为什么行进的火车上信号不好？| No.274
每次上高铁
都要提前下载
书籍和电影、小说
才不是因为
火车上没信号
可究竟是为什么
火车上没信号呢？
Q1
为什么条形码会渐渐的消失只剩下白底？
by 肖嫣然
答：
因为条形码用的应该是普通热敏纸，其长期放置后确实会有图像消失的情况。
热敏纸是美国3M公司首先开发出来的，是一种遇热发色信息用纸。由于其配套打印设施简单、耗材单一、无需油墨、记录时无烟雾和气味等特点，热敏纸在生活中得到了非常广泛的应用，常见的使用场景包括：收银类，即POS机、ATM等；标签类，即食品标签、行李标签等；票券类，即出租车票、电影片、火车票等；其他类，即心电图纸、B超热敏图纸等。
从原理上看，热敏纸可以分为物理型和化学型。物理型热敏纸是利用热使有色的色素物理显色而达到记录效果。化学型热敏纸使利用热的作用使热敏层中的组分发生化学反应而发色的一类热敏纸。化学型热敏纸还可以进一步细分为单独发色型、金属化合物发色型以及无色染料发色型，其中无色染料发色型是目前市场上最主要的一类热敏纸产品。
而从功能特性上来看，热敏纸可以分为普通热敏纸和防护型热敏纸。普通热敏纸结构简单，多为双组分无色染料发色型热敏纸，这种热敏纸发色反应为可逆反应，在长时间放置后或暴露在光照、高温高湿环境下或接触到水、有机溶剂后会出现图像褪色甚至消失等情况，因此保存期较短，是日常生活中最常用的一种热敏纸。防护型热敏纸在在普通热敏纸的基础上对热敏纸的耐光、耐水、耐溶剂、耐增塑剂、耐刮刷性等性能中的一种或多种进行加强，多用于医疗、食品标签等高端市场。
参考文献：
[1]况宇迪. 防护型热敏纸的制备及其性能研究[D].华南理工大学,2015.
by 霜白
Q.E.D.
Q2
学校电子显示屏的辐射对人体有什么影响？每节课都用的话岂不是等于看了一天电视？
by 捕蝇草
答：
我不太清楚提问者说的是哪种显示屏，但我猜想应该是黑板里那块用来教学的显示屏，每次都是在我刚毕业后安装
。
这个显示屏肯定是有辐射的，但辐射对人体的影响是可控的。
首先显示屏本身会发光，发光便会有辐射，但这种辐射很小基本可以忽略，显示屏的辐射主要来自信号控制传输卡的晶振，显示器的刷新速度越快，晶振的基准频率也就越高，由晶振产生的高次谐波干扰就越强，这其中也会有电离辐射。另一方面，即使显示器开关时，电流通断的瞬间会产生辐射。最后就是显示器内部的线缆也有可能产生辐射。
但以上的辐射都是可以解决的。解决方法主要有
电磁屏蔽。对电源和信号控制传输卡安装金属屏蔽外壳，可以屏蔽辐射。 良好的接地措施。对开关电源可信号传输控制卡进行大面积接地，确保金属屏蔽外壳和大地等电势。 滤波技术和电磁兼容线路设计。信号控制传输卡中的晶振要经过良好的滤波处理。晶振应该布在电路板中间使得以最短引线连到不同的需要电路，减少对外辐射。降低脉冲频率及不片面追求使用高速电路，对抑制设备及内部线路向外的电磁辐射是很有好处的。 除了显示器的辐射，还有可能有来自网络的辐射，有线网络辐射很小，可以忽略。无线网络辐射大一些，但只要符合国家安全标准，是不会对人体造成危害的。
最后再提一句，有的人认为电视辐射很大，这可能是由传统的电子显像管电视带来的错误认知。液晶电视辐射的辐射并不大，显著低于安全标准。传统电视，由于电子显像管和荧光屏，辐射大一些，但仍在安全标准以内，不过其背部辐射更高一些，要避免到其背部。
参考文献：
[1]陈晓慧,段晓莉,王贵.LED显示屏电磁辐射超标干扰民航通信[J].中国无线电,2014(08):69-70.
by 霜白
Q.E.D.
Q3
既然氮气没有助燃性和可燃性，那为什么赛车可以使用喷氮气加速。
by 匿名
答：
赛车游戏里经常能看到“氮气加速”之类的概念。其实赛车在进行“氮气加速”的时候之所以会喷出来氮气，其实是因为在气缸中注入了一氧化二氮(NOS)，并发生如下反应：
虽然这个反应生成物的主要成分——氮气既不能作为可燃物燃烧也不能作为氧化剂助燃，但是这个反应依然可以提供36.36%的氧浓度环境，比空气中的氧浓度21%还要高不少，所以相对于注入空气燃烧反应更剧烈。另外，NOS这玩意儿储存的形态是液体，它作为液体被喷入燃烧室，然后气化膨胀吸热，这一过程可以提高气缸的容积效率（提高燃烧效率）。而它分解反应发生时又会放热，这又相当于增强了燃烧反应的功率。
所以对于赛车加速来说，重要的不是产生或喷出了氮气，而是使用液体NOS（而不是空气）作为助燃剂。
可能会有人问：那为什么不用纯氧呢？感觉这个反应提供36%的氧浓度也不是很厉害啊，换成100%的纯氧喷进燃烧室，汽车加速是不是就更厉害了呢？
是的——不过因为纯氧和雾化的汽油的燃烧反应实在是太太太太剧烈了，直接就炸了，现代发动机无法承受这么剧烈的放热和燃烧。使用NOS作为助燃剂其实就已经非常损耗发动机了，所以一般只有赛车会使用。使用纯氧还是算了吧，发动机和气缸心里苦。
by Luna
Q.E.D.
Q4
为什么同一种东西越长越容易折断？
by Y
答：
这是材料力学的典型案例。一个杆件会断开，实际上是因为它的荷载超过了材料本身所能承担的极限。举一个最简单的例子：一根忽略了自身重力的筷子，用手在两端试图掰断。
受力差不多可以近似成这种情况:
此时的最大弯矩M=Fa,a是F和着力点之间的距离。弯矩M如果超过了杆子承载能力的上限杆子就会断。从这个结果可以看出，实际上AB之间的距离并不影响杆子会不会被掰断，有影响的是a。
回到生活中折断物品这个问题，越长的东西，人在试图掰断它的时候越容易扩大上面计算过程中的a（扳着顺手，太短的筷子不好扳），产生更高的弯矩以掰断材料。这就是为什么同一种东西越长越容易掰断
参考资料：
[1]苟文选. 材料力学.第2版[M]. 科学出版社, 2010.
by Luna
Q.E.D.
Q5
为什么行进的火车上信号不好？
by 匿名
答：
因为火车太快，信号追不上了
正经点，火车信号较差原因是多方面的。
一方面是受到受到车厢的屏蔽。车体不必多说了，火车车厢由金属制造，对信号有屏蔽作用。实际上，车窗对信号也有屏蔽作用，高速行进的列车需要维持车厢内温度，因此有一部分热量会由车窗散失，因此我们在车窗上涂一层超薄的金属涂层，金属涂层可以将车内的光线反射回去，以减少热量散失。但金属涂层的存在却可以形成法拉第笼，使得车内信号变弱。
另一方面就是由于车速较快。车速较快带来两个问题：一个是多普勒效应带来的频率偏移；一个是不同基站之间的频繁切换。
多普勒效应带来的频率偏差可以由下面这个公式计算：
其中 是多普勒频移，为载波频率，v为高铁速度，c为光速， 为高铁行进方向与信号之间的夹角。
可以看到，高铁速度越快，载波频率越高，信号的多普勒频移就越大，以时速350km/h（约100m/s）的列车为例，在900MHz波段多普勒频移可以达到接近300Hz，在2GHZ波段，多普勒频移可以达到约650Hz。
基站的切换就很好理解了，每个基站的覆盖范围是有限的，列车前进必然要穿过一系列基站的覆盖区域，这就要求我们的终端在不同的基站之间迅速切换，还是以时速350km/h的列车为例，大约每隔3-6秒就要切换基站，因此会感觉信号较弱。
还有一些其他原因，比如环境偏僻不适合大量建设基站、用户数较多需求较大、多经过隧道等特殊场景等，也会影响高铁上的信号。但总的来说，随着我们国家高铁技术和移动通信技术的进步，高铁上的网络信号正在变得越来越好，相信明天一定比今天更美好。
参考文献：
[1]饶华. 高速铁路移动网络信号覆盖与优化[D].上海交通大学,2012.
by 霜白
Q.E.D.
Q6
为什么制冷机的效率可以大于1
by 匿名
答：
热机和制冷机的效率并不一样，在这里先具体说一下它们概念上的区别。热机的效率指的是 W/Q 也就是热力学循环中热机对外界所做的功W，除以热机在热源处吸收的热量Q。这个值不能大于1是能量守恒定律的限制。而制冷机的效率指的是 Q/W，Q是从冷源处吸收的热量，而W是热力学循环中外界对热机所做的功。
打一个比方，热机就像是从一条河(热量从高温热源流向低温冷源的热流)中截流一部分出来转化为机械能。热机再厉害，也总不能直接把河里的水全部截下来了再凭空生出水来吧。
对应的，制冷机是一个负责把热量从低温冷源搬运到高温热源的搬运工，它做的事情不是截流而是搬运。我们要支付给他“代价”，也就是给它能量让它做功，然后他就可以搬运热量。只要最后制冷机吸收的机械能（即外界对制冷机做的功）和从冷源处吸收的热能等于交给高温热源的热能，能量守恒定律就不会被违反。这里显然不存在“不能直接把河给截没了再凭空生出来水”这个限制，所以制冷剂的效率是可以大于1的。
by Luna
Q.E.D.
Q7
法拉第圆盘实验中，如果导体盘和磁体以相同角速度旋转，是否仍会产生感应电动势，为什么？
by 冷猫
答：
这是一个非常精妙的问题，也就是所谓的“法拉第吊诡实验”。这个实验做的事情就是找一块磁铁（下图白色柱体）然后搞一块金属圆盘放在上面，中心和边缘接一个电压表(如下图所示)。对于A的情况，也就是中学物理会讲的电磁感应定律，转动圆盘的时候，电压表上会有示数，A的实验现象是没有疑问的。
而如果让导体盘和磁体以相同角速度旋转，这时候的现象可能就会有争议了。有人可能会认为：磁感应线会和磁体一起旋转，这样导体盘和磁感应线就不会有相对运动，导体盘也就不会切割磁感应线，那就不会产生电动势了。这也就是下图的B示例。
法拉第吊诡实验示意图 | 图源自参考资料 但是实际情况不是这样的，磁体是轴对称的，沿着B图所示方向旋转磁体并不会引起磁场的改变，如此一来，磁感线并不会随着磁体旋转而旋转，所以导体盘依然会切割磁感线，感应电动势依然会产生。如果磁体是其他形状的，无论以什么方式旋转，只要让导体盘上的磁场不发生改变，都不会改变上面的结论。
当然，现代电动力学中并不需要磁感应线这个概念，在电动力学里也没有什么吊诡。不过需要引入磁通、电磁场等一系列稍微复杂的概念，在这里就不做介绍了。详情参考电磁学教材。
参考资料：
by Luna
Q.E.D.
Q8
真空是什么？（应该不是什么都没有吧？）
by Bella
答：
通常我们理解真空，就是什么都没有，我们可以用气压来衡量真空度（也可以用单位体积内的粒子数目），一般低于大气压的我们就可以称为粗真空，低于10^-6Pa我们就称为超高真空（详见下图）。一般我们在实验室能做到超高真空，而在太空中，每立方米只有几个粒子，近乎真正的真空。
真空的分类，图中Torr为压强单位，为1mm汞柱，约133Pa 当然，我觉得你想问的可能并不是这个。实际上，除了实粒子以外，我们也确实发现一些现象指向真空中还有我们未知的物质。我们简单介绍一下。
狄拉克电子海。 1927年，狄拉克提出狄拉克方程。狄拉克方程的解预言了一种存在负能量的电子。据此，狄拉克提出，真空是所有负能量的状态，每个负能量的状态都有一个电子占据，真空就可以看成填满了所有负能量状态的电子形成的大海，带正能量的电子就在海面上运动。当狄拉克海中的电子受到能量，就会激发到海面上，在海里留下一个空穴，这个空穴相当于一个带正电的电子。而正电子最终被安德森发现。
真空涨落与兰姆移位和电子反常磁矩。 上世纪中叶，物理学家建立了量子电动力学，量子电动力学是一种量子场论，每一种粒子对应一种场，粒子就是场的激发态。电子之间可以通过交换虚光子发生相互作用，而这个虚光子可以变成一对虚的正负电子，虚的正负电子也可以湮灭称为虚光子。量子电动力学认为，真空中存在大量虚光子、虚正负电子对，这就是真空涨落，这种涨落可以引起兰姆移位和电子反常磁矩。
卡西米尔效应。 1948年，卡西米尔提出，真空中两块平行放置的中性导体平板之间，存在微弱的吸引力，这就是卡西米尔效应。量子电动力学认为，电磁场可以量化为不同能级的谐振子，真空就是这些谐振子的基态。因此，我们可以据此计算依赖两平板间距的真空能量，即卡西米尔能量。该效应在2011年被观察到。
Higgs粒子。 量子场论理论认为，粒子场满足规范不变性，但规范不变性要求粒子没有质量。南部阳一郎提出，系统的基态或真空态不具备这种对称性，即真空自发对称破缺。希格斯等人提出，真空中存在一个复标量场(Higgs场)与规范场耦合，当真空态发生自发对称破缺时，就可以使规范场粒子获得质量，这个标量场对应的的粒子被称为Higgs粒子。Higgs粒子于2012年被发现。
除了上述这些现象以外，还有其他像诸如夸克禁闭等现象也都提示我们真空中还有很多我们未知的物质。我们对真空的认识还任重而道远。
参考文献：
[1]涂涛,郭光灿.真空不空[J].物理,2018,47(09):549-556.