Q1

硬币可以被磁铁吸引，那硬币的主要材质是铁吗，为什么不会生锈？

by 小灰

答：

题主的猜测没错，我国现行的第五套人民币硬币材质主要是铁[1]。但是，需要强调的是，能被磁铁吸引的材料主要材质不一定是铁，还可能是钴（Co）、镍（Ni）等元素。

生锈是一种氧化反应，主要发生在含铁金属的表面。那为啥硬币不会生锈严重呢？这也是由其材质所决定的。对于一角硬币，其主要材质是不锈钢[1]---一种铬含量在10.5%以上的铁合金。铬元素暴露在空气中后，会在不锈钢表面形成一层致密的氧化物保护层，防止进一步的氧化，因而不锈钢硬币不易生锈。

而对于五角硬币和一元硬币，其主要材质是钢芯镀镍[1]。钢芯提供了硬币所需的强度和重量，而外层的镍镀层则起到了关键的保护作用。镍本身是一种抗腐蚀能力强的金属，镍镀层能够有效地隔绝空气和水分与内部钢芯的接触，从而防止生锈。

参考资料：

1. 人民币硬币_百度百科

by 鱼非我

Q.E.D.

Q2

人造航空器在宇宙空间中，是如何自我定位的？

by 匿名

答：

在地球上可以用美国的GPS、中国北斗、俄罗斯的GLONASS这样的卫星星座来进行全球的定位和导航，包括火箭发射也可以用这些系统进行纠正路线。当到了地球以外的空间，可能就需要中继卫星和深空站点完成相应的功能，嫦娥四号探测器在着陆月球背面主要通过“鹊桥号”中继卫星，美国奥西里斯等小行星采集探测器就会借助NASA的深空网络站点来进行导航和通信，类似的还有恒星导航、惯性导航、光学导航、地标导航等多种手段。除了这些还可以通过太空望远镜、恒星指南针来观察星座和恒星的位置来确定自己的方位和飞行方向。

卫星上装有陀螺仪和加速度计，来测量加速度和角速度最终算出位置，更有无线电测距、射频测距等多种辅助手段。目前也有探测器利用先进的激光技术在太空中导航定位和通信。

日本“隼鸟二号”作为最成功的小行星探测器，他的成功除了自身优秀的探测器设计，还依赖于美国的两大技术支持，激光高度计、中性质子和重粒子探测仪，前者利用激光测量飞行器与小行星之间的距离和速度，实现对位置和速度的精确测量。后者让其获得了龙宫小行星上的信息，来选择最优的采集样本的位置。最后返回的时候NASA提供追踪技术支持。我国天问一号也在之后拿下了最新的世界航天奖的年度大奖。凭借着没有深空站点支持，采用自主导航和星载测控技术，配合内部惯性导航和星载光学导航系统，实现自主计算、调整路线的功能。

再举一个例子，NASA的深空网络（DNS），是一个巨大的无线电天线阵列定位系统，分布在美国的加州、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。有了这三个主要站点，NASA就可以与太阳系内任何探测器进行通讯。当地球自转时，一个天线的接收范围消失，则另一个天线仍能接收信号。当信号到达探测器时，就会发生频率偏移，然后计算机就可以根据这个频率偏移以及信号返回轨道所需的时间，计算出飞船的速度、与探测器之间的距离。通过将距离所构成的圆环与太空中的恒星的静态地图进行比较，天文学家计算出不同的位置和速度，他们做的测量越多，计算就越精确，但是第一步并不能准确找到，因为拥有相同速度的位置可能不止一个。然后他们可以将这些测量结果与太阳系中所有天体的轨道地图进行匹配，寻找到与飞船有相同速度、且距离也相符的轨道，从而以惊人的精确度，得知宇宙飞船的位置。

参考资料：

1. 刘进军.太空指南针——导航卫星(上)[J].卫星与网络,2010(12):58-64.

2. 庞之浩.独特的太空指南针  “北斗”系列导航卫星[J].太空探索,2006(11):18-19.

3. 黄龙华,徐贵凤,张跃林.逐鹿太空的卫星精确定位导航系统[J].国防科技,2005(05):86-88.

4. 【物理航天】宇宙飞船怎么确定在宇宙中的位置，它是如何导航的？

by 蓝多多

Q.E.D.

Q3

液流电池原理是什么，为什么说他更安全？存在小型化日常使用的可能吗？

by 浅暮

答：

近年来基于太阳能和风能的可再生能源的利用大大增加，那么代价是什么呢？光伏发电和风力发电虽然更清洁，然而它们波动性较强，不能直接并入电网，否则会造成电网系统瘫痪。因此为提高可再生能源利用率和电网的安全稳定，就需要一种大型的储能装置，需要具备响应速度快，项目选址灵活的特点，而这就是液流电池被发明的原因。

液流电池是一种基于我们高中化学学习的氧化还原原理的电池，是把电能和化学能相互转化的装置。例如目前技术相对成熟的电池——全钒液流电池，它的储能介质是钒的化合物水溶液，钒有四个价态，通过价态变化储存和放出电子以实现储能。当电池充电时，正四价的钒在不带电的电解液中释放出一个电子变成正五价，电子被集电器捕获从正极端流向负极端，然后被负极电解液中的三价钒结合形成二价钒。当电池放电时，发生以上的逆过程。

之所以说它安全，是指其电池寿命长（如钒化合物电解液的寿命原理上说是半永久性的，电池报废后，电解液依然有价值，可以循环使用），循环稳定性好，正负极都是液态的，减少了固态正负极电池的热失控，另外由于活性物质溶于电解液，电极枝晶生长刺破隔膜的危险在液流电池中大大降低。不过液流电池的能量密度很低，基本上只适合建设大型储能项目，目前小型化方面与锂离子电池相比肯定是不足的。

by opzk

Q.E.D.

Q4

众所周知全球气候变暖导致极地的冰川融化，海平面上升，然而我却记得初中物理老师给我们讲浮力的时候，推导过一个公式并得出结论，冰川融化根本不会导致水平面上升。我已经记不起来老师如何推导了，于是我自己动手算了一下，发现好像真的是这样，但是感觉违背生活常识，又感觉哪里不对劲。难道真的是我们的常识出错了？

by 不想写微积分

答：

根据理论计算，冰川的重量等于与其海平面下方体积相等的海水的重量，但是冰川是淡水，密度比海水略低，融化后水的体积会比冰川时为产生浮力而下沉的体积更大，因此，即便是单纯的冰川融化，确实也会造成海平面上升。除此以外，温度的升高还会导致海水增温膨胀、陆源冰川和极地冰盖融化，这些是海平面升高的主要原因。

by 叹咏调

Q.E.D.

Q5

当戴着开启了降噪模式的耳机刷牙时，刷牙的声音听起来会很大，请问是为什么？

by 匿名

答：

我们听到声音的方式主要有两种：空气传导和骨传导。当降噪耳机开启时，外界的环境噪音被大幅削减，尤其是通过空气传导的声音。这时，我们的听觉系统会更敏感地捕捉其它声音，包括通过骨传导传来的声音。

刷牙时，牙刷与牙齿、牙龈接触而产生的声音主要通过头骨传导到内耳。由于降噪耳机削减了通过空气传导的环境噪音，骨传导的声音变得更加明显和突出。这一现象不仅适用于刷牙，也适用于其他产生骨传导声音的活动。比如说，读者们可以尝试捂住耳朵再咀嚼食物或说话，可以明显感受到这些声音被放大。

by 鱼非我

Q.E.D.

Q6

骑自行车和步行相同距离时，步行只需要把自己的身体移动这段距离，骑车却需要同时移动身体和自行车，身体所做的功想来应该比步行时要多，可为什么骑车要比步行时感觉省力？

by 匿名

答：

人在走路时是消耗自身储存的化学能，如消耗ATP，对地面做功以向前移动，但是这个过程中，人体对支撑自身的消耗是很大的，例如你可以想象自己站在那里一动不动一段时间也是非常累的。就是说走路时消耗自身的化学能的能量有很大一部分用于克服自身重力做功而不是前进。首先，自行车能够省力是车座承担了对人体的支撑作用，站着当然比坐着累多了。

其次，骑车时基本只有腿部在运动，与走路或者需要达到与骑车相近速度的跑步相比，身体的运动程度要小，如骑车时腿部摆动的频率比跑步要低，这是因为自行车通过齿轮结构，例如一些变速车，把走路的步频调整为合适的踏频，就是说，自行车通过一套传动结构，使得你每蹬一下（相当于在自行车上迈一步），有比走路更大的移动距离，扩大了人的步幅，减小了步频。

另外，如果你仔细思考一下骑车时的动作会发现，使得车子前进的动力主要源于脚向下踩脚蹬的做功，另一只脚会随着踏板自然向上，而跑步时自身腾空的耗能却无法回收，此外跑步和走路时平衡自身的手臂摆动等动作也会多余消耗体力，骑车也会，如果你骑过一个前把不好使的共享单车应该会深有体会，但是如果是一个熟练的骑手使用一个正常的车子会省力的多。因此骑车的做功效率会高。还有一点最容易想到的，骑车是滚动摩擦，当然比走路的阻力小。就像你玩滑板，在平路和下坡当然比走路要快且省力，对于上坡，你可以回想一下，骑车不见得比走路要省力，你是不是有上坡下来推车的经历？

而对于提问中的“步行只需要把自己的身体移动这段距离，骑车却需要同时移动身体和自行车”，可以有一个简洁的回答方式:骑车≠推车≠扛着车，提问题的同学是不是忘记自己并不是扛着车走了？

by opzk

Q.E.D.

Q7

鼻子是如何闻到气味的？

by 路过的假面骑士

答：

嗅觉是人体最早形成的感官之一，其重要性或许因为它在我们的生活中过于平常而被忽视。嗅觉不是仅仅在享用美食、感受环境危险时起作用，它与记忆、情感也有着密切关系。

嗅觉是一种非常复杂的感官反应，通过数以百万计的嗅觉神经，我们能够感知和区分各种具有不同结构特性的小分子化合物，即气味分子，即使浓度非常低 （微摩尔甚至纳摩尔浓度范围）。

鼻子能够闻到各种气味是因为在鼻腔内壁有一块大约5平方厘米的黏膜。黏膜中覆盖着被称为嗅觉上皮的组织，其中生长着大量嗅觉感觉神经元并相互连接。气味由挥发性的分子组成，气味分子进入鼻腔黏膜，被嗅觉感觉神经元感知从而激活嗅觉神经细胞，并产生化学信号；这些化学信号触发神经细胞产生电信号，然后通过嗅觉神经传递至位嗅球，再传递至嗅皮层（大脑负责嗅觉处理的皮层区域）。在嗅皮层中，大脑对传入的嗅觉信息进行分析和识别。最终，嗅觉神经信号的处理形成了描述各种气味的语义表征，例如咖啡味、玫瑰味、芒果味，等等。

而我们知道“入芝兰之室，久而不闻其香”，这是因为香气分子持续进入鼻腔时，不断刺激嗅觉神经，嗅觉神经将香气的信号不断传递给大脑皮层后，时间久了，大脑的嗅觉中枢会转入抑制状态，就不会再传达香的信息，即使站在花丛中也不会觉得香了。

近年来，随着测序技术的不断发展，在更多的非嗅觉组织中也发现了嗅觉受体的表达，包括心脏、呼吸道、肾脏、肝脏、肺、皮肤、大脑等部位。这些嗅觉受体在非嗅觉组织中的表达既有普遍性，又有特异性。有研究表明鼻腔外表达的嗅觉受体在特定的组织中具有特定的生物学功能。一些研究发现，嗅觉受体的功能异常与神经系统疾病和肿瘤等疾病的发生和发展有关。解析这些受体在非嗅觉组织中的生理结构，为嗅觉受体结构研究提供了新的方向和挑战，这些嗅觉受体将来也有望成为重要的药物靶标。

我们的嗅觉系统为什么能感受并辨别如此复杂多样的气味？在科学上，目前我们还是不能完整回答这个问题，并且当我们对嗅觉受体结构的研究更多、理解更深的时候，这个问题似乎变得更为复杂了。嗅觉受体如何选择性地对空气中的气味分子做出反应，只是更大的气味难题的一部分，研究人员仍然面临更为复杂的挑战：了解大脑如何将受体传导的电化学信号转化为气味的感知。

参考资料：

1. Billesbølle, C.B., de March, C.A., van der Velden, W.J.C. et al. Structural basis of odorant recognition by a human odorant receptor. Nature 615, 742–749 (2023).

2. Flegel C, Manteniotis S, Osthold S, Hatt H, Gisselmann G (2013) Expression Profile of Ectopic Olfactory Receptors Determined by Deep Sequencing. PLOS ONE 8(2): e55368.

3. 我们为什么能闻到各种气味？一个非常基础但极为复杂的科学问题

by opzk

Q.E.D.

Q8

电脑处理器为什么会发热?

by 你好

答：

目前来说CPU处理器的芯片主要是由晶体管组成，我们这里拿三极管来举例说明，因为它的发热比较明显。三极管是NPN结构，N型与P型是通过掺杂来实现的，我们这里只需要知道，N型半导体的载流子以电子（负电荷）为主，P型半导体的载流子以空穴（正电荷）为主（空穴的概念来自于固体物理，并不是真正的正电荷，这里便于理解所以用正电荷来解释，详细内容查阅基泰尔《固体物理》）。三极管工作是依靠结构内部的电子流动，而电阻就是由于载流子移动过程中与原子碰撞，把动能传递给原子造成的。所以原子接受能量热运动加快，所以温度升高。

by 蓝多多

Q.E.D.

Q9

所有碳氢键的键能都一样吗？

by 匿名

答：

当然不是一样的。只是因为碳氢键都是碳原子和氢原子之间的键能，因此不同的碳氢键基本都在400kJ/mol，但是其键能是与碳原子的电负性有关（电负性是描述原子核吸引电子能力的指标，元素的电负性越大，表示其吸引电子的能力越强），电负性越大，碳氢键越强，键长越短，就是碳原子和氢原子之间的库伦相互作用强，两个原子离得近，键长越短，键能越大。

例如甲烷、乙烯、乙炔中的碳氢键键能就不同。甲烷中都是等价的碳氢单键，乙烯中含有碳碳双键，乙炔中含有碳碳三键。乙烯中原子杂化轨道是sp^2型，从sp^3到sp^2到sp杂化，s轨道的成分逐渐增加，杂化轨道越来越具有s轨道的特征，就是说距离原子核越来越近，即原子核对电子的束缚能力逐渐增强，换言之，就是原子核吸引电子的能力增大。这就是碳碳双键是吸电子基团的原因，相当于碳原子电负性大，乙烯中的碳氢键键能就比甲烷中大，同理，乙炔中碳氢键键能比乙烯中碳氢键键能大。总得来说，可以通过分析诱导效应与共轭效应判断键能的不同。

by opzk

Q.E.D.

Q10

如果想让几百万年后的人类（或其他高等生物）得到我的化石，最好的办法是什么？

by 匿名

答：

希望自己的化石能够被几百万年后的生命发现，这确实是一个非常独特而有趣的想法。为满足题主的心愿，我就分享几个诀窍吧（狗头）。

首先，一定要选择一个合适的埋葬环境。比如说沉积盆地、湖泊底部或者某些干燥洞穴。这些地方通常具有缓慢而连续的沉积作用，可以使遗体逐步被泥砂深埋，从而防止风化和生物腐蚀。

其次，埋葬的时候一定要快。这样可以避免骨骼暴露在空气中，遭受风化和生物入侵。理想情况下，应该在临终前就做好准备并选定埋葬地点，以确保死后能够尽快被掩埋。

最后，考虑石化的作用，不建议使用棺材[1]。石化是指有机体残骸被无机矿物质所取代的过程，这种过程有助于保存化石的细节。如果被棺材包围着，虽然骨架能够被保存完好，但是棺材本身会阻碍矿物质交替的过程。形成坚硬完整的化石往往需要上千年的时间，若想这个过程能够顺利，就需要骨头溶解的速度和矿物质形成的速度大致相等，这样才能很好地保存原来的特征。

参考资料：

1. 想成为化石？有诀窍！

by 鱼非我

Q.E.D.

Q11

手表是怎么实现测心率，测血氧等的？

by 匿名

答：

智能手表之所以具有各种功能，是因为其内置了多种传感器和芯片，它们协同工作，为实现健康监测功能提供了基础。

拿心率检测来说，常见的智能手表是利用心电传感器（ECG）或光电容积传感器（PPG）实现的。人的心脏在进行活动的时候会产生电位变化，俗称心电。ECG通过智能手表搭载的电极片与体表接触，可以捕获到心电的变化，再经过算法还原后便可计算出每分钟心跳的次数。PPG则属于光电测量法，手表背面的LED灯发出绿光射向皮肤，由于血液是红色的，所以会反射红光而吸收绿光。动脉中的血流量会随着心脏收缩、舒张呈现周期性变化，绿光的反射强弱也会随之变化。收缩时，血红素密度高，会吸收较多绿光；舒张时，血红素密度低，反射较多绿光，手表根据反射光的强弱程度就可以计算出心率的大小了。

与心率监测类似，血氧监测也是利用PPG实现的，只不过它用的不是绿光，而是红光和红外光。两种光源以不同的时间间隔交替照射到皮肤上，由于血液中的血红蛋白对这两种光的吸收能力不同，因此手表可以通过测量光的吸收量，计算出血液中血氧饱和度。

参考资料：

1. 智能手表如何实现健康监测？计步、心率、血氧、睡眠监测的原理

by Sid

Q.E.D.

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本期答题团队

Sid、opzk、蓝多多、鱼非我、叹咏调

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