書名：１分鐘物理２：皮卡丘發的是直流電還是交流電？

作者簡介

中國科學院物理研究所
中國科學院物理所成立於1928年，是以物理學基礎研究與應用基礎研究為主的多學科、綜合性研究機構。
在中國高校及科研院所中，中國科學院物理所是第一批「玩轉科普」的。物理所官方公眾號依託學科優勢，向喜愛科學的廣大讀者推送兼具科學性、趣味性的科普文章。目前，公眾號已有100萬關注量。公眾號內容豐富多彩，活潑有趣，原創內容豐富，包含「問答」、「正經玩」、「線上科學日」等多個欄目。
「問答」是物理所公眾號的王牌專欄。在物理所從事科學研究的一批優秀專業人員通過該欄目與讀者互動，用幽默通俗的語言解答讀者對科學的各種疑問。

相關作者簡介

【審訂者簡介】

鄭志鵬
臺北市立龍山國中數理資優班理化教師，長期投入科學探究課程模式開發，認為科學學習不只有知識和公式，必須要有更多脈絡化、主動化的探究思考學習。曾獲得103年優良特殊教師、教育部活化教學列車教師。擔任十二年國教國中自然課綱編輯委員。

書籍目錄

一、力學篇
二、聲學篇
三、光學篇
四、電學篇
五、熱學篇
六、雜學篇
七、自然現象篇
八、腦洞篇
九、宇宙篇
十、學習篇

致謝

文章試閱

吸管可以穿透馬鈴薯嗎？
在生活中你一定遇到過因為吸管被扎彎而喝不到飲料的狀況。有人還因此提出了使用吸管的訣竅：一定要趁著飲料不注意突然紮下去，這樣才能讓包裝紙來不及反應。這種方法顯然有很多玩笑的成分在裡面。歸根到底，吸管容易彎折是由它薄弱的管壁和中空的結構造成的。如果我告訴你我可以用一根普通的吸管穿透一個生馬鈴薯，你會不會覺得不可思議？當然這個操作是有訣竅的，我需要用我的拇指堵住吸管的一端，然後將另一端用力地紮向馬鈴薯。這時吸管好像突然變得結實了很多，馬鈴薯被吸管直接穿透。吸管變得結實的原因是，當吸管插入馬鈴薯一部分之後，手指和進入吸管內部的馬鈴薯將吸管的兩頭封堵，吸管內部的空氣被限制在內部不能排出，隨著進入吸管的馬鈴薯越來越多，空氣逐漸被壓縮。壓縮空氣相比外部的空氣具有更大的壓強，它還可以對吸管壁起支撐作用，所以吸管就變得不易彎折，穿透馬鈴薯也就變成順理成章的事了。
你可能會問，為什麼壓縮空氣的壓強更大呢？我們可以做一個小實驗來感受一下：你只需要一個小小的針筒就可以完成這個實驗（一定要把針頭去掉）。用你的手指堵住針筒的一端，然後去按壓針筒的芯杆，是不是感覺有東西在抵抗你往下按，而且越往下按越費力？這就是針筒中的壓縮空氣在起作用。在這個小實驗中，我們還可以知道空氣被壓縮得越厲害，它的壓強就越大。


洗衣機的工作原理是什麼呢？
常見的洗衣機有兩種：直立式洗衣機和滾筒式洗衣機。
直立式洗衣機：在洗衣桶的底部中心處裝有一個帶凸筋的波輪，波輪旋轉時，洗滌液在桶內形成螺旋狀水流，從而帶動衣物旋轉翻動而達到洗滌的目的。
滾筒式洗衣機：滾筒式洗衣機為套桶裝置，內桶為圓柱形臥置的滾筒，筒內有3∼4條凸棱，當滾筒繞軸心旋轉時，衣物就會被帶動翻滾，並迴圈反復地摔落在洗滌液中，從而達到洗滌的目的。
兩者的共同點都是利用機械設計讓衣物和水產生振動，利用振動將衣物上的污漬更多更快地擴散到水中，水會將污漬帶走，達到清潔衣物的作用。洗滌劑的作用則是和污漬發生反應，讓污漬可以更容易被水帶走。


怎樣！才能！減肥！
看到這個問題，我的第一反應是這個問題的答案應該非常非常多吧？
於是我上網搜尋了這個問題，果然不出我所料，首先看到的是各種廣告，而往下翻則能看到各種實用經驗分享。
所以粉絲會問這個問題，自然是希望得到物理式的答案。
首先告訴你一點——你選對地方了！
在分析這個物理問題之前，讓我們先定義一個名詞。
表觀體重：實驗上通過儀器所測到的體重，得到的資料是數位，從幾十到幾百，單位為公斤(kg)。
我們先來聊一下狹義的減肥，即改變表觀體重。
你決定要減肥了，那麼此時你的表觀體重就是初始值，你當然會有一個目標體重，雖然這個目標體重可能於你而言像絕對零度一樣不能透過有限的手段達到……
從數學上看，就是訂立了初末端點，求連接兩端點之間的曲線函數，要求滿足時間最短或是最「輕鬆」，這是典型的泛函求極值問題，可以用變分法來解。
找出各種變數後構建出適合的拉氏量，然後求解歐拉－拉格朗日方程式(Euler-Lagrange equation)，理論上可以解出一個減肥的最佳策略。
嗯，讓我們繞開這個數學問題，來一點簡單粗暴的物理減肥法。
有個公式我們都很熟悉，E=mc2。如果站在質量虧損的角度來看，那麼想減小表觀體重需要釋放大量的能量，所以我們減肥並不是透過這條途徑。
我們需要吃飯，一方面是為了獲取能量；另一方面則是從食物裡獲取一些人體必需的物質參與人體的合成與代謝，如氨基酸、維生素、無機鹽等。從能量的角度來分析，如果攝入的能量比消耗的多，那麼表觀體重對於時間的導數便會取正值，所以如果長期吃得多卻消耗得少就會長肉。
因此想要減肥得從兩方面入手，一是減少能量攝入；二是增大能量消耗。
增大能量消耗所要面對的障礙無非就是累和懶，但減少能量攝入則是要抵制成千上萬的美食，所以減肥的重心應該放在增大能量消耗上。可以做一些運動，如跑步、跳繩、游泳等。另外，大腦在進行高強度思考時對能量的消耗也很大，如人即便坐著不動，但是在那做數學題，餓得會很快。
接下來我們來聊一聊廣義的減肥。
在廣義減肥的理論框架裡，表觀體重只是一個參照，遠不及在狹義減肥論中重要。
在進一步討論之前，我們需要再定義兩個名詞。
主觀體重：與質量無關，是人對自己體重的一個認識。比如在A看來很瘦的B卻經常吐槽自己又胖了，而在A、B看來很胖的C則認為自己還是挺苗條的。
客觀體重：與質量無關，是別人對你體重的一個認識。比如A對B說：「你看你都胖了，所以這些肉你就都讓給我吃吧。」
一個人只有在主觀上覺得自己胖了的時候才會決定去減少自己的表觀體重，而客觀體重的影響最終其實也是在影響主觀體重。當一個人主觀上覺得自己的體重可以了，他自然就不會想去減肥了。所以，真正要改變的其實是主觀體重！
也就是說，我們真正追求的，其實並不是體重秤上的讀數，而是自己以及周邊的人都認為的苗條、性感。所以可以通過穿衣來凸顯自己的苗條，揚長避短。
也許你會說，那站上體重計不就暴露了嗎？
很簡單，你只需說三個字——你先上！


皮卡丘發的是交流電還是直流電？
皮卡丘究竟是使用直流電還是交流電只和作者如何設定有關，或許作者根本就沒有考慮過這個問題，但是我們通過一些現象來進行分析也未嘗不可。
我們知道皮卡丘的絕招之一是10萬伏特攻擊，10萬伏特在生活中已經算是很高的電了。因此，我們有理由相信皮卡丘體內有增壓裝置，最常見的增壓手段就是交流變壓器，所以皮卡丘是有可能使用交流電的，但是很難想像如此萌物體內竟有線圈和鐵芯來實現增壓。那麼在真實的生物中有沒有可以發電的動物呢？確實有，如電鰻、電鯰、電鰩等生物。
電鰻的身體可以看作由一個個「電池」（其實是一個個特殊的肌肉細胞）連接而成，每一個「電池」依靠化學能向兩端搬運正負離子形成電位差，由於電池串聯電位差相加，導致電鰻首尾之間的電位差可以達到幾百伏特，這麼大的電位差可以輕鬆電暈甚至電死其他動物。
不過，電鰻的放電過程不是持續的而是脈衝式的，它不能被嚴格地歸為直流電或者交流電。不過皮卡丘的放電過程也是像閃電一樣的脈衝式放電，所以它很有可能採用和電鰻相同的發電手段。但是如果是這樣的話，顯然皮卡丘的發電能力遠遠高於電鰻。
當然，最終答案也許只有作者才知道。


要多大的聲音才能讓整個地球都聽到？
聲音是靠空氣振動傳播的。聲波是縱波，會使空氣壓縮與膨脹，當聲音的強度超過大約194dB（分貝）之後，聲波的氣壓最小的地方已經成為真空（每增加6dB，音量增大一倍）。所以聲音繼續增大時，對傳播距離的增加就不明顯了。聲波能量的衰減速度與其頻率成反比，30℃下10%濕度的空氣中，8000Hz的聲波衰減速度為262dB/km，這意味著聲音傳不了多遠就聽不到了。那有沒有什麼辦法讓聲波傳播得遠一點呢？有的。我們來看看頻率更低的聲波表現怎麼樣，30℃下，當聲波頻率為500Hz的時候，聲波衰減的速度變成了3.3dB/km。有希望！這時候我們繼續考慮192dB的聲音，在50km外依然能夠聽到27dB的音量。什麼概念呢？這個音量大概相當於情侶之間說悄悄話的程度。我們把頻率再降低一些！當把頻率降到了10Hz，已經是次聲波了，這個時候人已經聽不見了，但是聲波的衰減速度變成了驚人的0.011dB/km！依然是192dB的聲音，這一次即使在10000km之外（大概相當於從北京到芝加哥的距離），音量依然保留到了82dB，大概能夠達到題目的要求了，但是由於是次聲波，所以人是聽不見的。
當然，實際情況下聲音不會僅僅依靠空氣傳播，聲波在固體中的傳播速度更快，衰減更小（如敲擊鋼管的聲音可以傳到很遠），所以實際情形下，情況還是要更樂觀一些的。迄今為止，人類記錄的最大的聲音是1883年的卡拉卡托火山噴發，它導致3萬多人死於非命。那次火山噴發釋放的能量大概相當於1億噸當量的核彈爆炸，聲音在5000km以外依然聽得很清楚。所以總的來說題目的要求還是可以實現的，大概只需要一顆小行星撞擊地球就夠了。