5.水稻种植，中国长江流域被认为是世界最早的。后发现中南半岛同时期也有种植。无论那里起源，从这种作物的名称就知道，缺乏大规模推广的可能性。五谷（或）中，共有的四谷对水的需求较小。但很多干旱区域都产水稻，比如新疆阿克苏、甘肃张掖、山西太原，找寻原因并判断，那里可以移植？

    6.中国历史上，有好几次气候大规模变冷、变旱，导致物种生存范围巨变。8000年前，青藏高原变冷，在长江黄河上游的农业部落搬家。5000年前，大象从甘肃分布到北京，随后南迁。春秋中期，黄河流域变冷变旱，原本还有犀牛在此游荡。北宋末年，河南的竹子全部冻死，后来北方很难再有竹子存在。明末，整个北方都寒冷干旱，农业歉收或绝收。其他时期间或有中小规模气候变动。游牧部落大规模入侵，背后的气候因素也是一大推手。从黑海到鄂霍次克海（唐：少海）的游牧部落，在定居文明的历史记载出现时，可体会气候的冷暖变迁。能找到气候变暖、变湿的时期吗？

    7.金星大气稠密，主要是二氧化碳，这种气体有利于热量积聚，不利于散发，所以表面温度可达400c。地球气候变暖，空气中二氧化碳含量增加。二氧化碳含量增加也导致气候变暖。那么究竟哪个是因？那个是果？或许这种简单判断并不合适。

    8.航天飞机，在太空中，太阳晒着地方温度超过100c，阴影的地方温度为100c。新疆的昼夜温差虽大，但远远不能和这个比。地球大气虽然不够稠密，现在感觉到它的可贵了吧。如果稠密到金星的程度，昼夜温差就基本消失了，就没办法吃水果和粮食了。总之，地球最好。

    水到了100c就沸腾，称之为沸点，在0c就凝结，称之为冰点，这是通常情况。在一些情况下，沸点温度和冰点温度发生变化。在高山上烧水，水很快就烧开了，却不怎么烫。如果用温度计测量，就发现温度低于100c。水在开始加热后，微量水就可能进入气态形成微气泡，在气泡内，水蒸气变成水和水变成水蒸气同时在发生。当温度上升，气泡内的压力上升，到一定程度时，水蒸气和水相互转化达到平衡（此时平衡压称之为此温度下的蒸气压）。温度越高，对应的平衡压越大。当气泡平衡压等于外面的大气压时，气泡就可以上升到水面，水就进入沸腾状态。此时对应的温度就是沸点。如果外面大气压降低时，沸点对应的气泡平衡压自然降低，平衡压降低意味着对应的温度降低。即沸点温度下降。所以，气压大小决定了沸点的高低。水的沸点变化：0.2个大气压，60c，0.5个大气压，80c，1个大气压，100c，2个大气压，120c。在深海海底，热泉冒出的水温是400c。

    烧开水的目的是杀死水中的细菌、寄生虫卵等。而高山上的沸水温度低，无法有效杀死细菌，就失去了烧开水的效果。同样做饭也不容易熟。高压锅就是锅密闭起来，里面气压超过海平面气压，水要超过100c才能沸腾，这样做饭烧菜熟的快，烧得烂。高压锅都有放气阀门，当压力超过限定值时，就开始放蒸气，保证压力锅不会爆炸。

    水中0c结冰，体积膨胀。这个是与多数物质不同的地方。如果限制水的体积膨胀，水就无法结冰。在电视会看到花样滑冰，这些冰上舞者的鞋子下部是冰刀。冰刀的刃很窄，加上人的重量，就直接压人冰中，而被压的细条冰体积减小，恢复成为水，这样有水起润滑作用，滑冰就很轻松。当冰刀离开刚刚形成的水槽后，这些水很快又结成冰。

    空气被加热时，体积会膨胀，而重量不变，那么密度就减小。周围空气密度不变时，这些热空气就因为浮力升上去了。同理，当空气变冷后，体积减小，密度增加，就下沉了。所以家里生火做饭，锅是放在火上面，这样可以最大幅度地利用热。北方有暖气供应的地方，暖气片都放在窗户下面，这样窗外的冷空气进来，就直接下沉到暖气片上，很快就被加热了。

    水比较特别。在4c时，加热体积增加。降温体积也增加！也就是说水的密度最大不是0c（大多数液体都是在凝固点密度最大），而是4c。河水结冰，冰本身浮在水面上，而冰下的水里面，从上到下，温度是0c到4c，生活中水中的鱼类，就可以待在最高温处，4c的河底。倘若冰密度比水大，那么整个河、湖，甚至海在冬天都变成冰的世界，水中的多数复杂生命不能呼吸而无法存活。不过水结冰后体积变大，带来一些问题，生命的基本构成是细胞，内部充满了水。当这些水结冰时，细胞膜就撑破了，生命无法存活。（某些两栖动物，细胞内有防冻液，在全身都冻在冰中时，细胞保持液态）

    水的这些特性：存热性最好、固态体积大于液体、4c密度最大。使得生命成为可能，所有的生命，组成身体的物质中大部分都是水。比如人体大约70%是水，人体密度和水差不多。所以人学游泳是比较容易的，尤其是刚出生的婴儿，已经在水里面生活了九个月。

    地球上生命非常顽强，从深海海底到高山之巅，从万年的冰中，到咸涩的盐池，生命无所不在。但是地球有一个广阔的地方，居然没有任何生命，这里比手术室的灭菌条件还要严酷。在智利北部的阿塔卡马沙漠，多年不曾降雨，地面没有一点水分。看起来算不上最严酷的地区，却因为没有一点水，成为生命的禁区。

    夏天冰淇淋、冰棍（现在还有吗？）很受欢迎。在吃到嘴里瞬间，舌头感到冰冷，表明热量正离开舌头进入冰淇淋。慢慢地冰淇淋化为甜香的液体，此时温度并没有提高。在这个过程中冰吸收的热，称为熔化潜热。等冰吸饱了潜热，就全部化为水，再吸热，水才升温。烧开水也有同样情况，水到了100c，再吸热，成为100c的水蒸气。温度保持不变。如果没有热量补充，就变不了水蒸气。这部分热量成为气化潜热。80卡热量可以让1克水从0c升高到80c，但只能让1克冰化为1可水。而1克100c的水变为100c的水蒸气要540卡！

    前面我们提到飓风，也称为台风，就是水蒸气释放出的潜热造成的。在热带海面上，海水温度足够高（大于27c），且热海水足够深（大于50米），这个就是飓风的能量来源。在此海面上，一个巨大的热气包离开海面，形成局部真空，此处气压降低，形成飓风中心。周围的空气涌来补充。而涌来的气流由科里奥利力偏转，形成逆时针（北半球）或顺时针（南半球）的大旋涡。大量携带水蒸气的上升气流包，在空中温度迅速下降，部分水蒸气凝为水，释放出大量汽化潜热。这些潜热以风的形式出现，高风速导致低气压（伯努利原理），低气压导致令蒸发增加，继而使更多的水汽冷凝。大部分释放出的热量驱动上升气流，使风暴云层的高度上升，进一步加快冷凝。这是一个自我驱动的过程，使得飓风越来越强，范围可达几百公里，相当于一个强力吸热器。如果海面水不够热，热水量不够多，就无法维持下去。飓风移动过程中，由于不停从海水吸热，所经过的海面温度普遍下降。当飓风进入陆地，没有供热源了，飓风就慢慢消散。当然消散前，前面积攒的能量就以破坏的形式出现。

    陆地上类似的形式是龙卷风，当然规模不能和飓风相提并论。也是由大尺度（比海中小的多，不到百米）的上升气流引发，多数旋转方向和飓风相同。由于尺度相对科里奥利力有效作用的范围小，因此有可能出现反方向旋转的情况。另外缺乏热补充，持续时间短，移动距离几公里到几十公里之间。

    思考：

    1.我们做饭时，蒸煮常用温度就是100c。炒菜温度超过250c，烧烤温度超过500c。那么低温能不能做熟饭呢？比如60c炒菜，50c煮饭。

    2.潜水艇发射导弹时，一直加热导弹井底部的水，待其全部变成水蒸气后，继续加热，压力越来越大。最后导弹被弹出发射井，冲出水面，再进行点火。类似情况，鱼、雷发射，航空母舰上的舰载飞机弹射，都用水蒸气进行。那么航天飞机发射时，发射口下面也有大量水，发射时也是滚滚水蒸气大量涌出，这个是起什么作用呢？*

    3.使用热水时，不小心会将少量热水倒在皮肤上，很快皮肤会变红。但是如果不小心让蒸汽喷在皮肤上，很容易起大水泡。

    4.冬天找一大块冰，找一截细铁丝，把铁丝挂在冰上，两端拴一个重物，比如哑铃，观察铁丝情况。铁丝能一直挂在冰块上吗？

    5.永久冻土，是温度常年低于0c，土内部的水分完全以冰的形式存在，分布在高寒地带。在中国，一般冻土上方覆盖着数米到数十米厚不等的正常土壤。冻土可以保持水分，上方土壤的水受冻土阻隔无法渗透流走，地下水位较高，容易形成湿地和草甸。气候变暖，冻土消失，地下水位下降，上层土壤无法保持水分，湿地草甸逐渐荒漠化。在青藏高原、大兴安岭，易见这样场景。若大范围冻土消失，表面地形会有什么变化？

    6.家用空调，都安装在房间接近顶部的位置。暖气片，都安装在窗户下方。为什么？

    7.夏日午后，经常可以观察到小旋风。在地面的某个区域，突然出现一股旋风，刮起少量尘土。尘土在风中的移动显示出旋风的旋转和路径。那么此刻旋风的旋转方向是由什么决定的？仔细观察起旋风的初始区域，和其他区域有什么区别？

    8.滑翔机，没有动力，在空中滑翔。按道理应该是高度越来越低。但实际上一个经验丰富的飞行员，可以维持高度不降，甚至越来越高，他是怎么做到的？*

    9.有时候，龙卷风经过河面或湖面，会吸走大量水，甚至携带一些鱼类和两栖动物。导致另外一个区域下起了动物雨。那么会不会把动物带到一个生活环境截然不同的地区？

    10.在正常情况下，0c水开始结冰。若水非常纯净，没有任何杂质，则到70c，水也不会结冰，称为过冷水，如右图。水管喷出过冷水，在接触杂质后，瞬间结冰。夏天有时候会有冰雹。这是在高空中存在强烈的对流气流，小水滴在气流作用无法降落，融合成为大水滴才降落下来。当气温低于0c，凝为冰粒，下落过程中受气流影响，可能再次上升，多次聚集水滴，逐渐增大。当个头增加到气流无法维持时，降落下来，成为冰雹。冰雹形成中，影响体积大小的因素是什么？

    11.在海战中，当某艘船即将沉没，周围的船员都赶紧离开船附近水域，为什么？

    12.在影视节目中，子弹射入水中，我们看到一条条气泡形成的轨迹，这个轨迹就是子弹经过的路径。但气泡却又慢慢消失了，并没有上升到水面上。结合前面第四节最后部分的内容，解释气泡形成的原因。*

    13.海水的热量来自太阳，在不同纬度，太阳提供的能量不同，平均意义上赤道区域是最强的。由于洋流在赤道附近是自东往西流，那么这些洋流就持续被太阳加热，温度缓慢增加，大约每移动经度一度，增加0.1c，在洋流向两极方向移动时，向周围环境散热，每移动纬度一度，大约降低0.3c.当洋流进入高纬度区域自西往东流时，由于周围环境温度低，此时洋流依然保持降温，幅度也是每经度0.1c。同理洋流自极地向赤道移动时，洋流从周围环境吸热，温度保持每纬度0.3c的增幅。由此可以断定，飓风易形成于大洋的西部区域。

    在温度不同的2个物体之间，就产生热量传递。热量传递有3种形式。

    1.对流，发生在相同类型的流体内部。比如空气对流，水对流。热流上升，寒流下降，互通有无，最后温度一致，结束热量传递。大气有对流层，海洋有洋流、环流，专门进行热量重新分配，造成了地球多样的气候环境。热量分配同时带来了水的分配，把海洋中的水运输到陆地上，完成了生命进驻陆地的先决条件。

    2.传导，发生相互接触的对象之间，同时不满足对流条件。固体之间、固体和流体之间都以传导的方式进行热量传递。热水澡可以让一个冻萎靡的人恢复活力。因纽特人也是这种散热方式。不同物体热传导的性能不同，金属一般都比较好。陶瓷、皮革相对差。热传导性能最好的是银，是铁的9倍。铝也不错，是铁的4.4倍。银做炊具，价格有些高昂，普通人用不起。不过用银作碗、盘子有个好处，可以杀死部分菌。铁，虽然传导性能不是最好，但胜在价格便宜量又足，所以我们做饭的锅多数都采用铁。铝轻又传热快，为什么不采用铝呢？铝表面有一层氧化膜，可以防止铝进一步氧化，阻止人体摄入铝。但刷锅的时候用铁刷子刮擦，烹饪时一些酸性物质都很容易破坏膜。所以炒菜锅基本用铁锅。高压锅一般炖烧煮，用铝制造重量轻，便于使用，同时不易破坏表面的氧化膜。人体需要很多金属，但铝不在其中，所以尽量少摄入铝。

    3.辐射，发生在不接触的对象之间。比如太阳通过辐射，给地球带来大量热。空气对流时，热空气进入高空，通过辐射的方式把热量散发到太空。并且所有物体，只要温度不是273.15c，就向外辐射，区别只是辐射量的大小。辐射和对流是宇宙中最可行的热方式，比如太阳表面和内部采用对流方式，对外采用辐射方式。传导很少，因为宇宙中绝大多数可察觉物质都是流体形式存在。

    通常情况下，热传递都是多种形式共同作用。烧开水，热源和壶之间是传导和辐射，壶和水之间是传导，水之间是对流。冬天烤火，是辐射和对流。烧烤，是辐射和传导。

    热量产生有多种方式：燃烧、核反应、压缩、摩擦。通常我们做饭，使用天然气、液化气、煤炭、木柴、秸秆等等，燃烧产生大量热来进行。燃烧有温和的方式和猛烈的方式。像汽车发动机（烧油）、蒸汽机（烧煤炭）、做饭等类型的燃烧，是猛烈方式，燃料（被燃烧的材料）燃烧速度快，伴随着光、声等效果，产生出大量热。温和的方式就比如我们的身体。我们每天摄入一定量的食物，这些食物经过消化后变成身体组织可以处理的物质，在体会燃烧。产生的能量一部分用来维持我们的体温，保障我们的行动能力，另外一部分储存在细胞内。若这些物质消耗不完，多余的就以脂肪的形式存储下来，身体就慢慢发胖。所有动植物内部都是温和燃烧方式。现在航天飞机内部用的电池，很多都是燃料电池，通过燃烧氢气来产生电流，这种燃烧也是温和方式。太阳及其他恒星，都是通过核反应产生热，这是宇宙的普遍现象，燃烧是罕见现象。而在地球上，燃烧随时都在进行，而核反应发生在核电站、核试验、核攻击、核动力罕见等场所。和宇宙普遍情况截然相反，如同目前所知生命仅在地球上出现一样！一般情况下，固体和液体很难压缩，气体很容易压缩。自行车打气筒、握力橡胶圈，在多次使用后，都能感受到压缩产生的热。装甲车的实心轮胎，行驶时各部分都被循环压缩，长时间行驶后变得滚烫。摩擦产生热，是生活中普遍现象。最早的应用就是钻木取火，这种史前生火方式现在看起来虽然不便，却是人类从被动引火到主动生火的一个转变（因纽特人的传统生火方法就是钻木取火）。多数情况下，摩擦产生的热量虽然不多，但是带来很多麻烦。从工业革命开始，润滑油的广泛需求就是为了减小摩擦。

    思考：

    1.自然中的空气和水的对流广泛存在，户内主要是强制对流。厨房的抽油烟机、大厅的排风扇、楼房的中央空调，这些强制对流都要消耗电力。但自然对流可以用来发电，了解目前新能源状况，列举有哪些自然对流发电方式？

    2.去参加宴席，通常凉盘和热菜都有。观察碗、盘子，多数都用陶瓷材料。更早时期，木制餐具也曾广泛使用，为什么？另外古罗马时期，铅制餐具广泛使用，造成铅中毒情况很普遍。

    3.夜视仪（红外线成像仪），在晚上无可见光线时，可以观察周围环境情况，为什么可以呢？

    4.保温瓶保温，密闭性隔绝了热对流可能，软木塞和玻璃瓶胆内的近似真空降低了热传导，瓶胆内膜镀银（镁），阻隔了热辐射。在保温瓶里面灌半瓶沸水，如果立即塞上软木塞，很快软木塞会飞出来。如果等一会再塞上。时间长了，软木塞不容易取出。为什么？

    5.城市里面有大量热产生。工厂的烟筒、汽车的尾气、空调的排气口、厨房的灶台、我们的呼气，都贡献着热。城市内植被少，水泥建筑多，空气中废物多，太阳辐射更容易蓄积。最终造成整个城市空气平均温度比郊区高。这个称之为热岛。乡村里面也有类似效果，不过热岛小很多。什么情况下热岛效应更大？什么情况下热岛效应变小呢？

    6.有煤有丰富水资源的地方，经常有火电厂。其标志性建筑是冷却塔，侧面呈弧形，顶上是热气腾腾的模样。直接让这些热水冷却，浪费很大。在北方，冬天可以使用这些热水供暖。另外，热水可以用来增温，养殖热带鱼类，比如罗非鱼。这是一种性价比非常高的鱼类。

    7.不同的食物燃烧的热量差别很大，把固定重量的某物质燃烧产生的热量称为热值。通常食物中热值最大的是奶油，和无烟煤的热值差不多。花生的热值也很高，虽然比不上酒精，比松木高。白糖也不错，比松木稍差。令人意外的是瘦肉的热值很低，和大米饭差不多，大约是松木的四分之一。炒鸡蛋比煮鸡蛋热值高30%。可发现油脂含量高或油炸的食物，热值高。食物的热值高不等于营养高。并且食物热量太高，超出人体需求太多，身体就发胖。虽然人体维持体温和活动都需要热量，而人体本身的运转却需要其他类型的物质。营养丰富是指产生热量的物质、代谢必须的物质、保持防护能力的物质都有的食物，通常某一类食物营养不全，偏爱某种食物的话对身体可能不利，所以要搭配吃。粗加工的米面（热量、维生素）、蔬菜（纤维素、维生素）、肉类（动物蛋白）、水果（维生素、微量元素）、豆类（植物蛋白、耐久性淀粉）混合，并且肥瘦肉都吃。当食物类型单一时，会形成特定的饮食习惯。因纽特人很难获取植物型食物（蔬菜），无法以这种方式补充维生素。但他们吃的肉食热加工程度很低，内部的维生素并没有破坏，所以安然无恙。西方人吃的牛排经常是5分熟，或3分熟，带着血丝吃，可能也有这方面的习惯因素。

    8.冬天双手冰凉，用力互相搓，一会手热起来。是摩擦生热的结果吗？

    9.长途客车，尤其是在山路上运营的，在车里一般有个大水桶，持续向刹车片滴灌。为什么要这样做？

    10.在户外探险时，携带一张金属膜热量反射布是很有必要的。当衣服湿透失去保暖效果，需保温时，这张轻便的热量反射衣可以有效防止体温快速下降。

    梅乐芝经理的科普文章（六）

    第6节力与惯性

    前面几节，介绍了不同的力。力总是作用在某物体上，为了衡量力对物体的作用关系，需要对力的大小进行度量。而进行度量，则需要制定标准。前面我们给出了长度，温度的标准。现在要给出力的标准，但力是依附并作用在物体上，所以先要制定物体的标准，即物体如何体现自身存在的标准。

    对象在外因作用下，发生某些状态变化。对象体现自身存在的标准，就要体现抵抗外因的能力。那么定义对象的标准，就必须能衡量在外因作用下，对象保持原状态的能力大小。换而言之，与原状态相似程度大小。总之是衡量对象维持原状态的能力。现在我们把这个标准，称为惯性。

    我们看到，惯性定义是泛定义，并没有具体到某个特定对象。而惯性是和外因一同出现的，不存在没有外因对应的惯性。这样就建立外因与惯性的固定结合，这种结合可以称为模式。只要在使用前作出说明，你也可以命名结合为任意想到的名字。实际中，我们总是直接定义好惯性，其中蕴含着对应的外因。

    对象是某物体，外因是力，此时惯性是反映对力的抵抗能力，这就是通常狭义的惯性定义。对象是物体的温度，外因是热量，惯性就是反映温度对热量抵抗能力，命名为热惯性。对象是人的思维，外因是其他人的不同看法或思维方式，惯性就是人对不同看法的不接受程度，命名为固执。外因是不熟悉的情况，惯性是依然按照熟悉情况对待，命名为创造力缺乏。对象是人身体的健康，外因是疾病或不良状态，惯性就是身体对疾病的抵抗能力，命名为抵抗力。

    对于力为外因对应的惯性，使用质量衡量其大小，用英文字母m表示，单位是千克（公斤），用英文kg表示。现在我们谈论某物体的惯性，就可以用此物体的质量是多少来表述。这里是首次使用质量，前面对物体的描述中，使用重量描述！重量是地球对物体的引力大小，不是惯性的大小。当物体离地球很远时，引力就很小了。但是惯性不变！质量是物体内在属性，重量是物体在地球特定环境下受的力。在我们日常生活环境中，重量和质量在数值上有固定关系，以至于经常使用质量的单位来描述重量。比如买了2公斤（4斤）苹果，或者使用重量来代替质量。在前面我们引入密度时，使用的就是重量来代替质量。密度是一定体积内的质量，而不是重量。事实上我们在描述大小时，所有的重量都采用质量单位来描述。我们重新描述密度：

    密度（希腊字母p，发音）=质量（m）/体积（v）

    所有物质中密度最大的是金属锇（带臭味的金属），22.4克/立方厘米

    当物体的惯性概念引入后，所有涉及物体的概念就可以描述完备了。前面提出热量的单位：卡，1卡是1克水升高1摄氏度所需的热量。与密度概念类似，可引入热密度概念，称为比热。热量与质量及温度都相关，描述如下：

    比热（c）=热量（j）/[质量（m）温度（c）]

    水的比热就是1卡/（克c），是所有物质中最大的。

    在涉及人的思维世界时，就很难用这样精确的数值来描述。我们无法用什么公式或数值精确描述固执、创造力、抵抗力。当然可以给出一些评估数值，但这些与物理世界无关。

    力的基本单位是牛顿（n），以英国人牛顿的名字命名，因为他最早精确描述了力及其规律。使用熟悉的重量和质量对应来描述力的大小更易直观感知。在地球表面，1kg的物体重量是9.8n。粗略计算时，可当10n来对待。在讨论杠杆原理时，曾给出了1000斤力气这样描述。这对应的就是500kg，或5000n。

    牛顿最著名的推理就是万有引力定理。宇宙万物相互之间都有引力，仅仅是大小和方向不同。在地球这个局部环境下，就是重力。

    思考：

    1.日常生活中重量使用质量的单位来描述，会带来一些混乱。比如有人问1kg铁和1kg棉花，那个重？当1kg是对应重量，是描述力的时候，那么自然完全相等。如果1kg是对应质量时，那么重量大小会涉及很多因素。如果铁和棉花都在同一位置称重，按理重量完全相同。但体积不同，收到空气浮力不同，造成测量的重量不同。同时称重的手段不同结果也不一样。使用杠杆原理的秤，其实是质量比较（因为区域非常小，可以认为地球对物体的作用效果不变），并不是测量力的工具。如果使用类似弹簧秤的工具，测量力本身大小的话，在地球不同同一位置称重，结果完全不同。而原问题中根本没有提及是否在同一位置测量，采用何种测量方式。那么条件缺乏，需要我们自己填补空白。这种方式不是严格的物理推理方式。这个最终这个比较结果无法确定。当问题的提问形式变化时，变成，我们可能又认为是比较质量大小。问题的自然语言中描述有很多含糊的地方，因此要用物理概念精确给出，避免含糊的提问。在学习自然规律时，原因和结果之间经常出人意料。直接给出结果（比如重量值），经常是理想中的原理分析。给出原因求（测量）结果（给出质量求重量），有大量细微的因素影响结果。如果仅仅是粗略地进行，只为了解原理的话，可以忽略这些。但精确进行测量分析时，所有的影响因素都必须考虑在内，如果这些因素对原理造成干扰的话，要设法消除这些干扰因素。这就是从理论到实验的思维转变。事实上大量的原理都是依赖测量完成的，因为科学本身就是不断分析、验证、修正分析、验证这样的过程。

    2.同一概念，可以有多种定义，区别在于看待的视角不同。我们可以定义质量是物体所含物质的多少。这个是静态的定义，着眼于物体自身。质量是物体的惯性大小，这个是动态的定义，没有外因无法体现惯性存在。外因可大可小，但无法改变质量大小。所以质量还是物体的内在属性，但外因必须出现，只是不必在意形式。同样是惯性，德国人马赫和牛顿的观点完全不同。马赫认为：惯性源于物体与整个宇宙物质间相互作用的结果，称为马赫原理。牛顿认识：惯性是物体自身与一个超然在外的绝对存在相联系的属性。这个绝对存在称为绝对空间。掌握基础知识后改变视角，可以更清晰地看待规律的发展。形而上者谓之道，大约是这个意思吧。

    3.伽利略比牛顿更早研究过力，但没有成为一个完整体系。拉格朗日和哈密顿给出了力的另外一个体系，称之为分析力学，但比牛顿晚。所以力的原理以牛顿的名字命名。分析力学的视角比牛顿力学视角更开阔，很容易扩展到统计力学、量子力学。而牛顿力学无法这样扩展。

    4.通常我们更容易察觉局部密度上的差别。但惯性是以质量为衡量。万有引力总是存在的，从这个意义上讲，马赫原理更接近直觉。能产生这样的感觉吗？

    力作用于物体，产生状态变化。那么首先讨论没有力作用时物体的状态。观察我们周围，物体通常是静止的，比如说面前的桌子。那么此时桌子有没有受力？按照万有引力原理，地球肯定对桌子有吸引力。但桌子腿下的地面支撑力抵消了吸引力，所以此时的物体总的受力为0。但是地球围绕着太阳转，同时还自转。假如我们站在太阳上观察，桌子是绕着太阳转的。造成静止与运动两种结果的原因是观察点不同：当以地球为基准时，桌子运动与否是观察桌子和地球之间的位置关系。此刻地球对桌子的引力被地球的某块地面抵消了，地球整体对桌子没有作用力。因此桌子相对地球静止。此时的太阳引力作用于地球全部，包括桌子。可以观察到太阳引力作用的效果，就是太阳绕着地球转。也就是说，讨论状态，确定静止、运动，前提是先确定观察基准，这个基准称为惯性系。

    通常社会要求大家做正确的、好的、合理的、光明的事。什么是伟大的、正确的、光荣的？先要说明标准，才能用标准衡量。社会和人是否有唯一正确的、合理的标准，不得而知。不过物理世界中这个简单多了，基准，也就是惯性系，可以有任意多个。最常使用的就是以地球为惯性系，其次是太阳为惯性系，最好的是采用宇宙中一些恒星的平均位置为惯性系。事实上马赫原理就是指以宇宙所有的物质平均下来的惯性系。

    在某个惯性系下，物体保持静止，或匀速直线运动。都被认为是无变化状态。区别仅是速度为0或其他值而已。速度初始是任意值，在力的持续作用下，状态改变意味着速度持续变化。假设速度变为2m/s并一直保持下去，只能说状态曾经改变（有力作用过）（相对观察基准），但又保持不变（力消失了）。速度的变化命名为加速度，我们经常感受到加速度的存在。飞机起飞、汽车急刹车，身体都能感受到什么是力。

    我们称宇宙中某部分的存在为物体。力是改变物体状态的外因，而力的来源却是另外一个物体！是否存在特殊物体对象，只对其他物体产生力，而自身不受任何力？在马赫的宇宙中是不存在这样的物体。事实上所有的物体都是既作用于其他物体，也受其他物体同等程度的作用。换而言之，力是无法脱离源和目标对象独立存在的。那么力只是物体相互之间作用的称呼。

    思考：

    1.如果把牛顿的绝对空间认为是马赫原理所指宇宙平均意义下的惯性系。那么表面上两者取得统一。但牛顿的绝对空间中无法对物体产生真实力。而马赫惯性系却是宇宙物质总体，必然对物体产生真实力。绝对空间架构中，对宇宙体系的阐述超出了宇宙自身。而马赫原理中的物体作用都是来自宇宙自身相互作用的综合。牛顿体系是以超自然（宇宙体系外）来解释自然（宇宙），马赫体系是使用自然解释自然。而使用自然解释自然，正是科学的起源。使用超自然来解释自然，正是神学的起源。最后牛顿因第一推动无法解释而研究神学，可能是他哲学思考方式的结果。

    2.潮汐，大家都熟悉。我们来看潮汐是如何形成的。在太阳的引力下，地球绕太阳旋转。而地球有一定的大小的。向阳的地球表面和背阴处的地球表面，距离太阳差了地球的直径。那么太阳对这两部分的引力就有差异。事实上地球上某两部分之间到太阳的距离有差异，则太阳的引力就有差异。这个差异并不大，对固体而言，不足以对形状造成可察觉的影响。而海水是流体，引力的差异很容易造成形状差异。如右图所示，向阳处的引力最大，造成海水轻微地凸出海平面（吸向太阳方向），而背阴处的引力则最小，也是轻微地凸出海平面（此刻是远离太阳方向）。因为地球自转，而凸出海面部分始终是朝向太阳方向，以地球为参照来看，凸出部分就在移动，这就是潮汐。月亮也同理产生潮汐。虽然太阳对地球的引力比月亮对地球的引力大180倍。但造成潮汐的原因是引力差！月亮和地球距离太近，以至于同样距离差造成的月球引力差是太阳引力差的两倍！也就是说月亮潮汐比太阳潮汐大。当月亮潮汐和太阳潮汐重合时，潮汐达到了最高峰。海边每天都有月亮两场潮汐，潮汐每天都比昨天有时间延迟，大约是50分钟。为什么？太阳潮汐每天也有两场，太阳潮汐有时延吗？

    3.木星非常大，周围大量卫星。伽利略最早发现了4颗卫星。这些卫星由于受潮汐力的影响，永远都是同一面朝向木星。为什么（假设最初这些卫星自转周期和对木星的公转周期不同）？和月亮与地球的关系相同。但月亮同一面朝向地球却不是潮汐力的原因！（目前认为月亮是大碰撞形成的。在地球形成早期，一颗火星大小的天体与地球碰撞，飞出的物质进入环绕地球的轨道，经由吸积形成月球。）地球的一天在缓慢延长，估计一下原因。

    4.前面指出，最好的惯性系是马赫原理下的惯性系。那么判断标准是什么？有太阳惯性系为例，地球的不同区域受的引力居然不同，使得地球上物体因和惯性系的位置关系不同而运动！这就说明此惯性系有先天偏差。而地球上，因地球自转，物体在离开赤道向南北极运动时，产生左右的移动偏差！同样说明地球惯性系也有先天偏差。事实上地球惯性系的偏差比太阳惯性系还要大！在马赫惯性系下，地球和太阳，尺寸相比整个惯性系完全可以忽略位置差异，地球或太阳表面不会有任何此惯性系带来的潮汐。也就是说，在此惯性系下，物体状态完全看其受力，与位置差毫无关系。

    梅乐芝经理的科普文章（七）

    第7节物质的组成

    物质是用什么构成的？这个问题可能很早就出现在人们的脑海中。春秋时中国的五行理论，其中有。后来五行成为一种包罗万象的体系，从伦理到中医等等不一而足。古希腊时期，恩培多克勒提出四元素组成万物。后来德谟克利特提出原子论，指出万物是由不可分之物（原子）构成。这是一种构思，缺乏实证。

    爱尔兰人波义耳给出了一个可行的定义：元素是一种单纯的物质，不能使用物理或化学方法分解为更简单的物质。后来英国人道尔顿又重新提出了原子论。此时已有大量元素被发现，他认为：元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这一观点重复了德谟克利特的观点，当然他还提出了一些可验证的推论。部分正确部分错误。不过毕竟是可验证的理论，最终原子理论于二十世纪初广泛接受。

    意大利人阿伏伽德罗提出了分子论，认为分子是物质组成的基本单元，而分子是由原子构成。这些原子数量及元素类型决定了分子的性质，最终决定了物质的属性。我们常见的物质存在状态是固态、液态、气态，通常称为固体、液体、气体。这些状态的区别就在于分子之间的关联方式不同。固体：分子保持位置不变，间距很小（与分子大小相比）仅在固定位置附近轻微振动。液体：分子无固定位置，间距相对固体情况要大，但整体还还能保持完整性。气体：分子不仅无固定位置，间距非常大，必须施加外因才能维持（引力或密闭容器）不扩散消失。

    无论物体什么状态，其分子都在运动，程度与温度相关。温度越高，运动越快。换而言之，温度就是分子运动平均状况的指标。对于固体而言，当温度越来越高，分子的振动越来越剧烈，维持固体各分子保证自己位置的约束相对越来越弱。某些分子因为振动更剧烈而离开原始位置，则固体开始熔化为液体。液体分子没有固定位置，导致可以流动。但整体还可以保持分子不脱离集团。当温度更高，分子运动更快时，某些液体表面分子速度太快，离开液体表面，脱离了液体整体。当大量液体分子开始离开液体表面，液体开始汽化，成为气体。气体的分子间距太远，相互之间基本没有关联。如果没有约束存在，分子就消失得无影无踪。

    前面讨论了液体和气体的压力。在地球表面，比如某块钢板。空气中大量分子快速运动，撞击到钢板。这些撞击的整体效果就是大气压力。同样钢板置于水中，大量水分子撞击效果就是水的压力。可以看到，钢板面积越大，则撞击效果越明显，对应压力就越大。我们通常使用压强来定义压力效果。就是固定受压面积，来测定压力大小。测定的压力就定义为压强。压强=压力/面积。通常的大气压就是指大气压强。

    思考：

    1.温度是分子运动速度的平均指标。那么就存在某些分子运动速度远大于平均速度，某些分子速度远小于平均速度。冬天天寒地冻，在外面晾衣服，衣服上都结冰。但是晾一段时间，衣服还是可以晾干，就是这个原因。同样情况，液体表面的某些分子也可以脱离表面，成为气态分子。如果将液体保持着密闭环境，将气态分子清除，对液体而言，其状态有什么变化？

    2.热量在不同温度的物体之间传递。实质是分子平均运动速度降低，就意味这热量流失。分子平均运动速度升高，就是吸收热量。注意，只是分子平均运动速度，并不涉及分子数量和分子密集程度问题。前面曾经提到，温度有下限，273.15c，而没有上限。原因就是分子运动速度（正常情况下，宏观规模的运动是有方向的。速度就是某方向上的运动快慢程度，速度概念里面包含了方向因素。在分子级别时，讨论的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低为0，就是完全不运动。无法为负。原理上而运动速度可以任意快，也就是温度没有上限。但实际上速度也有上限，最快不超过光速（爱因斯坦相对论要求。2011年9月22日，意大利格兰萨索国家实验室接收730公里以外的从欧洲核子研究组织发射的中微子束的时候，发现中微子比光子提前60.7纳秒到达目的地，意味着有超过光速的情况出现。2011年11月17日重复验证。2012年2月报道，有可能是实验误差导致的情况。也就是说超光速尚未证实存在。）。温度定义，如果以温度下限为基准，定义为0度，这就是热力学温度定义，以英国人开尔文的名字命名，使用k来表示。0k=273.15c，0c=273.15k。如果让1个分子完全静止，这算不算达到0k呢？

    3.地球大气离地面85公里至800公里之间称为热层，最高温度可达2000c.那么宇航员所穿的宇航服会不会因为热而损坏？

    4.同质量的冰体积居然比水体积大，是否意味着固态情况下分子距离大于液态呢？事实上冰的分子和水的分子形状不同！虽然组成相同，冰中的水分子像张开翅膀的蝴蝶，而液态水分子则是蝴蝶的翅膀稍稍收拢。同时也说明水分子之间的间距与冰中水分子之间间距没多大差距。

    5.同体积酒精和同体积水混合，结果体积并没有达到原体积的两倍。表明某种液体的分子间隙过大。而某些液体分子过于稠密，表面看起来不像液体，而像固体。沥青，常用于公路铺设、防水密闭材料、建筑结合剂（注意不是柏油，沥青来自石油，柏油来自煤焦油）。澳大利亚昆士兰大学进行了一项沥青滴漏实验，以表明沥青是液体。用了60年时间滴出8滴。

    6.地球内部都是液体，中心是金属液体，外层是岩石液体，就表面薄薄一层固体。就因为地壳内部是液体，所以地球的薄壳相当于漂浮在液体上，可以移动。我们所能观察的地球历史，就是外壳漂移和沉浮的历史。

    7.地球表面山的极限。自从印度次大陆撞上欧亚板块后，青藏高原就开始形成，撞击部位形成了喜马拉雅山脉，持续在上升中。那么山脉是否会持续上升，没有终止呢？地壳下面是岩浆液体，当山太高以后，下面承载的岩石受的重力太大就陷入岩浆中，这时山就无法继续升高。估计地球可以承载的山的高度大约20公里。火星有21公里高的山，是太阳系中最高的山。但火星内部已经冷却，无法再让山增高了。同样情况，冰厚度增加到一定程度，压力使得冰熔点降低，出现湖泊。在南极冰层下大约有140多个湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成时间超过50万年，面积1.57万平方公里。

    8.在显微镜下，可以观察水中的灰尘、花粉粒的运动，从侧面可以得知水分子的运动规律，就是没有规律。这一运动称为布朗运动，以英国人布朗命名。

    9.液体分子之间有吸引力，维持液体体积不变。造成这种吸引力的因素和原子的类型有密切关系。水内部的分子受到各个方向吸引力，但是表面的水分子只能收到下方的吸引力，造成水分子被拉入水中。最终表面的水分子数量达到最小，无法再被吸入内部。就在水表面就形成一层膜，这次膜具有一定韧性，可以让小动物、昆虫在上面奔跑。这层膜的效果就使用表面张力来等效。

    在液体与气体（非液体同一种物质）分界面，大量液体分子进入气体，称为汽化。少量气体分子进入液体，称为溶解。当进入的气体分子数量和重新离开液体的气体分子数量相等时，称为饱和溶解，这时候进入液体的分子数量不再增加。此时一定体积的液体中溶解的气体分子总质量称为溶解度。当液体外气体分子的数量减小时，表现为气压强降低，则液体中的气体分子数量会下降，在一个较低水平重新达到平衡，也就是说，气压降低，则气体溶解度下降。当温度升高时，分子活动加剧，气体分子更容易离开液体，也导致溶解度下降。因为溶解度随气压和温度相关，因此给出溶解度时，就得同时给出当时的压强和温度。

    固体和气体，也有类似情况，不过只有少量固体可以吸收大量气体，多数固体吸收的气体微乎其微。而固体也可以溶解到液体中，事实上，我们身体的大量生理活动，都是因溶解才得以发生。液体溶解固体，也同样有溶解度，时常伴随着放热或吸热。液体温度升高时，多数固体的分子更易进入液体，溶解度增加，这个和气体完全相反。

    思考：

    1.水中生存着大量动物，除了那些哺乳动物可以从空气获得氧气，其他动物都是从水中获取氧气，这些都是从空气溶解进入水中的。1立方米空气含氧气大约320克，1立方米海水含氧气6克12克，北极地区海水中氧气含量几乎是赤道地区的2倍。可以肯定，海洋动物的呼吸效率更高。