科学故事.doc

有趣的物理故事在第二次世界大战期间,希特勒的空军不断轰炸英国,炸弹从天而降。英国一家面粉厂的厂主暗自庆幸炸弹没有击中他的厂房,但几乎与炸弹落下的同时,车间里自己发生了大爆炸,屋顶飞上了天,爆炸的威力超过了炸弹的破坏作用。与此同时,其他几家面粉厂也发生了爆炸。这种奇特的爆炸使工厂损失惨重,而且令人莫名其妙,因为没有炸弹落到厂房上,况且车间里只有面粉和机器,没有炸药一类爆炸物品。那么,产生这种奇怪的爆炸原因是什么呢? 原来,由于炸弹爆炸的气浪掀起了车间里的面粉粉尘,使得空气中所含的面粉达到了一定的浓度,并且遇火后发生了爆炸。爆炸物是面粉。少年朋友也许会穷追不舍:面粉又不是炸药怎么会爆炸呢? 我们知道,面粉厂里的粉碎机要把小麦加工成很细很细的面粉,粉碎机就要消耗电能而对被加工的物料做功,使物料被粉碎。其中,粉碎机所做的功的一部分转化成能量,而储存在被粉碎以后的物质颗粒表面,这部分能量在物理化学中被叫做“表面能”。并且,对于一定的物质来说,被粉碎的程度越大,即颗粒越小,则表面积越大,那么表面能也就越大。但是,若把它粉碎成面粉一样细小的粉尘后,×106焦耳,即相当于把同样重的物体举高2700米所做的功,表面能竟增大了1000万倍! 由于粉尘具有这么高的表面能,同大块的物料相比,它就很容易发生物理变化或化学变化将其能量释放出来。这个道理就好似由于高处的水比低处的水有多余的势能,因此它要向低处流一样。所以,这些平时看起来微不足道的细小粉尘一遇适宜的条件,与空气充分混合,遇火后,它就会迅速地发生激烈的燃烧反应,在瞬间放出巨大的能量,这样一个令人惧怕的事——面粉爆炸也就随之发生。不光是面粉,凡是易燃烧的粉尘如可可、软木、木材、轻橡胶、皮革、塑料,以及几乎所有的有机化合物和各种无机材料如硫、铁、镁、钴等的粉尘,如果这些粉尘在空气中达到一定的浓度时,只要一遇到明火,即使是星星之火,也会引起一场轩然大波——发生剧烈的爆炸,而且有时这些细尘的爆炸也决不亚于炸弹的破坏作用。例如,在1846年,英国的哈尔威煤矿发生了一次大爆炸,当时著名科学家法拉第为英国内务部调查这次爆炸事件的报告上曾这样写道:“甲烷混合物的燃烧和爆炸会掀起存在于坑道里的全部煤尘,○六年俄国首都彼德格勒(今列宁格勒)有一支全副武装的沙皇军队,步伐整齐,不可一世地通过爱纪毕特大桥。这座大桥十分坚固,纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官洋洋得意的时候,突然间哗啦一声巨响,大桥崩塌了。顿时间,官兵,辎重、马匹纷纷落水,马嘶人号,狼狈不堪……。经过长期追查研究,发现并不是有人故意破坏,肇事的就是受害者自己。伤亡事故的根本原因是「共振」在作怪。什么叫共振呢?可以打个粗浅的比方来说明:一个人坐在秋千板上不动,另一个人一下一下地推,假设每当秋千荡去的时候就推一下,如此合拍她进行下去,秋千会越荡越高。用严格的物理学语言来说,振动体在周期性变化的外力作用下,当外力的频率与振动体固有频率很接近或相等时,振动的幅度就急剧增大,这种现象叫做共振。上面所提到的那些军人的步伐太整齐了,而其频率恰好接近于爱纪毕特大桥作自由振动的固有频率,激起了桥梁的共振,结果造成了大事故。为了接受这次血的教训,此后世界各地都先后规定:凡大队人马过桥时必须碎步走,极力避免这种破坏性的共振现象重演。前面已经说过,发声体就是一个振动体。它在空气中造成的声波,也可以使另一个物体发生振动,如这物体的固有频率接近或相等于声波的频率,就发生共振,使这个物体的振动幅度很大,因而也就发出了相当大的声音来。这种发声体的共振,叫做共鸣。几则关于共鸣的故事东汉以后三国纷争年代,有一天,魏都洛阳宫殿前面的一口大钟,突然无缘无故地鸣响起来。满朝文武议论纷纷,有的以为是不祥之兆,也有人乘机献媚,把它说成是祥瑞,替皇帝歌功颂德一番。至于魏帝本人则疑虑重重,他本来就担心司马氏集团有不臣之心,对曹家天下虎视耽耽,觊觎已久。这次大钟不敲自鸣,莫非就是上天给他的某种暗示?总之,造件事闹得他心惊肉跳,简直惶惶不可终日。事情传到青年张华耳中,只见他思忖片刻,从容说道:「那没有什么值得大惊小怪的地方,不过是因为四川铜山有山崩发生,因而引起宫中大钟相应自鸣罢了。」当时崇尚迷信,张华的科学见解犹如「阳春白雪,和者盖寡。」可是几天以后,四川的消息飞来,正是在洛阳钟自鸣的那个时辰,蜀中发生了一起铜山崩塌事件。张华的预言应验了,从此名声大振,而魏晋也总算吃了一颗定心丸,于心稍安。又有一天,一个人来向张华请教,说是他家有一个洗澡用的大铜盆,每日早晚总会嗡嗡作响,就像有人在敲打一般,也不知什么缘故。张华答道:这只铜盆和洛阳宫中大钟的音调相谐,宫中每天早晚都要撞钟,所以使铜澡盆有声相应。张华还告诉他只要把铜澡盆锉掉一点,使它变轻了,便不会再作响