为什么有时候被蚊子叮，我却察觉不到，是蚊子的特殊手法吗？| No.313

原创 Frions 中科院物理所

夏天到了
我们又要在蚊子奏鸣曲中入睡了
不过为什么
有时候蚊子叮人就能感到疼
有时候就没有呢
另外，明天
中二所的奇妙冒险——
2022中科院物理所 哔哩哔哩公众科学日
你懂的

Q1

既然钢比菜硬，为什么刀会钝？

by 匿名

答：
一言以蔽之，曰：水滴石穿。
诚然，水滴石穿里有化学作用，但是仅就物理作用而言，二者还是比较相似的。
新磨好的刀刃示意
刚磨好的刀，刀刃的截面应该大致是上面这个样子。刃的最前端其实很薄，甚至可能只能并排挤下几千到十万个原子（0.1到10微米量级），取中间值约几万个。平常切菜的时候，要靠这大约几万个原子厚的刀刃切断食物的纤维，并与案板发生碰撞。虽然案板表面也会被切出刀痕，但是牛顿第三定律在这里终归还是成立的，案板对刀刃也会有力的作用——由于切菜并不总是垂直用力，这种碰撞会经常对刀刃产生侧向的力。如果这个力超出了刀刃的弹性限度，那么刀刃就会发生无法恢复的形变。这些形变会逐渐累加，假如一天切一百下菜，两个月就是六千个微小形变的累加——假设切一次菜产生的不可恢复形变在纳米级，六千次累加也会产生几微米到几十微米的形变——这已经能与刀刃本身厚度相比拟了。因此刀刃就变成了下面的样子——变钝了。
钝刀刀刃示意
by 藏痴
Q.E.D.

Q2

为什么面团加盐会让面条变得更劲道？

by 匿名

答：
面团中存在面筋网络，这是面团筋道的来源。面筋是一种致密、网状、充满弹性的结构，为脂质-蛋白质复合体。
小麦面筋中含有麦谷蛋白与麦醇溶蛋白，同时这两种蛋白质也是小麦中特有的蛋白质。在和面过程中，这两种蛋白质吸水溶胀发生交联聚合反应，从而形成面筋网络，因此这两种蛋白质也被称为面筋蛋白。面筋蛋白的交联指的是面筋蛋白内部肽链之间形成分子内或分子间共价键，主要包括二硫键交联和非二硫键交联，其中二硫键交联起到关键作用。
食盐中的离子与水形成水合离子可以增强分子间的相互作用，有利于面筋网络的形成，因此可以提高面团的筋性。另一方面，食盐也可以促进发酵。但过量的食盐由于其高渗透压会使蛋白质变性，不仅不利于面筋网络的形成，也不利于发酵。
除了食盐外，加入鸡蛋或碱也可以使面更筋道。鸡蛋中含有大量带巯基的蛋白质，鸡蛋中的蛋白质可以参与到面筋网络的形成过程中，使得面筋网络更加稳定。碱有利于二硫键的形成，可以使面更筋道，但碱也会带来碱味。
参考资料：
就为这顿饺子，我才学的物理
by 霜白
Q.E.D.

Q3

为什么颠锅的时候锅里会着火？

by 新东方大厨

答：
回答这个问题前需要知道食用油的几个“点”，分别是烟点、沸点、自燃点。烟点是指是加热的油开始产生烟的最低温度，这与食用油的种类和杂质密切相关。自燃点指的是，常压下，可燃物在没有外部火源点燃时发生自燃的最低温度。下面这张表给出了精炼过的菜籽油、大豆油、橄榄油的烟点、沸点、自燃点。我们在市场上买到的食用油一般都是一级食用油（也就是精炼过的），其烟点在215℃以上。
在炒菜的过程中，锅内的温度一般在180℃左右。这个温度其实并没有达到食用油的烟点，食用油理论上不会产生油烟，也就不会被火苗引燃。同时，这个温度也没有达到食用油的自燃点，食用油理应不会燃烧。既然如此，那么锅内为什么还会着火呢？这其实是因为爆炒的时候，锅内的温度超过了水的沸点，水受热汽化产生大量水蒸汽的同时，还将油带出来了，形成了油雾。颠锅的时候，油雾与火焰接触，而火焰的温度超过了食用油的自燃点，油雾被点燃，从而出现了锅内着火的现象。
关于食用油再多说一句，土榨油因为没有精炼，其烟点较低，在较低温度下就会形成油烟，而油烟是一种PM2.5，对身体有害，因此为了身体着想，烹饪时最好还是用经过了精炼的一级食用油。此外，煎炸食物的时候，尽量选用烟点较高的食用油。
参考资料：
Auto-Ignition of Cooking Oils final
Cooking oil
by 重光
Q.E.D.

Q4

蚊子将口器插入皮肤，为何有时痛有时没感觉？

by 不希望

答：
因为刺激大脑产生痛觉的不是整个皮肤，而是皮肤中的痛觉感受器。皮肤中的痛觉感受器实际上是一种神经末梢，分布在皮肤的真皮乳头内，大小大概只有30~100μm，也就是0.03~0.1mm[1]。它们在不同部位皮肤中的分布密度并不均匀，分布最密的地方是手指尖和脚趾尖，密度大约 100~200个/，也就是每厘米大约排列10~14个[2]。因此在感觉不敏锐（也就是感受器稀疏）的位置，相邻的痛觉感受器之间其实有相当可观的空隙，完全可以容纳直径在几百纳米量级[3]的蚊子口器。因此，如果蚊子的口器戳在了痛觉感受器上，我们就会觉得“被咬得疼”；如果蚊子刚好把口器插在痛觉感受器之间的空隙，那我们在被叮的时候就不会产生痛觉。
参考资料：
[1]神经末梢
[2]痛感神经
[3]孔祥清、曲艳东、章文姣、吴承伟《蚊子口针刺入皮肤的刺入力分析》[J]科技导报 2013.31(22)
by 藏痴
Q.E.D.

Q5

负分贝是种什么情况？

by 奋斗的大哈

答：
这就涉及到，“分贝”到底是一种怎样的单位？
分贝是度量两个相同单位的量的比值的单位，通常用dB表示。实际上，就像米（m）和分米（dm）一样，分贝也有一个对应的单位，称之为“贝尔”，用B表示，它和分贝之间的换算关系为：1 B=10 dB。不过我们一般都是用分贝（dB），而很少用到贝尔（B）。
在应用上，通常用于表示两个功率之间的比值。
一种广泛给人们熟知的应用是用分贝来描述声音的大小，更准确的称呼为“声强等级”（sound intensity level）。声强等级根据声音强度和标准声音强度之间的比值定义
一般选择的标准声音强度为。
现在我们回到题主的问题：负数的分贝值代表了什么？根据分贝的定义，-10dB的声音对应于强度为的声音。和我们一般的认知并不同，负分贝并不代表声音的强度真的是负数了，而是比标准声音强度小了。事实上，不论分贝值是负多少，描述的声音的强度都不会为负数值。
参考资料：
Decibel
Sound intensity
by Paarthurnax
Q.E.D.

Q6

极光是怎么形成的？为什么有不同的颜色？

by 匿名

答：
极光产生条件：大气、磁场、高能带电粒子，这三者缺一不可。因此，太阳系中其他有磁场和大气的行星也有极光现象。极光是一种大规模放电的过程。来自太阳的高能带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当它们进入极地的高层大气时，与大气中的原子（主要是O）和分子（主要是N₂）碰撞，使得O原子、N₂分子处于激发态，O原子、N₂分子退激发时以光的形式释放能量，形成了极光。
地球的极光主要是绿色和红色，这和地球大气的成分有关，地球大气主要是由N2、O₂构成的。O贡献了极光中的绿色和褐红色，N₂贡献了极光中的蓝色和红色。
by 重光
Q.E.D.

Q7

绝对零度这个零点是怎么确定的？

by 时代前进

答：
热力学第三定理告诉了我们这个问题的答案：在系统的温度趋于绝对零度时，系统的熵也趋于零。所以系统的熵为零的时候，就对应于绝对零度。
不过，这样的答案或许听起来有些“玄学”了，下面说一个实验上可以实现的确定绝对零度的方法。我们在小学二年级应该都学过了理想气体的状态方程：
其中为气体压强，为气体体积，为气体的物质的量，为绝对温度，为普适气体常量。
如果我们取一定量的理想气体装入一个固定体积的容器中，那么气体压强p和摄氏温度t之间的关系为
其中为绝对零度对应的摄氏温度。那么通过测量压强和温度之间的关系，就可以得到绝对零度对应的摄氏温度了。但是因为我们不可能真的将一个气体降低到绝对零度，而且一般来说在远高于绝对零度的时候很多气体就已经不能看作是理想气体了。这时我们可以通过外推法确定曲线的横截距，这样我们就确定了绝对零度的零点了。
参考资料：
Third law of thermodynamics
by Paarthurnax
Q.E.D.

Q8

运动中的电子产生的磁场会因参考系的选取而不同，这是不是相对论效应的体现？

by salt

答：
省流：是
更广泛地说，磁场可以认为是电场的相对论效应。相对论中证明了尺缩效应的存在，例如对于某个惯性系S来说，存在一个静止的电荷分布，那么对于相对惯性系S运动的另一个惯性系S'来说，由于存在尺缩效应，电荷分布将会发生变化。如果不存在磁场的话，那么对于S系和S'系来说，这个系统中表现出的电磁现象必定是不同的，这违背了狭义相对性原则。所以，磁场就出现了，它可以被认为是作为电场的相对论效应存在的，与磁场作用产生的洛伦兹力则可以“补偿”在不同参考系下由于电荷分布的变化引起的电场力的变化。
更进一步，可以考虑一个简单的模型，来定量计算一下～
假设在惯性系S中存在两个相互平行的、无限长的、带电直线，电荷线密度为，他们之间的间距为，此时不存在电流，所以仅仅需要考虑电场力，此时每一根直线单位长度上受到的相互排斥的力为
现在我们切换到另一个相对惯性系S向左以速度运动的惯性系S'。考虑尺缩效应，每条直线上的电荷分布会更加“密集”，也就是说，电荷线密度变成了
同时，由于电荷的运动，每条直线上也产生了向右流动的电流。
首先考虑电场，电场的存在会使得导线之间存在一个大小为的排斥力
可以看出，如果不存在磁场的话，那么在S'系中的电场力会大于在S系中的电场力。再考虑磁场，两个相互平行的电流之间存在相互吸引力，吸引力的大小为
综合考虑电场和磁场的影响，那么两个直线的单位长度上的相互作用力为
显然
因此，通过这个例子可以看出磁场可以认为是电场的相对论效应，这样保证了在不同的惯性系下可以观测到不同的电磁现象。但是这样也从另一方面说明了，电场和磁场是相互统一的，将电场和磁场割裂开并不是一种明智的做法。所以在近代物理里面，我们更倾向于用一个量来描述电磁场，被称为麦克斯韦张量，或电磁张量数学公式:
by Paarthurnax
Q.E.D.