六个问题，检验你的物理水平，你能过几关？

流速与压强问题

流速越快，压强越小。我相信很多人都听过这个结论。

但是，运动是相对的，速度的快慢也是相对的，那么问题来了：

设想有一辆汽车，把所有车窗都关上，在无风的天气里高速行驶。突然，打开一扇车窗。

那么，究竟是车里的空气往外流？还是车外的空气往里流？

• 如果以车为参考系，车外空气的流速更快，压强更小，应该是车里的空气往外流。
• 如果以外界空气为参考系，车内空气的流速更快，压强更小，应该是车外的空气往里流。
  

可是真相只有一个，到底哪边的压强更大？

如果你还在纠结“流速越快，压强越小”，那你就永远得不到答案。

因为“流速越快，压强越小”只是伯努利方程的一个推论，而伯努利方程是有适用条件的，最重要（也最容易被忽略）的条件就是：在同一条流线上。

至于什么是流线？

可以简单认为：追踪很小一块流体的运动，画出的轨迹就是流线。

多追踪一些微小流体块，就能画出多条流线，就像下面图片里的细线一样。

只有在同一条流线上，才能说：流速越快，压强越小。

并且，实际的因果关系是：压强小，才导致了流速快。

比如一小块流体左右两边的压强是“左边大、右边小”，那么：

• 流体从左往右流，就会加速，让流速是左边慢、右边快。
• 流体从右往左流，就会减速，依旧让流速是左边慢、右边快。
  

其本质就是力可以使物体加速，没什么神秘的地方。

至于文章开篇提到的打开车窗的问题，由于车内和车外的空气原本不在一条流线上，所以根本不能用”流速越快，压强越小“来判断。

实际的流体运动很复杂，车里的空气有进也有出。

共振问题

每个物体都有“固有频率”，一旦外界驱动力的频率与物体的“固有频率”相同，就会发生共振。

很多人应该都听过上面这句话。当然，更多人熟悉的应该是这个小故事：

一队士兵在桥上齐步走，发生共振，把桥震塌了。

那么问题来了，如果想让桥振动的振幅达到最大，外界驱动力的频率应该是多少？

• 和桥的“固有频率”相同？
• 比桥的“固有频率”小一些？
• 比桥的“固有频率”大一些？
  

这是个选择题，到底应该选哪个？

答案是：比桥的“固有频率”小一些。

你没有看错，想让桥振动的振幅达到最大，外界驱动力的频率应该比桥的“固有频率”小一些。

共振，分为两种：

• 位移共振（振幅共振），振幅达到最大。
• 速度共振（能量共振），能量传输效率达到最大。
  

速度共振的条件，确实是外界驱动力的频率与物体的“固有频率”相同。

如果没有阻尼（其实就是各种摩擦力），位移共振的条件和速度共振相同。但可惜，现实世界到处都有阻尼。

一旦有阻尼，位移共振的条件，就是外界驱动力的频率比物体的“固有频率”小一些。

惯性力问题

有没有惯性力？

很多人都知道：惯性不是力。

但是，物理学中确实有“惯性力”这个概念，而且“惯性力”也不是力。

很多人可能会因此纠结：既然惯性不是力，为什么还有“惯性力”？

这种纠结没有任何水平，因为：

• 蜗牛不是牛，没有蜗牛吗？
• 壁虎不是虎，没有壁虎吗？
• 河马不是马，没有河马吗？
• ……
  

“惯性力”不是力，就不能有“惯性力”？

惯性力有各种形式：离心力、科里奥利力、……

值得注意的是：在非惯性系中，才有惯性力。

关键在于运动是相对的，如果物体不受力，会相对于惯性系做匀速直线运动。相对于非惯性系不会做匀速直线运动，就像在惯性系中受力的物体一样。

惯性力其实就是：惯性在非惯性系中的特殊称呼。

电压与电流问题

从发电厂送到家里的电压也才220伏，但你随便穿个毛衣就能产生上千伏的电压。

这是一些数据：

• 在地毯上走动，可产生1500~35000伏的静电。
• 在乙烯树酯地板上走动，可产生250～12000伏的静电。
• 脱化纤衣服时，静电电压可高达数万伏。
  

那么问题来了：

220伏的家用电，不小心触电就有生命危险。

但在生活中，随随便便就能产生上万伏的电压，为什么反而没有生命危险？

如果你说：危不危险，要看电流，而不是电压。

但是根据欧姆定律，人体的电阻就那么大，电压大了，电流怎么会小？

关键在于电压分为两种：

• 空载电压，电源不带负载时的电压，是开路的情况下测的电压。
• 负载电压，电源带负载时，负载上的电压。
  

不管是220伏的家用电，还是生活中产生的上万伏的静电，说的电压都是空载电压。

而人触电之后有没有生命危险，要看人体接入电路后的负载电压。

• 220伏的家用电，负载电压基本也是220伏，所以很危险。
• 生活中产生的上万伏的静电，负载电压非常小，所以顶多只能让人麻一下。
  

电源的内阻越大，负载电压和空载电压的差距就越大。生活中静电的高电压，都是以高内阻为代价换取的。

电磁波问题

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，电场和磁场交替产生，形成电磁波。

很多人应该都听过上面这句话，那么问题来了：

电磁波，是不是电场和磁场的能量在相互转化？

如果变化的磁场产生电场，那么根据能量守恒，产生的电场的能量应该源于变化的磁场的能量，应该是电场和磁场的能量在相互转化。

这样看来，电场和磁场的强度应该是此消彼长。

但是，电磁波的图示为什么是下面这样：

上面的图没有画错，电磁波的电场和磁场的强度确实是同增同减。

一些熟悉麦克斯韦方程组的人可能会说：

那张图就是画错了！

因为在麦克斯韦方程组里面，电场正比于磁场的变化率，磁场也正比于电场的变化率，电场和磁场的强度不可能是“同增同减”。

我不止一次见到上面的言论，他最大的问题是：根本就没有认真看一看麦克斯韦方程组。

在麦克斯韦方程组里面，真正的内容是：

• 电场的旋度正比于磁场的变化率。
• 磁场的旋度正比于电场的变化率。
  

仅看上面这两条信息，也能判断出：电场和磁场的强度是同增同减。

上面那个问题的答案已经显而易见，电磁波不是电场和磁场的能量相互转化。

相应的，电磁波也不是电场和磁场交替产生的过程。

电磁波是电磁扰动的传播，是麦克斯韦方程组的行波解。是场源（电荷）的运动干扰了电磁场，让电磁场的强度在空间中重新分配的过程。

至于电场和磁场的能量相互转化，这种现象是电磁振荡，是麦克斯韦方程组的驻波解。

电磁场与相对论问题

磁场是电场的相对论效应吗？

很多人都知道：狭义相对论也叫“动体的电动力学”，电动力学（电磁学）原本就满足狭义相对论。

一些人会把电动力学（电磁学）和狭义相对论过度联系，他们觉得：

只有静电场是真实存在的场，磁场只是静电场在不同参考系中的表现，就像“钟慢尺缩”这些现象一样。

上面这种观点被简称为：磁场是电场的相对论效应。

那么，你同意吗？

磁场是电场的相对论效应，其实违背了狭义相对论。

你没有看错，具体来说，它违背了相对性原理：没有任何一个参考系比其它参考系更特殊。

只存在静电场的参考系，并不比同时存在电场和磁场的参考系更“基本”。自然不能说：只有静电场是真实存在的场。

另外，电磁感应定律会用到有旋度的涡旋电场，这可不是静电场。

如果只承认静电场，确实可以用洛伦兹变换得到磁场，但却得不到涡旋电场，更无法得到电磁感应定律。

真正按相对论的视角来看，电场和磁场都是统一的电磁场的“一体两面”，不存在电场和磁场谁更“基本”的问题。

写在最后

上面这些话题，都是笔者曾写的问答题材作品。

不知道什么原因，那些作品好像无法显示了，所以笔者决定在此重新整理一遍。

不知道大家过了几关？

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本文原创作者为：认知皆模型。

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