站长之家 - 业界 2021-11-26T21:46:25 +08:00

看了《张朝阳的物理课》“温度的故事” 才知道温度为什么有下限

【TechWeb】11月26日消息,为什么坐飞机总犯困?为什么宇宙中氢元素极多,但大气中含量较少?11月26日12时,《张朝阳的物理课》第六期如约而至,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳继续坐镇搜狐视频直播间。这次他还特别准备,戴了一顶帽子,称希望打扮成19世纪数学物理学家、“热力学之父”开尔文的样子,和大家讲述“温度的故事”。

直播中,张朝阳回顾了前五期物理课涉及的现象和公式,包括牛顿定律、波动方程、绝热指数、单摆运动等,随即科普两个关于温度的概念:第一,温度决定两个物体接触的时候,能量的流向;第二,量度的时候,用自然界热胀冷缩的刻度来定义温度t。

讲到“用刻度定义温度”,根据开尔文的研究成果,张朝阳纠正了一个知识误区:月球背对太阳的地方,温度很低,甚至可能达到零下400℃。通过讲解,他告诉大家,实际上,温度是有下限的。物理学家确定的温度下限就是绝对零度,即零下273.15℃。

随后,张朝阳从“经验”角度推导理想空气的状态方程,并介绍了知名化学家、物理学家的观点。其中查尔斯定律描述压强随温度作线性;盖·吕萨定律提出,一定质量的气体,在压强不变的情况下,它的体积跟热力学温度成正比;玻意耳定律认为,在定量定温下,理想气体的体积与气体的压强成反比;阿伏加德罗定律称,同温同压下,相同体积的任何气体含有相同的分子数。

建立在几位学者提出的定律基础上,张朝阳写出了理想气体状态方程,它是描述理想气体在处于平衡态时,压强、体积、温度间关系的状态方程,可用pV=NKT,或者pV=nRT表示,式中:p为压强(Pa),V为气体体积(m),T为温度(K),n为气体的物质的量(mol),R为摩尔气体常数(也叫普适气体恒量)。

张朝阳使用“直播白板”,推导理想气体状态方程

从“经验”导出公式后,张朝阳讲解理论、推导公式。通过计算,得到和上述通过“经验”推导的公式一样,由此打通了“经验值”和“理论值”两条路径。可以得知,温度就是分子的平均动能,温度直接对应于分子的平均动能。当压缩气体,就是对气体做功,能量增加,实际上传递到平均的分子上的速度加快了。压强升高,温度升高,体积也减小了,这是方程想要表达的。这也是蒸汽机的原理。

学会了公式,如何应用于现实问题?张朝阳尝试解决空气密度如何随着海拔上升而变化,以及飞机上氧含量的计算。他假定在高度0和高度h时,计算出了两种高度的空气密度,得出不同高度下,氧气密度的公式。并有结论:氧气含量随着海拔增加呈指数衰减。海拔升高2000米左右,氧气含量约减少四分之一。而飞机在加压加氧的情况下,基本相当于海拔2000米的高度,所以在飞机舱内,氧气含量减少四分之一。

最后,张朝阳解释了地球大气中氢气含量较少的原因。首先氢气轻,衰减慢,爬得高;其次和速度分布有关系,结合麦克斯韦速度分布,氢气的长尾速度超过第一宇宙速度、第二宇宙速度,地球吸不住它,就“逃离”了地球。

今天的直播课相比前几期,难度有所减弱。张朝阳建议网友看回放,掀起一个对于温度概念的讨论。实际上,网友还可通过“直播白板”复习。也有“课代表”将每堂课的笔记,发布在搜狐新闻客户端“关注流”上,便于网友查漏补缺。

自11月5日开始,《张朝阳的物理课》已直播六期。在第一、第二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,并现场计算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行的圈数;第三、四课的内容则一脉相承,和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚太阳颜色不一样的原因,以及天空呈现蓝色的秘密。第五、六课,则引发了关于音速和温度的大讨论。

《张朝阳的物理课》不仅解释了生活中常见现象背后的原理,还层层深入,将知识点落到物理公式上。他通过第一宇宙速度、第二宇宙速度、库伦定律、简谐运动等,层层递进,步步演算,得出了瑞利散射、单摆、物理摆的公式。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合六期《张朝阳的物理课》可以看出,直播课程都是从日常现象引入,先帮助网友理解现象,提升兴趣,接着“透过现象看本质”,解释物理知识,反过来解决生活中的问题。

这也印证着课堂开始的观点:“物理是算出来的,玄乎其玄的科幻概念和实证有区别。”张朝阳认为虽然物理并不轻松,但每个人不应该觉得自己可能学不会一件事而不去学,恰恰相反,聪明在于过程,看起来枯燥的物理知识如果经过分解后再理解,并不一定比生活中的事更困难。张朝阳鼓励网友应该打破思维的边界,科学学习,希望每个人都能对这个世界充满更多的好奇心与勇气。

据了解,在未来课程中,张朝阳还会探讨热力学。通过设置一个个话题,以深入浅出的讲解方式,利用物理学解释生活现象,达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,借此激发科学学习的热潮。该课程将于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

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