走近科学：为什么厕所总是没有信号？｜No.235
Q1
微波炉门上为什么会有金属网格，有什么作用呢？
答：
微波炉使用波长为12.24cm的电磁波（属于微波频段）加热食物。食物中的水分子在微波的驱动下发生振动，将电磁场的能量转化为热能，高效地加热食物。但也正是其强烈的热效应，微波可以对生物组织造成很大的损害。因此人们在微波炉的观察窗上安装金属网格以防止电磁波泄露。在良导体中电磁波迅速衰减，由于金属网格的间隙远小于电磁波的波长，电磁波也难以从间隙中透射出，因此当微波入射在金属网格上时大部分发生反射，金属网格起到对微波的屏蔽作用。
by 乐在心中
哪些材料可以做保险丝？选用保险丝要注意哪些问题呢？
答：
保险丝的作用是当电路中电流过大时，能够发热熔断使得电路断开进而保护电路。因为导线发热功率为
正比于电阻
，所以原则上来说保险丝材料需要电阻率高而熔点较低。生活中常用的保险丝材料是铅锑合金等低熔点合金。
保险丝的参数有很多，具体来说比较重要的几个参数是：1、工作环境温度和脉冲电流，这两个参数可以认为体现保险丝的质量，工作环境温度宽、脉冲电流大，保险丝更不易老化，能使用的时间也会更长；2、额定电压、额定电流和外型尺寸，这三个参数体现实际需要，简单来说就是用电功率比较大就选承载电流能力比较大的保险丝；3、熔断特性，这个参数体现为电流过载以后保险丝熔断需要的时间，也是实际应用中需要重点考虑的参数。最后，真买保险丝的时候还是咨询一下销售人员的意见，以免出现安全事故。
参考资料：保险丝基本知识材料介绍资料
by Alan
为什么卫生间的信号特别差？
答：
卫生间信号差并不是绝对的，只能说卫生间的信号通常很差，毕竟卫生间和卫生间不能一概而论，我曾经在极度愤怒的情况下把路由器直接装进卫生间，收获了满格的Wi-Fi信号。
实际上，无论是Wi-Fi信号还是移动网络信号，本质上都是电磁波，电磁波在传播过程中会发生散射、反射或者被吸收，这就是信号变差的原因。
然后我们再来看卫生间，它简直和信号命里犯冲啊！
首先卫生间往往距离路由器较远（毕竟谁也不会整天呆在卫生间里，路由器肯定是放在最常呆的地方），信号传播距离远；其次，卫生间往往面积小而封闭，信号到达卫生间要穿过的墙较多，水泥砖石本身对信号就具有中等的吸收能力，有的卫生间墙体还是承重墙，承重墙中的金属结构简直是信号杀手，屏蔽信号能力贼强；本来墙多倒也还能接受，毕竟电磁波穿不过去还可以“绕”过去，电磁波的衍射可以让墙后依然能收到信号，不过衍射也是要有与信号波长相近（米的数量级）的“缝”的，可卫生间一般只有一个门，再可能还有一个排气用的小窗（应该不会有人在卫生间装落地窗吧），连绕过去的路都没有。
当然，没有不好的卫生间，只有不好的设计，不如你也跟我一样，把路由器装进卫生间试试？
by 霜白
为什么高温可以非常高，而低温的极限却只有-273.15℃？
答：
物体的温度本质上是反应原子分子等微观粒子的热运动的剧烈程度，理论上最高温度没有上限，当然也有说法认为普朗克温度，也即1.426833×10³²K是温度上限，这是宇宙大爆炸第一瞬间的温度，高于此温度实际不存在。而最低温度-273.15℃，即0K（绝对零度），就是微观粒子完全静止下来的温度，至于这个温度为什么大小为-273.15℃，这只是我们选择一种温度定义标准（温标）而已，即我们把水的三相点温度定义为273.16K。经典理论上这个最低温度是无法到达的（热力学第三定律），或者说要无限步降温才能达到。但我们可以不断接近绝对零度，制冷技术是从日常生活到科学研究都非常重要的技术，传统上利用蒸发吸热来制冷，已经可以通过液氦来达到1K左右低温，激光制冷和磁熵制冷等技术已经把低温推向nK（10-9K）的量级。
by Alan
洛伦兹力不做功那为什么它的宏观表现安培力可以做功？
答：
说安培力是洛伦兹力的宏观表现并不是说安培力就是运动电荷洛伦兹力的合力。为了避免不必要的麻烦，我们不妨就考虑磁场垂直于导线的情况。
洛伦兹力是运动电荷受到磁场的力
洛
，力的方向与磁场和电荷速度都垂直，所以
洛不做功；而安培力是磁场对通电导线的力，大小为
安
，方向垂直于磁场和电流（导线），可以用左手定则判断。导线静止时，两个力都不做功，经过简单的推导即可得到安培力等于运动电荷洛伦兹力的合力，这时也不会有什么矛盾。
而导线一旦运动，比如上图中导线向上运动，
安依然垂直于导线向上，而此时运动电荷（不妨假定为正电荷）的速度水平速度
与竖直向上的速度
的矢量和，
洛不再垂直于导线，而是斜向左上方，其合力依然不做功而且不等于安培力。这时，通过简单的计算，我们会发现，洛伦兹力向上分量的合力还是等于安培力，它确实做了正功
使得电荷产生了速度
，而其水平分量呢，也确实做了负功
，这本来应该使得
减小，但这并没有发生，因为电场力做了正功维持了这个速度（不然电流就减小了）。实际上就是电场力做了正功，而洛伦兹力虽然总的来看没有做功，但通过两个分力一个做正功一个做负功把电场力的正功传递给了导线，可见这时安培力是洛伦兹力做正功的分力的体现。
再深入一点，为什么导线动了电场力才会做功呢？因为导线动的话就会因为切割磁感线产生感应电动势，这个电动势是阻碍电荷往前跑的，这个时候电源电动势就要动手了，开始做功来抵抗它了。
参考资料：浅析安培力和洛伦兹力
by Alan
Q6
为什么相同视力在黑暗处相比明亮处看东西会更加模糊？
答：
人和大部分动物的视觉形成都是依靠着视锥和视杆细胞（参考No.220 Q8），其中视锥细胞和视杆细胞在结构和功能上均有不同。
视杆细胞对光极为敏感，可以很好的响应弱光信号。我们在黑夜中视力基本都依赖于视杆细胞发挥作用，但遗憾的是视杆细胞不能分辨色彩，并且视杆细胞的分辨率更低。
视锥细胞则可以很好的分辨色彩，且有着极为优异的空间分辨率，我们对于色彩的感知和日间视力更多的依赖于这一类细胞，但它们在弱光下基本无法发挥功能。
人类在进化的过程中更加适应于日间活动（所以我们晚上基本都在睡觉），视网膜相应的拥有更多的视锥细胞（集中在中央凹），从而在日间获得更好的色彩感知和分辨率。而低比例的视杆细胞使人类在夜晚，仅能在弱光下看到物体的轮廓。于是在弱光条件下，对相同物体的观察不仅缺失了色彩还降低了分辨率，这就是提问者所说的“相同视力在黑暗处相比明亮处看东西会更加模糊”。
当然还有更为极端的，大多数鸟类缺乏视杆细胞，拥有更多的视锥细胞，所以鸟类在白天的视力极佳，而在晚上则非常差。例如，家鸡在晚上基本就是瞎子，嗯，就是连模糊的轮廓都没有了。
by 某大型裸猿
为什么打哈欠时很难听清外界声音？
答：
当外界发出声音时，声音会经过外耳道，传至鼓膜，引起鼓膜的振动，然后听小骨（包括锤骨、砧[zhēn]骨和镫骨）再将这样的振动信息传至耳蜗，耳蜗将振动信号转换为大脑可接受的神经电信号，将其传至大脑。这就是人听觉形成的机制。而人在打哈欠时很难听清外界声音，就是因为鼓膜振动这一个环节出现了问题。
图源网络
鼓膜将外耳和中耳完全分割开来，因此鼓膜想要自由的振动，就要求两侧气压相等，外耳直接与外界连通自不必说，鼓室（鼓膜内部的一个小空间）内的气压是怎么调节的呢？答曰：鼓室通过咽鼓管与鼻咽部相连，从而调节内部气压。为了保证鼓室内部免于各类鼻咽部液体的侵扰，人的咽鼓管中会有一个瓣膜，从而实现液体、气体通过的单向性，但这种单向性并不绝对，人在打哈欠时，由于各类肌肉的联动，瓣膜打开，气体就可以通过咽鼓管，这使由于人短时间吸入大量气体，会导致鼓室内的气压短暂上升，鼓膜就像一个被吹胀了的气球，便无法自由的振动了，所以造成人短暂的听觉的下降。不过一般哈欠还没打完，鼓室内的气体就会逸散出去，鼓膜内外的气压就会重新达到平衡，人的听觉就恢复了。
同时鼓膜的振动同样与名为“鼓膜张肌”的肌肉有关，鼓膜张肌的收缩增大鼓膜的张力使鼓膜绷得更紧，这样鼓膜振动幅度就会变小，同样会导致听觉的下降，这个功能本来是人用来保护自己在高音量环境下的耳朵的，但打哈欠同样会引起该肌肉的收缩。
以上两种作用都导致了人在打哈欠时难以听清外部声音。
参考文献：
咽鼓管的有怎样的结构特点？
Luis Miguel Ramírez, Ballesteros L E , Sandoval G P . Tensor tympani muscle: strange chewing muscle[J]. Medicina oral, patologia oral y cirugia bucal, 2007, 12(2):E96-100.
by 前进四
Q8
为什么摩擦力和接触面积大小没有关系，但把书页交叉叠放却能增大摩擦力导致拉不开呢？
by 巧克力
答：
摩擦力确实与接触面积的大小没有关系。但是，把书页交叉叠放时，接触面的数量增加了。同时，由于纸张的形变，每个接触面上的正压力也会增加。由于每个接触面上都会存在一个摩擦力，它们叠加之后，总的摩擦力就会大幅增加。
首先，暂时不考虑纸的形变，我们可以建立一个简单模型，计算出这种摩擦力的大小。假设每本书有
页纸，每页纸的质量为
，纸张之间的摩擦系数为
。在书页交叉叠放时，每两页纸之间都存在一个接触面，产生相应的摩擦力。考虑书本
的第
页纸，存在上、下两个接触面，分别有
，
张纸压在这个接触面上，于是，相应的压力为
这两个接触面上的摩擦力
于是，总的摩擦力，就是从第一页到第N页的摩擦力之和，即
与之相比，如果仅仅是把一本书摆放在另一本书上，那么就只有一个接触面，其摩擦力为
以两本书各有100页为例，交叉叠放的摩擦力达到了简单摆放的近200倍。可见，交叉叠放的方式，通过增加接触面的数量，大幅增加了总的摩擦力。
在实际情况下，书页的交叉叠放会把两本书“撑开”，引发纸张的形变。如图所示，AB段的纸张是倾斜的，于是纸内的张力就会有一个竖直方向的分量。为了平衡这个张力，两张纸之间的正压力增加，从而造成摩擦力的进一步增加。（可以尝试把手指伸到两页书之间，不难发现，手指伸得越深，感受到的压力和阻力越大）正是因为这种效应的存在，即使把两本书放在竖直位置，也可以产生很大的摩擦力。
参考文献：Self-Amplification of Solid Friction in Interleaved Assemblies
by xiaozhu
Q9
为什么人在光明的环境中不容易睡着？
答：
这是因为啊，同学你还不够累啊！
亲，这边建议每天睡3到4个小时呢，不到一个月，保证你不仅有光环境能睡着，还可以保证罚站的时候也可以睡着（不要问我为什么知道）。
好了，说正经的。人的大脑中有一个区域叫做松果体，是极其重要的腺体（吐槽一下，这个与熬夜有关的腺体居然中学不学）。它能通过分泌褪黑素控制生物节律，一天里，白天光照强，褪黑素分泌少；夜晚光照弱，褪黑素分泌多，导致人产生睡意。如果你到没有光污染的农村地区，也许晚上8、9点完全黑下来后，就开始有睡意了。现代人，很多人喜欢睡觉前刷手机，事实上，手机屏幕的蓝光会大幅减少褪黑素的分泌，导致手机越玩越嗨（亲身经历）。
在白天，哪怕你完全闭上眼睛，还是有光能透过你的眼皮的，因为眼皮细胞质近乎透明，眼皮厚度较小，也许你还可以测一下眼皮的透光率，我们常常用
表示，即
透射光强
入射光强
。不考虑吸收光的话，可以在黑暗环境中测出反射率
，
即得到透光率（开玩笑的，很危险，很危险，很危险！！！）。所以如果想要上课睡觉，眼罩是个不错的想法呢，最好呐，再让老师给你拿个枕头。
by Aurora
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本期答题团队乐在心中、Alan、霜白、某大型裸猿、前进四、xiaozhu、Aurora
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上期也精彩
编辑：他和猫