包邮光速声波物理学

本书特色

全球畅销30年，物理学奥林匹克竞赛奖项得主的启蒙读物。

内容全部出自名校杰出教授的课堂，趣味物理学问题引入 细致前沿解答，指引好奇心，在探究中构建通识思维。

北京大学科学传播中心教授刘华杰、中国科学院国家天文台研究员苟利军、知名古生物学者邢立达、国内权威自然科普作家陈睿联袂推荐！

湛庐文化出品。

内容简介

骆驼为什么很少中暑？蚂蚁和大象究竟谁更强壮？拿起杠铃和举着杠铃，哪个更累？在海拔4500米的山上，喝沸腾的茶会烫伤吗？《光速声波物理学》由美国概念物理教学先驱、加利福利亚大学伯克利分校教授保罗·休伊特打造，全球畅销30年，物理学奥林匹克竞赛奖项得主的启蒙读物。全书以贴近读者日常生活的有趣问题引入，辅以细致、前沿的解答，可以帮助读者在探究中构建通识思维。

相关资料

本书含有趣的提问和符合现代研究进展的回答，“学伤”了的读者完全不需要担心。这套“妙趣横生的名校通识课”覆盖“天、地、生”，让你在快乐阅读的同时能收获满满。 刘华杰北京大学科学传播中心教授 Q6 为什么在行驶的火车上起跳会落在原地？
中国的高速列车以其*高速度行驶，每秒能前进一百多米。你在高铁过道向上跳，经过0.5秒落地，为什么不会在距离起跳点50米的地方落下，而是会准确地降落在你的起跳点?这是因为在你0.5秒的跳跃过程中，火车和你前进的直线距离相同。牛顿**运动定律告诉我们，如果没有外力作用速度不会发生变化。虽然你相对于地面的速度很快，但你相对于火车的速度是0。

当哥白尼在16世纪宣布地球是运动的，惯性的概念还没有被众人理解，关于地球是否在运动，仍有很多争论。大多数人认为使地球运动所需的力量大得超乎想象，不可能存在。认为地球是静止的人的另一个论据是：想象一只鸟儿在一棵大树的顶端休息，地面上有一条肥嫩多汁的虫子(见图1-15)。鸟儿看到虫子，垂直下落，然后抓住它。如果按照哥白尼的观点，鸟儿是无法抓住虫子的。因为如果哥白尼是正确的，地球将以107000千米/时的速度在一年内绕太阳一周，也就是大约每秒转动30千米。假设鸟儿能在1秒内从枝头飞下来，虫子会因为地球的运动而移动30千米，鸟儿想捉虫是不可能实现的。但事实上，鸟儿会从高高的枝头上飞下来捕捉虫子，所以这是地球静止的证据。
你能反驳这个论据吗?我们可以用惯性来反驳。你看，不仅地球在以30千米/秒的速度转动，树、树枝、树枝上的鸟儿、地面的虫子，甚至中间的空气也在转动。它们都以30千米/秒的速度转动。如果没有外力作用在运动中的物体上，它们就会保持匀速运动。因此，当鸟儿从枝头飞下时，它将保持以30千米/秒的速度运动，它捕捉虫子的过程完全不受整个环境运动的影响。这样的例子还有站在墙边跳起来，此时你的脚不再接触地板，以30千米/秒运动的墙会撞到你吗?事实是不会，因为你在跳跃前、跳跃中和跳跃后的速度都是30千米/秒。30千米/秒是地球相对于太阳的速度，而不是墙相对于你的速度。
400年前，人们很难接受这样的观点，这不仅因为他们没有认识到惯性，还因为他们不曾乘坐高速运动的车辆。在马车上缓慢而颠簸的旅行不利于揭示惯性效应。今天，我们在高速运动的高铁或飞机上投掷硬币后，可以在同一位置抓住落下的硬币，就像是交通工具静止了一样(见图1-16)。就是因为硬币在被接住之前、之中和之后的水平运动速度相同，这就是惯性定律成立的论据。硬币能跟上我们的速度，这个过程中重力只影响硬币在竖直方向上的运动。
今天我们对运动的观念与祖先大不相同。亚里士多德没认识到惯性的存在，因为他没有认识到所有运动的物体都遵循相同的规则。他认为，天空中的运动规则与地面的运动规则非常不同；垂直运动是自然的，水平运动是不自然的，水平运动需要持续的力来维持。然而，伽利略和牛顿发现，所有运动的物体都遵循相同的规则。他们认为，运动的物体不需要任何力来维持运动状态。我们不禁感到好奇，如果亚里士多德认识到各种运动的统一性，科学的发展史会有多大的变化!

Q6 为什么在行驶的火车上起跳会落在原地？

中国的高速列车以其*高速度行驶，每秒能前进一百多米。你在高铁过道向上跳，经过0.5秒落地，为什么不会在距离起跳点50米的地方落下，而是会准确地降落在你的起跳点?这是因为在你0.5秒的跳跃过程中，火车和你前进的直线距离相同。牛顿**运动定律告诉我们，如果没有外力作用速度不会发生变化。虽然你相对于地面的速度很快，但你相对于火车的速度是0。

当哥白尼在16世纪宣布地球是运动的，惯性的概念还没有被众人理解，关于地球是否在运动，仍有很多争论。大多数人认为使地球运动所需的力量大得超乎想象，不可能存在。认为地球是静止的人的另一个论据是：想象一只鸟儿在一棵大树的顶端休息，地面上有一条肥嫩多汁的虫子(见图1-15)。鸟儿看到虫子，垂直下落，然后抓住它。如果按照哥白尼的观点，鸟儿是无法抓住虫子的。因为如果哥白尼是正确的，地球将以107000千米/时的速度在一年内绕太阳一周，也就是大约每秒转动30千米。假设鸟儿能在1秒内从枝头飞下来，虫子会因为地球的运动而移动30千米，鸟儿想捉虫是不可能实现的。但事实上，鸟儿会从高高的枝头上飞下来捕捉虫子，所以这是地球静止的证据。

你能反驳这个论据吗?我们可以用惯性来反驳。你看，不仅地球在以30千米/秒的速度转动，树、树枝、树枝上的鸟儿、地面的虫子，甚至中间的空气也在转动。它们都以30千米/秒的速度转动。如果没有外力作用在运动中的物体上，它们就会保持匀速运动。因此，当鸟儿从枝头飞下时，它将保持以30千米/秒的速度运动，它捕捉虫子的过程完全不受整个环境运动的影响。这样的例子还有站在墙边跳起来，此时你的脚不再接触地板，以30千米/秒运动的墙会撞到你吗?事实是不会，因为你在跳跃前、跳跃中和跳跃后的速度都是30千米/秒。30千米/秒是地球相对于太阳的速度，而不是墙相对于你的速度。

400年前，人们很难接受这样的观点，这不仅因为他们没有认识到惯性，还因为他们不曾乘坐高速运动的车辆。在马车上缓慢而颠簸的旅行不利于揭示惯性效应。今天，我们在高速运动的高铁或飞机上投掷硬币后，可以在同一位置抓住落下的硬币，就像是交通工具静止了一样(见图1-16)。就是因为硬币在被接住之前、之中和之后的水平运动速度相同，这就是惯性定律成立的论据。硬币能跟上我们的速度，这个过程中重力只影响硬币在竖直方向上的运动。

今天我们对运动的观念与祖先大不相同。亚里士多德没认识到惯性的存在，因为他没有认识到所有运动的物体都遵循相同的规则。他认为，天空中的运动规则与地面的运动规则非常不同；垂直运动是自然的，水平运动是不自然的，水平运动需要持续的力来维持。然而，伽利略和牛顿发现，所有运动的物体都遵循相同的规则。他们认为，运动的物体不需要任何力来维持运动状态。我们不禁感到好奇，如果亚里士多德认识到各种运动的统一性，科学的发展史会有多大的变化!

Q4 为什么说你身体里的原子可能与宇宙一样年代久远？

原子极其微小，一个原子比你小很多，就像一颗普通的恒星比你大很多一样。一个形象的说法是，我们处于原子和恒星之间。另一种表达原子之小的方式是，原子的直径相对于苹果的直径，就像苹果的直径相对于地球的直径一样。因此，要想象一个充满原子的苹果，就想象一下地球被苹果紧密地填满。两者所能容纳的数量大致相同。

我们肉眼看不到原子，是因为它们太小了。同样，我们也看不到*远的星星。有很多东西我们用肉眼看不见，但这并不妨碍我们对这些东西开展调查，可以通过仪器“看到”它们。

原子数不胜数，1克水中大约有100000000000000000000000个原子。用科学记数法表示就是1×10²个原子。想象一下，你需要多长时间才能数到1×10?呢?如果每次计数需要1秒，那么不间断地计数到1×10?需要11.6天；计数到1×10°需要31.7年；计数到1×10²需要31700年；计数到1×10²³,需要的时间是宇宙年龄的10000倍以上!

1×10²³是一个巨大的数字，比世界上所有湖泊和河流中所包含的水滴数都要多。因此，1克水中的原子数比世界上所有湖泊和河流中的水滴数还要多。在大气中，1升空气中大约有1×10²³个原子。有趣的是，大气层的体积能容纳约1×10²³升空气。原子是如此之小，如此之多，以至于在任何时候，人体肺部空气中的原子数量与地球大气中的空气体积都拥有相同的数量级。

原子在不断移动：在固体中，原子在原地振动；在液体中，它们从一个位置迁移到另一个位置；而在气体中，原子的迁移范围更大。例如，在一杯水中滴一滴食用色素，它会很快扩散到整个杯子中。同样，将一杯食用色素倒入海洋，食用色素会扩散，*终在世界所有海洋的每一个角落都能找到它的身影。

大气中的原子和分子以高达10倍音速的速度快速移动。它们传播得很快，所以你在几天前呼吸的一些氧分子可能已经遍布全国一半的地区。进一步看图10-3,我们发现，你呼出的空气很快就会与大气中的其他原子混合。几年后，你呼出的空气在大气中均匀分布，地球上任何地方的任何人，只要吸入一口空气，平均来说，都会吸入你呼出空气中的一个原子。但是你呼出了大量空气，所以其他人吸入了很多曾经存在于你肺部中的原子，这些原子曾经是你身体的一部分。当然，反之亦然。信不信由你，随着每一次呼吸空气，这些空气中的原子曾经是存在过的每个人的一部分!考虑到我们呼出的原子是我们身体的一部分(狗很容易就能分辨出来),可以说我们真的是在呼吸彼此。

原子永不衰老，你身体中的许多原子几乎和宇宙一样年代久远。例如，当你呼吸时，你吸入的原子中只有一部分在下一次呼吸中被呼出，剩下的原子被吸收到体内，成为你身体的一部分，然后通过各种方式离开你的身体。你不“拥有”构成你身体的原子，你可以暂时借用它们。我们都来自同一个原子池，因为原子通过生物地球化学过程不断地重新排列和循环。当我们呼吸和蒸发汗水时，原子在人与人之间循环。我们在大规模地循环利用原子。

质量*小的原子可以追溯到宇宙的起源，而质量*大的原子比太阳和地球更古老。在你的身体里，有的原子在宇宙起源时就已经存在，并在整个宇宙中以不同的形式循环，无论是生命形式还是非生命形式。你是你身体中原子的当前看护者，此后会有很多人继续看护它们。

作者简介

保罗·休伊特

美国物理学家、铀矿勘探者、作家和漫画家。1964年，取得犹他州立大学科学教育与物理双硕士学位，随后开始了自己的教学生涯，直到1999年退休。

美国概念物理教学的先驱，美国多所大学、中学的客座教师。休伊特认为，教学不仅仅是工作，更是一种对待生命与生活的态度。休伊特相信，学习物理应该是一件有趣的事。在多年的教学经验中，开发出许多有趣的教学示范以及阐释物理概念的方法，让很多原本不可能喜爱物理的学生对物理产生了兴趣。

为了表彰休伊特的成就，美国物理教师协会于1982年授予他一年一度的米利坎奖(Millikan Award)，这是表彰对物理教学做出突出贡献的权wei 奖项。他还曾获得美国未来高中物理教师奖学金、美国教育电影节科学一等奖、美国物理教师协会密立根奖等。