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第10届BNU实验科学锦标赛题目发布(上)
2018-09-12
陈清华、周锡饮

1)共振效应的演示

物理学中的共振

1、秋千是共振的一个最简单的例子。另外一个人来推动秋千或者荡秋千的人都可以通过共振将秋千荡起的时候(这张图片表示荡秋千者靠自己的力量使得秋千共振)。

2、一个网站提出的声学共振实验,它真的能实现吗?

 

在网络上可以看到许多证明共振效应的实验,它们中的一些不需要任何技术设备,例如一个人的声音有可能通过共振震碎玻璃杯[1]

然而,绝大多数影像资料都不能够从这个意义上来解释这种现象,因为他们不能说明激发频率等于自由振动模式的频率(固有频率),比如说,在玻璃震碎实验中,我们并不知道玻璃杯的固有振动频率。

对于当前的项目,建议你能够通过实现2个或者3个共振实验来说明从最简单的情况(一维的)到更复杂的情况的进展过程(二维的或三维的)。

你需要是在社交网络上发布一个视频(中英两种版本),视频的目的是能够清晰直观地向那些不怎么了解的物理的人解释什么是共振。

广义形式的共振

共振效应的准则的基本核心如下所示:

假设系统S单独作用时会表现出行为Z。如果它受到行为A,B,C…的刺激,基本不会作出回应。相反,如果有行为Z的刺激它就会表现出相同行为,特别当摩擦很小时表现等更加明显。下述我们给两个例子有祝大家理解。

 

l  考虑到那一群法国人想要欢迎名为戴高乐的总统,如果放任不管,他们可能不同步的方式单独喊出这个名字,现在,假设有一个人通过扩音器试图让大家喊出曼德斯或者密特朗(或者法国其他的前政治领导人的名字),没有人会遵从。相反,如果扩音器发出戴高乐,绝大多数人会加入,这次很可能发生同步。总之,这也是一种共振效应,当然,这只是一种思维实验,我们需要检查一个真实系统是否像这样。

这个例子中与在振动共振中起到重要作用的是类似于摩擦和质量因子的概念是什么呢?群体的同质性作为一个参量起到了类似的作用。假设人群中只有50%的群众是总统真正的支持者,而其他人则是出于纯粹的好奇心,比如说他们可能只是漠不关心的外国游客,显然,P的值越接近100%,共振的强度也越大。

 

l  考虑一个乍看起来像共振效应但实际上并不是的例子可能会有帮助。考虑一个放热的化学反应,例如,,正如大多数化学反应一样,我们用表示这个反应的活化能,这意味着只有当碳和氧气时,除了少量的氧原子可能通过隧道效应跨越潜在的障碍,其他的都不能与碳原子发生碰撞,然而,能量的输入(比如以燃烧的形式),将会使大量的氧原子与碳原子发生碰撞,产生化学反应并迅速传播。

为什么在上述的定义中,它并不是真正的共振效应呢?因为这个输入并不是明确需要碳的燃烧,任何高温作用下它都会发生反应。在这种情况下,系统不需要被驱动,它只需要被启动,这是一个亚稳态平衡的例子。

 

下列给出第3个例子,由你判断它是否是共振效应。

l  人们的集体记忆是对过去事件的回忆,比如说当群体A想要表达对另一个国家M的不满时,它可以采取以下几种形式的行为:1、洗劫M国大使馆(如1957.5.25发生在台湾的事件)2、抵制M国生产的商品(1925.5.30时间之后中国抵制英国的商品)3、报复现在在A国的M国公民。如果一个新的呼吁并不属于A国想干的,很难获得追随者。相反,呼吁进行过去经常进行的行为将会得到许多追随者,这是一种共振现象吗?

 

如果你能提供一个实际的广义共振的例子那就太好了。

 


2 工业战

从单个案例(华为)到一组相似的案例

你们中的大多数人可能听说中国电信巨头华为不允许在美国销售其手机[2]。而同样,苹果(或微软)在中国的销售可能将因国家安全问题而被禁止。

我们不能只关注这一个案例,因为事实上还有许多其他类似的案例,即外国公司销售的产品,其销售要么受到美国政府、媒体的阻碍,要么(通常)同时受到这两者的阻碍。下表列出了一些案例。

工业战:美国针对外国竞争者的裁决和媒体宣传

 


产品

国家

公司/品牌

1

1973

超音速客机(2马赫)

法国,英国

协和式飞机

2

1982

汽车

德国

奥迪

3

1990

矿泉水

法国

巴黎水

4

2010

汽车

日本

丰田

5

2015

汽车

德国

大众汽车

6

2016

手机

南韩

三星

7

2018

手机

中国

华为

注:案例1可能是对美国统治地位最严重的挑战。协和式飞机第一次以2马赫飞行是在1969114日。美国联邦航空管理局(FAA)1970年(临时裁决)和19733月决定限制飞越美国上空的超音速飞机,并且这项限制在2018年仍然有效。奥迪是大众汽车的奢侈品牌。

资料来源:1: 纽约时报(1978.1.11). 3: 纽约时报(1990.2.10). 4:

https://hbr.org/2011/02/toyotas-recall-crisis-full-of.

 

协和式飞机的挑战

在表格列出的案例中,协和式飞机可能是对美国技术优势的最严重挑战。为什么?

l  尽管这一事实很少被提及,但协和式飞机与美国的超音速客机项目之间存在竞争。由波音公司领导的这个项目(简称波音2707)始于1966年,但在1971年联邦补贴减少后这个项目被停止。

l  协和式飞机不仅是一个潜在的商业竞争对手,它还代表着一种声望的挑战。于是该项目被阻扰,真实理由被有关噪音和音爆的技术争论所掩盖。而美国媒体也发起了一场聚焦于这些问题的广泛的运动。所以,当19733美国联邦航空管理局(FAA)禁止民用超音速飞机飞越美国上空,没有人感到惊讶。根据这一决定,大多数订购了协和式飞机的航空公司(约有70个订单)取消了订单。

值得注意的是,这距离197311月由于埃及-叙利亚和以色列之间爆发赎罪日战争所导致的石油危机还有6个月。更重要的是,1985年油价几乎回到了危机前的水平。因此,说协和式飞机被石油危机杀死是不正确的;事实上,它是被美国联邦航空管理局(FAA)杀死的。

老实说,必须补充说一下,协和式飞机还有一个问题出现了,那就是技术维护的费用比预期的要高(但这和美国航天飞机的问题是一样的)。然而,这个问题只是在一段时间后才出现,并不能解释早在1973年就取消了订单的原因。

l  1973年之后的三十年,这一场景重演,这次是世界上最大的客机空中客车A380。由于美国公司无法通过特定法规禁止它进入美国,因此美国公司对此进行了默许抵制。截至20185月交付的230架飞机被出售给了除美国航空公司以外的所有主要世界航空公司,而美国航空公司一架都没有买。

l 

研究目标

主要目的是分析这类事件的作用机制。前面的例子表明这类事件总包含有三个要素:1、初看起来合理的技术理由;2、美国媒体对技术理由的不合理放大;3、美国政府的干预。这些要素的权重和时机可能会改变,但它们几乎总是以这样或那样的形式出现。


3)从贸易数据看中国外交关系

 

在我们关注中国的案例之前,应该先问一个问题:对于国家AB的贸易和外交关系之间是否存在广泛的关联?给一个例子,在伊朗与美国的案例中就确实存在一个很强的联系:在1979年伊朗革命之前两国存在大量的贸易,但经过此次事件后两国间的贸易与官方外交关系都被中断了。

1:美国对日本和中国的出口额。美国对中国的出口额在1947年开始下降,当共产党的胜利可能性越来越大时,出口额下降得更快。随后在19506月份开始的朝鲜战争期间,出口额跌至零。然而在朝鲜战争结束后,贸易禁运至少持续到了1972年。请注意,这些数据可能不包括美国在1942年至1945年间向中国出口的军方物资和在1946年至1949年间为国民党提供的军事援助。来源:1975年“Historical Statistics of the United States”,第903页。

 

然而,图1中关于日本-美国的案例告诉我们,有时贸易和外交关系的联系很弱。我们可以看到直到在194112月战争开始前一年,美国对日本的出口额一直保持高位。因此,在研究该课题标题中提出的问题之前,我们必须进行审查在什么情况下贸易确实反映了对外关系的现状。

1表明,在中国和美国案例中,直到1970年前的贸易都很好地反映了对外关系的现状。看看1970年到2018年之间是否存在类似的联系将会很有意思。

可以对中国的其他贸易伙伴进行类似的调查:(i)苏联和俄罗斯(ii)韩国(iii)印度(iv)巴基斯坦(v)越南。

请注意,贸易统计的一个很好的特点是贸易双方都记录了进出口数据。通过汇率,可以检查每一方发布的数据是否和其他国家发布的数据相互一致。

 


(4)社会因素是否会影响致受孕?

最近显示(Herteliu等,20152018),在西方国家,结婚率和受孕率在复活节前几周显著下降。原因是在基督教中这个时期(被称为大斋节)是一个悔改和禁欲的时期。

中国是否也有类似的现象?也就是说在一些时期由于社会因素,结婚率和受孕率会升高或降低?

对于此类调查,你需要婚姻和分娩的月度数据。因此,在选择这个话题之前,请确保所需数据是可得的。

比如,人们很想知道在春节或黄金周,是否会有结婚率和受孕率的变化。除去这些事件以外,也许可以关注在其他重要的时刻,例如与佛教或黄历或者他传统有关的时刻。

由于中国是一个人口众多的国家,因此这个调查不仅可以在国家层次实施,也可以在不同的省份进行。在一些省份,可能存在对结婚和受孕有影响的当地传统。

 

参考文献

Herteliu (C.), Ileanu (B.V.), Ausloos (M.), Rotundo (G.) 2015: Effect of religious rules on time of conception in Romania from 1905 to 2001. Human Reproduction 30,9,2202-2214.

Herteliu (C.), Richmond (P.), Roehner (B.) 2018: Deciphering the fluctuations of high frequency birth rates. Physica A 509,1046-1061.



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