這窗戶怎么看著這么朦朧

呀 玻璃上咋這么臟

咦 怎么好像光透過來沒見臟東西的影子？

問答導(dǎo)航
Q1 為什么有些玻璃表面看起來很臟，但是在陽光下看不見臟東西的影子？
Q2 燃煤鍋爐燃燒時(shí)產(chǎn)生NOx的主要原因是什么？有沒有一種檢測設(shè)備可以用來反映高溫區(qū)域NOx的生成速率？
Q3 為什么用手機(jī)拍快速通過的車會(huì)拍成虛影，拍比車還快的飛機(jī)為什么反而拍的清楚？
Q4 焊工的變光護(hù)目鏡是什么原理？
Q5 存不存在一種可能，使一桶水均勻結(jié)冰沒有凸起？
Q6 鼠標(biāo)傳感器的工作原理？不同的dpi設(shè)置為什么能讓靈敏度變化？
Q7 運(yùn)動(dòng)手環(huán)能夠監(jiān)測睡眠狀況的原理是什么？

Q1 為什么有些玻璃表面看起來很臟，但是在陽光照射下卻看不見這些臟東西的影子呢？

by 啊哈哈

答：

臟東西的影子并不是真的“消失”了，而是因?yàn)?strong>光源太大、物體太小，導(dǎo)致影子的核心區(qū)域在半路就“滅絕”了，只剩下肉眼無法察覺的模糊邊緣。

這背后的物理機(jī)制是本影的幾何特性。我們?cè)谖锢碚n上畫光路圖時(shí)，常把太陽簡化為一個(gè)點(diǎn)，但實(shí)際上太陽是一個(gè)巨大的面光源。這就意味著，光線并不是從單一點(diǎn)射出的，而是從太陽圓盤的四面八方包抄過來。當(dāng)陽光照射到玻璃上的微小灰塵（直徑僅微米級(jí)）時(shí)，來自太陽邊緣的光線會(huì)掠過灰塵邊緣，鉆到它的后方。這導(dǎo)致灰塵后方那個(gè)完全黑暗的區(qū)域（本影），變成了一個(gè)極短的圓錐體。對(duì)于玻璃上的污漬，這個(gè)全黑的錐體可能在距離玻璃僅僅幾毫米甚至更短的地方就消失了。而在幾米外的地板上，你看到的其實(shí)是半影區(qū)域。在這里，雖然灰塵擋住了太陽中心的光，但太陽邊緣的光依然能照過來，“填補(bǔ)”了陰影。再加上周圍環(huán)境光的漫反射補(bǔ)充，這微弱的亮度差異已經(jīng)被徹底“洗”平，對(duì)比度極低，肉眼根本無法分辨。

這就好比飛機(jī)在萬米高空飛過時(shí)，我們?cè)诘孛嫔贤床坏剿挠白樱荒芨械教炜丈晕盗艘幌拢且粯拥牡览?。只?strong>當(dāng)污漬足夠大，或者玻璃離地面足夠近時(shí)，本影才能“活著”到達(dá)地面，讓你看到清晰的影子。

參考資料：

1. Minnaert M. The Nature of Light and Colour in the Open Air[M]. Dover Publications, 1954.

by 檸七

Q.E.D.
Q2 燃煤鍋爐燃燒時(shí)會(huì)生成 ，主要原因是因?yàn)檠踉觾?yōu)先與H，其次與C，最后與N原子在高溫下反應(yīng)是嗎？有沒有一種設(shè)備可以通過檢測可見光頻率或者檢測N原子與O原子結(jié)合的特定化學(xué)反應(yīng)，來反映高溫區(qū)域 的生成速率？

by 極速的青春

答：

燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生 的機(jī)理非常復(fù)雜，產(chǎn)生途徑可分為熱力型（氮?dú)庠诟邷叵卵趸?/strong>燃料型（揮發(fā)分氮和焦炭氮氧化）和快速型（碳?xì)浠衔锔邷叵律傻腃H原子團(tuán)撞擊N2，生成HCN類化合物，HCN類化合物被氧化） 。綜上所述，一般也不會(huì)從原子層面去分析 。最接近提問者的概念可能是第三種，其中會(huì)涉及自由基反應(yīng)，但也沒有直接考慮原子那么簡單。

燃料型 (a) 和快速型 (b) 的生成機(jī)理

一般檢測氮氧化物更多是檢測濃度，再通過對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到速率。通過原理可以看到，氮氧化物產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，監(jiān)測某一種N原子和O原子結(jié)合的特定反應(yīng)是比較困難的。從光譜出發(fā)是好主意，但氮氧化物在可見光波段吸收不明顯，監(jiān)測可見光頻率來測定不好實(shí)現(xiàn)。一般檢測煙氣的紅外光和紫外光的光譜，采用非分散紅外吸收法和紫外吸收法，另外也有從電化學(xué)角度通過電解反應(yīng)測試的定電位電解法。

參考資料：

1. 毛洪鈞,李悅寧,林應(yīng)超,等.生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2019,41(01):1-11.

2. 郭恒橫,魏森林,王曉軍,等.德陽地區(qū)磚瓦工業(yè)爐窯廢氣中二氧化硫和氮氧化物的檢測與研究[J].廣州化工,2025,53(13):123-126.

by ThymolBlue

Q.E.D.
Q3 為什么用手機(jī)拍快速通過的車會(huì)拍成虛影，拍比車還快的飛機(jī)為什么反而拍的清楚？

by 孔子

答：

手機(jī)拍不拍得清楚，主要取決于物體相對(duì)于攝像頭的角速度，而不是它的絕對(duì)速度。簡單來說，是因?yàn)轱w機(jī)離你足夠遠(yuǎn)，它在你的屏幕上“跑”得其實(shí)很慢。

首先，無論是人眼還是攝像頭，我們感知的“快慢”其實(shí)是物體劃過視野的角度變化快慢。雖然飛機(jī)的絕對(duì)速度遠(yuǎn)大于汽車，但飛機(jī)距離你可能高達(dá)10,000米，而汽車距離你可能只有5米。根據(jù)角速度公式 （速度除以距離），近處汽車產(chǎn)生的角速度，可能比高空飛機(jī)的角速度大幾十倍甚至上百倍。這就好比你坐在高鐵上，近處的樹木“刷”一下就過去了（角速度大，模糊），而遠(yuǎn)處的高山看起來卻幾乎不動(dòng)（角速度小，清晰）。

而拍攝的虛影產(chǎn)生的物理機(jī)制是“運(yùn)動(dòng)模糊”。手機(jī)拍照需要一定的曝光時(shí)間。在這極短的時(shí)間內(nèi)：近處的車：因?yàn)樗鄬?duì)于鏡頭的角度變化大，成像在傳感器上可能橫跨了100個(gè)像素。于是這100個(gè)像素都記錄了車的一部分，結(jié)果就是一道模糊的拖影。遠(yuǎn)處的飛機(jī)：因?yàn)樗鄬?duì)于鏡頭的角度變化極小，成像在傳感器上可能只移動(dòng)了不到0.1個(gè)像素。對(duì)傳感器來說，它約等于靜止的，所以拍出來就是清晰的銳利圖像。

此外，光照條件也有影響。飛機(jī)通常是在晴朗明亮的天空中拍攝，手機(jī)會(huì)自動(dòng)使用極快的快門速度，進(jìn)一步“凍結(jié)”了動(dòng)作；而拍車時(shí)若環(huán)境光稍暗，快門變慢，虛影就會(huì)更嚴(yán)重。所以，想要拍清飛馳的汽車，要么離得遠(yuǎn)一點(diǎn)，要么學(xué)會(huì)“搖拍”（鏡頭跟著車轉(zhuǎn)），降低它相對(duì)鏡頭的角速度。

參考資料：

1. General Foods Corporation. Meth Joshi, N. (2020). Motion Blur. In: Computer Vision. Springer, Cham.

by 檸七

Q.E.D.
Q4 焊工的變光護(hù)目鏡是什么原理？

by 匿名

答：

現(xiàn)在的變光護(hù)目鏡科技感挺強(qiáng)的。它能做到?jīng)]有強(qiáng)光時(shí)比較“亮”，有強(qiáng)光時(shí)突然變暗。原理是護(hù)目鏡上有光敏傳感器（一般是用光敏電阻制作，即受到強(qiáng)光照射后電阻值會(huì)顯著改變的材料）使護(hù)目鏡的液晶分子結(jié)構(gòu)改變。例如，當(dāng)一個(gè)焊工開始工作，電焊處開始放出強(qiáng)光，照到護(hù)目鏡上的光傳感器，傳感器會(huì)放出電信號(hào)，通過電壓使護(hù)目鏡表面的液晶分子重新排列，達(dá)到幾乎不透光的效果。這一過程通常只需0.0001秒，可以保證人眼不受傷。

至于為什么液晶為何有這種特殊性質(zhì)，這涉及到光的偏振的知識(shí)。光是橫波。在光的傳播方向之外，還有另外一個(gè)方向叫做偏振方向，如圖所示的紅色箭頭即為偏振方向。液晶分子只允許某一個(gè)方向偏振的光通過。在通電信號(hào)之前，如上面的圖示，兩層液晶分子允許通過的光的偏振相同，就有大約一半的光能夠通過護(hù)目鏡；通電信號(hào)之后，如下面的圖示，兩層液晶分子允許通過的光的偏振完全不同，幾乎所有光都通過不了，就起到了保護(hù)左右。像是計(jì)算器的屏幕也是用了這個(gè)原理。

by 靈境

Q.E.D.
Q5 存不存在一種可能，使一桶水，均勻的結(jié)冰，即膨脹的十分均勻，沒有凸起？

by 匿名

答：

水不能均勻結(jié)冰以及形成突起的原因在于通常的冷卻辦法，與桶中水的熱接觸總是在表面，熱量不能“隔山打?！?，導(dǎo)致容易在外層先形成冰殼，內(nèi)部的水凝結(jié)膨脹無路可去，引起應(yīng)力不均勻，產(chǎn)生裂隙、突起等等。如下的設(shè)想可能實(shí)現(xiàn)均勻結(jié)冰的要求。

水在0攝氏度結(jié)冰時(shí)，須要凝結(jié)核，對(duì)于缺乏凝結(jié)核的純水，可以被冷卻到0攝氏度以下而不結(jié)冰。此時(shí)，水處于 “過冷狀態(tài)”，看似液態(tài)卻已具備結(jié)冰的潛力，我們可以引入一顆結(jié)構(gòu)完整、晶格取向穩(wěn)定的冰單晶籽晶，讓整桶水圍繞這一個(gè)核心有序生長。須要確保桶內(nèi)是高純度的水，減少雜質(zhì)形成額外凝結(jié)核的可能，避免多晶競爭打亂生長節(jié)奏，再將這顆籽晶固定在桶的中心位置，保證它與水的熱接觸穩(wěn)定且均勻。之后，冰的晶格會(huì)以籽晶為 “藍(lán)本”，順著固定的方向緩慢外延生長。這個(gè)生長速度必須足夠慢，慢到讓每一個(gè)水分子都有充足的時(shí)間，按照籽晶的晶格結(jié)構(gòu)整齊排列，就像無數(shù)個(gè)小零件精準(zhǔn)嵌入預(yù)設(shè)的框架，不會(huì)出現(xiàn)雜亂堆積的情況。同時(shí)，還要避免桶內(nèi)出現(xiàn)水溫不均引發(fā)的對(duì)流擾動(dòng)，比如給桶壁包裹保溫層、嚴(yán)格控制整體冷卻速率，讓水在靜態(tài)環(huán)境中平穩(wěn)完成結(jié)冰，確保冰的生長始終只受晶格取向和溫度梯度的引導(dǎo)，從籽晶開始向四周、上下均勻蔓延。

這樣一來，冰的膨脹就實(shí)現(xiàn)了“整體協(xié)同”，整桶水圍繞單一籽晶有序結(jié)冰，不存在某部分先凝固變硬、阻擋其他部分膨脹的情況。通過調(diào)整籽晶的晶格取向和筒的表面性質(zhì)，這顆巨大的冰單晶或許能順著桶的形狀均勻填充，內(nèi)部沒有雜亂的晶界，也能抑制因局部膨脹受阻產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力，最終形成一塊表面平整、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻的冰，可能可以實(shí)現(xiàn) “均勻結(jié)冰、均勻膨脹無凸起” 的要求。

這個(gè)設(shè)想并非空中樓閣，事實(shí)上，硅單晶生產(chǎn)中的 “直拉法”與“定向凝固工藝”的思路就是類似的。直拉法通過精準(zhǔn)控制籽晶牽引與熔體冷卻，保障晶體單向有序生長；定向凝固則通過穩(wěn)定溫度梯度抑制雜晶生成，以此生成純凈的硅晶體。

by 歐拉格朗日

Q.E.D.
Q6 鼠標(biāo)傳感器的工作原理？不同的dpi設(shè)置修改了什么東西，為什么能讓靈敏度變化？

by Apex大王

答：

鼠標(biāo)就像電腦的“指尖”，而它的核心是一個(gè)隱藏在底部的微型視覺系統(tǒng)。你可以把它想象成一個(gè)不停工作的超小型攝像機(jī)。當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，底部的光源（通常是LED或激光）會(huì)照亮桌面或鼠標(biāo)墊的微觀紋理，旁邊的傳感器則以每秒數(shù)千次的速度快速拍照。一個(gè)專門的處理器會(huì)像人眼對(duì)比兩幅畫面一樣，分析這些連續(xù)圖像的細(xì)微差別，精確計(jì)算出鼠標(biāo)在橫向和縱向上移動(dòng)了多少距離，然后將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給電腦，指揮屏幕上的光標(biāo)跟隨移動(dòng)。

我們常說的DPI，更準(zhǔn)確應(yīng)稱為CPI，它直接決定了這種“匯報(bào)”的精細(xì)程度。DPI意為“每英寸點(diǎn)數(shù)”，指的是鼠標(biāo)物理移動(dòng)一英寸時(shí)，向電腦發(fā)送多少個(gè)移動(dòng)信號(hào)點(diǎn)。例如，當(dāng)DPI設(shè)置為800時(shí)，鼠標(biāo)移動(dòng)一英寸，光標(biāo)就會(huì)在屏幕上移動(dòng)800個(gè)像素點(diǎn)；如果將DPI提高到1600，同樣的物理移動(dòng)則會(huì)觸發(fā)1600個(gè)像素點(diǎn)的位移。所以，調(diào)整DPI并沒有改變傳感器本身的“視力”，而是改變了它報(bào)告移動(dòng)信息的“密度”。高DPI下，鼠標(biāo)對(duì)微小的物理移動(dòng)反應(yīng)更劇烈，光標(biāo)顯得飛快；低DPI下，則需要更大的手臂移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)光標(biāo)，感覺更為沉穩(wěn)。對(duì)于需要精確到像素的設(shè)計(jì)工作或追求極致定位穩(wěn)定的競技游戲玩家，他們往往青睞較低的DPI，以實(shí)現(xiàn)對(duì)手部微小顫抖的過濾和更精細(xì)的控制。而對(duì)于使用高分辨率大屏幕或進(jìn)行多任務(wù)辦公的用戶，較高的DPI則可以減少手臂的擺動(dòng)幅度，讓光標(biāo)快速抵達(dá)屏幕各處，提升效率。值得注意的是，電腦操作系統(tǒng)和游戲內(nèi)部通常還有額外的靈敏度調(diào)節(jié)選項(xiàng)，但那是基于鼠標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的二次軟件放大，有時(shí)會(huì)損失操控的線性與直接感。

圖片源于網(wǎng)絡(luò)

by Clouds

Q.E.D.
Q7 運(yùn)動(dòng)手環(huán)能夠監(jiān)測睡眠狀況的原理是什么？

by 呆呆貓

答：

簡單來說，手環(huán)主要依靠內(nèi)置物理位移傳感器和光學(xué)傳感器的聯(lián)手探測，再配合后臺(tái)算法的“嚴(yán)密推理”。

手環(huán)最基本的功能是靠加速度傳感器實(shí)現(xiàn)的。其核心原理是牛頓第二定律和壓電陶瓷。傳感器內(nèi)部有一個(gè)極其微小的質(zhì)量塊，當(dāng)你的手腕發(fā)生位移或傾斜時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)通過壓電陶瓷將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如果你的手腕在長達(dá)20分鐘內(nèi)幾乎沒有產(chǎn)生任何超過閾值的加速度信號(hào)，手環(huán)就會(huì)懷疑：這個(gè)生物可能睡著了。這種方法叫體動(dòng)記錄儀。

但問題是，如果你只是躺在床上思考人生（保持僵硬），它也會(huì)誤以為你睡著了。為了提高準(zhǔn)確度，我們需要其他的評(píng)測指標(biāo)。這就是手環(huán)背面那個(gè)綠光的真面目。手環(huán)的LED燈會(huì)向皮膚發(fā)射光，一部分光被血液中的血紅蛋白吸收，另一部分反射回來。由于心臟跳動(dòng)時(shí)，血管里的血液容積會(huì)發(fā)生周期性變化，對(duì)光的吸收率也會(huì)隨之波動(dòng)。通過分析反射光的強(qiáng)弱，手環(huán)就能提取出你的心率。在睡眠監(jiān)測中，更關(guān)鍵的指標(biāo)是心率變異性。這是手環(huán)區(qū)分深睡、淺睡和快速眼動(dòng)期的關(guān)鍵。人體的睡眠受自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，在不同的階段心率會(huì)呈現(xiàn)不同的特征。手環(huán)的算法會(huì)把加速度計(jì)信號(hào)和心率特征進(jìn)行多維比對(duì)。如果發(fā)現(xiàn)你雖然不動(dòng)，但心率特征符合快速眼動(dòng)期的頻譜分布，它就會(huì)判定你正在做夢(mèng)。

那么，手環(huán)的睡眠檢測到底準(zhǔn)不準(zhǔn)？我們要區(qū)分“民用級(jí)參考”與“醫(yī)療級(jí)診斷”。在醫(yī)院里，判斷睡眠的標(biāo)準(zhǔn)是多導(dǎo)睡眠監(jiān)測。它需要監(jiān)測你的腦電波、眼電圖和肌電圖。腦電波是判斷睡眠階段的最直接證據(jù)，這就好比直接讀取計(jì)算機(jī)的CPU運(yùn)行頻率。而手環(huán)是通過觀測“機(jī)箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速”（心率）和“機(jī)箱震動(dòng)”（體動(dòng)）來反推CPU的工作狀態(tài)。雖然現(xiàn)在的深度學(xué)習(xí)算法已經(jīng)能把準(zhǔn)確率提高到 90% 以上，但對(duì)于嚴(yán)重的睡眠呼吸暫?；蛩哒系K，手環(huán)依然只能作為輔助參考。所以，手環(huán)檢測睡眠本質(zhì)上是一個(gè)基于生物力學(xué)信號(hào)與生理光學(xué)信號(hào)的多模態(tài)信息融合過程。

by 單身男青年

Q.E.D.
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單身男青年、clouds、靈境、歐拉格朗日、檸七、ThymolBlue

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