當你連上Wi-Fi的瞬間，空氣里發生了什么？ | No.494

WIFI在我們日常生活中處處可見，

也是我們現在必不可缺的工具，

那你知道它的工作原理嗎？

問答導航
Q1 暖貼與自熱火鍋的發熱原理有何區別？
Q2 漆扇原理是什么？
Q3 用引力場模型類比水面渦旋是否合理？
Q4 鹽水密度為什么比蒸餾水大？
Q5 干抹布隔熱效果為什么比濕抹布好？
Q6 光伏發電板的原理是什么？
Q7 WIFI的工作原理是什么？
Q8 物體表面灰色的灰塵為什么一擦就變黑了？

by 碼頭

答：

這是因為暖貼和自熱小火鍋自熱包的發熱原理不同，觸發化學反應所需的條件也不同。暖貼的發熱本質上是鐵粉在空氣中發生氧化反應放出熱量。暖貼內部含有鐵粉、水、鹽和活性炭等成分，但在未拆封時與空氣隔絕，反應無法進行。當撕開包裝后，空氣中的氧氣進入，鐵粉開始緩慢氧化生成氧化鐵并持續釋放熱量。由于這一氧化反應速度較慢、放熱平穩，因此暖貼的溫度通常不高，卻可以維持較長時間，用于人體保暖。

相比之下，自熱小火鍋的自熱包并不是依賴空氣，而是依賴水來啟動反應。自熱包中通常含有生石灰（氧化鈣），這種物質在干燥狀態下性質較為穩定，但一旦遇水就會迅速發生化學反應，生成氫氧化鈣并釋放出大量熱量。正是這一反應，使自熱包能夠在短時間內將溫度升高到接近甚至超過沸水的水平，從而滿足加熱食物的需要。如果不加水，生石灰無法反應，自熱包也就不會發熱。

因此，暖貼之所以撕開即可發熱，是因為它所缺少的反應條件是氧氣；而自熱小火鍋之所以必須加涼水，是因為水本身就是反應物之一。此外，自熱包通常要求加入涼水而非熱水，是為了避免反應過于劇烈，防止溫度瞬間過高而帶來安全隱患。總體來看，暖貼追求的是低溫、緩慢、長時間的放熱，而自熱小火鍋追求的是高溫、快速、短時間的放熱，這也決定了它們在使用方式上的根本差異。

參考資料：

1. 大連理工大學無機化學教研室 編. 無機化學（第六版）[M]. 北京： 高等教育出版社.

2. 浙江大學普通化學教研組 編. 普通化學（第七版）[M]. 北京： 高等教育出版社.

by 星空

Q.E.D.
Q2 之前很火的漆扇原理是什么？

by 我叫大王

答：

漆扇的原理，本質上是一種利用油水不相溶與表面張力完成的“水面轉印”。看似隨手一漂，其實背后是流體力學在默默工作。

漆扇制作過程圖 圖片來源：中新網

制作漆扇時，使用的漆是油性或樹脂性的，它不會溶解在水中。當漆滴入水面后，在表面張力的作用下，它不會下沉，而是迅速在水—空氣的界面鋪展開來，形成一層極薄的“漂浮漆膜”。這一步決定了漆只能停留在水面，而不是混進水里。

真正讓花紋變得靈動的，是水面的流動。當輕輕攪動水，或滴入不同顏色的漆時，水面會出現細微的流動；同時，不同漆之間表面張力的差異，會驅動漆膜自行拉伸、推擠、分裂。這種由表面張力差引發的運動，會把原本簡單的漆層“拉”成流云、漣漪或羽毛狀的紋路，而且過程高度隨機，幾乎無法復制。

當扇面被緩慢浸入水中時，漂浮的漆膜會優先附著在固體表面。隨著扇子下沉，水被排開，漆膜像我們柔軟的皮膚一樣包裹住扇面，把水面上的二維圖案完整轉移到立體結構上。

因此，每一把漆扇的花紋，其實都是漆在水面上“被物理規律推著走”的軌跡記錄。看起來是手工藝術，背后卻是油水分離、表面張力和流體運動共同完成的一次自然作畫。

參考資料：

1. 王世襄．《髹飾錄解說》．北京：生活·讀書·新知三聯書店，2013．

by 檸七

Q.E.D.
Q3 請問，水面漩渦用燈光照亮發現和黑洞想象圖片一樣，這樣類比推理引力場模型有無嚴謹性問題？

by onmk

答：

水面的漩渦方程與黑洞導致的時空的彎曲并不相同。無粘性的旋轉水面的曲面方程是旋轉拋物面 ，而在二維空間中放置一個質點（體積無窮小故密度無窮大），則二維平面彎曲為曲面，可以在三維空間中用柱坐標描述：

那么我們有空間度規：

最后解得：

這不是下凹的拋物線( )，而是一個“躺下來”的上凸的拋物線！

藍色為旋轉水面, 紅色為黑洞附近時空的剖面

by 竹銘

Q.E.D.
Q4 為什么鹽水的密度比蒸餾水大？

by 匿名

答：

根據密度公式的定義： ，比較鹽水和蒸餾水的密度，不妨比較單位體積的水（如 ）在加入一些NaCl前后質量體積改變如何。

加入鹽之前，單位體積的水質量為1 ，而加入鹽水后，如需要配置常見的生理鹽水，需要加入 約0.01g的NaCl，而加入鹽后，液體的質量的改變等于加入鹽的質量，而液體的體積不會發生明顯改變，這是由于組成水的水分子之間與較大空隙，NaCl溶解后變為鈉離子和氯離子能直接進入到這些空隙中而不改變液體的總體積，因此加入食鹽后液體的質量更大，體積不變，密度增大。

by clouds

Q.E.D.
Q5 我想知道為什么干抹布比濕抹布的隔熱效果好？

by 龍頭偵探

答：

因為空氣的保溫效果比水好，保溫能力強20多倍。有一個反直覺的知識：生活中幾乎所有材料導熱速度都比空氣快很多。因此生活中的保溫材料幾乎都是依靠疏松的結構將空氣膜作為保溫層，例如泡沫塑料，羽絨服和動物的絨毛。毛巾為了保證吸水能力，也是疏松多孔的結構，因此干毛巾的保溫效果比濕抹布好。另外，濕抹布有很多副作用，例如水蒸發會帶走熱量，如果用來防止熱的物體不變涼，反而會起到加速冷卻的效果。

by 靈境

Q.E.D.
Q6 光伏發電板的工作原理？

by 沈以墨SillyInk

答：

光伏發電板的核心是半導體PN結的光生伏特效應。PN結是由P型半導體和N型半導體組成的界面。兩側的多數載流子因濃度差發生擴散運動，在接觸面附近發生復合，形成空間電荷區（耗盡區），產生內建電場。內建電場阻礙多數載流子的擴散運動，驅使少數載流子漂移運動。當擴散與漂移作用達到動態平衡，PN結達到穩定狀態。

半導體PN結示意圖[1]

半導體PN結吸收太陽光可以產生光生載流子（電子空穴對）。由于內建電場存在，電子與空穴分離后分別進入N區和P區在PN結附近形成光生電場（與內建電場方向相反）。P區和N區分別帶上了正電和負電，由此電動勢出現。通過分別在PN結的兩端用引線連接接通負載，就可以在外電路形成電流。

光生伏特效應示意圖[2]

參考資料：

1. 咸夫正,蘇文斌,盧紅旺,等.伏安法測量二極管的伏安特性實驗研究[J].大學物理實驗,2024,37(06):55-59.DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2024.06.010.

2. 周樂,周捷.對太陽能電池板的原理分析和應用展望[J].山東工業技術,2017,(19):295.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.259.

by ThymolBlue

Q.E.D.
Q7 WiFi的工作原理是什么？

by 沈以墨SillyInk

答：

Wi-Fi 本質上是一套用電磁波“隔空發消息”的精密系統。它并不是簡單地把網絡“鋪滿空氣”，而是通過高度復雜的數學編碼，將數字信號“刻”在無線電波上，再利用嚴格的交通規則在空中傳輸。

從物理層面看，Wi-Fi 使用的是微波頻段（多數為2.4 GHz、5 GHz）。這些頻率介于廣播電臺和可見光之間，波長適中，既能穿透墻壁和家具，又便于集成在手機的微型天線中。

真正的關鍵在于調制。路由器并不是簡單地把信號打開或關閉，而是利用數學方法，把二進制信息映射到電磁波的細微變化上。現代Wi-Fi主要依賴正交振幅調制：同一頻率的電磁波，通過“波峰高一點、低一點”，以及“波形早到或晚到一點”，就能表示出不同的比特組合。再配合正交頻分復用，把一條信道拆成許多彼此正交的子載波并行傳輸，數據才能以極高的效率在空中流動。

在網絡層面，Wi-Fi更像是一場“有秩序的搶話筒”游戲（CSMA/CA 機制）。因為所有設備共用同一個信道，大家必須輪流發言。設備在發送數據前會先“聽一聽”空氣是否安靜，避免同時大喊造成沖突。這也是為什么連接設備越多，大家“排隊等待”的時間越長，網速就越慢。

至于信號穿墻變弱，本質是電磁波在傳播中被墻體物質吸收、反射和散射，導致信噪比下降。為了不“聽錯”，設備只能主動降低語速（速率），甚至斷連。

所以，Wi-Fi本質上是用微波當載體、用數學編碼信息、用協議協調秩序的工程奇跡。

參考資料：

1. Gast, M. S. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide[M]. O'Reilly Media, 2005.

by 檸七

Q.E.D.
Q8 為什么灰塵開始在物體表面時是灰色的，用紙擦起來之后就變黑了？

by Recluminist

答：

眾所周知，人眼看到物體的顏色來源于物體反射出的光線。

灰塵附著在物體表面顯淺灰色說明灰塵和物體表面的系統整體反射了大部分的環境光。這是因為當灰塵松散地分布在物體表面時，光線會經過多次散射和透射。灰塵顆粒之間的空隙會讓部分光線穿透到物體表面再反射回來，同時灰塵顆粒本身也會反射光線。這導致系統對光的吸收率很低，看上去顏色更淺。而用紙張或布將灰塵擦拭起來，灰塵被聚集，顆粒之間的空隙減少，光線難以穿透，更多被灰塵顆粒吸收，系統對光線的吸收率更高，所以看上去顏色會更深。

總言之，一片區域內灰塵所顯現的顏色取決于其對光線的吸收程度。這就像是加水稀釋顏料，顏色會變淺一樣。

by 跑馬仔

Q.E.D.
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本期答題團隊

星空、竹銘、clouds、滪旸、跑馬仔、檸七、ThymolBlue

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編輯：涼漸