回覆列表
  • 1 # 野狼課堂

    題主的這個問題非常有意思,隨著人類文明的不斷向前發展,對這個問題的理解也是越來越深刻,所以對溫度、光、磁、電是不是同一種東西,我得分三個階段來回答。我儘可能地用通俗的語言來講解。

    初級階段

    首先,我們先理解一下溫度,溫度就是用來表示一個物體是熱的還是冷的,以人的感受為例就是,溫度高就是熱,像開水,能燙著人。溫度低,像冰,能凍著人。所以溫度高低是表示一個物體的冷熱程度。

    在這一階段,我們就粗略地認為溫度是熱能的外在表現吧。我們分以下6個方面來理解溫度、光、磁、電的關係。

    1.溫度和光:一個物體放在Sunny下, 曬久點就會變熱,就是溫度升高了,這說明光和溫度是有聯絡的,什麼聯絡呢,就是光能能轉化成熱能。

    同樣的,熱能可不可以轉化成光能呢,答案是肯定的,比如燒紅的鐵,燒紅的鐵由於溫度太高了就對外輻射出可見光,是我們看的到的。初中物理知識告訴我們,人體會對外輻向出紅外線,而且溫度越高,輻射出的紅外線波長越短,這就是紅外夜視儀的原理。

    以上兩點都說明的溫度和光有著密切的聯絡。

    2.溫度和電:我們家裡用的電飯鍋,電熨斗,電熱棒等等,通上電後,都會發熱,就連我們看的電視,開的時間長了,也會發熱,小時候,我媽靠這個來判斷我有沒有偷看電視。這說明,電能也是可能轉化成熱能的。

    那麼熱能可不可以轉化成電能呢?當然可以,比如溫差發電機,它的原理我們要在下一階段才能理解。

    3.溫度和磁:在這一階段,我們無法理解溫度和磁的關係,所以在下一階段再來理解。

    4.光和磁:在這一階段,我們也無法理解光和磁的關係。

    5.光和電:我們都知道,家裡的電燈,通電後就會發光,下雨天,天空會發出閃電,這都是電能轉化光能的例子,好,那麼光能不能轉化成電呢?當然行,現在最流行的新能源太陽能電池,就是利用Sunny轉化成電能來發電的。

    6.電和磁:電和磁的關係,大家都最熟悉了,電可以產生磁,磁也可以產生電,比如發電機,就是磁生電,電動機和電磁鐵就是電生磁,電和磁這麼緊密的關係,甚至都讓我們懷疑它們是同一個事物的兩個方面,就像是一個硬幣的正反面一樣。

    好,透過以上的瞭解,溫度、光、磁、電是非常緊密地聯絡到一起的,至於是怎麼聯絡的?我們在下一階段來理解。

    高階階段:

    在這一階段我們要知道三個原理,一是溫度並不完全代表熱能,並且我們不再叫熱能,應該叫內能。由於物質是由大量的分子組成,而分子又是時刻在做不規則運動的,溫度代表物質內部分子不規則運動的劇烈程度,運動的劇烈程度越高,溫度越高,反之溫度越低。二是光是由光子組成的,三是光是一種電磁波。好,我們再從6個方面來理解溫度、光、磁、電的關係。

    1.溫度和光:先看光能轉化成內能,一束光照射在某個物體上,其實就是無數的光子轟擊在物體表面的分子上,這些分子被光子轟擊後,不規則運動就會變得更加劇烈,所以物體表面表現出溫度升高,這就是光能轉化成內能的原因。

    再看內能轉化成光能,只要溫度不是在絕對0度,即零下273.15℃的物體都會對外輻射電磁波,溫度越高,輻射的電磁波能量也越高,這是黑體輻射定律。

    2.溫度和電:我們知道,電流其實就是運動的電荷產生的,比如電飯鍋,通電後,就是運動的電荷不斷地透過電熱板,在通電的過程,電荷不斷地撞擊電熱板內的分子,導致電熱板內部的分熱熱運動越來越劇烈,所以溫度也就是越來越高了,這是電能轉化成內能的過程。

    再看內能轉化成電能,如下圖,是溫差發電機的原理。淺藍色色塊表示含有高濃度電子的金屬,由於上下溫差的原因,溫度高的地方電子運動更劇烈,並會向溫度低的一端擴散,黃色色塊表示含有高濃度正電荷的半導體,同樣的道理,正電荷也會向溫度低的一端擴散,接上閉合迴路,就產生了電流。這就是內能轉化成電能的過程。

    3.溫度和磁:在這一階段,我們仍然無法理解溫度和磁的關係。

    4.光和磁:在這一階段,我們同樣無法理解光和磁的關係。

    5.光和電:先說電轉化成光,我們在上一階段我們說過電燈和閃電的例子,其實大部份的電燈,電都不是直接轉化成光的,比如最早使用的白熾燈,通電後,電是先加熱燈泡裡的燈絲,讓燈絲的溫度逐漸升高,才慢慢對外發出光,所以我們會看到一些燈,開啟後,一開始是比較昏暗的,之後才慢慢亮起來。還有日光燈也不是電直接轉化成光的,它是透過高電壓,把燈管內的氣體電離成高能的粒子,靠這些粒子轟擊燈管內的熒光物質發光。日光燈的電離原理與閃電的產生原理是一樣的,所以日光燈啟動時總會閃幾下。

    真正的電直接轉化成光的是現在LED燈,比如廣州塔上密密麻麻的各種顏色的燈,就是LED燈,但是在這一階段我們無法理解電直接轉化成光,只能在下一階段去理解。

    再說一下光轉化成電,上一階段,我們講過太陽能電池的例子,其理論核心就是光電效應,這是使愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎的一個理論。當光照射到金屬表面,其實就是光子不停地撞擊金屬表面的原子,原子最外層的電子直接承受光子的撞擊,當光子的能量足夠大時,電子就會被撞出去,被撞出來的電子是有動能的,會運動,這電子一運動就形成的電流,這也就是光轉化成電的原因。

    6.電和磁:首先是電產生磁,我們都知道,導體一通上電,就能產生磁場,其實內部原因是,只要電荷運動,就可以產生一個環繞磁場,通電導體是大量的電荷運動,自然也就能產生磁場了。

    再說磁生電,由楞次定律可以知道,只要透過閉合導體的磁通量發生改變,閉合導體就會產生電流,這其實是因為閉合導體為維持自身磁通量的穩定,產生感應電流,以阻礙磁通量的改變。這就是磁產生電的原因。

    下階段我們正式揭秘溫度、光、磁、電的關係。

    大神階段:

    經過前面兩個階段的描述,我們可以強烈地感受到,溫度、光、磁、電很可能是同一種物質的不同方面。

    在這一階段,我們先證明電場和磁場是同一回事。

    大家有沒有想過,“運動的電荷產生磁場”這句話很有問題,我知道大家在高中階段的學習,這句話可以說是被當成一個定律來使用。但是,大家有沒有想過這樣一個問題,判斷一個物體是不是運動的,是由選取的參考系來決定的。我們站在地面上某個電荷是靜止的,但是站在一輛勻速行駛的火車上看,則這個電荷是在高速運動的,也就是說在地面看,這個電荷周圍沒有磁場,但在火車上看,這個電荷卻卻有磁場;如果站在更高速運動的火車上看,這個電荷周圍是有更強的磁場;如果站在反向行駛的火車上看,能看到反向的磁場,因此,電場和磁場其實是同一種物質的不同方面,你看的角度不一樣就得出不一樣的結論,在電動力學上,電場和磁場被統一到一個叫規範的概念,想要更深入規範這個概念的哥們可以參考電動力學方面的書籍。

    好,說明了電場和磁場是同一種物質後,我們再來說一下光,我們初中就知道光是一種電磁波,但是不知道為什麼,也沒有人告訴我們有什麼實驗可以證明光就是一種電磁波。當然,實驗是有很多的,最簡單的就是偏振片。

    好,在說明光是一種電磁波之前,我們先來了解一下什麼是電磁波;電磁波是由電場和磁場不斷振盪產生的,如下圖;

    一般的橫波經過偏振片後,只留下一個振動方向的波,成為偏振波,就像下圖的機械波一樣,只有偏振方向與狹縫平行的機械波才能經過偏振片。

    而電磁波恰恰相反,如下圖所示,只有電場振動方向與這“狹縫”垂直的電磁波才能透過 偏振片,這裡的“狹縫”其實就是一條條由電荷組成的細線,電磁波經過時,只要電場的振動方向不與這些細線方向垂直,那麼電磁波的振動電場會帶動這些細線,把能量傳遞給了這些細線,則這些電磁波就會消失,只留下振動方向與細線垂直的的電磁波。而電磁波的偏振片對光也有同樣的效應,由此可以說明,光是一種電磁波。電磁波是由電場和磁場不斷振盪產生的,因此光和電場、磁場也可以說是同一物質的三個方面。

    光、電和磁是同一種物質了,那麼溫度呢?很遺憾地說,現在沒有任何理論可以表明,溫度與光電磁是同一種物質,只能說,光電磁都可以改變物體內部分子熱運動的劇烈程度,從而改變物體的溫度,只能說溫度與光電磁之間有一定的聯絡。

  • 中秋節和大豐收的關聯?
  • 京劇界歷史上,王珮瑜有哪些故事?