編者按
2022壬寅年新春伊始，中國實體學會科普優秀作品的展播的大幕正式拉開。沒有比生機勃勃的科學傳播更适合迎接春天的第一抹綠，第一道霞光，第一縷微風了。我們希望以此激發青少年對世界無窮無盡的好奇心，心懷科學夢想、樹立遠大志向，從這裡開始，展開興趣盎然的探索之旅。
中國實體學會以引導公衆重視科學，尊重科學，發展科學為己任，自1982年即成立了科普工作委員會，緻力于普及科學知識、傳播科學思想、弘揚科學精神。為鼓勵更多優秀科普原創作品的産生，中國實體學會科普工作委員會于2021年組織了“實體科普作品展演”活動，面向實體學科研人員、教師和學生征集原創科普作品視訊。作品内容包括兩個類别：（1）精彩科學三分鐘——短視訊講解實體知識、實體思想方法，内容主要圍繞大中學實體教學内容或日常生活中的實體現象；（2）講台上的發明家——自制實體科普教具、展具等的視訊展示。經專家評委會初評和複評，最終評選出優秀獎作品59件。作為慶祝中國實體學會創立九十周年的系列活動之一，我們從這59件作品中又精選出5件，在新春佳節之際進行展播，以此迎接科學的又一個春天。
值此新春佳節，中國實體學會恭祝全國的實體學工作者們，和所有對實體心懷熱愛的人們事事順遂，虎年大吉！
01
手觸式蓄電池的秘密
電能點亮千家萬戶，但是你可否想過我們人體也能成為“電流大閉環”的一部分呢？由于我們人體中擁有大量離子，正如同自來水管道中的水滴定向移動能彙集産生水流一樣，他們定向移動後就會産生電流，這是人體導電的原理。導電是人體生命活動的重要一環，早在1791年，意大利醫學與動物學家伽爾瓦尼（Luigi Galvani）就發現，生物的肌肉運動與通過的電流息息相關，而我們的神經活動等生理現象均是通過人體内部的“微電流”實作的。而當外界有電流通過我們人體時，一旦電流過大，電流所承載的能量就如同洪水一般會對人體産生傷害，這是我們觸電的原因， “發毒誓遭雷劈”等俗語其實都與人體導電相關。
在這個過程中，離子也要克服翻越“崇山峻嶺”的阻力才能産生電流，這也被我們稱之為電阻。而人體電阻也是在時刻變化的，人體産生汗液、體溫升高等都能使電阻降低，而我們也可以通過手動增加電阻來“阻隔”電流。在高壓電網上工作的電力勞工，他們不會觸電的秘密之一就是戴上的絕緣手套，這雙手套電阻巨大，是以牢牢的阻礙了強大的電流流過勞工的身體。
近年來，假借醫療器械蒙騙老年人的案件層出不窮，視訊中提到的“健康檢測儀”正是假借電流計的示數作為“健康示數”的虛假器械。騙子聲東擊西，表面看似是藥丸起到作用，實則是服下的熱水使人體微微出汗，出汗後手上的汗液能夠降低人體電阻，是以看起來人體電流便有了顯著增加。在新春佳節來臨之時，往往也是騙子在一年中“沖業績”的好時機。全民學習科學知識，不僅是提高公民科學素養的重要一環，也是我們每一個人防詐騙的重要“保護傘”。
02
引力彈弓的秘密
“利用引力這把大弓，把飛行器彈射出去！
——引力彈弓效應
伽利略号
日常生活中，引力稀松平常到幾乎讓人注意不到，但如果我們深入到浩瀚的宇宙中會發現，引力才是那個終極大boss！我們知道宇宙中有四種基本互相作用，引力就是其中之一，而在影響天體運動方面，這四種力的影響，引力幾乎是主導，因而當我們探索外太空時，能否利用引力就成為科學家們非常感興趣的問題之一，而其中一個最知名也最常見的應用就是引力的彈弓效應。
引力的彈弓效應是一個非常形象的比喻，它描述的是這樣的一種現象：當一個微小物體和一個非常巨大的物體追趕着互相接近時，兩個物體彼此之間的引力會讓大物體傳遞一部分能量到小物體身上而把這個小物體像彈弓彈射一樣地甩出去。
視訊中的理想實驗十分具有啟發性，我們可能很熟悉解釋廣義相對論的這樣一個很直覺的描述，即利用橡皮膜上的物體使膜凹陷來模拟時空彎曲，我們也肯定聽說過牛頓引力可以看作廣義相對論的某種近似。但利用這種示範出來的時空彎曲來解釋引力的有趣的效應，正是這個視訊中的理想實驗在做的很有意思的嘗試。這個實驗非常直覺地告訴我們，引力彈弓效應确實加速了那個小物體，把它彈出去了！
這一現象在人類探索外太空時有着非常巧妙的應用，人類想把航天器發射向外太空，但是脫離太陽的引力要消耗巨大的燃料，不過科學家意識到利用這一現象可以使巧勁兒：如果我攜帶不了那麼多燃料，我就利用宇宙中龐大的星體把這個航天器彈出去。人類向遙遠宇宙的征程，比如卡西尼号、伽利略号、旅行者号航天器的發射，都是人類多次利用了太陽系各大行星作為彈弓，接力着把它們彈出去的。
03
近視的矯正
大家在記錄片中，是否有看過放大鏡點火的鏡頭呢？（玩火危險，請勿模仿！）放大鏡本質上是一個凸透鏡，它能夠通過折射光線，使得光線彙聚在一起。凸透鏡表面的彎曲程度越大，彙聚光線的能力便會越強。反之，凹透鏡能夠使得光線發散。
在我們的眼球的前端，有一個結構叫做晶狀體，它的作用就相當于一個凸透鏡，将外部進入眼睛的光線彙聚在一起，這個彙聚的光線會聚焦成像在我們的視網膜上，大腦對于成像進一步加工，我們就能看到物體了。在晶狀體到視網膜的距離不變時，當我們看近處的物體時，由于入眼的光線是從一點出發，不是平行的，是以常常需要更大的曲率；而遠處的物體進入眼睛的光線近乎平行，是以隻需要較小的曲率就能讓我們看清了。
而我們的眼睛是如何做到或遠或近的物體都能讓我們看清楚的呢？在晶狀體的外圍有一層肌肉叫做睫狀肌，通常情況下，睫狀肌通過控制自己的繃緊與放松，能夠調整晶狀體的曲率，是以我們始終能夠看物體非常的清楚。但是對于長期盯着螢幕和手機等近處物體看的當今人類，為了使晶狀體曲率較大，長期處于繃緊的狀态，這種狀态會使得睫狀肌恢複能力減弱，是以當我們看遠的物體時，晶狀體便會過度彙聚光線，使得成像在視網膜前面，造成看不清，這就是近視現象。為了矯正近視，近視患者就需要帶上一個凹透鏡，略微發散一下入眼的光線，這樣就剛好在視網膜上了，曲率越大的晶狀體，需要的凹透鏡發散能力越強，焦距也越小，是以這就是我們常說的度數越高。
而如果成像在視網膜的後端，這就是遠視現象了。同樣的道理，對于遠視患者來說，則需要使用凸透鏡，提前将光束彙聚來進行矯正。對于年齡較大的人群來說，他們的睫狀肌長期處于松弛狀态，是以對于晶狀體控制能力較差，晶狀體弧度較小，是以容易産生遠視現象，這也是為什麼遠視眼常常被大家稱呼為“老花眼”的原因。
另外，在配近視眼鏡時我們還常常聽到“散光”這個問題，那散光和近視又有什麼關系呢？對于散光患者來說，晶狀體已經不是一個完美的凸透鏡，晶狀體中心往不同方向上的焦距都不一樣，這就意味着不同地方入射的光線會成像在視網膜前後不同的距離，光線如同散開的一樣，是以得名為散光。
其實近視本質上相當于眼睛長期工作，處于過度緊張的狀态，是以在學習工作之餘，不妨走出去，多多讓我們的眼睛放松放松吧。
04
幹冰的秘密
“幹 冰
不少高檔餐廳在菜品擺盤的時候，會增加煙霧缭繞的“白霧”效果，這種“白霧”的産生與幹冰的使用息息相關。幹冰非冰，其實幹冰是固态的二氧化碳，由于常溫常壓下二氧化碳以氣體形式存在，是以幹冰在常溫下會直接轉化為二氧化碳氣體，這種由固态之前轉化為氣态的過程被稱之為升華。升華現象在大家身邊非常常見，放在衣櫃裡面的樟腦丸會逐漸變小，這也是升華的過程。
為什麼我們通常看不到幹冰轉化為液态，而是會直接升華呢？因為物質三态（固态、液态、氣态）的存在均需要在特定的溫度和壓力區間下。二氧化碳液态存在的壓強至少需要527kPa（約為5個大氣壓），是以在常壓下就不存在液态二氧化碳了。事實上，幹冰的制造過程并不是冷凍至低溫，而是将二氧化碳氣體加壓制成的。
升華這種由固态轉變為氣态的過程，會吸收大量熱量，是以視訊中制作“水果冰沙”正是利用了這一原理。我們在網際網路上購買冷凍食品時，包裹内也常常使用幹冰作為冷凍劑（區分于鹽水冰袋，這種幹冰冰袋在室溫下放置一段時間則會由于升華内容物消失）。開頭提到的将幹冰放入水中産生“白霧”正是利用了這一原理，但 “白霧”并不是幹冰升華産生的二氧化碳氣體，因為二氧化碳氣體無色無味，我們肉眼無法看到。“白霧”其實是幹冰升華時吸收熱量，使得空氣中的水蒸氣凝結成的小水滴。由于二氧化碳的密度比空氣大，是以幹冰入水産生“白霧”的效果常常聚集在空間下部，宛如流雲一般，是以常常被用于舞台和影視劇拍攝，制造出“雲端仙境”的效果。如同幹冰一樣，許多看似不常見的物質，其實在我們的生活當中已經被廣泛使用！
05
熱聲琴的秘密
管樂是一類在全世界廣泛存在的樂器，如中國的葫蘆絲、西方的薩克斯、澳洲原住民的迪吉裡杜管等，這一類樂器都有或大或小的一個管子作為主體，材質可能為竹子、金屬、木頭等。不同的材質和長度賦予了他們不同的聲調和音色，但是這些樂器發出聲音的原理都極為相似。
聲音的産生是由于物體的壓縮導緻的，而日常生活中這個被壓縮的物體自然就是空氣了，聲源使得空氣以一定頻率壓縮，産生了疏密交替的空氣波，這種波傳到我們耳朵裡便會讓耳朵裡的鼓膜産生振動，進而就被我們的大腦加工成聲音信号了。而管樂的長管子正是它們發出聲音的秘訣，演奏時我們會在樂器一端産生小小的空氣振動，這個振動會使得管子裡面的空氣柱産生振動，空氣柱的振動與管子内壁産生摩擦，進而引發了管體更大的共鳴，是以就将微小的聲音放大了。而我們演奏樂器時誘導的微小振動有多種方式，如薩克斯是使哨片發生振動，小号直接利用嘴唇産生振動等。
那誘導聲音的産生是否還有别的方式呢？視訊裡面提到的熱聲效應便是一種新的方式。空氣加熱後以後溫度會升高，進而使得空氣的密度降低。當熱源位于管子下部的時候，下面密度較小的熱空氣會上升，上面密度較大的冷空氣會下沉，這種空氣的對流使得空氣也發生周期性的震蕩，是以便能夠發出聲音了。由于這種利用密度的對流隻能在上下發生，是以視訊中将管體橫過來放置時，就不會産生聲音了。
目前，國内已有相關研究利用熱聲效應，采用石墨烯或碳納米管等新興材料作為傳熱物質制造出來了一類新型揚聲器。也許在未來的某一天，我們能夠買到以熱聲效應為原理的音箱和耳機，由于它不是通過薄膜振動産生的聲音，是以不用擔心膜戳破了以後就會壞掉的問題，但是最大的缺點可能就是燙耳朵了。
文稿：逐年
排版：大萌/有衡
美編：農民
責編：理趣
來源：中國實體學會
編輯：aloysius