢？凭我们自己的感觉肯定是靠不住的，所以还是要借助仪器。在日常的生活中，我们只需要借助一个简单的温度计，就可以随时了解自己的体温以及室内外的温度了。当然，我们在日常生活中所使用的温度计测量范围是十分有限的，并不能满足科学研究的需要。所以，科学家们所使用的温度计测量范围更广，以便测量更高或更低的温度。

我们知道，物体的存在形式有三种：固态、液态和气态。照常理来说，一种物质本来就应该只有一种存在形式，可是有些物质比较贪玩，它们觉得总以一种形态存在太没意思，所以它们总是喜欢变来变去。比如说水，它自己就占了三种形态。常温下的水是液态的，可到了0℃的时候，它就变成了固态；到了100℃的时候，它又变成了气态。还有一些物质，不经过液态的转化，就直接变成了固态。比如说地面上的霜，就是由空气中的水蒸气直接结晶而成的。

电的来源

1800年以前，科学家们只知道电是静态的或固定的，这些静电包括物体上所载的正电荷或负电荷，通常静电都是由摩擦产生的。随着一个意大利贵族制造出电流，电的发展便掀开了新的一页。

1791年，意大利物理学家、解剖学教授贾法尼报道了“动物电”——在解剖一只死青蛙时，他发现当用两种金属片触到青蛙时，它会抽搐。1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特用盐溶液浸泡过的纸板代替动物组织进行实验。纸板一端放一块铜片或银片，另一端放一块锌片，当用导线将两块金属片连接起来时，导线中就有了电流。后来，他把许多这样的板堆叠，以此获得更高的电压，这就是伏特电堆，是世界上首个真正的电池。

今天，科学家把伏特发明的电池称做原电池，所用的金属片叫做电极，而金属片之间的溶液叫做电解液。1836年，英国化学家约翰·丹尼尔制造出一种效率更高的原电池，该电池包含一根插入稀硫酸中的锌棒电极，稀硫酸装在多孔的陶罐中。陶罐浸入一个装着硫酸铜溶液的铜质容器（作为另一电极）中。当用金属线连接两个电极后，电流从铜质容器（正极）流向锌棒（负极）。丹尼尔电池可产生较伏特电池更稳定的电流，并解决了电池极化的问题，即在铜质电极上会聚焦大量的氢气气泡群，这会阻止电子的流动，最终使伏特电池停止工作。

法国工程师乔治·勒克朗谢于1866年发明了勒克朗谢干电池，同样解决了伏特电池的极化问题。勒克朗谢干电池负极也是锌棒，但锌棒是浸在氯化铵电解液中。正极是被二氧化锰粉末包裹的碳棒。电池产生的电压约有1.5伏。今天我们日常生活中用的干电池包含相同的构成，电解液为氯化铵胶糊，外壳为锌筒，二氧化锰包裹的碳棒位于锌筒的中心位置。

德国化学家罗伯特·本生也发明了锌-碳原电池，电池采用酸作电解液，能产生1.9伏的电压。1893年，英裔美国电气工程师爱德华·韦斯顿发明了镉电池，该电池可产生1.0186伏的电压，1908年，科学委员会正式将其作为标准电压。韦斯顿标准电池的负极为汞，正极是镉-汞金属的混合物，电解液是硫酸镉溶液。在这21年前，即1872年，英国电气工程师约西亚·克拉克发明了克拉克标准电池，该电池负极采用锌代替镉。

原电池放电完全后，就会停止工作，电池也就废掉了。与原电池不同的一类电池，名称很多，比如二次电池、存储电池，或蓄电池，这一类的电池可以通过充电重复使用。1859年，法国化学家加斯东·普朗特发明了铅酸蓄电池。铅酸蓄电池是最早的蓄电池，今天仍最为常用。铅酸蓄电池电解液为稀硫酸，铅或“铅板”作为负极，另一块覆盖了氧化铅的铅板作为正极。这种铅酸蓄电池被用在大多数汽车上。1900年，美国发明家托马斯·爱迪生发明了碱性镍铁蓄电池，这是另一种类型的蓄电池。任意蓄电池放电完毕后，可以用直流电源对电池充电。例如，汽车电动机还在运转时，蓄电池就会继续充电。

无论是原电池还是二次电池，它们都是将化学能转化为电能。正是因为此过程的存在，就会不断地消耗电极材料或电解液。1839年，威尔士物理学家兼法官威廉·格莱夫在一项实验中发现了第一种燃料电池，他通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理，能够从氢气和氧气中获取电能，通过氢和氧的化合生电，其唯一的副产品是无害的水蒸气。燃料电池能够将燃料所含的化学能直接转化为电能。

在所有这些前面介绍的科学家中，我们应该记住这样一个名字——亚历山德罗·伏特。1905年，国际电气学会为纪念他的成就，根据他的名字，将“伏特”作为国际单位制（SI）中电势的基本单位。

神秘的电子

学过现代科学的人都知道什么是电子，电子对我们理解电的本质和原子物理的重要性。然而100多年前，一位英国物理学家发现了构成物质最小的粒子，从那时起，人们对微观世界的认识进一步加深了。

到19世纪末，随着物理学各种各样的发现的增多，许多无法解释的问题也随之出现了，比如：物体可以带上静电电荷，但是电荷是以何种方式存在的？沿着导体流动的电流电荷究竟是什么，与静电电荷不同吗？高压穿过真空管板时会产生阴极射线，但是阴极射线的成分是什么？如果物质是由原子构成的，那么原子是由什么组成的？

上述这些棘手的问题由于真空泵的发明而得到了解决。真空泵可以将实验装置里的空气抽空，密封装置的气压可以达到零压状态。德国吹玻璃工及实验室仪器制造商海因里希·盖斯勒首次在实验中使用了真空泵。大约1850年，盖斯勒将金属板密封在只含有痕量惰性气体（氮气或氩气）的真空玻璃管中，他将高压电连接到金属板上，并产生了漂亮的闪光，就像管中的气体在发光一样。盖斯勒电极管成为了一项人们熟知的发明。但是，真正将之应用到严谨的实验中的是两位德国物理学家：1859年的朱利斯·普吕克尔和1869年的普吕克尔的学生约翰·希托夫。通过实验，他们认为所产生的彩色光是由“射线”引起的，射线从盖斯勒管的阴极被激发出，并沿直线传播到阳极。这个推断在1879年被英国物理学家威廉·克鲁克斯证实，并且他提出了“射线”是由某类粒子构成的观点。6年后，法国物理学家让·佩林用磁场和电场将阴极射线偏转，证明了射线是由带负电荷的粒子组成的。

英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生揭开了电子的神秘面纱。汤姆生于1856年12月18日生于英国曼彻斯特郊区，父亲是苏格兰人，以卖书为业。汤姆生14岁进入曼彻斯特欧文学院学习铁路工程。1880年，汤姆生进入剑桥大学三一学院，毕业后，进入卡文迪许实验室，在约翰·斯特列特和瑞利爵士的指导下进行电磁场理论的实验研究工作。1884年，年仅28岁的汤姆生便当选为皇家学会会员。同年末，汤姆生又继瑞利之后担任卡文迪许实验室教授。

汤姆生通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，测得它们的速度（比光速慢得多）。他进一步测定了这种粒子的荷质比（e/m），与当时已知的电解中生成的氢离子荷质比相比较，得出其约比氢离子荷质比小1000倍的结论。于是汤姆生推测阴极射线是由微小的带负电的粒子构成的。1897年，汤姆生宣布了这些首批亚原子粒子的发现，他称之为“微粒”。两年后，汤姆生发现这些微粒的质量是氢原子质量的1/2000——这个结果早在1874年爱尔兰物理学家乔治·斯托尼就已经预测出来了。1891年，斯托尼将这微小的粒子命名为“电子”。电子成为了科学家们追寻已久的电的基本单位。这样我们就清楚了导体中的电子流动才产生了电流。由于电子是从不带电的真空管的阴极金属板激发产生的，所以电子必然是所有原子最基本的组成部分。

汤姆生继阴极射线的研究之后，开始对阳极射线（由不带电的真空管中的阳极激发产生的）进行实验研究。这项1912年研究成果的重大意义就是借助电荷性质的差异，可以分离带有不同电荷的微粒。1919年，弗朗西斯·阿斯顿应用此原理发明了质谱仪。1919年，汤姆生退休后，由他的前任助手、新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福接替了他的位置。卢瑟福最后提出了包含原子核的原子结构。1906年，汤姆生获得了诺贝尔物理学奖，他的助手中有7位也获得了诺贝尔物理学奖。

触电的感觉

你们想知道触电的感觉吗？一定不想知道，因为没有人愿意去做那样的尝试。

虽然触电听起来很可怕，它甚至还可能夺走人的生命，但实际上，我们每个人几乎都曾经被电到过。不相信吗？那么请回想一下你是否有这样的经历：当你去触摸某个物体的时候，会忽然被它打一下，使你不得不赶紧把手缩回来，而且你的手在缩回来以后也还是麻酥酥的。

这种电的力量虽然比较小，但这也是一种与电的“亲密接触”。其实，触电的感觉就是麻酥酥的，只不过要强烈得多。但并不是只要有电流经过人体，就一定会触电。相反，当有微弱的电流经过人体的时候，还会对我们的身体产生积极的影响。比如说医学上的电磁疗法，就是让微弱的电流通过人体，并刺激病人的某些部位，以此来达到治病的目的。

但如果电流很强，再不幸被你撞到，那触电现象就发生了。这样的触电通常都是很致命的，所以我们也通常叫它触电事故。如果这种很强的电流流过人体，而又得不到及时的救援，那后果可就不堪设想了。轻者可能会导致人体的组织损伤和功能障碍，重者就会造成死亡。

生活中的触电一般都是由于人体直接或间接与照明电路的火线相连，致使较强的电流通过人体而引起的。如果一个人的两手分别接触火线和地线，或者是一手接触火线站在地上，都会造成触电。因为人体是可以导电的，当人处在火线和地线之间时，就相当于一根导线，将这两点联通，这时就会有巨大的电流通过人体，触电事故也就发生了。

为什么有的触电只有轻微的感觉，而有的触电却可以致命呢？这主要是因为电流的强度不同所造成的。当通过人体的电流为1毫安时，人就会有发麻的感觉；如果通过人体的电流不超过10毫安，触电者也可以自己摆脱电源；当电流达到20～25毫安的时候，人就会感到剧痛，甚至神经麻痹，这时是无法自己摆脱电源的，而只能通过别人的救助来脱离危险；但如果电流达到了100毫安，生存的希望就很渺茫了，因为这么强的电流在很短的时间内就可以使人窒息，造成死亡。

奇妙的电路和电器

电路就是由一些电子元器件相互连接起来，构成的一个环形网络。构成电路的电子元器件包括电阻、电容、用电器、开关等基本元件。你可别小看了它，每一个电器都是离不开电路的。因为没有了电路，就不会产生电流，电器中没有电流通过，当然也就无法工作了。所以说电路是非常神奇的，当电路接通时，电器可以正常工作；当电路断开时，电器就会停止工作。

洗衣机、电冰箱、电视机、日光灯等，这些东西我们一定都再熟悉不过了。因为这些都是家用电器，几乎每个家庭都有，而且它们的出现也为我们的生活提供了很多方便。

我们家中的这些电器，实际上就是由一些巧妙的设备和电路组成的。那么这些电器又是怎么工作的呢？其实这些电器里面的电路是十分复杂的。当电源接通时，电路里面就产生了电流，我们可以根据自己的需求去控制电流的走向，利用电流里面的电子做各种各样的工作。如果你对这个问题很感兴趣，可以将你家中的小电器拆开，仔细研究一下它是怎么工作的。当然，这首先要得到你父母的许可，而且要在确保自己在安全的情况下进行，万一发生了触电，那可是很危险的。

虽然说电器里面的电路很复杂，不过它们也都是由很多个简单的电路构成的，再加上一些奇妙的设备，就可以让电器完成各种功能了。电源、用电器、开关和导线是电路不可或缺的四部分。最基本的两种电路是串联电路和并联电路。

串联电路是指将所有的器件全部串在一起；如果在一个电路里面，两个电器是并列着相连的，我们叫它并联电路。

磁力的真相

磁力是什么？它当然也是一种力了。不过磁力可不是普通的力，它是一种很特殊的力。我们既看不到它，也感觉不到它，但是你可千万别小看了它，因为它的影响力非常大，就连我们生活的地球，也要受到它的影响。如果你也对磁力充满了好奇和兴趣，那就让我们一起去探究磁力的真相吧！

磁力既然是一种力，那就一定要有施力的物体，而磁力的制造者就是磁体。大家一定都见过吸铁石吧！吸铁石可以吸引所有的铁制品，而且把两块吸铁石放在一起，它们有的时候互相吸引，有的时候互相排斥。吸铁石的这种性质就叫做磁性，而所有具有磁性的物体都是磁体。

我们都知道，磁体根本不用接触铁，就可以把它吸引过来。但是如果离得太远，这种影响就不存在了。比如说你将一块磁铁放在卧室，而将铁钉放在厨房，这时铁钉是绝对不会被吸引过去的。所以说磁力是有一定的影响范围的，在这个范围之内的铁制品，磁体都会对其产生影响；但如果超出了这个范围，那磁体也是无能为力的。

还有一种有趣的现象，那就是当两块磁体距离较近时，它们或者相互排斥，或者相互吸引。这是为什么呢？原来，磁铁是具有极性的。就如同我们人类有男女、动物有雌雄一样，磁体也分为南极和北极。而且所有的磁体都是喜欢异性、排斥同性的，所以当两块磁体的同一极相互靠近时，它们就会相互排斥；而当它们的不同极相靠近时，它们又会互相吸引。

为什么磁体都有一定的作用范围？磁力又是怎么产生的呢？其实，磁力和电子产生的电力是同一种力，所以也经常有人将磁力叫做电磁力。每一个带有电子的原子都有轻微的磁性，而磁体就是将这些原子集合在一起，所以才产生了强大的磁力。磁力从磁体的北极出发，然后再回到南极。在磁体的周围，存在着磁场，就是它将磁力传递出去的。磁体之间的相互作用也是通过磁场发生的。所以说，磁场是传递磁力的媒介。现在，你该明白为什么磁体可以吸引并没有与它接触的铁钉了吧！

电和磁的联系

人类虽然早在几千年前就已经发现了电现象和磁现象，但是却一直都认为它们是风马牛不相及的两回事。直到19世纪30年代，英国的物理学家法拉第发现了电和磁之间是有联系的，这才使人们的思想得以转变。他不仅发现了很多有趣的电磁现象，而且还大胆提出了“由电产生磁，由磁产生电”的设想。后来，他的研究实践也证明了他的想法是对的。所以说，我们人类能够走进电气化时代，法拉第所做出的贡献是不可磨灭的。

法拉第是怎样证实他的设想的呢？1821年，他发现了电可以产生旋转运动，证实了电可以生磁。我们可以做一个简单的实验：在一根导线的周围放上几根小磁针，当导线通电以后，我们就可以发现，这些磁针发生了偏转，这就说明导线在通电以后，周围产生了磁场。我们还可以将导线缠在铁棒上，通电之后再用一个铁钉去靠近它，发现铁钉可以被铁棒吸引。这说明通电的导线使铁棒磁化，并产生了磁力。我们今天所用的电动机，就是根据这个原理制成的。

1831年，法拉第又发现了电磁感应现象，证实了磁可以生电。我们同样可以通过实验去验证它：将一根带线圈的导线与电流表相连，然后让一块磁铁通过线圈。这时我们可以发现：当磁铁在线圈中运动的时候，电流表的指针发生了偏移。这就说明导线中产生了电流。而且我们还可以发现，磁铁的运动越快，电流表的指针偏移得越明显，也就是说产生的电流越大。我们今天所用的发电机和变压器，就是根据电磁感应的原理制成的。