60.布朗运动,一座从微观到宏观的桥


60.布朗运动,一座从微观到宏观的桥

小朋友们家长们大家好,这里是王木头讲科学的《万物简史》系列,也是第60次内容的1.1更新版本。

前面几次内容我们用分子和原子自身的特点解释了很多宏观现象。小朋友们应该对微观和宏观的概念比较了解了吧。简单地说,微观就是对微小的东西进行观察,宏观就是对宏大的东西进行观察。

那么多小算是微观,多大算是宏观呢?其实并没有规定一个具体的尺寸和大小。不过一般认为,我们没办法直接观察到的小东西都算是微观的,而直接可以看到或是感觉到的东西都算是宏观。我们这里所说的没办法直接观察也包括用显微镜看,只要不是特别高级的电子显微镜,在普通的光学显微镜下看到的小沙粒啊,小虫子也都算是宏观的。

宏观的东西都是由微观的东西组成的,所以在微观上的一些特定就会表现在宏观上面。比如说分子和原子的一些特点就会在宏观上体现出来。

其中我们之前讲过的一个微观现象就是,分子和原子会不停的运动。我们还用这个特点解释了很多宏观现象,比如说热胀冷缩啊,大气层为什么越高空气越稀薄啊。

我想啊,讲到这里的时候其实有很多小朋友是会有疑惑的,毕竟微观中的分子和原子与我们日常生活中的宏观物体差别太大了。在我们周围的宏观的东西,比如说汽车啊,桌子板凳啊,都是趋向于静止的。如果不给汽车加油提供动力,没有人推动桌椅板凳,它们都是会慢慢停下来的。而科学家们告诉我们,分子和原子可不是这样,它们会一直不停地运动。

科学家们到底是怎么知道的呢?分子和原子即使用显微镜也很难看得到,更不要说直接观察到它们的运动了。既然都没办法观察到,科学家们又是靠什么方法去确定分子和原子的确是在不停运动的呢?

这就是科学家们聪明的地方了,他们最后是通过一些宏观上的现象来确定微观上的事实。就有科学家观察到一些非常小的花粉在水中会没有规律地一直运动。为什么这些花粉会这么奇怪一直不停的动呢?最后经过科学家们的分析和计算,可能性只有一种,就是原子和分子在永不停止地进行不规则运动,它们运动的时候会碰撞到花粉,因为花粉很小就被这些分子撞的动了起来。于是我们用显微镜看起来花粉就开始做不规则运动了。

这个花粉的不规则运动就叫做布朗运动。布朗是一个外国人的名字,是他先发现了这个现象,所以就用他的名字来命名了。

下面有个视频,大家可以看一下。这个视频里面就是布朗运动。视频被分为两段,前半段是从显微镜里真实看到的布朗运动,里面的确是有一些小东西一直不停地运动着。这里也要提醒一下大家,视频里面运动的不是分子,分子还是看不到的,那些小东西都是花粉。后半段的视频是在模拟布朗运动,让我们理解布朗运动是怎么发生的。视频中的那些棕色小球就代表了分子,上面的比较大的白球就代表了花粉。正是棕色小球的不规则抖动,让白球也跟着运动起来。通过这样的模拟我们可以更好地想象布朗运动到底是什么情况了。

为什么原子和分子会一直不停地抖动呢,科学家们也解释不清楚,不过布朗运动已经证明了这一点,我们现在只需要承认这是一个事实就可以了。

其实分子的这种永不停下来的运动,不只是花粉可以感觉得到,我们人也是可以直接感觉到的,而且还不是一种方式,而是有两种方式可以让我们感觉到。

不知道大家玩过注射器没有,就是用来打针的那个东西。

60.布朗运动,一座从微观到宏观的桥

如果我们先把注射器拉长,在里面就充满了气体,然后再堵住前面的出口不让气体跑出去。然后再使劲按下后,那么会发生什么?一开始的时候按下去还是挺容易的,但是只要不漏气,就会发现越来越难,甚至到了最后根本按不下去了。

如果没有注射器的话,可以找一个空的饮料瓶,塑料的那种。拧紧盖子然后使劲把瓶子捏扁,也会有上面的情况发生。一开始的时候还是非常轻松的,可以不用很大力就压扁一些,可是再要想压的更扁的话,就会越来越难了。

这是为什么呢?就是因为它们里面的气体一开始的时候分子还比较稀疏,它们在不规则运动的时候,只有很少的一些分子撞在了后面那个活塞上。所以感觉不用特别大的力气也可以按下。当按下的越来越多之后,气体就开始被压缩了,注射器中的分子也越来越稠密,于是撞击到活塞上的分子也越来越多。所以再继续按下去就会感觉到需要越来越大的力气,直到根本按不下去为止。

与布朗运动比起来,虽然感觉完全变了,但这也的确是分子不停运动才会出现的结果。

下面有个视频,大家可以看一下。视频里面的那些小钢珠来模拟分子的,它们不停地运动把上面的活塞顶了上去。

视频里面我们也看到了,最后还在往活塞上面加上重物。也就相当于是我们按下了注射器的后面,视频里的那些小钢珠的情况其实就和注射器中的气体分子是一样的。

好了,今天的内容就到这里了,我们又更多地了解了一下微观和宏观的差别。微观一般指一些看不到的东西,宏观是指由这些小东西组成的大东西。为什么微观世界的原子和分子我们看不到,但是却知道它们在一直不停地运动呢?把你知道的知识讲身边的朋友们吧,让他们可以和你一起享受获得知识的快乐。


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