高鐵變軌原理動畫演示,高鐵變軌
火車，作為當前日常出行以及節假日遠游不可或缺的交通工具，伴著”嘟嘟“聲遠去的，不僅是一批批學子建功立業的渴望，當然還有那承載了多普勒效應的物理思緒。
（啥，多普勒效應，是什么東東?能吃不？
）
本期問答聚焦于火車腳下，告訴你火車如何在復雜的鐵路網中實現變軌，快來看看吧！
一步兩步，
一步兩步，
一步一步似爪牙，
似魔鬼的步伐
1
Q
水喝多了還會水中毒，所以水有，，毒性？
by yours
A
水中毒是指機體水的攝入量超過了排水量，以致于水分在體內滯留，打破了水和電解質的平衡，引起血漿滲透壓下降和循環血量增多，過多的水會稀釋人體內的鈉離子濃度的現象，在醫學上又被稱作稀釋性低血鈉。
鈉是人體內很重要的電解質，有維持體內水分平衡，幫助神經肌肉運作的作用。血液中的鈉離子過低或過高，都會引起人體不適，而當人體血液中的鈉離子濃度過低時，就會出現以下癥狀：
低于130mEq/L：開始出現輕度的疲勞感；
低于120mEq/L：開始出現頭痛、嘔吐或其他精神癥狀；
低于110mEq/L：除了性格變化，還伴隨痙攣、昏睡的感覺；
低于100mEq/L：神經訊號的傳送受到影響，導致呼吸困難，甚至可能還會導致死亡。
(毫當量濃度為毫摩爾濃度乘以離子價態數：對于鈉離子有 1mEq/l = 1mmol*1價）
水中毒的原因主要有：在大量出汗后馬上大量補充水分、急慢性腎功能不全、藥物影響等。一般情況下，只要不是短時間大量喝水，我們的腎臟是可以調節的。因此，正常飲水也不用擔心水中毒情況的產生。
By Nuor
2
Q
臭氧為什么能污染環境呢？
by 蘇立佳
A
臭氧(O)，氧氣的同素異形體，一種有著特殊氣味的淡藍色氣體。主要分布在地球周圍約10-50km的高空中，保護地球不被紫外線過度照射。雷雨過后我們都能在空氣中聞到一股略微怪異的味道，就是我們常說的臭氧。
首先，在平時的空氣中，臭氧是無毒的，只有在較高的濃度并較長時間處于臭氧環境中，其才會對人體產生危害，也就是我們常說的，劑量決定毒性，就像上面說的水喝多了還可能中毒一樣。其次，一般情況下，我們聞不到臭氧，是因為臭氧存在10~30分鐘的半衰期，會分解為氧氣。
常說的光化學煙霧主要成分就是臭氧，由 NO、VOC 揮發性有機污染物等轉化而成。產生的臭氧由于其氧化性，在一定的濃度下，會對材料造成腐蝕（如氧化聚合物材料中的不飽和鍵），影響植物生長（如破壞細胞膜，影響生理功能），對人體造成危害（如危害呼吸道和中樞神經）。
By Aaron Chen
3
Q
火車是如何變軌的?
by EvanHung
A
火車變軌依靠的是道岔。每一組道岔由尖軌、導軌、岔心、兩根護軌和岔枕組成，由長柄以杠桿原理撥動兩根尖軌，使車輛輪緣依開通方向駛入預定進路。
道岔（圖片來源：Wikipedia）
解釋火車通過道岔變軌之前需要了解火車車輪的構造，見下圖。火車車輪不是圓柱形的，而是近似于圓臺形，并且輪緣在內側。
下面以單開道岔為例，當想讓火車由A到B時，就撥動尖軌（圖中紅色部的分）讓它像圖1中那樣放置。火車左輪不與尖軌接觸，直接向B方向行駛，但是右輪因為有輪緣的存在，被尖軌引導至向B方向行駛，從而使火車直行。當想讓火車由A到C時，撥動尖軌，讓它像圖2中那樣放置。這時，火車右輪不與尖軌接觸，因此沿著鐵軌向C方向行駛，而左輪被尖軌引導，也向C方向行駛，從而實現了火車變軌。
圖1
圖2
完整動圖如下：
（圖片來源：Wikipedia）
參考：鐵道知識ABC】5-鋼軌（上）
By 重光
4
Q
洗發水的噴頭是什么原理？
by 劉詩詩黃軒
A
洗發水噴頭的正式名字叫做“乳液泵”。乳液泵的內部構造見下圖：
按壓按鈕時，泵體內的體積減小，泵體內的乳液受到擠壓。從圖中可以看到，乳液可以向下運動或者向上運動，可是，因為下方有一個玻璃球（黃色）堵住了通道，因此乳液只能將上方的玻璃球（粉色）頂開，然后從按鈕處流出。
松開按鈕時，彈簧將活塞頂起，泵體內的體積增大，形成負壓。因為有粉色玻璃球的存在，外界的空氣無法通過按鈕處的出口進入泵體，所以瓶子內的乳液就頂開黃色玻璃球，流向泵體，直到儲滿泵體。到這里還沒結束，因為瓶子內的乳液流向了泵體，所以瓶內產生了負壓，這時，外界空氣順著中心導管與鎖扣的縫隙進入到瓶中，從而平衡氣壓。
以上就是乳液泵泵出乳液的完整過程。
By 重光
5
Q
為什么用阿基米德原理計算浮力與物體自身密度無關？
by 鄭局鄭段
A
阿基米德浮力定律說的是水對物體產生的浮力大小等于物體排開的水受到的重力。所謂的排開的水的體積在圖中對于B來說是B所占據的體積，對于A來說是A在水面下占據的體積。當所排開的水的重力等于物體時，物體就能浮起來。
對于靜止的水，我們認為里面的水各處受力平衡。如果把物體放入水中，假設物體占據的空間還是被水填充，那么這團水在其他的水的作用下是受力平衡的。又因為水中物體所受的力由它周圍的水施加的壓力決定，所以物體和填進去的那塊水受浮力一樣大，浮力等于液體密度×g×排開水的體積。可以看出，浮力和物體自身密度無關，只和排開的水的重量有關
By Nothing
6
Q
熱電效應是什么？有什么應用？
by 申
A
首先簡單說一下什么是熱電效應，當金屬或者半導體兩端有一個溫度差的時候，兩端會產生電勢差，如果用導線將兩端連起來，就可以形成通路。不僅如此，當我們給一個溫度分布均勻的金屬和半導體兩端加上電壓以后，也會導致一個熱流動，時間長了兩端會產生溫度差。前者被稱為塞貝克效應后者被稱為帕爾貼效應。但是由于對于大部分金屬和半導體來說這個熱流的量級遠小于電流產熱的量級所以我們幾乎感覺不到它的存在。
那為什么會有這么神奇的效應呢？主要原因在于載流子（金屬中的電子、半導體中的電子和空穴）在傳導的時候會攜帶熱量。當金屬或者半導體兩端有溫度差的時候，熱端的載流子擴散速度更快，就會在冷端形成電荷聚集，正是這個電荷聚集導致了電勢差。反過來，當你給一個金屬或者半導體兩端加上一個電壓，載流子的單向流動也會導致熱流動從而形成溫度差。
說了這么多，熱電效應有哪些應用呢？首先人們相當的第一個應用就是發電！我們的工廠每天都會產生大量的熱量，這些熱量無法利用就浪費掉了，我們可以通過燒水的方式來利用它但是顯然這是非常低效麻煩的，如果我們用熱電性能好的材料將其轉化為電能，變廢為寶，將為節能減排做出重要貢獻。另一個應用就是用來測量溫度，我們只要恒定其中一端的溫度然后把另一端接觸到我們要測的材料上然后測量電勢差就可以知道我們要測的物體的溫度啦！熱電偶被廣泛應用于溫度檢測，工作溫度上至1000多度，下至零下270度，分辨率還很高，是各大實驗室居家必備神器之一。
熱電器件還可以用來制冷, 上圖就是利用半導體熱電材料制冷的示意圖，我們給兩個半導體通電就會導致他們載流子從冷端向熱端移動帶走熱量，但是這個制冷量非常小，通常用于微型制冷。
參考: Thermoelectric effect
By 望江樓
7
Q
為什么白光通過棱鏡會色散？光的色散的本質是什么？
by 自旋波
A
眾所周知，白光由其他多種顏色的光混合而成，要想從白光中得到單色光需要將其他不需要的顏色的光去掉。棱鏡就是實現這種目的的一個實用工具。不同顏色的光在玻璃中的折射率不同，這導致玻璃對不同顏色的光的偏折效果不同。一般來說，玻璃對紫光的折射能力強，對紅光折射能力弱，所以經過棱鏡的折射后，不同顏色的光傳播方向不同，這使不同的光在空間中分離開。因此可以說色散的本質是不同顏色的光在玻璃中折射率不同。
更進一步，那么為什么不同顏色的光在玻璃中折射率不同呢？
首先光是一種電磁波，電磁波的行為可以由麥克斯韋方程組描述，通過麥克斯韋方程組我們得到光速為：
其中μ和ε是介質的磁導率和介電常數，一般來說，介質的磁導率和介電常數隨光頻率改變而改變。因此，不同頻率的光在介質中的傳播速度不同，這種現象被稱為色散。我們可以定義材料的折射率為：
其中c是真空中的光速，c是介質中的光速。
根據惠更斯原理，可以推導出光線從折射率為的介質以入射角α進入折射率為的介質時，入射角和折射角之間的關系是：
可以看出，介質會改變光的傳播方向，棱鏡正是利用這用原理進行分光的。
那么，最后的本質問題來了，介質的磁導率和介電常數隨光頻率改變而改變的微觀機理是什么？如何隨頻率變化？
哎，說到這，就不得不提及我們偉大的物理前輩黃昆先生提出的黃昆方程了！微觀上，電子束縛在原子核周圍，電子隨外界電場可有一定程度的偏移，但是也存在阻尼。可以想象成一個彈簧振子，在快速變化的周期性外力作用下，電子運動不能完全及時跟上。這個導致其對外界頻率變化有不同的響應。
考慮連續介質模型中的平面波解，可以得到介電函數與頻率的關系，如下圖：
其中，γ，γ，γ為與介電函數有關的待定系數.
利用復變函數極值點求得靜態介電常數ε和高頻介電常數ε，分別對應頻率為零和無窮大頻率的介電常數，最后得到介電函數的表達式為：
最后，如果你還想知道磁導率如何隨頻率變化的話，快來學物理吧！物理所歡迎你的加入！
By Nothing
本期答題團隊：
物理所 Nothing、Nuor、重光、Aaron Chen、望江樓
本期答題得到了“物理所大師兄”@李學苑的大力指導，鼓爪！
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編輯：香菜大法好
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