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《中学物理课本背后的故事》精彩片段(先睹为快)
《中学物理课本背后的故事》精彩片段(先睹为快)片段1 初中物理课本第二章第 1 节“声音的产生与传播”中写道：“声音传播的快慢用声速描述。声速的大小跟介质的种类有关，还跟介质的温度有关。15℃时空气中的声速是 340m/s。” 这里说，“15℃时”，这就暗示我们，空气中的声速与温度有关，温度不同时，空气中的声速大小也不同。 但这句话却没有说，这里的 340m/s，是哪一种声音在空气中的传播速度。 我们知道，声音有各种各样，彼此很不相同。大声喊叫的声音，难道不会比悄悄话的声音传得快些吗？尖锐刺耳的警报声与飞机低沉的轰鸣声，难道不会以不同的速度传播吗？ 片段2 初中物理课本第二章第 1 节（八年级上）的“小资料”列出了一些介质中的声速。我们看到，常温下声音在水中的传播速度为每秒 1500 米，是空气中声速的 4 倍多。 可是，说出来会让你吃惊：很长时间以来，科学家们认为，声音无法在液体中传播。 这些科学家可不是笨蛋。他们认识到，声音之所以能在空气中传播，是因为空气可以被压缩。比如，人们可以把气球捏小。可是，液体，比如水，能够被压缩吗？谁能把一杯水压缩成半杯水？如果液体不能被压缩，那么，液体就不可能传播声音。 液体真的不能被压缩吗？ 片段3 声音在介质（即声音在其中传播的物质）中的传播速度，一般是每秒几百米到每秒几千米。所以，为了测出声音在某种介质中的传播速度，要么需要能够测出非常短的时间，要么需要让声音传播很长的距离。 人们最初只能采用第二种方式，这就需要介质的尺寸非常大。长度很大的空气和水，都不难找。最早测量水中的声速，是在日内瓦湖进行的。而我们都生活在空气的海洋中。 初中物理课本第二章第 1 节（八年级上册）的“小资料”中，给出了声音在铁（棒）中的传播速度。物理学家最早是在什么时候测出铁中的声速的呢？在哪里找到几千米长的铁呢？ 片段4 布莱克博士毕业那一年，在笔记本中记下一个华伦海特发现的奇怪现象：能够把水冷却到冰点以下很多度而不结冰；可是，把水轻轻一晃，它马上结成冰，而且，温度计的读数飞快上升到 0℃。 这可太奇妙了！为什么当水结成冰时，温度计的读数会飞快地上升呢？ 布莱克猜想：这可能由于，冰点以下的水，与同温度的冰相比，前者含有的热要多出很多；当水变成冰时，由于冰不需要这么多的热，多出的热被释放出来，使冰的温度飞快升高。可是，当这些热在水中时，温度计的读数却很低，探测不出这种热的存在。这种热在水中好像把自己藏了起来，布莱克把它称为“潜热”：潜藏着的热。华伦海特的实验表明，在水中潜藏的热非常多。 当时流行的观点认为，当水温降到冰点附近时，只要再损失一点热，就会结成冰；反过来，位于冰点的冰，只要再获得一点热，就会化成水。 现在，布莱克看出，冰变成水与水结成冰，需要吸收或放出大量的热。他发现，日常观察到的许多自然现象，都与他的想法非常吻合。 比如，即使积雪周围的温度比冰点高出很多，雪也不会立即融化，而是要经过很长时间才能融化完。 片段5 初中物理课本第三章第 3 节“汽化和液化”（八年级上册）中写道：“清晨，人们有时会看到路边的草、树叶或昆虫身上结有露珠，这是空气中的水蒸气遇冷凝结成的小水滴。” 仔细思考一下这句话。你能不能发现什么？ 这句话说：一，露珠出现在草、树叶或昆虫身上；二，露珠是空气中的水蒸气遇冷凝结成的小水滴。 两句话合在一起，是不是“暗示”着，草、树叶和昆虫比周围其它物体都要冷？ 你也许会以为，露珠的产生过程很简单，人类早就知道露珠是怎么形成的了。 实际上，一直到 19 世纪初，人们才第一次弄清楚了露珠究竟是如何形成的。那时离现在只有大约 200 年！你有没有感到吃惊？ 当然了，很早就有人在思索或猜测：露珠是怎么产生的？ 两千多年前的亚里士多德认为，露珠是从天上落下来的，是肉眼看不见的细雨落在植物上，凝聚成较大的水滴。 还有一些人认为，露珠是从植物根部的土壤中升起的水汽形成的。我们都知道，植物根部的土壤含有较多水分，这可以解释露珠为什么常常出现在植物的枝叶上。 为什么没人提出，露珠是植物周围空气中的水蒸气遇冷形成的呢？因为没有这样猜测的道理：植物凭什么比别的物体冷呢？ 直到 18 世纪，许多人还相信亚里士多德的看法，认为露珠是从天上落下来的。 片段6 初中物理课本第四章第 1 节“光的直线传播”告诉我们，光在水中的速度约为真空中光速的 3/4。 光在水中与真空或空气中速度的比较问题，不单纯是谁大谁小的问题。这个问题与物理学家对光的本性的看法密切相关。 事情是这样。虽然人们早就发现了关于光的行为的一些规律，比如光的直线传播、光的反射定律，后来还发现了光的折射定律。但是，光是什么呢？关于光的本性，在科学家中存在两种对立的观点。 英国的牛顿认为，光是从发光物体向外射出的细微粒子流，就像从枪口连续不断射出的子弹，只不过组成光的“子弹”极其微小。 荷兰的惠更斯则认为，光是一种波，就像声音是一种波一样。 有意思的是，牛顿与惠更斯从各自的观点出发，都能够推导出光折射时折射角与入射角之间的正确关系。 可是，更有意思的是，牛顿在进行推导时，假设光在水中的速度比在空气中的大（我们以发生在空气与水之间的折射为例），而惠更斯在进行推导时，假设光在水中的速度比在空气中的小。 如果能够知道，光在空气与水中的传播速度，哪一个更大，就很容易判定牛顿和惠更斯的胜负。 但是有一个麻烦。无论在真空中，空气中，还是在水中，光的传播速度都大极了。为了测出每种情况下的光速，要么需要使用非常大的距离，要么能够测出非常短的时间。 罗默是通过天文观测计算光速的。他用的距离是地球绕太阳运行的轨道直径。可是，如果想测量或比较空气与水中的光速，哪里能找到那么大范围的空气和水呢？