2022年03月29日 09:00
【科學快訊】
今天，奧斯卡頒獎典禮上的一幕讓全世界的觀眾都吃了一驚——美國著名男演員威爾·史密斯（Will Smith）走上台前，打了黑人喜劇演員克裏斯·洛克（Chris Rock）一巴掌，原因是洛克調侃了他的妻子的脫發症。
就在全球吃瓜群眾瘋狂制作梗圖的時候，我看著史密斯如此幹淨利落的一巴掌，突然意識到，這不是給物理老師提供了完美的出題素材嗎？反複看了幾遍掌摑視頻，我腦中已經想出了好幾道題目：
第一問：
史密斯打克裏斯這一巴掌的能量有多大？
巴掌的能量，說的是它運動起來的動能。我們需要先估算一下史密斯的出掌速度。逐幀播放視頻，從史密斯把手抬到胸前，再到他的巴掌剛離開洛克的臉，總共有3幀。視頻每秒大約為16.67幀，那麼這一過程的耗時就大約為3/16.67≈0.18秒。
為了計算速度，自然還需要手掌移動的距離。但是，因為視頻的機位離得比較遠，角度也很刁鑽，只能看到史密斯的手臂從身前揮了過去，他的手掌移動的距離不太好看得出來。因此，我親自模仿了一下畫面中的過程，右臂從右揮到左，粗略估計轉過的角度是100度。假設史密斯的臂長是80cm，以及在掌摑過程中他的手臂以肩膀為圓心劃過了一段圓弧，那麼手掌移動的距離就等於：
用巴掌移動的距離除以花費的時間，我們可以得到史密斯巴掌的平均速度大約為7.78m/s：
只要我們知道了這一掌的速度，它的動能也就迎刃而解了。成年男性的手掌在總質量中的占比大約是0.58%，考慮到史密斯體格健壯，那麼不妨假設他的體重是90千克，那麼他巴掌的質量大約為520克。物理學中動能的定義為物體的質量乘上速度的平方，那麼史密斯這一巴掌的動能大約為15.74焦耳：
從能量角度而言，這一巴掌的威力也沒那麼大，大概也就夠讓你桌頭的台燈亮個一秒鐘左右。
第二問：
克裏斯的臉受到的力有多大？ ；
這個問題相對要複雜一點，需要運用到物理學的動量定理。從最簡單的角度考慮，假設史密斯的巴掌在碰到克裏斯的臉後立即就停下了（實際上是不可能的，巴掌還會再飛一會）。巴掌的速度從7.78m/s降到了0，是因為受到了克裏斯的臉的力。
根據動量定理，巴掌在過程中動量的變化等於它受到克裏斯的臉的沖量。假設巴掌和臉接觸的時間是0.2秒（這個只能估計個數了，誰讓攝像機沒放在史密斯面前呢？），那麼巴掌受到的力應該是20.23牛頓：
20牛頓的力不算大也不算小，也就是2千克的物體所受到的重力。
算到這，你可能以為已經結束了。然而，你的物理老師從不會那麼善良。在你答題的時候，TA會特別關注你有沒有漏掉一個步驟。上面計算出的那個力，並不是題目問的「克裏斯的臉受到的力」，而是「史密斯的巴掌受到的力」！所以，你要是直接寫上F=20.23N的答案，老師會露出一絲微笑，先打個勾，再畫幾個表示省略的點點，最後再扣你一分。你還得補充一句：根據牛頓第三定律，在打到臉上時，巴掌受到臉的作用力等於臉受到巴掌的力，所以F1=F2=20.23N。
好了，恭喜你答完了本大題的前兩問。單純就史密斯掌摑這一過程而言，一時半會是找不出什麼知識點了，這時候物理老師會掏出假設大法，向你拋來了第三問——如果史密斯掌摑的不是克裏斯的臉，而是一只冷凍的雞，那麼史密斯要打多少下，才能讓這只雞弄熟？
第三問：
史密斯要打多少下，才能做熟一只雞？
想烹飪一只雞，你可以把它烤熟、炸熟、煮熟，還可以用微波爐把它弄熟，目的是殺死雞身上的有害細菌，也更方便人類消化。假設雞要變熟，它的溫度需要從23升到74攝氏度，那麼這一過程需要多少能量呢？
雞從低溫變成高溫，本質上是它自身熱能的變化。熱能的多少不僅取決於溫度的變化，還要看物體的質量和類型，寫成公式就是這樣的：熱能變化=質量×比熱容×溫度變化。
那麼，「比熱容」（公式裏寫作C）是個什麼東西？舉個例子：假設我要加熱相同質量的鋼材和泡沫塑料。鋼材和泡沫塑料的原始溫度相同，但加熱鋼材需要更多能量，因為鋼的比熱容是0.49 J/（g•°C）——這個單位讀作焦耳每克攝氏度，而泡沫塑料的比熱容只有0.3 J/（g•°C），比鋼材要小。
我們不妨計算一下，一只雞從低溫升到高溫所需的能量：
再用這個結果除以史密斯一巴掌的能量，我們在之前算出過是15.74J——
我們最終可以得到，史密斯再打不到4萬個巴掌，就能把一只雞給拍熟了……
事實上，早在兩年前，就有物理學家真的做了用巴掌打熟雞的實驗。最後的結果是，在用特制機器拍打一只生雞135000後，真的得到了一只熟雞，就是味道實在是不敢恭維了。
寫到這，一道高中物理的大題差不多也就結束了。如果有人還意猶未盡的話，不妨再想一想這道思考題：如果史密斯以約等於光速的速度朝克裏斯扇巴掌，可能出現哪些現象呢？
當然，想要再思考這道題，我們只能祈禱史密斯的手和克裏斯的臉在4萬次巴掌後還能完好無損吧。
作者：矩陣星
