童年迷思：超市门口的防盗检测是怎么做到的呢？| No.174_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-09-27 13:20
原创：中科院物理所
作为一只从小热爱运动的小编，
最喜欢做的事情就是，
逛超市，
畅游之后，
一个字——舒坦！
看着超市门口的防盗栏，
脑海里总有一个疑问：
超市门口的防盗检测是怎么做到的呢？
1
Q
为什么用微波炉加热冰糖块后冰糖块会很好掰？
by Amy Porter
A
我们之前在170期Q3介绍过微波炉的加热原理。微波炉主要利用高频振荡电磁波使食物中的极性分子（液态水和油类）旋转，在不引起分子内部结构改变的前提下达到内能增加以及加热的目的。冰糖是蔗糖经过加水溶解等一系列操作，冷却结晶得到的。冰糖加热后内部的结晶水振动获得能量，使得内部甚至出现蔗糖水，而蔗糖水的粘度很大，散热慢，因此导致冰糖微波加热一会后会很好掰开。
By Aaron Chen
2
Q
饭卡门禁卡等射频卡是怎么工作的？能复制吗？
by 匿名
A
射频卡的主体是一个芯片，芯片连着一个线圈。要观察这个结构，可以打开手机的手电筒功能，贴住饭卡，看光线透过卡的影子。当然，小心拆开可以看得更清楚。网上有许多拆卡教程，有些还把它改装成戒指，可以看看。
饭卡和读卡器的通讯本质上是两个线圈的互感。当饭卡靠近读卡器时，读卡器线圈发射的信号会给线圈一个感应电流。这个电流既是一条询问消息，也是驱动芯片的电流源。芯片通电的同时，收到询问消息，就可以作出应答。应答的信号通过线圈发回给读卡器。如此构成一个小巧的通信链路，完成超短距离通讯。
复制链路本身并不困难，知道了饭卡芯片的型号，就可以在网上买到，线圈也可以找导线自己绕。困难的是解读通讯的内容。现在的射频消息普遍经过加密，当密码的信息量比消息的信息量大时，理论上无法知道读卡器和饭卡之间在说些什么。
By Xuan
3
Q
为什么锯齿边可以帮助我们更容易撕开包装袋呢？
by Catherine
A
在思考这个问题时我们可以建立一个简单的模型，就是当我们用同一种材料做成绳子时，如果做得中间细，两端粗，那么我们从两端拉绳子，那么最容易断开是细的位置——因为沿绳子各处的张力是相等的，而细的地方承受能力更弱。如果这个问题读者明白了，那么我们就可以把包装的边缘想象成绳子（姑且称为“边缘绳子”），而有缺口处就是比较细的位置（由于缺了一块，所以单位宽度承受了更大的拉力），那么包装的边缘就更容易从缺口处裂开。当裂开以后，那么又形成了更大的缺口（“边缘绳子”的粗细之比就更大了），从而更容易从缺口处裂开更大的缺口。于是，包装纸就容易撕开了。需要说的是，这只是一个比较简单的定性模型，实际操作过程中，“边缘绳子”的粗细比是很大的，因为我们通常不会拉住整个包装，而是只拉边缘的一点点，这就使得很结实的包装纸只要出现了缺口拉开都不是特别困难。其实这个原理在工程力学上经常用到，在需要承受应力的材料上，如果我们一定需要切口，也不常采用三角形缺口，而是宽窄变化更为缓慢的半圆等形状，正是这个道理。
图示：“边缘绳子”：缺口处单位宽度上承受更大拉力
By J.Baker
4
Q
为什么光照射到光盘上会看到七彩的光带？
by 氨基酸
A
反射光是“七彩”的是因为发生了光栅衍射。光盘泛着银色光泽，这是因为它的夹层中有金属（如铝、银等）反光涂层。光盘之所以能记录数据，是因为它的金属涂层上，用激光刻蚀出了许多凹坑，有凹坑与无凹坑之处反射率不同，从而可以被读取为0和1。
这些凹坑的轨迹是螺旋状排列的，局部可以近似看成是等间距的条纹，这就构成了一种反射型的衍射光栅。假设螺旋轨迹的间距是d，我们从光盘的中心出发，沿半径画一条线，横截面就可以下图表示。
一束垂直入射的光经过凹坑的反射，出射方向是θ，那么，发生干涉的两束光的光程差Δl=d·sinθ（如图中红线所示）。当光程差Δl是入射光波长λ的整数倍时，即d·sinθ=n·λ（n=1,2,3...）时，两束光干涉相长，强度较强。也就是说，由于光栅的衍射效应，容易观察到的反射光被限制在了特定角度。
根据d·sinθ=n·λ，波长λ不同的光，其容易观察到的角度也不一样。因此当我们在白光下观察光盘时，就会观察到色散的现象。
反射光以光带的形状呈现，可以简单地分析为：圆盘的不同部分，其光栅的方向是不同的，而同一径向上的光栅方向是一致的。因此当距离光盘比较远时，往往能在一个扇形区域观察到颜色相近的反射光。
By Xuan
5
Q
有种贴纸从不同角度可以看到不同的颜色，这是为啥？
by 神秘人物
A
贴纸内部有一层反光涂层，通过模压等方式，可以将全息图转移到反光涂层上，从而使贴纸呈现彩色效果，还可以复现栩栩如生的立体图像。
制作全息图的一种方法是利用双光束干涉原理，利用激光照射物体产生的光与分光镜产生的同相位的激光在感光底片上干涉叠加，底片上形成干涉条纹，干涉条纹的位置、条纹间距、条纹的深度综合起来就记录了物体的形状，反射光的强度和相位信息。当用参考光照射在全息图上时，发生衍射，在某些特定的方向就会看到物体的再现像。
当条纹的间距与可见光的波长在同一量级时，干涉相长的角度随波长变化较大，这时我们观察到的色散现象比较明显。
By Xuan
6
Q
短波的穿透力强还是长波的穿透力强？紫外和微波哪个穿透力强？怎么解释？
by 小学生
A
泛泛地讲，光有波粒二象性：短波粒子性更明显，穿透能力强；长波波动性更明显，穿透能力弱。
但是，具体到某一种材料，则不一定。从吸收的角度考虑，一种材料对不同频段的电磁波的吸收能力是不同的，吸收能力越强，电磁波传播的距离就越短。吸收与材料内部结构、发生的跃迁过程有关。比如分子转动能级跃迁吸收微波波段的电磁波，原子间振动能级跃迁吸收红外波段的电磁波，原子外壳层能级跃迁吸收可见光波段的电磁波，原子内壳层能级跃迁吸收X光-紫外波段的电磁波，内壳层电离吸收硬X光。
因此，对于特定的材料，不一定波长越短，穿透力越强。比如普通的窗玻璃会吸收90%的紫外线，但与微波基本不作用，那么波长更长的微波的穿透力就比紫外线强。
另外，长波的绕射能力更强。我们平时用的WiFi频段中，2.4GHz频段隔墙的信号相比5GHz频段的信号更好，这并不是因为2.4GHz的穿透能力更强，而是由于其波长长，波动性更明显，因此绕射能力更强。
By Xuan
7
Q
有关荧光棒是怎么发光的？
by 匿名
A
玩过荧光棒的人知道，荧光棒刚拿出来是直直的一根，不会发光，需要将它弯折几下，让里面封装的固体破碎，才能发光。荧光棒塑料外壳里面的固体其实是一根中空玻璃管，玻璃管内有过氧化氢，玻璃管外有酯类化合物（一般是草酸二苯酯或者它的衍生物），另外还有一些荧光染料。当把玻璃管弄碎使过氧化氢和酯类化合物发生反应释放能量，而这部分能量会使荧光染料成为激发态，当荧光染料退激发的时候，就会向外辐射光。至于荧光棒所发出的颜色则与荧光染料的结构有关。其实，荧光棒不应该叫做“荧光棒”，因为发出的光严格意义上不算是“荧光”，所谓荧光，应该像日光灯一样，由一种高能的光子激发某种物质，然后该物质立即退激发向外发出出射光。那怎么才能让荧光棒发出真正的“荧光”？如果手头上有验钞灯（会发出紫外线），用它照射荧光棒，这时候荧光棒发出的光就是荧光啦。有关更多发光的知识，请看往期推送“灯，deng，deng，deng——大家注意，我要跃迁了”。
By 重光
8
Q
知道超市书店防盗原理，20年前书店有个小金属片就可以报警，现在有些超市要粘上一个带条形码的射频卡，这都什么原理啊？
by Northteam
A
题目中涉及的两种防盗措施是图书馆及书店防盗的两种常见形式，一种是传统的电磁波系统图书磁条防盗，另一种是RFID智能管理防盗。下面进行简要介绍。
图书防盗磁条，也称EM防盗磁条，所用的材料主要是铁、钴、镍等金属材料。这些金属在高温融熔时在压力的作用下从石英喷嘴高速喷出，在高速转动的低温轮盘侧边形成固态条状（实验上称为甩带）。由于从液态到固态的时间控制在极短的时间内，得到的固体条带是非晶。当成分配制合理，制作工艺科学时，所得到的非晶材料具有很高的导磁率，具有陡峭磁滞回线，图为软磁材料的磁滞回线。
电磁波防盗系统的基本原理是通过交变磁场检测磁条的磁性变化来区分被保护对象是否带有磁条，来达到防盗的目的。用检测天线（发射天线和接收天线）以10Hz到20kHz的低频产生的交变磁场进行检测，检测对象是附着在被保护对象上的磁条。当磁条位于发射天线产生的交变磁场当中时，其极性被周期性地反复磁化。由于磁条的高磁导率和陡峭的磁滞回线，磁条中的磁通密度在外加磁场强度趋于0时跳跃变化（非线性特征），由此产生了以发射天线频率为基频的谐波，这些谐波被接收天线接收和处理，产生报警信号。
RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签。射频识别是一种非接触式的自动识别技术，利用无线电波识别目标物上的标记，以进行无线数据识别和获取相关信息的工作。一套完整的RFID系统，由阅读器、电子标签、应用软件系统三个部分组成。
其基本工作原理如图所示：电子标签进入阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在电子标签芯片中的产品信息，这种标签称为无源标签或被动标签；电子标签也可以主动发送某一频率的信号，称为有源标签或主动标签；阅读器读取这些信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，实现射频识别技术。
By 勿用
