魔鬼物理學1：隱藏在日常生活背後的物理學知識 [The Physics of Everyday Things] epub pdf mobi txt 電子書下載 2024

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[美] 詹姆斯·卡卡裏奧斯著，魯鼕旭譯

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發表於2024-11-10

商品介绍

齣版社：中信齣版集團，中信齣版社

ISBN：9787508684130

版次：1

商品編碼：12312206

品牌：中信齣版

包裝：平裝

叢書名：魔鬼物理學

外文名稱：The Physics of Everyday Things

開本：32開

齣版時間：2018-02-01

用紙：膠版紙

頁數：240

字數：16500

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書籍描述

産品特色

編輯推薦

從早晨的陽光射進你的房間，到結束繁忙的一天關燈入睡，恍然間你會發現自己就置身於一個奇妙的物理世界中。生活中常見的電子設備都可以成為我們學習物理知識的教具，就這樣，你的生活與物理學緊緊聯係在一起。
物理學並不隻是抽象的公式和名詞，它更是你日常生活的一部分。
電動牙刷是如何充電的？導航儀是如何準確定位的？冰箱為什麼能製冷？飛機為什麼能在天上飛？這些你想過或者沒想過的問題，這些物理老師可能也答不上來的問題，你都能在這本書裏找到答案。
其實，電動牙刷的充電原理與電磁感應有關，導航儀通過計算信號的傳輸時間和速度來定位，冰箱的製冷原理與蒸汽散熱的原理正好相反，飛機能夠飛起來主要歸功於機翼的特殊設計……

內容簡介

《魔鬼物理學1》是“魔鬼物理學”係列叢書的一本，主要從日常生活中隨處可見的電子設備齣發，講述我們身邊的物理學。物理世界不隻有黑洞、引力波、相對論、希格斯玻色子……電動牙刷、導航儀、冰箱、飛機等背後也隱藏著奇妙的物理學原理。《魔鬼物理學1》告訴你，學物理不隻是背公式、建模型、做習題！生活中的物理到處可見，漫畫書裏也有，觀察生活的點滴、看看漫畫書就能把物理學懂！《柯剋斯書評》《書單》《華爾街日報》《齣版人周刊》好評推薦！

作者簡介

作者：詹姆斯 ? 卡卡裏奧斯譯者：魯鼕旭

美國明尼蘇達大學物理學與天文學教授，暢銷書作者。他是凝聚態物理學領域的一位實驗物理學傢，研究範圍非常廣泛，涉及納米材料和神經係統中的隨機共振分析等。由於在科普方麵做齣的傑齣貢獻，他曾被美國物理學會和美國科學促進會授予相關奬項。

精彩書評

不管你想瞭解漫畫書中的超能力的奧秘，還是想瞭解日常生活中隱藏的科學原理，物理學都是所有答案的核心。《魔鬼物理學1》用物理定律來解釋我們周圍的世界，你很難找到比這本書更棒、讀起來更令人愉快的書瞭。
——肖恩?卡羅爾，加州理工大學物理學傢、暢銷書作者

我知道，有許多你摯愛的設備正主導著你每天的生活。想想看，如果你能理解這些設備的工作原理，生活將變得多麼豐富。讀完《魔鬼物理學1》以後，你可能會驚奇地發現，即使是日常生活中普通的電子設備，比如智能手機和全球定位係統，也要依賴於現代物理學的知識纔能工作。在這本迷人、有趣又淺顯易懂的書中，你將迎來一個新世界。
——勞倫斯?剋勞斯，Origins Project負責人，暢銷書作者

從頭到尾，這本書生動地介紹瞭許多主導我們日常生活的物理學原理,這些原理決定瞭我們如何與他人互動，也決定瞭我們如何與周圍的世界互動。在《魔鬼物理學1》中，卡卡裏奧斯再次找到瞭普通讀者和物理學之間的共鳴點。這一次，卡卡裏奧斯深刻地嚮我們展示瞭物理學原理是如何讓現代生活成為可能的。
——《柯剋斯書評》

《魔鬼物理學1》能讓讀者産生一個全新的認識：原來在我們熟悉的日常生活的錶象之下，是科學在為我們服務。此外，《魔鬼物理學1》還從曆史的角度介紹瞭許多人類世界的科學新發現。我們的世界曾經依賴於蒸汽機來驅動，但當時我們對蒸汽機工作原理的瞭解微乎其微。而現在，我們的世界越來越依靠一個偉大的工程創新——半導體——來運作。《魔鬼物理學1》將帶你踏上一趟迷人的探索之旅，在這次旅程中，你將看到許多日常生活背後隱藏的科學。
——《書單》

《魔鬼物理學1》提供瞭一桌科學的饕餮盛宴……你會不時地發齣感嘆：“原來是這樣！”
——《華爾街日報》

《魔鬼物理學1》清晰地描繪瞭日常設備中隱藏的炫酷科技，如果讀者學過中學物理，閱讀體驗將會更好。
——《齣版人周刊》

第1章起床啦！
清晨，你前一晚設定的鬧鍾準時把你叫醒；而10分鍾之前，你的咖啡機已經開始工作瞭；你一邊收聽節目，一邊吃早餐；這時你突然意識到自己還沒有刷牙，於是趕緊衝進浴室，從充電底座上拿起電動牙刷……
第2章開車進城去！
你乘坐電梯來到地下車庫，按下無鑰匙遙控器打開車門，啓動那輛油電混閤動力汽車；你在汽車內置的導航係統中輸入醫生辦公室的地址，按照提示嚮那兒開去……
第3章看醫生
你乘坐電梯來到醫生辦公室，將平闆電腦連上這座大樓的無綫網絡，護士用體溫計給你測量體溫，一位技術人員給你做X射綫掃描，醫生告訴你，你還得做超聲波掃描並注射可的鬆……
第4章去機場
你進入機場的停車場，在電子停車票讀取器前刷瞭一下信用卡；你突然發現自己忘瞭帶現金，於是就近找到一颱自動取款機，點擊觸摸屏取齣100美元；你在安檢處停下來，和人流一起經過一個金屬探測儀……
第5章坐飛機
飛機在跑道上加速，機身朝天空上方抬升；很快，飛機就在空中平穩地飛行瞭。窗外的景色美極瞭，你拿齣手機，拍下雲朵的照片。你拿齣耳機，打算觀看視頻打發剩下的時間……
第6章做商業報告
你用USB閃存盤將文件上傳至會議室的計算機，為瞭和聽眾更好地互動，你用復印機將材料復印瞭多份；你將計算機與LCD投影儀相連，很快，報告就要開始瞭……
第7章留宿酒店
你用酒店前颱交給你的近傍型門卡打開房門，接著用遙控器打開牆上的平闆電視，你選擇瞭科幻電影《迴到未來》，裏麵會飛的汽車令人驚嘆……
緻謝
注釋

精彩書摘

第2章
開車進城去！

你乘坐電梯來到公寓大樓的地下車庫，走嚮自己的汽車——一輛油電混閤動力汽車。你的鑰匙扣上掛著一個無鑰匙遙控器，隻要按下按鈕就可以打開鎖住的車門。進入汽車以後，你在方嚮盤前坐好，發動汽車嚮車庫齣口開去。在車庫齣口處，你減慢車速，一個傳感器識彆齣你車中的電子鑰匙，自動為你打開瞭車庫門。
從本質上來看，汽車是一種把勢能轉化為動能的機器。在內燃發動機中，勢能錶現為化學能，這種能量儲存在汽油分子中。在電動汽車中，勢能來自電化學電池。而油電混閤動力汽車既裝有內燃發動機，又配有電動機1，這種汽車的設計目標是將兩種能源的優勢最大化，同時讓其劣勢最小化。燃油汽車加滿一箱油後可以跑很遠的距離，但這種汽車的每公裏油耗指標不理想，還會産生有害氣體。電動汽車則更加環保、高效，但是每次充滿電後的行駛距離有限，因為其電池的能量密度較低。如果隻考慮正常情況下的駕駛需求，汽車隻要裝一個小型發動機就可以瞭（這樣的發動機在油耗方麵效率更高）。但是，如果車輛需要在高速路上加速或者爬陡坡，小型發動機將無法為車輛提供足夠的動力。上述情況雖然不常有，但卻是駕駛者可能遇到並且必須應對的重要情況，因此，為瞭讓這種更小、更高效的發動機在特殊情況下仍能産生足夠的動力，油電混閤動力汽車把以電池供能的電動機作為次要能量來源。這樣一來，油電混閤動力汽車不僅靠更高效的發動機降低瞭每公裏油耗，而且還不用付齣犧牲加速性能的代價——因為在車輛加速的時候，電動機可以起到輔助作用。
然而，站在一名物理學傢的角度看，每輛汽車都是靠電能驅動的。不管讓車輪轉動的能量來自那裏，從本質上來看，電動汽車、燃油汽車，甚至是靠蒸汽機驅動的古董車，它們的能量歸根結底都來源於電。
在正常情況下，原子是電中性的（既不帶正電荷，也不帶負電荷）。然而，電中性的原子是不能和其他電中性的原子形成化學鍵的。如果我們讓兩個原子靠得非常近，它們的電子鏇轉軌道就會發生重疊。帶負電的電子會互相排斥，使得兩個原子彼此遠離並且各自獨立。要想讓兩個原子結閤在一起形成一個分子，就必須剋服這種排斥力，因此必須找到一種額外的吸引力來抵消電子之間的排斥力。原子間的所有鍵都依賴於電所産生的吸引力，這種吸引力能讓兩個原子保持“在一起”的狀態。在一個汽油分子中，原子之間的鍵叫作“共價鍵”，共價鍵通常來說非常牢固，想讓共價鍵斷裂，就必須施加相當大的能量。當汽車發動機中發生燃燒反應時，汽油分子的碎片會重新組閤起來，由於共價鍵的強度很大，所以這個過程會釋放齣相當大的能量。
還有一種化學鍵叫作“離子鍵”，電池中儲蓄的能量就來自離子鍵。如果原子所帶的電子數目比正常數目少或者多，原子就變成瞭“離子”。在一個“陽離子”中，繞原子核運動的帶負電的電子數目少於原子核中帶正電的質子數目。如果電子的數目大於質子的數目，我們就會得到一個“陰離子”。電池是一種靠離子來産生電壓的設備。一個典型的電池可以讓離子在兩個金屬棒之間移動2（這兩個金屬棒被稱為“電極”或者“終端”）。電池的兩個電極通常都浸泡在某種液體中，這種液體可以是酸性的（比如硫酸），也可以是堿性的（通常是氫氧化鉀），它使電池一極上的原子帶上電荷，從而形成離子。如果我們選擇適當的金屬作為電極，再選擇閤適的化學液體，就可以讓帶負電的離子堆積在一個電極處，而讓帶正電的離子堆積在另一個電極處。我們在液體中放置一個起分隔作用的擋闆，讓離子待在相應的電極處，並防止陽離子與陰離子在液體中互相結閤放電。當我們用一根導綫把電池的兩極連在一起時，導綫兩端的電勢差使得導綫中的電子遠離電池的陰離子極，而流嚮陽離子極。於是，這根導綫中就産生瞭電流。我們可以利用這種電流來做機械功，比如驅動一個電動機。
當我們利用電池在電路中産生電流時，電極中存儲的離子就會發生移動，而電池液中的化學反應可以繼續為電池的兩極提供正負電荷。但最終，電池液中的反應物會耗盡，到那時，電池將無法繼續保持額定電壓，這個電池也就“沒電”瞭。幸運的是，今天的電動汽車配備的都是可充電電池。
用電池來存儲電能的另一個局限性在於，電池的金屬電極能夠容納的帶電離子數量是有限的，這是把電池作為汽車的唯一能量來源的一個很大的劣勢。和電池的能量密度相比，存儲在汽油分子化學鍵中的能量密度要大得多。我們要做的就是用某種方式獲取這些能量，並用這些能量來驅動汽車。
一個典型的汽車發動機通常有4~8個氣缸，每個氣缸的頂部都有一個洞，與一根管子相連，通過這根管子可以嚮氣缸注入各種不同的化學蒸汽。氣缸的側壁非常堅固，頂部是固定的，底部是一個可以上下滑動的金屬闆（這個金屬闆被稱為“活塞”）。一個燃燒周期共有4個步驟，前兩個步驟是嚮氣缸中注入汽油蒸汽和氧氣，並嚮上推動活塞，壓縮氣缸中的汽油蒸氣和氧汽的混閤物。被壓縮的汽油分子和氧分子溫度升高，具有更大的動能。當溫度足夠高的時候，汽油分子就會與氧分子發生化學反應，錶現為燃燒現象，此時混閤蒸汽的溫度恰好比這個臨界溫度低一點兒。當燃燒周期的第三個步驟開始時，發動機會為上述係統提供一個觸發能量，這種觸發能量的具體形式是：火花塞産生電弧，點燃高溫的汽油蒸汽。隨著燃燒反應的發生，汽油分子中的化學鍵斷裂，形成新的化學鍵。這一係列過程的結果是：反應後的化學物質的動能比燃燒之前要高得多。這些速度更快的分子衝擊氣缸內壁，施加給活塞一個強大的壓力，推動活塞嚮下運動。在燃燒周期的第四個步驟，混閤蒸汽（包括被點燃的汽油與氧氣的混閤物，以及氣缸中未反應的汽油蒸汽）被推齣氣缸，通過另一根管子以尾氣的方式被排放掉，此時氣缸迴到初始狀態。
當我們駕駛汽車的時候，汽車的發動機不斷重復上述4個步驟，活塞上下滑動的動能通過一種設計巧妙的機械聯軸器轉化為汽車行進的動能。在汽車中，有一根杆一頭連接活塞頂部，另一頭與一個圓盤的邊緣相連。活塞推動這根杆上下運動，杆驅動圓盤鏇轉，圓盤又使車輪滾動起來。
為什麼汽油的燃燒會産生能量？一個汽油分子中包含一條碳原子鏈4，這些碳原子通過共價鍵連接在一起，就像一根手鏈上的珠子一樣，而氫原子則通過化學鍵與碳原子相連。如果一個分子中所有成鍵原子的總能量低於這些原子本身的能量之和，這個分子就是穩定的。這種較低的結閤能來自於各原子內電子的量子力學作用，在結閤能的作用下，共價鍵分子中的原子就能連接在一起而不分離。如果嚮分子提供一個比上述結閤能更大的能量，分子就可能被“打散”為許多分子碎片。這些分子碎片會與其他原子結閤，産生新的分子。新分子的能量低於各個原子分開時的能量之和，隨著新分子的形成，這些原子進入瞭一個勢能更低的新狀態，這個過程所釋放齣的能量會加快化學物質的反應速度（使這些物質的動能增加），增加的這些動能就叫作“熱”。發生燃燒反應時，不同的分子會釋放齣不同數量的動能。20世紀初，四衝程燃油汽車之所以能夠最終取代蒸汽機汽車以及電動汽車，原因之一就在於，在質量相同的前提下，汽油是能量密度最高的燃料之一。
在某些混閤動力汽車中5，電動機和汽油發動機同時工作，一起為汽車的運動提供動能。還有一些混閤動力汽車則采用另一種設計：在同一時間內，要麼電動機工作而汽油發動機不工作，要麼汽油發動機工作而電動機不工作。當汽車發動的時候，電動機負責供能；隨著汽車達到巡航速度，汽油發動機取代電動機為汽車供能。有的混閤動力汽車靠汽油發動機驅動發電機，再讓發電機給電池充電；有的混閤動力汽車是在每次刹車時對電池進行充電。在後一種情況下，車輪的轉動動能被轉移到發電機上，發電機再給電池充電。不管采用上述哪一種設計，這些混閤動力汽車的電池都不需要連接外部電源就能夠充電。