北京
用久了的手機殼會悄悄泛黃，
老家電的外殼也會染上抹不去的“舊色”，
為什么塑料物品都容易有這“歲月痕跡”呢？
問答導航
Q1 為什么頭發捋一遍會變成彎曲如彈簧形狀？
Q2 為什么用手指堵住手機喇叭孔聲音會變小？
Q3 為何描述物理系統大多使用微分方程而不采用積分方程？
Q4 為什么塑料用久了會發黃？
Q5 空調是如何進行制冷制熱的？
Q6 為什么瓶子里黑色的咖啡在瓶蓋上卻呈現棕色？
Q7 茶飲料為什么容易起泡沫？
Q8 cpu，gpu是怎么工作讓我們看到電腦畫面的？Q1 現在我有一根頭發，我將其一段固定住，用手指甲卡住頭發將其捋一遍，為什么頭發會變成彎曲如彈簧形狀？
by 吃魚的貓
答：
頭發本質上是由角蛋白構成的細長纖維，既有一定彈性，也并非完全彈性體。當你把頭發一端固定，用指甲夾住并快速捋過時，頭發在指甲與手指之間受到強烈且不均勻的摩擦力和拉伸力：靠近指甲一側被更強地拉伸和壓縮，而另一側受力較小。這樣就在頭發橫截面上形成了應變不對稱。
如果這種應變超過了頭發的純彈性范圍，內部角蛋白分子結構會發生部分不可逆的重排，釋放外力后，各部分“恢復原狀”的程度不同，結果就是頭發的一側比另一側“更長”，于是整根頭發只能通過彎曲來適應這種長度差，最終呈現出類似彈簧的卷曲形態。
這和用剪刀背刮彩帶、彩紙會自動卷起來的原理是一樣的：單側受到更強摩擦與拉伸，產生永久性長度差，從而導致彎曲。
by 靈境
Q.E.D.
Q2 用手指堵住手機喇叭孔，音樂聲音會變小，聲音不是能在固液氣三態中都能傳播嘛，用手指堵住手機喇叭孔，聲音不能從手指沿著身體傳到耳朵嘛，為什么？
by 匿名
答：
兩個原因：
1. 手指內部聲音衰減更快。理論上任何物質都能傳播聲音，但是不同物質傳播效率不同。用光類比就是一些物質更“清澈”而另一些更“渾濁”。對于聲音來說，這是由一個叫“粘滯系數”的物理量決定的。一般而言越堅硬或者越有彈性的物體粘滯系數越小，傳播聲音的能力越強。例如鋼鐵，玻璃，甚至水，空氣就是適合傳播聲音的物質。反之如棉花，海綿，絨毛就不適合傳播。
2. 不同界面處存在反射。還是拿光類比，再干凈的玻璃表面也會存在反射現象。聲音也是如此。由于手指內和空氣聲音傳播速度不同，聲波就一定會發生反射。大部分聲音會被“反射”回喇叭孔內部。多次反射后被手指、手機吸收的聲音就會更多。
總體說來，以上兩個原因中占據主要因素的是反射現象。這也是為什么關門可以隔絕大部分聲音。
by 靈境
Q.E.D.
Q3 為何描述物理系統大多使用微分方程而不采用積分方程？
by 忻下和
答：
用微分形式和積分形式表達的物理規律是等價的，但由于大部分物理問題無法得到解析且簡潔的積分表達式，所以主要采用微分的形式書寫定理。牛頓第二定律就是典范：它指出物體在某一瞬間的加速度（即速度的變化率，位置的二階導數）直接等于該時刻所受合力除以質量。這個關系捕捉了運動的瞬時因果性——知道了此刻的力和狀態，就能確定下一刻如何變化。用微分方程表達為 ，配合初始位置和速度，通過積分就能算出整個運動軌跡。這比直接尋找位置與時間之間的整體積分關系更直接自然。
電磁理論也是如此。麥克斯韋方程組的微分形式，描述了空間某一點電場和磁場的瞬時變化與源（電荷、電流）的局部關系。比如關于電場的高斯定律： 和 ，前者可以求解偏微分方程得到電場，有系統的解析解法或數值解法，后者需要計算一個積分計算電場，求解更加困難。
相反，熱力學中的克勞修斯不等式，其積分形式 在物理上遠比微分形式 更基本。原因在于，它直接比較了兩種路徑：左邊是熵這一狀態函數的變化（與過程無關），右邊是實際（可能不可逆）過程路徑的熱溫商積分。這種全局比較直觀揭示了不可逆性的方向與限度，即自然過程總是使系統的熵增超過其從外界吸收的熱溫商。微分形式雖簡潔，卻模糊了這一關鍵對比，且難以直接處理初末態平衡、中間非平衡的真實過程。因此，積分形式承載了該定律最核心的物理內核。
微分方程的優勢在于它直指變化的根源，即“變化率如何由當前狀態決定”。這種形式天然適合描述因果演化過程，也便于數值計算：我們可以從初始狀態出發，根據微分關系一步步推進，模擬系統演化，相應的求解方法自然也就有單步法，或者利用差分代替微分。而積分方程常將未知函數包含在積分號下，意味著當前狀態依賴于全部歷史或整個空間，雖然能描述某些非局部效應，但往往掩蓋了瞬時作用的直觀性，求解也更復雜。因此，物理學家更偏愛從微分方程出發，它簡潔地揭示了自然規律的瞬時動力學本質。
by clouds
Q.E.D.
Q4 為什么塑料用久了會發黃？
by S3
答：
塑料顏色變黃現象是塑料老化的體現，其本質是一種化學反應：塑料材料的分子結構發生改變，性能變差。塑料老化可由多種原因導致，比如紫外光、熱、力、電等等，因以上各種原因產生的自由基，會發生反應（鏈的引發、傳遞、終止等），導致塑料的氧化降解[1]。
具體黃色的成因可能是：1）飽和聚酯本身的反應產物對苯二甲酸在自由基反應后得到醌類結構；2）塑料中添加的酚類抗氧化劑被氧化為醌類結構。醌類結構指不飽和環二酮的結構，最簡單的醌是苯醌。醌類具有高度共軛結構，對位醌多數為黃色，鄰位多數為紅色或橙色[2,3]。
對苯醌和鄰苯醌結構示意圖[2]
參考資料：
李季,徐寧.黃色指數在ABS樹脂老化性能評價方面的應用[J].橡塑資源利用,2014,(06):22-25.
宋曉凱．天然藥物化學 第三版：化學工業出版社，2016
by ThymolBlue
Q.E.D.
Q5 空調是如何進行制冷制熱的?
by 匿名
答：
空調制冷與制熱的物理模型，就是一個依靠電機做功來實現熱量轉移的“熱機”，其本質是同一套基于壓縮式循環的熱泵系統通過閥門切換運行方向而實現的兩種效果，其工質為制冷劑（如氟利昂）。
在制冷模式下，低溫低壓的液態制冷劑在室內的蒸發器中吸收室內空氣的熱量，迅速蒸發為低溫低壓的氣態，此過程使室內溫度下降。隨后，該氣態制冷劑被壓縮機做功壓縮，成為高溫高壓的氣體，被泵送至室外的冷凝器。在冷凝器中，高溫高壓的制冷劑氣體向室外環境空氣釋放熱量，冷凝為中溫高壓的液體。最后，該液體經過節流裝置（毛細管或膨脹閥）降壓，重新變為低溫低壓的液態，回到蒸發器，完成一個循環。簡言之，制冷是將室內熱量“泵送”至室外。
在制熱模式下，系統通過四通閥反轉制冷劑的流向。此時，室外機內的蒸發器從低溫的室外空氣中吸取熱量（即使寒冷空氣中仍含有可用熱能），使制冷劑蒸發。隨后，壓縮機同樣對其做功壓縮，產生的高溫高壓氣體被送入室內的冷凝器，向室內空氣釋放熱量并冷凝，從而達到提升室溫的目的。因此，制熱實質上是將室外環境中的熱量“搬運”至室內。（下圖依次為制冷，制熱模式）
by clouds
Q.E.D.
Q6 為什么看瓶子里的咖啡很黑，但是瓶蓋上的咖啡呈現棕色？
by 工程師
答：
這種視覺差異主要是由于光線在液體中傳播的光程不同，導致光被吸收的程度不同所致。這一現象在主要吸收機制上，可以用朗伯-比爾定律來解釋。
咖啡看起來是黑色的，但實際上它是一種深棕色或紅褐色的溶液，這種顏色主要源于咖啡豆烘焙時美拉德反應生成的類黑精。
當你盯著一大瓶咖啡看時，光線需要穿過數厘米甚至十多厘米厚的液體。根據朗伯-比爾定律，物質對光線的吸收強度與液體的濃度和光線經過的距離（光程）成正比。由于大瓶咖啡的光程很長，絕大部分可見光在“穿越”液體的過程中都被咖啡分子吸收殆盡了。當幾乎沒有光線能反射回你的眼睛時，大腦就會將其識別為黑色。
而當你觀察瓶蓋內少量的咖啡液時，液層的厚度可能只有幾毫米。此時光程極短，咖啡分子還沒來得及吸收掉所有的光，尤其是波長較長的紅光和黃光，它們具有更強的穿透力，能夠透過薄薄的液層并經由瓶蓋底部反射回來進入你的眼睛。于是，你就看到了咖啡原本的“底色”——棕褐色。
這就像我們在海邊看海水，捧起一捧水是透明的，看淺灘是綠色的，而望向深海則是墨藍色的。這種由“量變”引起“質變”的光學幻覺，正是大自然最基礎的減法美學。
參考資料：
趙凱華. 光學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.
by 檸七
Q.E.D.
Q7 把茶飲料放到背包里，走了一段路程，拿出來時發現起了一層泡沫，普通礦泉水不會有這樣的現象
by 工程師
答：
順手撈起了旁邊的茶飲看了眼成分表“水、茶、VC、碳酸氫鈉……”，再順手搜一下礦泉水的成分表“偏硅酸、鉀鈣鈉鎂離子……”，這還是挺不一樣的。不知道大家有沒有用礦泉水瓶和水玩過“甩龍卷風”的游戲，玩過的伙伴們可能會觀察到，在“龍卷風”快結束的時候水里有很多氣泡上浮，它們飄到水面就消失了。這個現象可以幫我們很好地解答這個問題。
左圖：礦泉水配料表（圖源網絡） 右圖：某茶飲配料
把茶飲放到背包里，走路時瓶身的擺動會讓茶飲來回撞擊瓶壁，瓶內的空氣會以無數微小氣泡的形式進入茶飲內部深處。正如前文所說，水也會這樣。茶飲之所以最后會有泡沫層，是因為茶飲中的茶多酚等具有表面活性的兩親性分子會吸附在這些小氣泡表面（氣-液界面）形成一層彈性膜，小氣泡就這樣被穩住了，它們上浮的速度也被減緩。當我們停下來從背包中拿出茶飲時，搖晃停止，氣泡上浮聚集，最終形成了我們所看到的比礦泉水持久的“泡沫層”。
總的來說，就是這些表面活性劑在維持泡沫層。水之所以沒有，也是因為其主要成分是偏硅酸和一些金屬陽離子這些無機電解質，并不具備類似表面活性劑的功能。
by 4925
Q.E.D.
Q8 cpu，gpu是怎么工作的才能讓我們看到電腦畫面？
by 匿名
答：
CPU充當著計算機系統的“管理中樞”角色，特點是能夠以均衡、高效的方式處理各種類型的復雜任務，包括系統管理、邏輯判斷、數據加載與存儲等。而GPU擁有遠超CPU的并行處理能力，通常有著數千個流處理器，針對矩陣與向量運算這類高度并行、重復性強的計算任務有著更快的處理能力。
CPU將繪圖命令通過總線傳遞到GPU，GPU經過幾何處理、光柵化、像素渲染、ROP輸出這四個步驟完成渲染工作。GPU計算后的數字信號結果輸出到顯卡顯存，然后經RAM數模轉換器轉為模擬信號。模擬信號輸出到顯示器上，我們才能看到電腦的畫面。隨著近些年設備的發展，現在GPU計算后的數字信號結果從顯卡顯存經由顯卡的視頻輸出接口（比如HDMI）直接傳遞給現代的顯示器。
參考資料：
馬恕.硬件原理篇之二——畫面是怎樣顯示出來的?[J].電腦自做,2003,(08):127-129.
魯孝平.顯卡的工作原理[J].電子世界,2017,(23):63-64.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.23.027.
by 匿名
Q.E.D.
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本期答題團隊
靈境、4925、clouds、檸七、ThymolBlue
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編輯：涼漸
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