书城科普读物趣味科学(科学知识大课堂)
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第7章 趣味发明(6)

《水浇园丁》:是根据路易·卢米埃尔7岁的小弟弟的调皮举动拍摄的。说的是一名憨厚的花匠拉着一根长长的水龙头在浇花,来了个淘气的男孩,他悄悄地踩住了那根胶皮水龙头。花匠以为水龙头发生了故障,刚打开唧筒进行检查,小孩马上松开了脚,水龙头猛烈喷出的水浇了花匠满脸。花匠生气了,抓住小淘气,猛打他的屁股。这场追打孩子的镜头,形成了引人发笑的场面,取得了一般纪录片达不到的效果。这部短片尽管拍摄技术并不高明,光线灰暗,构图平淡,但可以说是最早带有“悬念”的喜剧片。它已具备简略的剧情,有开端、发展、高潮和结局,这为以后的故事片奠定了基础。

《膝行人》:比上一部的喜剧效果更浓。它叙述一个假装残疾的乞丐,为了逃避警察追捕,突然站起来逃跑,这便成了后来“追逐片”的先声。

《火车到站》:短片从开头出现一个远景车站,一个搬运工手推行李。接着从地平线出现一个黑点,逐渐增大,是一列火车开来,车头占满银幕。下面便是月台上许多旅客上下列车的种种表情。这部纪实片成功地运用了“景深”镜头,使画面产生层次感和纵深感。观众可以清楚地观赏到火车从地平线上出现的远景起,直到火车进站的近景止,了解到电影表现的无限可能性。镜头前实演实拍的人物,在画框内产生一连串的不同形象,和现代蒙太奇所体现的连续效果十分接近。

《机器肉店》:它描写一头又肥又壮的猪,摇头摆尾地从前面走进了一架古怪的机器里,后面出来的竟是一串串美味的香肠……这部引起观众哈哈大笑的滑稽有趣的短片,孕育着科幻片的胚胎,引起了人们无限的遐想。

《救火出动》等四部短片先在不同时间、不同地点拍摄后,卢米埃尔兄弟把它们连接起来放映,构成了一个消防队员救火的惊险小故事。它在电影史上最早运用了蒙太奇的手段。

卢米埃尔兄弟训练和培养了第一批摄影师。他们前往各地,拍摄了许多具有很高史料价值的新闻电影。有的学生如普洛米奥还创造了移动摄影法,使摄影机第一次获得了活动的自由。这种可贵的尝试,对后来的电影艺术的形成起了积极的作用。

能源开发的第一页

舌头上来的电

1800年3月的一天,英国皇家学会收到了一封来信,打开一看,是宣布一项发明的信函,发明人是巴费尔大学的教授伏打,发明项目就是今天的化学电源——伏打电池。

在这之前,要获得电能只有两种方法:一种是从静电机上通过摩擦收集电荷,另一种是从电容器的老祖先——莱顿瓶中收集电荷。

为此,许多科学家都在孜孜不倦地研究新的电源。意大利博洛纳大学的教授伽伐尼,就是热心为此奋斗的一员。经过多年的研究,他发现:当用两片不同的金属片接触到青蛙大腿时,青蛙大腿就会骤然一抽,这是由电流造成的肌肉组织的收缩。于是教授宣布:动物体本身也蓄有电流,只要用金属片将电流引导出来就行。

当时,许多学者都相信这位教授关于“动物电”的理论,可是巴费尔大学的伏打教授就偏偏不相信。他坚信“动物电”是一种误解,它的正确答案应该是:当两种潮湿而不同的金属放在一起,就会产生电流。

他曾做过有趣而简单的实验:把自己的舌头夹在一张锡箔和一块银币中间,当用手指按紧银币和锡箔时,他感到有一种特殊的酸味。他又做了无数次类似的实验,最后确信:当两种不同的金属导体之间放进一个潮湿的导体时,这两种金属导体的端处会产生出电流。他当众做了一个著名的实验:用一块银币和一块与它一般大小的锌板,中间夹着一张潮湿的纸板,做成一组最原始的电池。伏打用20组、30组、60组这样的电池连接在一起,流出来的电流就相当多了。这时如果用手指去触及这一大串电池的两端,就会明显地感到麻酥酥的。如果用一根导线连着一端去触及另一端,就会看到闪闪的电火花。

麻酥酥的触电感觉和瞬间的火花给了伏打极大的鼓舞,他知道,人们要寻找的新电源已经来到了他的实验室里。他又日夜埋头实验,努力使这种新电源得到完善。他发觉潮湿纸板里的水容易被挤出来,影响电流的产生,就改用类似杯子的容器。以后又发现用食盐水代替普通水,会产生更多的电火花。这里的伏打电池已经达到实用的地步了。

当伏打宣布这一发明的一个月后,伏打电池就已被人们用来把水分解为氧气和氢气了。

2000个电池也不行

19世纪初,英国科学家戴维做了一个有趣的实验:他用2000个伏打电池串联起来,正负极分别接在两根炭条上。结果,一个令人吃惊的现象出现了:炭条之间产生了长1厘米的刺眼的电光。

这种电弧光给人们带来了光明。可惜,它不能持久,这2000个电池里的电能很快就消耗完了。因此,人们很希望有一种能产生高电压大电流的新电源。

1831年,法拉第的一个实验把人们引上了这条希望之路。他用一块磁铁移近一个用60多米的铜线缠成的线圈,这线圈的两端就产生了电流,使电流计的指针微微摆动。摆动的指针告诉我们:在磁场中上下移动导体,可以产生电流。随后,法拉第制成世界上第一台铜盘发电机。

1832年,法国的皮克希也设计制造出一台发电机。这是一台手摇发电机,它有两个线圈是固定的,线圈下面有一个马蹄形的永久磁铁,由齿轮带动它旋转。齿轮是靠人摇动的。这正好和今天一般的发电机相反。

使发电机走上今日构造轨道的人,是美国的萨克斯通。他使两个线圈不断旋转,而永久磁铁固定不动。

1840年~1865年,人们已经制造出好几种发电机了,不过它们都是采用永久磁铁,结果效率并不高,发电量不超过1.5千瓦。当然,它和电池相比,已经向前跨出了一大步。

由于实践的需要,人们盼望能从发电机里流出电压更高、电流更强的电流。

1851年,又有人提出一种新方式,那就是在这发电机的永久磁铁外面也缠上线圈,让发电机发出来的电的一部分流入这线圈,发明者认为,这样可以增加发电机的磁场,可以使发电机获得更强的电流。

这个理论给正在寻找强电流的人一种启示,有许多学者努力通过实验,把这个理论变为现实。4年之后,由一个丹麦人制造成功这种发电机。由于它的优点显著,获得了专利权。到1866年,西门子进一步用电磁铁代替了永久磁铁,发电机的效率又向更高水平迈进。

1875年,发电机在迈向今天这种构造的轨道上走完了重要的一步。那就是在圆柱形铁棒身上开凿一条沟,就像纺织厂里的梭子一般,然后在这沟上缠上线圈,让这线圈在周围的马蹄形电磁铁之间旋转,这线圈两端就会产生出强电流。

1882年,世界上第一个商用电光源公司诞生,此时,发电机已经在50多年里,走完了从幻想到理论,从理论到实验,从实验到生产的历程,踏上了为人类服务的征途。直到今天,它们仍然夜以继日地为我们输送强大的电流,并朝着更新更完善的方向进展。

格拉斯哥草坪上的灵感

1765年5月下旬的一天,天气晴朗,白云高高飘浮,微风吹拂着格拉斯哥的大草坪。有一个青年工人低着头聚精会神地走着,好像用脚步丈量草坪似的,走了一遍又一遍。

草坪上有什么东西吸引着他呢?

是一个理想的闪光在这个青年的脑海里掠过:他想起了在草坪前面的格拉斯哥大学,他在那里从事修理纽科门蒸汽机已经好多年了,发现了许多纽科门蒸汽机的毛病。现在想到的是:能不能自己动手改进纽科门蒸汽机,改掉它的毛病呢?这灵感像给多年积蓄的实践与知识的水库打开了闸门,水流朝着前方奔腾咆哮而去。

从此,这个青年工人走上了制造新型蒸汽机的道路。他就是赫赫有名的大发明家詹姆斯·瓦特。

一晃几年时间过去了,瓦特总结了过去维修纽科门蒸汽机的经验,找到了纽科门蒸汽机蒸汽消耗量大的根本原因,并做出了改进蒸汽机的设想和方案。他还做了大量的实验,研究了水蒸气的密度、压力和温度的关系,并着手进行改革纽科门蒸汽机的试验。

瓦特第一台改革的蒸汽机是在苏格兰制造的,但是没有成功。幸运的是,在伯明翰有个名叫马修·博尔顿的商人资助瓦特。不久,瓦特把家搬到伯明翰,在那儿他进一步改进了蒸汽机,终于获得了成功,造出了一台装有分离冷凝器、活塞用油润滑的单动式蒸汽机。

瓦特研制的蒸汽机的效率要比纽科门蒸汽机高,纽科门蒸汽机的热效率不到1%,每马力要消耗25千克煤,而瓦特蒸汽机热效率提高到3%,每马力只消耗煤4.3千克。

后来,博尔顿和瓦特合办了一个工厂,专门从事制造瓦特蒸汽机。1776年,有人前来订货购买瓦特蒸汽机。到1800年,他们这个工厂已经制造出蒸汽机173台。

瓦特并没有就此停步,他仍然不断地对蒸汽机进行改进。他发觉生产出来的蒸汽机中有93台用于纺织工业,有52台用于采矿业。他希望自己的蒸汽机最好没有什么特殊目的,而能适应一切工业部门的需要。他的老同事博尔顿也鼓励瓦特朝这个目标努力。

于是,瓦特独自又设计了一种新型的齿轮系统——“太阳与行星”,来代替原来的曲柄结构。以后瓦特又在汽缸上下工夫。1784年,瓦特的双功能发动机闻名于世。它运转平稳,动力又增大一倍。

从此,瓦特蒸汽机无敌于天下。这是人类开发和利用能源的具有划时代意义的进步,它拉开了人类生产机械化的序幕。

瓦特发明蒸汽机,并不像传说的那样,是偶然看到水壶盖被水汽顶起来后产生的想法,而是用自己的勤奋,让实践中的灵感开出了智慧之花,让闪光的理想结出了探索之果。

改变世界的发明

硅谷的崛起

提到电子计算机工业的发展,特别是半导体器件、集成电路、微处理器和微型计算机的问世,人们就会很自然地想到美国的“硅谷”,这是微电子工业的发祥地和中心,是近几十年为世人所瞩目的高科技发源地之一。

硅谷在哪里?硅谷位于美国加利福尼亚州,处于旧金山市和圣何塞市之间一块50千米长、16千米宽的狭长地带。在1950年时,那里还只是美国著名的杏梨之乡,以生产罐头和食品加工为主。它后来能成为高科技开发区,是与晶体管发明人之一肖克莱在这里的开发、研究工作密切相关的。

自从第一个晶体管问世以来,半导体工业以飞快的速度朝前发展,采用晶体管为元件的产品,包括计算机在内,层出不穷,而且它的体积越来越小巧,它的价格却由于可以批量生产而日益下降,半导体行业出现一片繁荣景象,而它的竞争也日益激烈。肖克莱作为晶体管的发明人之一,既十分了解晶体管的功能,又预见到它的发展前途未可限量,决定自己建立半导体公司。

1955年,肖克莱在自己的故乡加利福尼亚州的阿尔托建立起“肖克莱半导体公司”,公司聘用了一批精通半导体技术的科技人才,以便不断开发晶体管产品,改进晶体管的性能。当时肖克莱半导体公司在这里还是新出现的第一家半导体公司,可后来,聚集在肖克莱公司里的人才不断脱离肖克莱公司,在它的附近纷纷建立起自己的半导体公司,下面我们将要介绍的集成电路发明者之一的诺伊斯,他也是从肖克莱公司脱离出来后创建了自己的“仙童半导体公司”。

进入70年代以来,这里已集中了数以千计的微电子工业和其他高新技术企业,成为信息社会的先驱和范例。而这些企业的产品几乎都是用硅制作的半导体器件,因此人们把这一地区称为“硅谷”。而“硅谷”也以它发达的电子工业而驰名世界。

鉴于肖克莱在微电子学方面的贡献以及他率先开发硅谷的业绩,人们把他尊称为“硅谷之父”。

硅谷在发展中最有特色的,也是给它带来巨大财富的产品,当然首推集成电路。由于集成电路对微电子工业,特别是对人类信息产业的发展所产生的巨大影响,人们又把它称为改变世界面貌的发明。

相互独立的发明

集成电路的发明,是多项技术不断发展的综合结果。

最早提出制造半导体集成电路思想的,是从事雷达研究的英国科学家达默。他在1952年5月发表的一篇论文中提出:“由于现在晶体管的出现和半导体方面的研究成果,有可能制造单块形状的电子器件而省去连接线。这种器件由多层绝缘材料、通导材料、整流材料和放大材料构成,在各层中去掉某一部分就能使器件具有某种电功能。”

达默的上述设想很有意义,可惜他本人未能使之付诸实施。进入50年代以后,军事工业和宇航工业的迅速发展,迫切需要各种功能更强、能实现更加复杂功能的半导体器件,而且还希望这种器件越小巧越好。

在社会需要的刺激下,那些早期来到硅谷开创电子工业的一批年轻的微电子工程师们,很自然地把研究方向瞄准到上述目标上。他们设想把一些晶体管及一些元件在新的形式下组合成一种更复杂的线路,而不是简单地拼凑在一起,这种线路称为集成电路。从外形来看,它们就是小小的硅片,因此人们也把它们称为芯片。至今,在各种计算机、计算器及各种电器设备中处处都可以看到这种芯片。早在第二次世界大战期间,有人就已设法把油墨状的电阻材料和镀银金属片印在陶瓷基片上,做成电阻和连接线的组合体;而印刷电路工艺的发展和晶体管的发明,都为集成电路的发明做了必要的技术准备。