你是否也总是听妈妈说
可乐会腐蚀骨头
造成骨质疏松
这究竟是真是假？
我抱着可乐深思

Q1

防空警报是怎么发出的，为什么全区都可以听到？

by 匿名

答：

防空警报的声音是由防空警报器发出的。防空警报器分为电动型和电声型。

电动型警报器依靠机械方式发出声音，分为立式和卧式。其核心结构就是两个轮子，一个固定的，称为定轮，一个可以转动的，称为鸣轮。发出警报时，鸣轮在电动机的带动下高速转动，转速最高可达到2880转/分钟，带动空气从进风口进入警报器，高速的空气收到挤压从定轮的音窗挤出同时产生共鸣，发出声音。而电声型警报器则是将电动警报器的声音数字化，利用数字音频信号发生，再经过大功率扬声器进行放大输出，是一种数字信号。

警报器发出的声音洪亮，在无遮挡、无干扰的情况下可以传出数公里远。但在城市环境中，警报声容易受到城市建筑物的遮挡，同时城市中充斥着许多噪音源，因此单个警报器很难做到大范围警报。要想全区都能听到，也很简单：多装几个警报器就是了。别笑，这是真的，在合适的位置安装警报器也是一门学问呐。

参考资料：

涨姿势！原来防空警报用的不是扩音喇叭……

by 霜白

Q.E.D.

Q2

请问白炽灯里的钨丝在通电后发光的原理是什么？日光灯灯管和LED灯发光的原理又是什么呢？

by 匿名

答：

白炽灯主要是靠电流加热灯丝达到白炽状态时发光的。白炽是指物体在高温时自发发出电磁辐射的状态，是热辐射的一种特殊情况。实际上，任何固体或液体在高于大约525℃时，都会开始发光，颜色略带暗红色。而随着温度升高，物体发出的光更亮，颜色从红色变为白色最终变为蓝色。物体白炽温度通常很高，因此对灯丝的要求就是耐高温，我们常用的白炽灯之所以选择钨丝也正是因为此。不过白炽灯发光效率很低，大部分能量都以热量的形式散失掉了。优点则是显色性好。

至于日光灯和LED灯，篇幅所限，我们仅作简要介绍。

日光灯的发光原理是汞的电离，日光灯由镇流器、启辉器、灯管组成。接通电路后，电压使启辉器中的惰性气体电离，产生辉光放电，加热灯丝放出电子，这时由于机械装置电路断开，镇流器由于自感产生大电动势，电子在电动势作用下电离灯光中的氩气，在灯管中营造一个导电的等离子体环境，同时产生热量，而上述过程一直持续到灯管的热量可以使灯丝持续释放电子，这就是启动过程。启动后，灯管中的电子可以激发汞蒸气的外围电子，受到激发的汞外层电子回到基态，同时放出光子。不过，汞的电离放出的光线波长为253.7nm和185nm，为紫外线，紫外线通过荧光粉涂层转换为可见光。

LED，即发光二极管，由一个PN结组成。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，发光颜色也就不同。

参考资料：

incandescence

Fluorescent lamp

by 霜白

Q.E.D.

Q3

声音的音色会在其波形上表现出来吗?

by 匿名

答：

会的哦。

我们知道，声音的三要素为：响度，音调和音色。响度由振幅决定，音调由振动频率决定，音色由发声物品的材质决定。对于不同的材料，振动产生的波形是不同的，因此产生了不同的音色。

以钢琴为例，当琴锤敲击琴弦后，琴弦会振动发声。每一根琴弦都有它的固有频率，这个频率就是它的音高。但是琴弦并不只有固有频率一种振动方式，它同时会产生这个频率的二倍，三倍等等许多频率的振动。

不同的材料，他们的泛音所占的强度比是不同的，因此会出现不同的波形，也就是我们说的听到的不同的音色。即使对于同一种琴弦，轻敲（能量低，泛音少）与重敲（能量高，泛音多）的音色也是不同的。

参考资料：

音色的秘密 | 为啥小提琴和钢琴的声音不一样？

by 岷客

Q.E.D.

Q4

碳酸饮料喝多了会造成钙流失吗？

by 匿名

答：

有可能会！

关于碳酸饮料的危害，一直都存在一定争议，不过近年来的研究倒是消除了不少碳酸饮料的负面消息。

首先是题目中提到的钙流失。某些碳酸饮料确实有可能造成钙流失，不过罪魁祸首不是碳酸，而是磷。酸确实会溶解碳酸钙，但碳酸的酸性还不如醋酸，那山西人岂不是没有“硬骨头”了，所以仅从酸性的角度看，碳酸影响不大。但某些碳酸饮料会添加磷酸或磷酸盐来增加饮料的风味，有理论认为过量的磷会影响骨钙的吸收，造成钙流失。不过另一方面，磷同样是人体必需元素，成年人适宜的磷摄入量是每天700毫克，这至少需要摄入10罐330ml装的可乐，而磷的耐受值3500毫克。不过人体也可以从其他方面摄入磷，因此，我们能喝的可乐变少了。所以结论是：对于身体健康的成年人，在钙摄取充足的前提下，适量喝汽水不会损害骨骼，也不会导致骨质疏松[1]。再强调一遍：对于身体健康的成年人，在钙摄取充足的前提下，适量喝汽水不会损害骨骼，也不会导致骨质疏松。也有研究表明，可乐饮料与女性髋骨骨密度降低有关，其他碳酸饮料则没有此现象，其原因可能与咖啡因有关[2]。所以，千万不能拿碳酸饮料当水喝！

现代人其实还在关注碳酸饮料对牙齿的损害。碳酸饮料对牙齿的危害主要有两个方面：饮料的低PH 值对牙齿表面的直接腐蚀、破坏；碳酸饮料中的可发酵糖扩散到牙菌斑，经微生物发酵产酸，引起龋病及牙酸蚀症。而且碳酸饮料的发泡作用会加剧上述两种破坏的程度[3]。研究表明：将离体牙齿泡在碳酸饮料中可以明显观察到牙釉质损伤，直接饮用饮料损伤轻一些，用吸管则可以明显减轻牙齿的损伤，饮用后刷牙或漱口效果不大[4]。因此，为了保护牙齿，应减少饮用碳酸饮料。

虽然碳酸饮料的危害可能没有大家想象的那么大，但饮料中的糖分、咖啡因等确实不宜过多摄入，因此，大家还是控制碳酸饮料的饮用。最好的饮料还是白开水。

参考文献：

[1]冯丽妃.常喝碳酸饮料会造成骨质疏松吗?[J].今日科苑,2014(09):72-73.

[2]邱医生.碳酸饮料会损害骨骼吗?[J].心血管病防治知识,2010(07):77.

[3]周娟,朱友家.碳酸饮料对青少年恒牙釉质脱矿作用的体外实验研究[J].临床口腔医学杂志,2012,28(03):182-184.

[4]徐亚男. 碳酸饮料与大学生运动员牙本质敏感的流行病学抽样调查[D].安徽医科大学,2017.

by 霜白

Q.E.D.

Q5

是奥斯特先发现了电流的磁效应，然后法拉第才发明的发电机，那么，奥斯特哪来的电呢？是闪电转换而来的吗？

by zyx—同学

答：

人类利用电的历史远比法拉第发明发电机要早。

早在十八世纪，人们就发明了原始的电容器——莱顿瓶，并用它来储存静电、用做电学实验的供电来源[1]。典型的莱顿瓶是一个玻璃容器，内外包覆着导电金属箔作为极板。瓶口上端接一个球形电极，下端利用导体（通常是金属锁链）与内侧金属箔或是水连接。充电之后瓶子内外的金属箔就会带上符号相反的电荷——至于怎么充电，先卖个关子。

十八世纪末，伽伐尼发现死青蛙腿在接触到电火花的时候会痉挛并产生电力[2]——当然他对这一现象的解释受到了时代的局限。受伽伐尼启（争）发（论），伏打（就是电压单位的那个伏特）发明了人类历史上第一个原电池——伏打电堆[3]。伏打注意到了不同种金属通过盐水接触时会产生电流，1800年，伏打堆叠了几对交替的铜或银以及锌盘（电极），其中用浸有盐水（电解液）的布或纸板隔开，就制成了伏打电堆。

翻回前面卖的关子。法拉第的能够输出电流的发电机确实要到19世纪中叶才被制造出来，但是在此之前，人们已经能够制造静电发电机，并用来给电容器充电了。德国发明家奥托·冯·格里克在1663年就制造出了初始形态的摩擦发电机，通过摩擦一个硫球来起电；之后，艾萨克·哪里都有我·牛顿把硫球替换成了玻璃球；到了1787年——比法拉第发电机早大约50年的时候——经过不停改进的静电起电机已经可以用于医疗目的。经过二百多年的发展，静电发电机在20世纪初叶进化出了高达形态——物理课本上介绍过的范德格拉夫起电机[4]。

参考资料：

莱顿瓶

伽伐尼的青蛙

伏打电堆

静电发电机

范德格拉夫起电机

by 藏痴

Q.E.D.

Q6

假如把地球掏一个贯通的孔（通过地心），不考虑温度因素，在孔口放一个小球，最终小球会停在地心处吗？

by 然然

答：

省流版：忽略阻力的话，不会。

我们把地球抽象成质量均匀的理想球体，半径为R，并忽略开孔对地球质量分布的影响。当质量为m的小球距离地球球心为r(r＜R）时，小球只受到一个半径为r的球的引力，半径从r到R的球壳对小球的引力合力为零。所以小球在r处受力为。负号代表力的方向与坐标方向相反。这是一个简谐运动！地球对小球的作用，就像一根超长的弹簧一样，使得小球以地心为平衡位置做周期性的简谐运动。

下面我们来证明一下球壳对内部点的引力合力为零：

对于一个厚度为d的很薄的球壳，以球壳内任意一点为顶点构造一对对顶的圆锥，圆锥的顶角θ很小，这样球冠的面积就可以用圆锥的底面面积代替（虽然看起来这是一个近似，但是就像微积分一样，只要θ取得足够小，这一代替就是准确的），球冠中红色部分对应的体积就是,这一部分对A点的引力就是，这是一个常数！因此对顶圆锥对应的两个球冠（红色和蓝色部分）对A点的引力互相抵消。保持A为中心不变，改变θ，总有两个对顶圆锥；这两个对顶圆锥对应的球冠对A点引力总会抵消。因此球壳对内部任意一点的引力合力为零。

在这里我们加了很多的假设，比如质量均匀（密度不变），得到了一个简单而优雅的简谐振动的结果。那么如果不加这么多假设会怎么样呢？这里先卖一个关子，在后面的问题中可以找到答案。从抽象到真实、从简单到复杂，这就是物理研究层层递进的美学奥义。

by 藏痴

Q.E.D.

Q7

在一部科幻小说中写到越接近地心引力越小，那么在现实中是否是这样呢？

by 宇

答：

如果地球内部的密度是均匀的，那么这个论断是成立的。但是显然，地球内部不可能是均匀的，那么对于变密度的情况，结果如何呢？这个问题使用微积分可以轻易讨论，在这里我们假设地球的密度仅与其距离地心的距离r有关。

这个东西随着R的变化率就是求一下导啦。

地球是匀质的情况，就是代入是常数，得到

所以越远离地心(越大)受到的重力越大。

但是观察这个表达式就可以看出，大于零还是小于零是和的形式，也就是地球内部的质量分布有关系。所以不能一概而论哦。

by Luna

Q.E.D.

Q8

为什么正负电荷互相吸引?

by 羊

答：

首先我要说明一点。如果细究正负电荷相互吸引这个问题的本质是什么，我要问答你：到目前仍然是未知。但我们目前的物理理论是能够完美正确的解释这个现象，接下来我就用两个不同的角度来解释正负电荷相互吸引。

第一种：

库伦定律：真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力同它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。

电场：电荷周围存在着的一种特殊物质。可以用虚拟的电场线来表示，这一概念在19世纪初由法拉第提出。

麦克斯韦方程组：它由四个方程组成，描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。

好，到这里停一下，第一个角度就出来了：当正电荷放在某个空间时，它的周围会产生电场，而电场就会对放入其中的负电荷产生吸引的电场力，放入其中的正电荷产生排斥的电场力。这也是我们高中甚至大学阶段接触到的，它是正确的吗？当然它是正确的，不要怀疑！

第二种：

接下来用量子场论来进行解释，放心，就写一点点来解释清楚，肯定没有额外公式和特殊符号（手动狗头）。量子场论是一个结合了经典场论(包括电磁场)、狭义相对论和量子力学的框架，它主要用于高能物理中。量子场论的核心：粒子就是场的量子激发，每一种粒子都有自己相应的场。在量子化过程中，玻色场满足对易关系，而费米场满足反对易关系，从而粒子之间的相互作用和动力学可以用量子场论来描述。我用下面的费曼图来解释同性电荷互相排斥

在费曼图中，粒子由线表示，费米子（电子是费米子哦）一般用实线，光子用波浪线，玻色子用虚线。一线与另一线的连接点称为顶点。费曼图的横轴一般为时间轴，向右为正，左边代表初态，右边代表末态。

一个电子在左端交点处发射出一个光子γ ，能量降低，转换为动量；另一个电子在右端交点处吸收一个光子γ ，变成高能电子，然后再释放出光子，能量降低，转换为动量。这样动量和能量在两个电子间不停循环交换，就表现出同性电荷互相排斥，异性电荷相互吸引的物理过程是基本一样的。

参考文献：

S.温伯格.《量子场论》[M].北京.高等教育出版社. 2021

by justiu

Q.E.D.

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编辑：穆梓