科学 物理
2025-01-24
工业革命之前，世界是漆黑的，灯光极其昂贵，火是唯一的人造光源。
历史上，人造光一直是富人和有权势的人的特权，生产和维护既费力又肮脏，可用性和质量都很差。穷人很难获得人造光，总是生活在黑暗中。
古代房屋在夜晚有蜡烛照明，是巨大财富的标志。当时，蜂蜡制成的优质蜡烛是最好的光源，但天然蜂蜡的供应有限，加上手工制作的繁琐，除了最富有的人之外，其他人都买不到优质蜡烛。
一位作家写道："打开你的冰箱门，你召唤出的光线比 18 世纪大多数家庭所享受的光线总量还要多。"
后来人们发现，鲸油（鲸鱼的皮下脂肪）是更好的蜡烛材料，燃烧时发出干净、稳定的光，是工业革命早期了最好的照明，但它也非常昂贵。
捕鲸业为世界带来了照明，但也将一些鲸鱼物种推向了灭绝的边缘。仅在 1700 年至 1800 年间，为了得到鲸油，就至少有 300,000 头鲸鱼被屠杀。
1800 年代初，欧洲和美国出现了燃气照明，燃烧煤气来发光。然而，燃气照明的安装和维护费用昂贵，而且有危险。所以，煤气灯一般不用在家里，而用在工商业和大城市的路灯。
煤气灯很亮，比之前的任何灯至少亮 20 倍。使用燃气照明是人类第一次体验明亮的照明。
1846 年，天然气生产的副产品煤焦油（简称煤油）做成灯，用来照明。煤油开始取代鲸油，导致照明成本直线下降，并且燃烧时明亮、无味。
正是因为煤油，夜间第一次变得明亮了，天黑后也能生产和娱乐。
19 世纪后半期，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）发明了电灯，电照明的时代从此来临。
历史 科学
2024-07-26
王贞仪（1768 年—1797 年），字德卿，女，原籍安徽天长，生于江苏南京，清朝天文学家。王贞仪通过艰苦努力自学天文学，数学，地理和医学等科目，突破了当时的封建习俗对女性权利的阻碍。她是一位非常聪明的女性，因其在天文学，数学和诗歌方面的贡献而闻名。她也是一位广受赞誉的学者，是“18 世纪中国的一位非凡女性”。
科学 阮一峰
2023-03-17
风力发电正在全世界如火如荼地发展。
但是，风力发电有一个前提，就是必须有源源不断的风。那么，风可能出现静止吗？
事实上，2021年的夏秋之际，欧洲大部分地区就发生了"风旱"。许多地方的风速比年平均水平至少慢了约15%，英国出现了60年来风力最小的时期。
前年9月，风电发电还占英国发电量的18%，但到了去年9月，这一比例骤降至2%。为了弥补能源缺口，英国被迫重启了两座封存的煤电厂。
一项研究表明，全世界的风速正在下降，从1978年到2010年，风速每十年下降2.3%。不过，2010年到2019 年又有所反弹。从每小时7英里增加到7.4英里。
尽管如此，科学家还是认为，未来的风速将不断放缓，到2100年全球平均风速可能下降多达10%。
其中的原因，涉及到了一个根本的问题：为什么地球上有风？
地球出现风带，主要原因是温度不均匀：两极很冷，热带很暖。这种温差导致了空气流动，从而产生了风。
但是由于全球变暖，两极与热带的温差正在减小，这是因为两极（尤其是北极）的变暖速度比热带地区快。
另一个风速变小的原因，可能是"地球表面粗糙度"的增加。世界各地的城市建筑的数量和规模正在增加，这阻挡了风的流动。
风速变小会产生严重后果，不仅仅影响到风力发电。
（1）强风可以缓解城市污染，用新鲜空气代替停滞的空气。
（2）较慢的风会让热浪难以缓解。
（3）慢风也使飞机更难起飞，因为飞行员依靠逆风升空。希腊的一个机场，由于逆风减缓和气温上升，空客320在过去30年中，最大起飞重量减少了4吨。
科学
2021-12-05
科学 物理 交流电 直流电 电力 阮一峰
2021-10-30
交流电为什么获胜？
19世纪末，人类开始使用电力。当时有两派，一派主张直流电，另一派主张交流电。
最后，交流电获胜，主要原因是交流电长途传输的效率更高，直流电做不到长途传输。
当时，交流电已经可以做到高电压，但是直流电的电压一直做不上去。这导致大功率传输时，直流电就会产生很大的电流（因为 电压 * 电流 = 功率）。另一方面，电流通过导体产生的热量，与电流的平方成正比。这意味着，直流电的长距离传输会因为电流较大，而产生很大的热量损耗。交流电由于电压可以做得很高，就没有这个问题。
所以，高电压是长距离电力传输的关键，这就是交流电获胜的根本原因。直流电直到1960年代才有办法做到高电压，但是已经太晚了。目前，直流电的应用都局限在低压短距离的使用，传输距离往往在几米之内，最长不超过1公里。
两个新趋势
但是，最近出现的两个趋势，导致人们重新对直流电发生了兴趣。
第一个趋势是太阳能发电的兴起，使得发电变成了分布式，而不是集中式。哪里需要能源，哪里就放置太阳能板，这种场景下不需要长距离电力传输。此外，太阳能发电产生的是直流电，电池释放的也是直流电。
第二个趋势是越来越多的电器内部使用直流电，比如所有电子设备（包括计算机和手机）、固态照明 （LED）、平板电视、微波炉等等。专家预计，未来20年内，多达50%的家庭负载消耗的是直流电。
电流转换的损失
如果家庭使用的是太阳能发电，就要进行两次电流转换。
首先，光伏板的直流电通过逆变器转换为交流电，传输进入家庭。然后，交流电再次通过逆变器转换为直流电，才能被电脑、LED 和微波炉等直流设备使用。每一次电流转换，都会发生能量损失，最严重情况下，会损失掉20%~30%。
如果带有光伏板的建筑直接采用直流供电，就可以避免这种电流转换损失。
直流供电的好处
首先，一旦直流供电，就没有了电流转换的能量损耗，所需的光伏板变少了，存储能量的电池系统也可以变小。
其次，逆变器是一种昂贵的设备，而且寿命短于光伏板。不使用逆变器，可以节省不少钱。
再次，目前的很多直流电气设备，内部带有交流电到直流电的转换，去掉这个部分，可以使这些设备更简单、更便宜、更可靠、能耗更低。
最后，直流电的电压低。很多直流电器不超过24伏，没有电击或火灾危险，使得电工可以使用相对简单的接线，无需接地，也无需担心触电。这进一步节省了成本。
直流供电的缺点
低压直流电的最大问题是无法长距离传输。
前面说过，能量损失等于电流的平方乘以电阻。一根普通的铜线，在10米的距离内以12V的电压传输，100瓦的功率对应的电流是8.33A，会产生3%的能量损失，这可以接受。但是，电线长度为 50 米时，能量损失变为16%，长度为 100 米时，能量损失增加到了32%。这足以抵消直流电的效率优势。
由于线路损耗很高，大功率电器也很难使用直流电。如果在12V直流电网上运行 1,000 瓦的微波炉，在电线长度仅为1米的情况下，能量损失高达16%，在电缆长度为3米的情况下，能量损失会增加到47%。
所以，低压直流电网不适用于洗衣机、洗碗机、吸尘器、电饭锅、电烤箱或热水锅炉等大功率电力设备。另外，有些电器（比如冰箱）本身的功率比微波炉小，但是它每天 24 小时运行，长时间下来也会导致巨大的线路损耗。
同样的，线路损耗也限制了多台低功率设备使用同一根供电线缆。如果一根12V的电缆长度为 12 米，并且我们希望将线路损耗保持在10%以下，那么所有电器的总功率将限制在大约150瓦。这意味着，这根线路只能同时使用两台笔记本电脑（每台 20 瓦的功率）、一台直流电冰箱（45 瓦）、五个8瓦的 LED 灯（总共 40 瓦），还留下25瓦可以支持其它较小的设备。
解决方案
有几种方法可以避免低压直流电的线路损耗。
第一种方法是尽量减少配电电缆长度。比如，厨房、客厅、卧室这些用电最多的地方，尽量搬到屋顶光伏板的下方，减少电缆长度。
第二种方法是每一个或两个房间，设置一个独立的太阳能发电系统。
第三种方法是选择更高的电压：24V 或 48V 而不是 12V。但是，目前市场上的大多数低压直流电器都在12V下运行，而且更高的电压（高于24V）消除了直流系统的安全优势。美国有很多数据中心、办公室、住宅建筑使用的直流电系统升压到了 380V，这就需要跟 110V 或 220V 交流电一样严格的安全措施了。
第四种方法是使用两套供电系统，同时供应交流电和直流电。低功率设备使用直流电网，比如 LED 灯（< 10 瓦）、笔记本电脑（< 20 瓦）、电视（30-90 瓦）和冰箱（<50 瓦），大功率设备使用单独的交流电网。但是这样做，直流电带来的节能和成本降低效益，就微乎其微了，很容易被抵消。
科学 物理
2019-11-03
光、电、磁三者好像完全没有关系。但是近代的一些科学研究表明它们其实是一种东西 —— 电磁波。
1873 年，42 岁的麦克斯韦出版了《论电和磁》，预言了电磁波的存在，同时认为光是电磁波的一种。
PS: 1879 年，48 岁的麦克斯韦因病去世，同年，爱因斯坦诞生。
1905 年，奇迹之年，最著名的“民科” —— 26 岁的专利局职员爱因斯坦发表了一篇论文《On the Electrodynamics of Moving Bodies》，中文翻译为“论动体的电动力学”。论文中指出，电和磁是在不同参考系中观察到的同一种现象。
最后，科学家发现 光、电、磁 的本质，和微观粒子，和量子力学有很大的关系。
我敢说，对于 光、电、磁 三者本质的认知，目前，最顶尖的科学家也不敢打包票。
什么是光？
我们所说的光，又称之为可见光，与紫外线、红外线、X 光等区分开。
实质上来讲，可见光只是电磁波谱上一小段频谱，我们的肉眼对这一段比较敏感而已。
PS: 不同动物对不同频段的电磁波敏感度不同，所以其他动物（比如昆虫）看到的世界和我们很大有很大差异。
高中物理就告诉我们：
- 光是一种电磁波，波长在 500nm 左右。
- 光是由光子组成的粒子流。
- 光同时具有波的特性、粒子的特性，这叫做波粒二象性。
电和磁
我们初中就开始学习电，老师教我们，电是由于电子运动产生的物理现象。通过施加电压，电子就会沿着电场运动。
磁则来自磁铁，或者电流。
电磁波
电磁波是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。
- 电场和磁场相互垂直，同生同灭。
- 电场和磁场同相振荡。
- 电磁波可以传输能量和动量。
左手定律，右手定律，相信很多朋友记忆深刻。
电磁波的频率
频率由低到高（波长由长到短）：
- 无线电波: 300GHz 1mm ~ 3KHz 100km
- 微波: 300MHz ~ 300GHz 1m
- 我们的微波炉 2.45GHz。
- 红外线 760nm ~ 1000nm (1mm)
- 可见光 380nm ~ 780nm
- 紫外线 10nm ~ 400nm
- X 射线 0.01nm ~ 10nm
- 伽马射线（γ射线）: 小于 0.01nm
- 用于医疗：放射治疗（放疗）、伽马刀
- 超新星爆发
为什么光能透过空气、水、玻璃，不能透过墙壁？
参考资料与拓展阅读
科学
2017-01-12
国际单位制
基本单位
| 类型 |
名称 |
符号 |
定义 |
| 时间 t |
秒 |
s |
铯-133 原子 在基态下的两个超精细能级之间跃迁
所对应辐射的 9192631770 个周期的时间 |
| 长度 L |
米 |
m |
真空中，光一秒行程的 $\frac{1}{299792458}$ |
| 质量 m |
克 |
g |
|
| 电流 I |
毫安 |
A |
|
| 热力学温度 T |
开尔文 |
K |
|
| 物质的量 n(v) |
摩尔 |
mol |
|
| 发光强度 l(lv) |
坎德拉 |
cd |
|
国际单位制词头
| 词头 |
符号 |
中文 |
系数 |
| yotta |
Y |
尧(它) |
$10^{24}$ |
| zetta |
Z |
泽(它) |
$10^{21}$ |
| exa |
E |
艾(可萨) |
$10^{18}$ |
| peta |
P |
拍(它) |
$10^{15}$ |
| tera |
T |
太(拉) |
$10^{12}$ |
| giga |
G |
吉(咖) |
$10^{9}$ |
| mega |
M |
兆 |
$10^{6}$ |
| kilo |
k |
千 |
$10^{3}$ |
| hecto |
h |
百 |
$10^{2}$ |
| daca |
da |
十 |
$10^{1}$ |
| deci |
d |
分 |
$10^{-1}$ |
| centi |
c |
厘 |
$10^{-2}$ |
| milli |
m |
毫 |
$10^{-3}$ |
| micro |
μ, u |
微 |
$10^{-6}$ |
| nano |
n |
纳(诺) |
$10^{-9}$ |
| pico |
p |
皮(可) |
$10^{-12}$ |
| femto |
f |
飞(母托) |
$10^{-15}$ |
| atto |
a |
阿(托) |
$10^{-18}$ |
| zepto |
z |
仄(普托) ze4 |
$10^{-21}$ |
| yocto |
y |
幺(科托) |
$10^{-24}$ |
时间单位
- 天 d day
- 小时 h hour
- 分 m minute
- 秒 s second
- 毫秒 ms millisecond
- 微妙 us microsecond
- 纳秒 ns nanosecond
长度单位
长度的基本单位是米，标准是光在真空中 $1 / 299792458$ 秒内运动的距离。
市制
毫厘分寸尺丈
依据民国 18 年（1929 年）《度量衡法》。
1959 年《统一公制计量单位中文名称方案》基本沿用《度量衡法》，只是单位前面加一个 市 字，另外没有列出引、毫。
1 米 = 3 尺
10 米 = 3 丈
1 公里 = 2 里
1 里 = 15 引 = 150 丈 = 500 米
1 引 = 10 丈 = 33.333 米
1 丈 = 10 尺 = 3.333 米
1 尺 = 10 寸 = 0.333 米
1 寸 = 10 分 = 0.333 分米
1 分 = 10 厘 = 0.333 厘米
1 厘 = 10 毫 = 0.333 毫米
1 毫 = 0.033 微米 = 33.333 微米
天文单位
我知道的四个不属于国际单位制的天文学常用单位：
- 光秒, Light Second, ls,
299792458 m, 约等于 30 万公里
PS: 换算成公制单位，1 ls ≈ 0.3 Gm (吉米)
- 光年, Light Year, ly, 大约等于 $9.46 × 10^{18}$ km (9.46 千亿公里)
$$
365.25 × 86400 = 31557600 \
× 299792458 = 9460730472580800
$$
-
天文单位, Astronomical Unit, au, 日地平均距离（地球和太阳之间距离的平均值）
2012 年国际天文学大会 IAU 将其固定为 149,597,870,700 m, 也就是 1 AU ≈ 1.5 亿公里 ($10^{9}$)。
PS: 换算成公制单位，1 au ≈ 149.6 Gm (吉米)
PS: 1 au ≈ 499 ls，也就说光从太阳到地球大概需要 499 秒左右（8 分多钟）。
PS: 作为参考: 月地距离 $3.844 × 10^{5}$ km 约等于 2.57 ‰ au; 太阳半径 $6.955 × 10^{5}$ km 约等于 4.65 ‰ au (太阳半径 = 1.81 月地距离)
-
秒差距, Parsec, pc, 通过时差来表示天文距离
如果地球和太阳的连线，地球和另一个天体的连线，成 89 度角，那么太阳和这个天体之间的距离为 1 pc
PS: 视察越大距离越近，视察越小距离越远
示例图（非等比例绘制）：
根据三角函数的计算，
$$
1 pc = \frac {1 au} {tan 1}
= \frac {1 au} {\frac {1} {360} × \frac {π} {180}}
= \frac {648000} {π} au
$$
约等于 206265 au, 或者 3.26 ly，或者 $3 × 10^{13}$ km (三万亿公里)。
英制
暂无更多信息。
面积单位
平方十米 $dam^{2}$, 平方百米 $hm^{2}$, 平方千米 $km^{2}$ ...
平方米 $m^{2}$，平方分米 $dm^{2}$，平方厘米 $cm^{2}$ ...
市制
毫厘分亩顷
1 顷 = 100 亩 = 600000 平方尺 = 66666.666 平方米
1 亩 = 10 分 = 6000 平方尺 = 666.666 平方米
1 分 = 10 厘 = 600 平方尺 = 66.666 平方米
1 厘 = 10 毫 = 60 平方尺 = 6.666 平方米
1 毫 = 6 平方尺 = 0.666 平方米
公顷
1 平方米 = 9 平方尺
1 公顷 = 15 亩
= 90000 平方尺
= 10000 平方米
1 平方尺 = 100 平方寸
= 1/9 平方米
英制
暂无更多信息。
体积单位
立方厘米，立方米...
不属于国际单位制的体积单位是：
- 升, liter, L, $\frac {1} {1000} m^3$
市制
重量单位
物理学上，叫做质量。
- 吨 = 1000 kg
- 千克，公斤，kilogram
- 克，gram
市制
1 担 = 100 斤 = 50 公斤
1 斤 = 10 两 = 0.5 公斤
1 两 = 10 钱
1 钱 = 10 分
1 分 = 10 厘
PS: 29 年的《度量衡法》中 1 斤 = 16 两，而 59 年的《统一公制计量单位中文名称方案》则是 1 斤 = 10 两。
英制
暂无更多信息。
信息计量单位
这里需要特别说明的是国际单位制是十进制的，而 IT 界一般遵循二进制的计量方式（IEC 60027-2）。
| 单位 |
符号 |
说明 |
近似 IEC 单位 |
符号 |
说明 |
| byte |
B |
$10^{0}$bytes |
byte |
B |
$2^{0}$bytes |
| kilobyte |
KB |
$10^{3}$bytes |
kibibyte |
KiB |
$2^{10}$bytes |
| megabyte |
MB |
$10^{6}$bytes |
mebibyte |
MiB |
$2^{20}$bytes |
| gigabyte |
GB |
$10^{9}$bytes |
gibibyte |
GiB |
$2^{30}$bytes |
| terabyte |
TB |
$10^{12}$bytes |
tebibyte |
TiB |
$2^{40}$bytes |
| petabyte |
PB |
$10^{15}$bytes |
pebibyte |
PiB |
$2^{50}$bytes |
科学
2016-03-31
ABO 血型系统是根据血小板上的两种抗原——A 抗原和 B 抗原——来区分的：
- A 型血 ：仅携带有 A 抗原
- B 型血 ：仅携带有 B 抗原
- AB 型血 ：同时携带 A 抗原和 B 抗原
- O 型血 ：两种抗原都没有
A 型血的人会消灭 B 抗原，所以不能输 B 型血和 AB 型血，只能输 A 型血和 O 型血；
同理，B 型血的人会消灭 A 抗原，所以不能输 A 型血和 AB 型血，只能输 B 型血和 O 型血；
AB 型血的人自己就两种抗原都有，当然都不消灭，所有血型的血都可以；
相反，O 型血的人两种抗原都没有，哪种都不可接受，所以只能使用 O 型血。
遗传规律表
| No |
父/母 |
父/母 |
子女 |
子女 |
子女 |
子女 |
| 1 |
O |
O |
O |
- |
- |
- |
| 2 |
O |
A |
O |
A |
- |
- |
| 3 |
O |
B |
O |
- |
B |
- |
| 4 |
O |
AB |
- |
A |
B |
- |
| 5 |
A |
A |
O |
A |
- |
- |
| 6 |
A |
B |
O |
A |
B |
AB |
| 7 |
A |
AB |
- |
A |
B |
AB |
| 8 |
B |
B |
O |
- |
B |
- |
| 9 |
B |
AB |
- |
A |
B |
AB |
| 10 |
AB |
AB |
- |
A |
B |
AB |
-
一共 10 种组合：
-
生 O 型血子女的组合有 6 种
- 生 A 型血子女的组合有 7 种
- 生 B 型血子女的组合有 7 种
-
生 AB 型血子女的组合有 4 种
-
AB 型血父母不能生 O 型血子女
- O 型血父母不能生 AB 型血子女