物理爱好者

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金碗不如木碗好

茹自青

传说，有个国王要给臣民们赐发鸡汤，并宣布：谁喝得最快，谁对国王最忠。不同地位的人喝汤，用的碗不一样：皇族用金碗，大臣用银碗，卫士用铁碗，随从用木碗。 　　赐汤的时辰到了，众人跪下，厨师为每个人都盛满了一碗热汤。主事人一声令下，大家开始喝汤。皇族、大臣和卫士们个个心急如火，巴不得端起碗，一口把鸡汤喝下去，但是他们一摸到碗，立即就被烫得把手缩回去。随从们却不慌不忙地端起碗，最先把汤喝完了。 　　为什么随从能端起碗，先把鸡场喝完呢？为了回答这一问题，让我们先作一个实验。 　　取形态完全相同的三根筷子，一根是木质的，一根是铜的，一根是铁的。在它们上端侧面用猪油各粘住一粒黄豆，粘好后把筷子的下端放在玻璃杯里，再向杯里倒入适量的开水，注意不要让木质筷子离开杯底。这样你就会看到：铜筷子上的黄豆很快就掉了下来；再过片刻，铁筷子上的黄豆也掉了下来；而木筷子上的黄豆却不掉下来。 　　这个实验说明，不同的物质传导热的本领是不同的。人们把善于传导热的物体叫做热的良导体，把不善于传导热的物体叫做热的不良导体。科学家通过大量实验证明，金属是热的良导体，其中银和铜的导热本领最强。石头、陶瓷、玻璃、木材、皮革、棉花等是热的不良导体。正因如此，当皇族、大臣和卫士用的金属碗还烫得不能用手端的时候，随从却能端起不烫手的木碗，不慌不忙地喝鸡汤了。

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“煮不死”的鱼

茹自青

取一个大试管，里面装满水，再放入一条小鱼，为了不让小鱼跑到试管上部，在试管中间横放一个隔离网。然后用酒精灯加热试管上部（图3－8甲）。可以看到，试管上部的水沸腾了，底部的小鱼却依然游来游去，若无其事。 　　为什么“开水煮不死”小鱼呢？这是因为，水极不容易传热，即使试管上部的水温升到100℃，下面的水仍然是凉的，所以下面的鱼不会被煮死。 　　如果把小鱼放到隔离网上面，用酒精灯烧试管下部（图3－8乙），又会怎样呢？可以看到不一会小鱼就被烫死了。 　　水既然不容易传热，为什么烧试管下部时，上面的水会很快升温呢？原来这是热传递的另一种形式──对流起了作用。试待下部的水受热以后，体积膨胀，密度减小，热水就会上升，上部的冷水就下降，降到底部的冷水，被加热到比上部的水温还高以后，下边的热水又重新上升，如此循环不止，这种现象就是对流。试管上部的鱼被烫死就是对流的结果。 　　烧开水时，锅里的水也一直在上下对流，直至沸腾。

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冻短了的桥



茹自青



　　今天是学科学小组的活动日，小组长王芳同学宣布：这次活动咱们讨论关于热胀冷缩问题。通过这次讨论，希望大家能广泛了解热胀冷缩现象在生产和生活中的具体应用，进而加深对热胀冷缩现象的理解。我们的顾问赵老师参加了咱们的活动，有不懂的地方，请赵老师指导。下面先由张丽同学给大家读一段有关的历史资料：

　　“1927年12月，法国巴黎连续几天道到严寒的袭击，市中心的塞纳河大桥，因桥的铁架受冷收缩过大，造成桥面碎裂，所以此桥停止使用。”

　　王刚接着说：“热胀冷缩的现象日常碰见的很多。火车的铁轨与铁轨连接的地方，总要留一点空隙。这个空隙夏大变小，冬天增大，这是由于铁轨热胀冷缩造成的。”

　　李明说：“一只铁皮盖的瓶子，如果铁皮盖太紧打不开，只要把它加热，铁皮盖受热膨胀，就容易打开了”。

　　孙军抢着说：“有一次打乒乓球时，不小心把球捏了个坑，有人告诉我把乒乓球放到开水水里烫，这样凹不去的坑就会因球内的空气受热膨胀把球撑圆。”

　　正当大家讨论得起劲的时候，突然黄小虎大声说：“你们讲的都是热胀冷缩的事例，但是还存在着热缩冷胀现象呢！”

　　吴芬说：“没听说过热缩冷胀。”

　　小虎的话引起大家的思索，谁也不吭声，许多同学把目光集中到赵老师身上。赵老师微笑地站起来说：“小虎提的问题很好。大多数物体是遇热膨胀，受冷收缩的。但也有一些物体，在一定条件下是热缩冷胀。以水为例：当水在4℃以上时。也是热胀冷缩，但在4℃到0℃之间，就变成热缩冷胀了，所以4℃的水密度最大，这就是冬天水中的鱼能够生存下去的条件，当湖面结冰时，下面的水能保持在4℃。”

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十月铁路在什么时候比较长

对于下面这个问题：“十月铁路有多长？”──有人这样回答：“这条铁路的平均长度是640公里，夏天比冬天要长出300米。” 　　这个出人意外的答案，并不像你所想的那么不合理：假如我们把钢轨密接的长度叫做铁路的长度的话，那么这条铁路的长度就真的应该夏天比冬天长。我们不要忘记，钢轨受热会膨胀──温度每增高1摄氏度，钢轨就会平均伸长原来长度的万分之一。在炎热的夏天，钢轨的温度会达到30～40摄氏度或许更高些：有时候太阳把钢轨晒得摸起来烫手，但是在冬天，钢轨会冷到零下25摄氏度或者更低。我们就把55摄氏度当做冬夏两季钢轨温度的差数，把铁路全长640公里乘上0．00001再乘55，就知道这条铁路要伸长1／3公里！这样看来，莫斯科和列宁格勒之间的铁路在夏天要比冬天长出1／3公里，也就是说，大约长出300米了。 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　当然，事实上这儿伸长了的并不是这两个城市之间的距离，而只是各根钢轨的总长度。这两个东西并不相等，因为铁路上的钢轨并不是密接的：在每两根钢轨相接的地方，留出了一定大小的间隙，以便钢轨受热的的时候有膨胀的余地。数学的计算告诉我们，全部钢轨的总长度是在这些空隙之间增加的，在夏天很热的日子比冬天极冷的日子要伸长300米之多。因此事实上十月铁路的钢轨长度夏天比冬天长300米

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不受处罚的盗窃








　　莫斯科到列宁格勒之间的电讯线路，每到冬天总要有好几百米值钱的电报线、电话线遗失得无影无踪，但是没有人为了这件事情焦急不安，虽说大家都很清楚知道这是谁干的事情。当然，你也一定知道的：干这件事情的就是冬天严寒的天气。我们方才谈的关于钢轨的情形，对于电话线也完全适用，不同的只是，铜做的电线受热膨胀的程度比钢轨大，等于钢轨的1．5倍。要注意的是，电话线上是没有留出什么间隙的，因此我们可以毫无保留地相信，莫斯科到列宁格勒之间的电话线，冬天要比夏天大约短500米。严寒的天气就在每个冬季偷掉半公里长的电话线。但是并未给电讯工作造成什么损害，等到暖和季节到来以后，它又会把“偷掉”的电线给送回来了。

　　不过，这样在冷天收缩的情形，假如不是发生在导线上，而是发生在桥梁上的话，那么，所得到的后果就非常严重了。下面是1927年12月报纸上刊登的一条新闻：

　　法国遭到连续几天的严寒的袭击，巴黎市中心的塞纳河桥受到严重的破坏。桥的铁架受冷收缩，因此桥面上砌的砖突然碎裂了。桥上交通只得暂时断绝。

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艾菲尔铁塔的高度








　　假如现在问你，艾菲尔铁塔有多高，你一定会在回答“300米”之前，反问一句：

　　“在什么季节──冷天还是热天？”

　　因为你知道这么高的铁塔，它的高度一定不可能在什么温度都相同。我们知道，300米长的铁杆，温度每增加1摄氏度，要伸长3毫米。这座艾菲尔铁塔在温度增加1摄氏度的时候，大约也会加高这么多。在巴黎，夏天有太阳的时候，这座铁塔会给晒热到40摄氏度，而在阴冷的雨天，它的温度会跌到10摄氏度，冬天呢，那要跌到0摄氏度甚至于零下10摄氏度（巴黎严寒的时日不多）。你看，这座铁塔一年四季所受到的温度的变化要在40摄氏度以上，这说明了艾菲尔铁塔的高度可以伸缩3×40＝120毫米，就是12厘米（比这本书上的一行还长）。

　　直接度量的结果，使我们知道艾菲尔铁塔对于温度的变化，甚至比空气更敏感：它要比空气热得更快也冷得更快，在阴天太阳突然出现的时候，它比空气更早地起了反应。艾菲尔铁塔的高度，是用一种几乎不受温度变化的影响、始终保持原有长度的镍钢丝来量度的。这种镍钢叫做“因钢”（这是从拉丁文invar译音的，原意是“不变的”）。

　　就是这样，艾菲尔铁塔的顶端在热天要比冷天高出一段来，高出的一段大约有这本书上的一行这么长，这高出的一段是用铁做成的，但是这铁却不值一文钱。

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从茶杯谈到水表管








　　一位有经验的家庭主妇，当她把热茶倒到客人的茶杯里去的时候，为了避免杯子破裂，总不会忘记把茶匙放在杯子里，最好是银茶匙。是生活上的经验教会她这个正确的做法的。那么，这个做法的原理是什么呢？

　　首先，我们要明白，在倒开水的时候，杯子为什么会破裂。

　　这原因是玻璃的各部分没有能够同时膨胀，倒到杯子里去的开水，没有能够同时把茶杯烫热。它首先烫热了杯子的内壁，但是这时候，外壁却还没有来得及给烫热。内壁烫热以后，立刻就膨胀起来，但是外壁还暂时不变，因此受到了从内部来的强烈的挤压。这样外壁就给挤破了──玻璃破裂了。

　　你千万不要以为杯子厚就不会烫裂。厚的杯子在这方面来说，恰好是最不可靠的；厚的杯子要比薄的更容易烫裂。这原因很明显。薄的杯壁很快就会烫透，因此这种杯子内外层的温度很快会相等，也就会同时膨胀；但是厚壁的杯子呢，那一厚层的杯壁要烫透是比较慢的。

　　在选用薄的杯子或者别种薄的玻璃器皿的时候，有一点不要忘记：不但杯壁要薄，而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候，烫得最热的恰好是杯子的底部；假如底太厚的话，那么，不论杯壁多么薄，杯子还是要破裂的。有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器，也是很容易烫裂的。

　　玻璃器皿越薄，把它加热就越可以放心。化学家就是使用非常薄的玻璃器皿的，他们用这种器皿盛了液体，就直接在灯上烧到沸腾，一点也不怕它会破裂。

　　当然，最理想的器皿应该是在加热时候完全不膨胀的那一种。石英就是膨胀得非常少的一种材料，它的膨胀程度大约只等于玻璃的1／15到1／20。用透明的石英制成的厚壁器皿，可以随意加热也不会破裂。你可以把烧到红热的石英器皿丢到冰水里，也不必担心它会破裂。这一半是因为石英的导热度也比玻璃大。

　　玻璃杯不只在受到很快加热之后才会破裂，就是在很快冷却的时候，也有同样的情形发生，原因是杯子各部分冷缩时候所受的压力并不平均。杯子的外层受冷收缩，强烈地压向内层，而内层却还没有来得及冷却和收缩。因此，举例来说，装有滚烫果酱的玻璃罐，决不可以立刻放到严寒的地方或直接浸到冷水里面去。

　　好，让我们再回到玻璃杯里的银茶匙上来，究竟银茶匙是怎样保证杯子不破裂的呢？

　　玻璃杯的内外壁，只有当开水一下子很快倒进去的时候，受热程度才会有很大差别；温水却不会使杯子各部分受热有很大差别，因此也不会产生强大的压力，杯子也就不会破裂。假如杯子里放着一柄茶匙，那么会发生些什么情形呢？那时候，当开水倒进杯底的时候，在还没有来得及烫热玻璃杯（热的不良导体）之前，会把一部分的热分给了良导体的金属茶匙，因此，开水的温度减低了，它从沸腾着的开水变成了热水，对玻璃杯就没有什么妨碍了。至于继续倒进去的开水，对于杯子已经不那么可怕，因为杯子已经来得及略为烫热了。

　　总而言之，杯子里的金属茶匙，特别是这柄茶匙如果非常大，是会缓和杯子受热的不平均，因而防止杯子的破裂的。

　　但是，为什么说茶匙假如是银制的，就会更好一些呢？因为银是热的良导体；银茶匙要比不锈钢的茶匙散热得更快。你一定知道，放在开水杯里的银茶匙是多么烫手！单凭这一点，你就已经可以毫无错误地确定茶匙的原料了，钢制的茶匙是不会感到烫手的。

　　玻璃器壁膨胀不平衡的现象，不但威胁玻璃杯的完整，并且还威胁蒸汽锅炉的重要部分──用来测定锅里水位的水表计。水表管只是一段玻璃管，由于内壁受到蒸汽和锅里沸水的作用，要比外壁膨胀得多。此外，蒸汽和水的压力更加强了管壁上所受的压力，因此，这个管子（水表管）很容易破裂。为了防止它破裂，有时候用两层不同的玻璃管来做，里面一层的膨胀系数比外面一层小。