六峰中學(xué)物理科組工作總結(jié)

六峰中學(xué)物理科組工作總結(jié)

本學(xué)期里，我校物理科組在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)直接指導(dǎo)下，各盡所職，做好了本職工作，取得了一定的教學(xué)效果，促進(jìn)了學(xué)生的全面發(fā)展。綜觀整個教學(xué)工作和教學(xué)研究過程，我們做了如下幾個方面的工作。

新學(xué)期開始，科組老師就在科組長的指揮下，共同協(xié)商，制訂本學(xué)年的教學(xué)工作計(jì)劃，結(jié)合鎮(zhèn)物理中心教研組的教研專項(xiàng)訂好教研課題。為能集體探討新課標(biāo)的教學(xué)方法，我們科組作出了一些具體的安排，如選定每周星期五下午第四節(jié)為教研活動時間，在此時間里進(jìn)行集體備課，各老師可以根據(jù)新教材內(nèi)容及在教學(xué)中出現(xiàn)的一些問題，開展廣泛的討論，以科組老師的智慧共同攻堅(jiān)，共同制訂解決問題的方法，避免教學(xué)事故。對某些課題內(nèi)容的教學(xué)方法，則集全體老師的力量，積極探討具有創(chuàng)意性的教學(xué)方法。

這一學(xué)期中，科組要求各成員聽各種級別的教研課，積極參與多種形式的教學(xué)研究工作，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)代化先進(jìn)教學(xué)手段、探索可行的教學(xué)方法，虛心學(xué)習(xí)各種教改理論，借鑒他們的教改方法、經(jīng)驗(yàn)，先是通過聽課、學(xué)習(xí)理論、聽經(jīng)驗(yàn)介紹等形式，對各種教法有較深刻的鉆研；然后，根據(jù)所教班級的情況，靈活地把相應(yīng)的教學(xué)法運(yùn)用到物理課堂教學(xué)中去，不斷磨練上課的技能；而各科組成員都樂意主動承擔(dān)教改專題的公開課，嘗試印證新教學(xué)方法的效果，開創(chuàng)理想的物理科教學(xué)模式。

在探索教材教法和教學(xué)研究的同時，我們還注意認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，撰寫論文。

我們科組老師經(jīng)過一系列研究和教學(xué)嘗試，在課堂教學(xué)中做好了課程改革實(shí)驗(yàn)的幾個要點(diǎn)：1、明確探究難點(diǎn)、做好探前準(zhǔn)備；2、抓住重點(diǎn)，適度開放；3、加強(qiáng)過程指導(dǎo)，做好“導(dǎo)探”的角色；4、改變學(xué)科本位，提升教育功能；5、注意教學(xué)方法的科學(xué)性，合理利用現(xiàn)代化先進(jìn)的教學(xué)手段（多媒體教學(xué)平臺），效果甚佳。

但不足之處還有很多，突別是有個別老師的教學(xué)還沒能跟上來，班與班之間的成績差別比較大，例如初二級的，有些班能有35個及格，有些班卻只有26個，相差非常大，這當(dāng)然與班風(fēng)、學(xué)生的素質(zhì)等有關(guān)系，但最主要的責(zé)任應(yīng)該還是任課老師沒能控好堂、調(diào)動好學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，沒能吸引學(xué)生學(xué)好這一科。今后，需要對這些老師進(jìn)行幫扶，多聽他們的課，多組織他們聽有經(jīng)驗(yàn)老師的課，并從課堂語言，教態(tài)等方面對他們進(jìn)行提點(diǎn)，以求他們能盡快得到成功。以上是我們物理科組在201*學(xué)年度第二學(xué)期所做的一些工作，希望能得到上級領(lǐng)導(dǎo)更多的指導(dǎo)，以求取得更好的成績。

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江門市新會第二中學(xué)物理校本教材

物理科組主編

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前言

伴隨著時光的流逝，人類歷史上一個重要的世紀(jì)20世紀(jì)，在高科技文明的掩映下，正悄然地離我們而去，一個希望與挑戰(zhàn)并存的21世紀(jì)則滿懷著強(qiáng)烈的激情向我們走來。適逢世紀(jì)更迭的關(guān)鍵時刻，我們除了重溫以往的舒適與優(yōu)越之外，更應(yīng)理智地立足現(xiàn)實(shí)，總結(jié)過去，展望未來。21世紀(jì)將是科技時代的預(yù)言已成為人們共知的真理，世界范圍內(nèi)的新技術(shù)革命日新月異，促使全球經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展乃至人們的生活方式都不斷發(fā)生重大變革�？萍几偁�，特別是人才競爭，已經(jīng)成為世界各國全面競爭的焦點(diǎn)�，F(xiàn)在，許多國家都把提高國民的科學(xué)文化素質(zhì)當(dāng)成是21世紀(jì)競爭是否成功的關(guān)鍵。為適應(yīng)世界潮流，迎接新世紀(jì)的挑戰(zhàn)，普及科學(xué)文化知識，正受到社會各界的廣泛重視�？萍贾�識的傳播，已經(jīng)成為當(dāng)前我國促進(jìn)社會主義物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)、維護(hù)社會繁榮穩(wěn)定的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是今后依靠科技進(jìn)步，提高全民素質(zhì)，使我國經(jīng)濟(jì)和科技得以持續(xù)、快速、健康發(fā)展的重要保證。

今天的青少年，就是明天的主人。他們都是21世紀(jì)的主人，這些人的文化科學(xué)素養(yǎng)，標(biāo)志著國家未來的盛衰強(qiáng)弱，標(biāo)志著我國在世界之林的競爭能力，盡多盡快地培養(yǎng)科技人才，是時代的當(dāng)務(wù)之急。我們要擴(kuò)大他們的知識面，啟迪他們的智慧，開闊他們的視野，造就他們，培養(yǎng)他們，使他們成為下一世紀(jì)的合格主人。

自17世紀(jì)以來，物理學(xué)一直為自然科學(xué)的領(lǐng)頭學(xué)科，推動著各學(xué)科的發(fā)展，誘發(fā)出許多交叉分支學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，又總是向人類智慧提出一些最深刻的挑戰(zhàn)。因此，向青少年介紹一些現(xiàn)代物理前沿科學(xué)、物理學(xué)思想，將有利于青少年開闊眼界、誘發(fā)思維、啟迪心智，有利于吸引和培養(yǎng)優(yōu)秀的青少年從了解科學(xué)到熱愛科學(xué)，早日選定自己的志趣從而獻(xiàn)身科學(xué)。

新會二中物理科組

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目錄

第一章身邊的力學(xué)

1、漫談人體的運(yùn)動與力學(xué)………………………………………….12、樹木生長中的力學(xué)行為………………………………………….23、“勢如破竹”與混凝土中的力學(xué)知識………………………………4

第二章物理與生活

4、音樂中的物理知識……………………………………………….65、渦流及其應(yīng)用…………………………………………………….86、超聲波及其應(yīng)用………………………………………………….107、移動通信技術(shù)的發(fā)展…………………………………………….118、磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用-----磁懸浮列車……………………………13

第三章激光

9、激光的形成與發(fā)展………………………………………………1510、激光技術(shù)與材料加工………………………………………….1611、激光全息圖像技術(shù)在防偽包裝的應(yīng)用……………………….1812、激光武器的應(yīng)用……………………………………………….20

第四章太空探索

13、金星探秘……………………………………………………….2214、火星探秘……………………………………………………….2315、載人航天事業(yè)的發(fā)展………………………………………….25

1漫談人體的運(yùn)動與力學(xué)人體是個復(fù)雜的大系統(tǒng)

生命離不開運(yùn)動，人類的一切活動都離不開運(yùn)動，競技場上奧運(yùn)健兒們的運(yùn)動更是牽動著億萬人的心。與無生命的物體不同，人體的運(yùn)動是受意識控制的運(yùn)動，雖然也遵循力學(xué)普遍規(guī)律，但卻具有特殊的復(fù)雜性。從動力學(xué)研究的觀點(diǎn)出發(fā)，這種特殊性可以歸納為：

（1）人體的“硬件”是由有限個部件用關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)成的骨骼系統(tǒng)。

（2）各相鄰部件之間存在肌肉聯(lián)系，可施加作用力以改變相對運(yùn)動狀態(tài)。（3）肌肉作用力受神經(jīng)中樞“軟件”的控制。

因此，人體是由骨骼、肌肉和神經(jīng)三個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng)。除了各部件的機(jī)械運(yùn)動以外，各相鄰部件之間的肌肉控制力矩，感覺器官接收的輸入信息和傳遞給肌肉的輸出信息等都是比機(jī)械運(yùn)動數(shù)量大得多的未知變量。它們的變化規(guī)律已超出了經(jīng)典力學(xué)的研究范圍。

經(jīng)典力學(xué)有用武之地嗎？

由伽俐略、牛頓奠基的經(jīng)典力學(xué)發(fā)展至今已經(jīng)達(dá)到盡善盡美的程度。宇宙萬物的宏觀運(yùn)動無不可用經(jīng)典力學(xué)解釋，當(dāng)然也應(yīng)包括人體的運(yùn)動在內(nèi)。問題在于按經(jīng)典力學(xué)普遍原理列出的動力學(xué)方程的數(shù)目遠(yuǎn)小于未知變量的數(shù)目。在這些未知變量中，引起困惑的肌肉收縮力和神經(jīng)信息不是經(jīng)典力學(xué)的研究對象，也難以被運(yùn)動者本身感知，只有肌肉活動所引起的后果，即相鄰部件的相對位置變動可以被感知和控制。體操運(yùn)動員做一個高難動作時，他只關(guān)心手臂或腿的位置是否正確，不會去想關(guān)節(jié)上應(yīng)加多大的肌肉收縮力或傳遞多大的神經(jīng)脈沖。只要不追究肌肉施力的生物物理過程，并且假定運(yùn)動者對肌肉的控制機(jī)能足夠健全，人的主觀意志就能通過肢體的相對運(yùn)動體現(xiàn)出來。將相對運(yùn)動規(guī)律作為附加的約束條件列出，就能從經(jīng)典力學(xué)微分方程解出軀干運(yùn)動的變化規(guī)律。這種研究方法十分有效，可以正確地解釋人體運(yùn)動和指導(dǎo)體育實(shí)踐。

單杠上的自激擺動

懸掛在單杠上的運(yùn)動員是一個復(fù)擺，但依靠收腹、屈臂和鞭打的聯(lián)合動作能使穩(wěn)定的平衡狀態(tài)變?yōu)椴环�(wěn)定，產(chǎn)生振幅愈來愈大的擺動。這種稱作振浪的體操動作是一種典型的自激振動。運(yùn)動員根據(jù)自身擺動的位置控制肢體的動作。將這種協(xié)調(diào)關(guān)系寫成約束條件，從動力學(xué)方程解出擺動規(guī)律，從而可以說明，正確的振浪動作使擺幅增大，錯誤動作反使擺動衰減。

直立的人體為何不倒

直立的人體是一個倒置的復(fù)擺，若不加控制是典型的不穩(wěn)定平衡。人一旦感覺到重心有向一側(cè)偏移的趨勢，就立刻控制足底支承力的作用點(diǎn)向同一側(cè)移動，同時向另一側(cè)做彎腰動作以維持平衡。將這種協(xié)調(diào)動作寫作約束條件，可以分析出，由不穩(wěn)定平衡如何轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶�。由于重心水平運(yùn)動的動力來自足底的靜摩擦，因此受到地面能夠提供的最大靜摩擦力的限制。為保證控制作用有效，站立過程中重心的地面投影不得越出以支承足為中心的一個橢圓域，域的大小與地面摩擦系數(shù)成正比。在光滑的冰面上人容易摔倒是因?yàn)檫@個橢圓域縮小到接近于零的原因。

怎樣保持步行穩(wěn)定

人的步行是更復(fù)雜的運(yùn)動。由于是單足支承，重心在地面上的投影經(jīng)常越出足底與地面的接觸面，不能像爬蟲緩慢爬行那樣隨時滿足靜平衡條件。因此人的步行穩(wěn)定性是一個動態(tài)過程，主要依靠足底摩擦力來保證，向前踏地時，摩擦力朝后，向后蹬地時摩擦力朝前的客觀規(guī)律恰

好滿足穩(wěn)定性的要求。在地面上圍繞支承足也可作出幅度與摩擦系數(shù)成正比的橢圓域。重心的地面投影必須保持在域內(nèi)才能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行。要使步行能連續(xù)進(jìn)行，左、右足的橢圓域必須連通。因此跨步的距離必須受到限制，地面愈粗糙容許的步距愈大。田徑運(yùn)動員穿上釘子鞋就能大步奔跑，因?yàn)樾�底與地面的摩擦明顯增強(qiáng)了。

人怎樣才能離地人體從受地面約束到騰空狀態(tài)的轉(zhuǎn)變依靠起跳運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。當(dāng)足底的法向支承力消失，且重心具有垂直向上的速度時，人體就能解除地面約束。因此正確的起跳動作是從下蹲狀態(tài)向上伸展肢體，使重心的垂直運(yùn)動先加速后減速。加速的目的是積累離地速度，減速的目的是減小法向支承力。當(dāng)負(fù)加速度與重力加速度相等時，支承力減小為零，人體離地跳起。肢體的伸展主要受膝關(guān)節(jié)的控制，因此，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角可作為起跳運(yùn)動的控制變量。對運(yùn)動員來說，最大跳躍高度是衡量跳躍質(zhì)量的優(yōu)化目標(biāo)，由離地速度確定。要提高離地速度，起先必須用大力蹬地以獲得最大的起始伸展速度。但隨后的制動過程必須緩慢，因?yàn)檫^快的制動將使解除約束過早發(fā)生，致使人體尚未積累足夠的垂直速度即離地跳起而影響成績。與跳躍運(yùn)動相反，競走運(yùn)動必須避免支承足離地面的犯規(guī)動作。由于解除約束是由重心的垂直加速度引起，因此運(yùn)動員在步行過程中必須力圖避免重心上下波動，從而形成了競走運(yùn)動員獨(dú)特的扭臀動作。

騎自行車的力學(xué)

雖然自行車是最普及的交通工具，但是自行車運(yùn)動的原理至今尚未完全弄清楚。自行車是受人控制的機(jī)械，若不考慮人的主觀因素，會得出自行車穩(wěn)定性只與車速有關(guān)，即車速太慢太快都會引起不穩(wěn)定的錯誤結(jié)論。實(shí)際上，眾所周知，自行車是否穩(wěn)定完全取決于駕車人的技術(shù)。當(dāng)駕車人感覺到車架向一側(cè)傾斜時，會立刻控制車把使前叉朝同一側(cè)轉(zhuǎn)動。將這種控制規(guī)律作為自行車運(yùn)動方程的補(bǔ)充條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，所謂駕車技術(shù)完全是由控制規(guī)律體現(xiàn)的。選擇適當(dāng)?shù)目刂茀��?shù)就能使自行車穩(wěn)定。除了把手以外，人的腰部動作是另一個控制因素，所以，高明的駕車人雙手脫把也能騎好自行車。

總之，力學(xué)現(xiàn)象隨處可見，只要大家細(xì)心觀察，一定還能發(fā)現(xiàn)很多與我們?nèi)梭w運(yùn)動有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象。

2樹木生長中的力學(xué)行為

樹木人類的朋友

遠(yuǎn)在恐龍漫游大地之前，地球上的樹木已經(jīng)是千姿百態(tài)，郁郁蔥蔥，花果芬芳，一派生機(jī)了。樹木是木質(zhì)多年生植物，通常把它分為喬木和灌木兩種。喬木是l．3米以上，只有一個直立主干的樹木；灌木是直立的、具有叢生莖的樹木。我國現(xiàn)有木本植物約7000多種，屬喬木者約占1/3以上，但是作為工業(yè)用材而供應(yīng)市場的只不過1000種，常見的約300種。球上擁有充足的空氣、水和陽光，這些是樹木存活、生長和繁衍的必要條件。樹木為生活在地球上的人類營造出了天然的樂園：樹木的枝葉翻動搖曳，借助太陽光能蒸騰水分，增加地球表層空氣濕度，緩解盛夏的炎熱，是天然的“加濕器”和“空調(diào)器”；樹木葉面能吸附和過濾灰塵、粉塵和煙塵，凈化空氣，是天然的“過濾器”。此外，樹木還能吸收人們排放出的二氧化碳，放出氧氣，調(diào)節(jié)空氣的正常成分比含量，是“綠色工廠”；樹木的集合，能夠減弱風(fēng)力和風(fēng)速，保護(hù)土壤、建筑物等免受風(fēng)蝕，是天然“風(fēng)障”；樹木能降低城市和街道噪聲，是天然“隔音板”和“消聲器”；樹木能減弱降雨對地面的沖刷，減少水土流失.還有，樹木為人類提供了豐盛的果實(shí)、藥材和衣、食、住、行的原材料。因此，可以說，樹木是人類不可多得的朋友，沒有樹木和森林，

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就沒有人類的生活，更沒有人類的生存與發(fā)展。樹木人類真正的朋友。

伴隨流體輸送現(xiàn)象的樹木生長

樹木在生長發(fā)育過程中，形成了高度發(fā)達(dá)的營養(yǎng)體。水分及營養(yǎng)液等流體的輸運(yùn)現(xiàn)象始終伴隨著樹木營養(yǎng)生長的生理過程。這里僅簡要地加以說明，樹木由樹梢沿主軸向上生長（高生長），也在土壤深處向下生長（根生長），中間的樹干部分沿著徑向生長（加粗）。前一年形成的樹干部分到了次年不會再進(jìn)行高生長。有人曾做過這樣一個小實(shí)驗(yàn)：在距離地面1--2米處的樹干上釘入一根鐵釘，幾年后樹木長高長粗了，但那顆鐵釘距離地面的高度卻沒有發(fā)生變化。樹木從天上接受陽光的沐浴，到地下去尋覓水分，把原料從樹根輸送到葉片。由葉子制造養(yǎng)分，將養(yǎng)分向下輸送，供給樹木生長需要。這樣，樹木生長過程中，形成了非常協(xié)調(diào)完備的水分及養(yǎng)分的輸送系統(tǒng)。一株紅杉（美）樹高達(dá)112米，一株杏仁桉（澳）樹竟高達(dá)156米，一株銀杏（中）樹齡達(dá)3000年。那么對于如此高大、如此年久的樹木，體內(nèi)各種物質(zhì)（水、礦物質(zhì)、可溶性碳水化合物和激素等等）是怎樣輸送的呢？即樹液（98％的水和可溶礦物質(zhì)）是靠什么力量由樹根上升到樹梢的呢？而營養(yǎng)液又是靠什么力量從葉部運(yùn)回到根部的呢？同時，那些輸送通路又是如何呢？為了弄清上述流體力學(xué)現(xiàn)象，我們先來觀察一下樹干的橫切面，它的最外層是樹皮（外皮），樹皮里邊一層是韌皮部（也叫內(nèi)皮），經(jīng)它將營養(yǎng)液由葉部輸送到樹木的其他部分（包括根在內(nèi)）。再向內(nèi)一層是形成層，它的細(xì)胞不斷分裂，使樹木沿徑向生長而不斷加粗。再往里是邊材和心材，即木質(zhì)部，木質(zhì)部中被叫做導(dǎo)管的細(xì)胞組織，它將樹液輸送到莖和葉部。

樹木體內(nèi)營養(yǎng)液的流動

樹木由綠色的葉子依靠由根系吸收的水分和礦物質(zhì)，再通過吸收太陽能進(jìn)行光合作用共同來制造有機(jī)物（糖類、酸類等）樹木營養(yǎng)液，以供給樹各部的生長、增強(qiáng)、修復(fù)組織和繁殖等等。那么，營養(yǎng)液是通過什么途徑、以什么為動力來輸送的呢？為此，科學(xué)家們做了許多實(shí)驗(yàn)，獲取了不少數(shù)據(jù)，得出了如下一些結(jié)論：

（1）環(huán)割實(shí)驗(yàn)證明，樹木營養(yǎng)液是通過韌皮部的細(xì)胞以直線方式，即由上向運(yùn)輸，這是長途運(yùn)輸，而細(xì)胞間的運(yùn)輸則主要由胞間連絲為通道。

（2）壓力流動模型實(shí)驗(yàn)證明，樹木營養(yǎng)液的流動動力是流體靜壓力。即凈生產(chǎn)細(xì)胞（如一片成熟葉）由于光合作用制造大量糖而保持較高的溶質(zhì)濃度，水便通過滲透作用不斷進(jìn)入凈生產(chǎn)細(xì)胞，使胞內(nèi)的流體靜壓力增加，迫使?fàn)I養(yǎng)液經(jīng)過胞間連絲進(jìn)入韌皮部。而凈消費(fèi)細(xì)胞（可以是一個根細(xì)胞、一個有代謝作用的細(xì)胞，或一個果實(shí)細(xì)胞）由于呼吸、生長和儲藏保持著較低的溶質(zhì)濃度，胞內(nèi)流體靜壓力較低。這樣，營養(yǎng)液便沿壓力梯度向下運(yùn)輸?shù)礁�部。上述營養(yǎng)液在韌皮部的流動動力已經(jīng)清楚，那么，它的流動速度又如何呢？近年來的研究表明：韌度部轉(zhuǎn)移營養(yǎng)液的最高速度在闊葉樹中是0．4--0．7米/小時，在針葉樹中是0．18--0．2米/小時。

根據(jù)上述樹木營養(yǎng)液的輸送速度，對于一株30米高的松樹和楊樹，營養(yǎng)液由樹冠輸送到樹根的最短時間分別為7天和1．8天，而對于112米的紅杉來說約需20多天的時間。

樹木體內(nèi)的水分流動

水在土壤-樹木-大氣這個系統(tǒng)中的重要性，無論怎樣強(qiáng)調(diào)都不過分。這是因?yàn)樗�的可利用程度是控制樹木存活和分布的諸因子中最重要的一個。從生理方面來看，水能保持樹木的細(xì)胞充分膨脹，使得細(xì)胞才能增長和變粗，樹木才能生長和維持一定的形狀，氣孔才會張開，樹木

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才會運(yùn)動（如放葉和開花）。樹木所需的水分幾乎全部由根系（吸水器官）吸取，并沿木質(zhì)部（從根部到葉部）向上長距離移動。那么，水分是靠什么動力來提升的呢？研究結(jié)果表明，動力有兩種：一種是根壓，另一種是蒸騰拉力。所謂根壓是指樹木根系的生理活動使樹液從根部上升的壓力。根壓把根部的水分壓到地面上部，土壤中的水分才能不斷補(bǔ)充進(jìn)來，從而形成根系吸水過程。這是由根部形成力量引起的主動吸水。不過，根壓一般只有0.1--0.2MPa，只能使木質(zhì)部導(dǎo)管中的水柱升高10--20米，而許多喬木的高度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個數(shù)值的。樹木葉片的蒸騰拉力也是體內(nèi)水分上升的主要動力。蒸騰拉力是怎樣產(chǎn)生的呢？當(dāng)樹木葉片蒸騰失水時，葉肉細(xì)胞便產(chǎn)生很低的水勢，形成-3---1MPa的負(fù)壓，即產(chǎn)生對下部連續(xù)水柱的拉力，這就是蒸騰拉力。木質(zhì)部導(dǎo)管中的水柱的上端受到強(qiáng)大的蒸騰拉力，克服水柱本身的重力和輸運(yùn)過程中產(chǎn)生的阻力，從而使水柱連續(xù)不斷地進(jìn)入葉部�？墒�，水柱在拉力作用下會不會斷開呢？這取決于水分子間的吸收力（即內(nèi)聚力）和水分子與管壁間的附著力的大小。據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，0．5毫米直徑毛細(xì)管中的水線，在20℃時可耐受27MPa的離心力而不斷裂且不與管壁脫離。這個事實(shí)間接地說明了蒸騰拉力既能夠把木質(zhì)部中的水分拉到葉部，又不會把水柱拉斷，從而使樹木根部的水分源源不斷地輸運(yùn)到葉部，保證了樹木的枝繁葉茂。水分通過木質(zhì)部由下向上流動，其速度因樹種不同而異。據(jù)在樹木胸高處測定，一般闊葉樹種中環(huán)孔材水分流動速度為25--60米/小時。

目前所知，歐洲櫟環(huán)孔材水分流動速度高達(dá)43．6米/小時；散孔材為1--6米/小時；而針葉樹材一般為1--2米/小時。

在樹木的生長過程中伴隨著各種各樣的力學(xué)行為，這里介紹的內(nèi)容僅僅是其中的一小部分。盡管人們從30年代已開始在宏觀上，后來又在微觀上進(jìn)行了不懈地研究和探索，但仍有大量的力學(xué)問題有待解決。隨著社會的發(fā)展，人類的步，樹木這個難得的朋友，對人類將越來越重要。愛護(hù)樹木，多植樹木，就是進(jìn)步。

3“勢如破竹”與混凝土中的力學(xué)知識

“勢如破竹”縱橫談

人們總喜歡用“勢如破竹”一詞來形容所向披靡、節(jié)節(jié)勝利，而破竹之勢則又烘托出一種長驅(qū)直入的無比威力。這種說法經(jīng)流傳下來是有些年代了。

我國歷來多竹,不少南方人都有剖劈竹子的有趣經(jīng)歷：偌大青竹筒，利刃過處，節(jié)節(jié)響裂，鋼刀長驅(qū)直入，毫無阻礙，施力式微，直貫到底。形容形勢發(fā)展極其順利、迅猛，說勢如破竹，可謂貼切矣。竹子以其挺拔、高雅的素質(zhì)，不屈不撓、奮發(fā)向上的精神風(fēng)貌不僅歷來被人們所稱道，且還是大自然賜予的一種天然復(fù)合材料。從材質(zhì)看，它的主體由一種縱向貫通型長纖維組成，這些長纖維處于基質(zhì)之中，長纖維之間的親和力很小。但是竹子的纖維分外致密、堅(jiān)韌，具有強(qiáng)大的縱向抗拉、抗壓能力。但若鋼刀從它的端部猛力切入，縱向纖維間便會裂出一道楔形口，斷裂力學(xué)上稱為張開型裂紋或I型裂紋，在裂紋的尖端附近形成了一個強(qiáng)應(yīng)力場（應(yīng)力是單位面積上的內(nèi)力）。應(yīng)力在此處高度集中，因而此類張開型裂紋的破壞性最大；加以竹子長纖維間的親和力原本就小，楔裂處不但迅即破壞，且隨著鋼刀的不斷切入，加載速度提高，強(qiáng)應(yīng)力場隨之向前擴(kuò)展，竹纖維間微弱的親和力難以抵御迅速前移、高度集中了的強(qiáng)應(yīng)力，于是刀刃未及，竹子便自動開裂�？磥眄樦�纖維方向著力劈削，對竹子來說無疑是認(rèn)定了它的弱截面，才出現(xiàn)淋漓痛快的勢如破竹現(xiàn)象。出于“勢如破竹”這條成語，人們似乎認(rèn)為竹子耐力性差，只配做些竹籃竹筷之類的小東西了。殊不知換了一個方向，轉(zhuǎn)它個90度，情況便會有天淵

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之別：如果鋼刀從橫向朝竹筒猛砍下去，刀子不是彈跳回來便是刃鈍口缺，竹筒卻是巋然不動的，至多略損些皮毛而已。這是因?yàn)橹褡泳哂袃?yōu)化“復(fù)合材料”的表層，通體包裹著一層極為堅(jiān)硬、耐磨的青皮，俗稱“蔑青”。同一根竹筒，破竹之勢在此似乎再也不靈驗(yàn)了。竹子的橫向抗劈削能力是可以和一些有色金屬相媲美的。不言而喻，橫向截面是竹子抗劈削的強(qiáng)截面。于是在民間，對付竹子便因縱橫有異，縱向才用刀劈，而橫向呢，只得借重鋼鋸利齒的慢功夫了，兩者不能混淆。從力學(xué)觀點(diǎn)來推敲，“勢如破竹”這條成語仿佛就應(yīng)是勢如破直竹才對呀！只是大家沿用久了，說到破竹，往往只想著縱向的，人們習(xí)慣于循著竹子纖維生長的方向來看問題，這大概也算是一種順乎自然的心態(tài)吧。但若想利用竹子來制作構(gòu)件，最起碼也得了解這種材料縱、橫向抵抗破壞的能力，即淺近的力學(xué)知識，這就是被意大利杰出的科學(xué)家伽里略贊譽(yù)為“美麗而有用的科學(xué)”材料力學(xué)所研究的課題。伽里略一生對材料力學(xué)孜孜不倦的探索、鉆研，使他也成了這門學(xué)科當(dāng)之無愧的奠基人之一。《材料力學(xué)》是一門研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的科學(xué)。為了方便起見，一般就先假定好材料的各個方向都具有相同的力學(xué)性能，這在力學(xué)上稱為各向同性。工業(yè)上所用的鍛鋼、鑄鐵、紫銅、塑料等等許多人工材料與這一假定大致吻合。唯有竹子等天然材料例外，而竹子的縱、橫力學(xué)性能相差又過于懸殊，萬不能也認(rèn)為是“各向同性”了。果真有人難得糊涂若此，在工程上就要出問題了。但也只要明白并顧及此點(diǎn)，竹子就能馴服地為人類服務(wù)，而不至于耐不得力的。我們用竹子做成杠棒、扁擔(dān)、躺椅、竹床、精巧剔透的小竹樓乃至在小型混凝土預(yù)制件中替代鋼筋的位置都是范例。只要略作分析，我們就不難發(fā)現(xiàn)在這些構(gòu)件中，竹子所受到的要么是一種橫向載荷或是一種縱向的集結(jié)力，這些都是竹子的“強(qiáng)項(xiàng)”，而決不去選定竹子的弱截面，著力形成劈削。這就避開了它的弱勢，發(fā)揮了它的長處，因而是決無“勢如破竹”之虞的。

經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)告訴我們：竹子固有它自己的客觀特性，使用時要切實(shí)揚(yáng)長避短，方能物盡其用。細(xì)細(xì)想來，物盡其用固然如此，人盡其才，又何嘗不是如此呢。

混凝土的發(fā)展與力學(xué)

人們最早利用混凝土只不過把它當(dāng)作人造石材，但今日的混凝土已經(jīng)滲透到我們生活、生產(chǎn)的各個角落，那么，為什么混凝土能得到如此廣泛的應(yīng)用呢？首先是混凝土找到了一個很好的伴侶鋼材�；炷�土的膨脹系數(shù)與鋼材很接近，因此它可以與鋼材緊密結(jié)合起來。另一方面混凝土善于受壓，鋼材善于受拉，兩者結(jié)合起來作為梁來使用時正好能夠發(fā)揮彼此的長處。因?yàn)樵诹豪锟偸怯幸粋?cè)受壓另一側(cè)受拉的，而且它在受載過程中，要產(chǎn)生向下的彎曲變形，這必然使上邊的材料縮短，下邊的材料拉長，即總是上邊受壓下邊受拉。進(jìn)一步可以說：任何承受彎曲的構(gòu)件總是一邊受拉，一邊受壓，若把鋼筋放在受拉一邊，將混凝土放在受壓一邊，正好符合梁內(nèi)的受力分布，得到很好的效果。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的矛盾產(chǎn)生了，鋼材的耐拉能力隨著鋼材性能的改進(jìn)愈來愈高，可是它的彈性模量并沒有增加，彈性模量是反映材料每單位伸長所需要的力�，F(xiàn)在抗拉能力提高了，彈性模量沒有增加，說明鋼材在拉斷時比以前伸的更長了。粘結(jié)在鋼材旁邊的混凝土本來就怕受拉，現(xiàn)在必然會裂得更加厲害而使構(gòu)件無法正常使用。這就使能經(jīng)拉的鋼材，也就是高強(qiáng)鋼材無法在鋼筋混凝土構(gòu)件中采用。為了克服這一弱點(diǎn)，人們設(shè)法先將鋼筋拉緊，然后再在其四周澆筑混凝土，待混凝土凝固并與鋼筋產(chǎn)生粘結(jié)力以后再放松拉緊了的鋼筋。這時靠它們彼此間的粘結(jié)力使一部分預(yù)先拉緊鋼筋的力量傳到混凝土上，使在鋼筋周圍的混凝土受到預(yù)壓力，而處在與鋼筋相對一側(cè)的混凝土受到預(yù)拉力，整個梁好像受到反方向的彎曲而拱起，這種現(xiàn)象稱作反拱。反拱起來的梁、板在使用載荷下又重新彎回來。在相同的下垂變形條件下，

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經(jīng)反拱的梁、板當(dāng)然能承受更大的載荷，使其既不開裂也更不易破壞，這種被預(yù)先拉緊的鋼筋做成的構(gòu)件稱作預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。經(jīng)過進(jìn)一步探索，發(fā)現(xiàn)鋼筋預(yù)加應(yīng)力后在構(gòu)件內(nèi)呈直線狀態(tài)。因?yàn)橹灰�拉緊了，它就繃直了�？墒侵本�位置的鋼筋并不是最合宜的位置，于是開始探索曲線配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法。首先想到的是在混凝土中預(yù)留孔道，待混凝土硬化后再穿鋼筋，然后再張拉鋼筋，向孔道里澆注水泥漿，使鋼筋與混凝土間產(chǎn)生粘結(jié)力，形成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，這種構(gòu)件里的鋼筋允許有小量的彎曲。它稱作后張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，以便區(qū)別于前面先張拉鋼筋再澆注混凝土的先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

小量的彎曲還不能滿足人們的愿望，于是放棄了鋼筋與混凝土粘結(jié)的要求，將高強(qiáng)度鋼材用隔離劑與混凝土分割開，先將這種鋼筋按要求的曲線形狀放好后再澆混凝土，由于存在隔離劑，鋼筋可以在其中自由抽動，當(dāng)然也就可以張拉這種曲線配置的鋼筋了。張拉好以后再靠錨固技術(shù)將鋼筋在兩端錨固在混凝土上，中間仍保持無粘結(jié)狀態(tài)�？梢韵胂�，這種錨固技術(shù)要求相當(dāng)牢靠。只要錨固牢靠，它同樣起到了預(yù)加應(yīng)力的效果，這就是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。因?yàn)殇摻羁梢栽诨炷�土中自由抽動，它的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與一般有粘結(jié)力的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不同。人們沒有停止前進(jìn)的步伐，又進(jìn)一步將優(yōu)化理論應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上來。他們發(fā)并不是鋼筋預(yù)拉得越緊越好，而是有一個最優(yōu)的拉緊程度。這樣，當(dāng)解決了精確控制鋼筋張拉力的技術(shù)以后，人們研制出了所謂部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，這種構(gòu)件既能滿足承載能力、變形與開裂程度的要求，又處于最經(jīng)濟(jì)合理的狀態(tài)中。

第二章物理與生活4音樂中的物理知識

科學(xué)與藝術(shù)的關(guān)系在近幾年又被不少人重新提出來了。事實(shí)上它是一個一直被前人先哲們爭議不休的古老課題。自古至今，多少科學(xué)家、藝術(shù)家、哲學(xué)家對此發(fā)表過他們的真知灼見。隨著近代科學(xué)的發(fā)展，人類又重新認(rèn)識了科學(xué)與藝術(shù)之間不可分割的內(nèi)涵所在。當(dāng)前，科學(xué)與文化的發(fā)展，除了有各門學(xué)科各自的前沿以外，還有三個特點(diǎn)：一是各種門類學(xué)科，包括自然科學(xué)、社會科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、哲學(xué)和藝術(shù)等學(xué)科的交叉與滲透；二是作為主體的人和客觀世界的融匯和結(jié)合，人們越來越看到自身的價(jià)值；三是計(jì)算機(jī)的滲入。音樂就處在這三個特點(diǎn)的交匯處。以往以研究音樂的客觀基礎(chǔ)及樂器發(fā)聲為對象的科學(xué)音樂聲學(xué)，現(xiàn)在已涉及到物理學(xué)、音樂藝術(shù)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、美學(xué)等學(xué)科。因此，現(xiàn)代的音樂聲學(xué)已經(jīng)是一門與高科技結(jié)合的新的交叉學(xué)科。

一場音樂會中的物理問題

到現(xiàn)場去聽一場音樂會，這是一種文化，一種享受，也是一種感情的交流，還可以說是一種美的升華。然而你知道嗎？在音樂中還包含了許許多多的物理問題。

報(bào)幕員出來了，如果是一個不用擴(kuò)音設(shè)備的音樂廳，那他站的地方一定是舞臺正中偏前的位置，在這個位置上講話，全場聽起來最清晰，聲音也最響。北京中山公園音樂堂的舞臺干脆做成一個扇面，報(bào)幕員站在扇面的焦點(diǎn)上。音樂廳的聽眾大廳，有的做成長方形，有的是扇形。頂棚有的高，有的低。四邊的墻壁常常用木板做成“孔隔”、“窩狀”。這些都是通過聲音的反射來控制聲音的音質(zhì)及其在大廳內(nèi)的分布。還有，帷幕、座椅、頂板、墻壁、地毯等都有吸聲的問題。樂隊(duì)上來了，為什么第一小提琴、第二小提琴、中提琴、大提琴和大貝司之間有一定數(shù)量比例？為什么弦樂器與管樂器之間又有一定數(shù)量比例？所謂單管制、雙管制、三管制的管弦樂隊(duì)配置又意味著什么？樂隊(duì)在舞臺的位置如何？同一類樂器處在一起是為了什么等等。這里

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包括有音量問題和音色問題，即聲音的疊加和強(qiáng)弱的配比，而在強(qiáng)弱的比例中又還有音色的配比。各種樂器的發(fā)聲機(jī)理當(dāng)然是物理問題，不同的樂器有不同的音色，因此，樂器之間都有著傳統(tǒng)的“搭配”。樂器的分類方法最普遍的也是最科學(xué)的是按其發(fā)聲的物理機(jī)制分類。和聲、和弦、聲音的協(xié)和以及中國嗩吶的“不合群”等也是一種物理現(xiàn)象。而配器，也無非是各種音色、音量的搭配和穿插。你能同時聽到并分辨出不同樂器，這是由于聲波獨(dú)立傳播的性質(zhì)造成的。如果劇場用了擴(kuò)音器，或者是錄音設(shè)備，那么，舞臺上分布的、樂隊(duì)前擺放的、歌唱者手里的傳聲器，俗稱“麥克風(fēng)”，無論從其類別、

性能、放置位置、高度、相互間的距離等都是不同的。這些都是音樂電聲問題。音樂電聲問題還有音箱的類別、性能、個數(shù)、放置位置等。弄得不好，還會有反射聲與歌唱聲脫節(jié)，揚(yáng)聲器發(fā)出尖叫聲等。舞臺上現(xiàn)在有聲控的音樂燈光，也是靠聲音的強(qiáng)弱去控制的，這也是涉及到物理方面的問題。

音樂的物理內(nèi)容

既然我們明確了音樂是聲音的一種，現(xiàn)在，讓我們從學(xué)科的角度來看一看音樂的物理內(nèi)容。由于聲音是振動的傳播，因此，物理學(xué)就是音樂的自然科學(xué)基礎(chǔ)，音樂中包含著許多的物理內(nèi)容。音樂的產(chǎn)生，也就是音樂聲源，如弦振動、簧振動、膜板體振動、人的歌唱以及電振蕩等屬物理聲學(xué)問題。音樂在各種場合的傳播，涉及聲的反射、折射、繞射、吸收和隔聲等也是物理內(nèi)容。電聲音樂中的換能是把音樂的振動轉(zhuǎn)換成電的振動，然后進(jìn)行加工、控制，這是電學(xué)和聲學(xué)的換能，也包括信號處理、調(diào)制、放大等物理內(nèi)容。樂器制造實(shí)際上是一件發(fā)聲的物理儀器的制造，音樂的測量，包括頻率、強(qiáng)度、時間、頻譜、動態(tài)等都是物理測量，制造樂器的許多材料性能測量也都是物理測量。研究音樂性質(zhì)如音質(zhì)好壞、振動模式等，都是利用物理方法。音樂聲的心理、生理實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)際就是物理實(shí)驗(yàn)方法在音樂中的運(yùn)用。音樂研究離不開物理，但是，物理又不是音樂的唯一內(nèi)容，音樂聲學(xué)還要把物理和生理、心理因素結(jié)合起來，例如：音質(zhì)的好壞，除了客觀地用物理儀器測量以外，還要有主觀評價(jià)。要把主觀評價(jià)的客觀基礎(chǔ)與主觀感受聯(lián)系起來。因此，音樂要反映主體與客體的關(guān)系，這里也有審美問題。

人對音樂的感知大多是通過耳朵的。立體聲效果是建立在雙耳效應(yīng)的基礎(chǔ)上。耳朵的能分辨閾值，包括對音調(diào)的差別、聲強(qiáng)的差別、時值的低限等，都要與客觀的物理量結(jié)合起來考慮，這是音樂與生理的直接關(guān)系。還有，音樂反映人們的心理狀態(tài)，傳遞人與人之間的感情，這又是音樂與心理學(xué)的關(guān)系。

“聲聲慢”與“節(jié)節(jié)高”聲的傳播速度

當(dāng)你在校園里的某一處聽廣播喇叭里播的樂曲時，如果你能同時聽到兩個揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，有時你會聽到兩個聲音是一先一后的。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是你所在的位置與兩個揚(yáng)聲器的距離不同，而且相差較大，而聲音的傳播是有一定速度的緣故。

一位歌唱演員，有一次在劇場里演出時使用擴(kuò)音設(shè)備中揚(yáng)聲器里播放的伴奏帶作為伴奏音樂。她總是覺得自己的歌聲在往后拖，于是不斷地放慢速度“等”著，而結(jié)果是越拖越慢，成了“聲聲慢”，而砸了鍋。究其原因，是沒有在舞臺上放返送音箱，她聽到的是臺前向觀眾的揚(yáng)聲器中播出又從劇院后墻反射回來的伴奏音樂。由于聲的傳播有一定速度，當(dāng)然就比唱歌后拖一定時間，有個“時間差”。你等它，“時間差”依然存在，就越拖越慢了。就如我們先看到閃電，再聽到雷聲一樣，這說明聲音傳播的速度比光速小，并且是可以感覺到的。人們測定在空氣中傳播的聲速大約是每秒鐘340米左右，聲音在液體和固體中傳播的速度要比空氣中的傳播

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速度大。人們把耳朵貼在地上，可以比站著先聽到遠(yuǎn)處的馬蹄聲。聲音傳播的速度還與傳播介質(zhì)的溫度有關(guān)。介質(zhì)溫度越高，傳播速度越快。聲音隨著傳播介質(zhì)的溫度變化，這點(diǎn)在音樂表演中有很重要的影響。當(dāng)我們用嘴吹奏笛子、小號等管樂器時，特別是在冬天，會由于人的氣息給予的熱量而使管內(nèi)的空氣溫度升高。這樣，由于管樂器的音調(diào)與空氣中的聲速成正比，就會使樂器聲的頻率變高，成為“節(jié)節(jié)高”樂隊(duì)�；蛘呤构軜菲鞯穆曇襞c弦樂器等音調(diào)隨著溫度變化不大的樂器的聲音脫節(jié)，而為對不準(zhǔn)音的“多調(diào)樂隊(duì)”，這將會造成不堪設(shè)想的后果。

音樂與物理的關(guān)系有很多，如聲強(qiáng)、聲壓、聲能分布形成的聲場、音樂聲的傳遠(yuǎn)和衰減等等問題；如各種聲譜、旋律、節(jié)奏、立體聲等問題；如音樂聲波在各種介質(zhì)中的傳播，音樂聲波與溫度的關(guān)系等問題；如音樂聲的反射、吸收、獨(dú)立傳播等等。還有樂器本身是一種產(chǎn)生音樂聲的物理儀器，它的分類、材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、振動的模式、聲學(xué)參數(shù)、調(diào)試、維護(hù)、測量、表演等無不涉及物理問題，電聲樂器的發(fā)聲原理及調(diào)試加工、音響設(shè)備、音樂在廳室里的傳播、歌唱發(fā)聲的原理以及研究音樂的方法等，也都離不開物理。

5渦流及其應(yīng)用

渦流是“渦電流”的簡稱，也稱為“傅科電流”。它是這樣來描述的：當(dāng)大塊導(dǎo)體放在變化著的磁場中或相對于磁場運(yùn)動時，在這塊導(dǎo)體中也會出現(xiàn)感應(yīng)電流。由于導(dǎo)體內(nèi)部處處可以構(gòu)成回路，任意回路所包圍面積的磁通量都在變化，因此，這種電流在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，形成渦旋狀，故稱為渦電流，以“i渦”表示。

如果我們仔細(xì)觀察發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、和變壓器，就可以看到，它們的鐵心都不是整塊金屬，而是用許多薄的硅鋼片疊合而成。為什么這樣呢？原來，把塊裝金屬置于隨時間變化的磁場中或讓它在磁場中運(yùn)動時，金屬塊內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路，很像水的漩渦，因此叫做渦電流簡稱渦流。整塊金屬的電阻很小，所以渦流常常很強(qiáng)。如變壓器的鐵心，當(dāng)交變電流穿過導(dǎo)線，時穿過鐵心的磁通量不斷隨時間變化，它在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時也在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生渦流。這些渦流使鐵心大量發(fā)熱，引起較大的渦流損耗。渦流的熱效應(yīng)對變壓器和電機(jī)的運(yùn)行極為不利，首先，它會導(dǎo)致鐵心溫度升高，從而危及線圈絕緣材料的壽命，嚴(yán)重時可使絕緣材料當(dāng)即燒毀。其次，渦流發(fā)熱要損耗額外的能量（叫做“渦流損耗”），使變壓器和電機(jī)的效率降低。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。為減少渦流損耗，交流電機(jī)、電器中廣泛采用表面涂有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄硅鋼片疊壓制成的鐵心，這樣渦流被限制在狹窄的薄片之內(nèi)，磁通穿過薄片的狹窄截面時，這些回路中的凈電動勢較小，回路的長度較大，回路的電阻很大，渦流大為減弱。再由于這種薄片材料的電阻率大（硅鋼的渦流損失只有只有普通鋼的1/5至1/4），從而使渦流損失大大降低。渦流的熱效應(yīng)

在金屬圓柱體上繞一線圈，當(dāng)線圈中通入交變電流時，金屬圓柱體便處在交變磁場中。由于金屬導(dǎo)體的電阻很小，渦電流很大，所以熱效應(yīng)極為顯著，可以用于金屬材料的加熱和冶煉。利用渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的方法叫做感應(yīng)加熱，冶煉金屬用的高頻感應(yīng)爐就是感應(yīng)加熱的一個重要例子。當(dāng)線圈通入高頻交變電流時，在線圈中的坩堝里的被冶煉金屬內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)大的渦流，它所產(chǎn)生的熱量可使金屬很快熔化。這種冶煉方法的最大優(yōu)點(diǎn)之一，就是冶煉所需的熱量直接來自被冶煉金屬本身，因此可達(dá)極高的溫度并有快速和高效的特點(diǎn)。此外，這種冶煉方法易于控制溫度，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適于冶煉特種合金和特種鋼等。

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電磁爐（又名電磁灶）也是應(yīng)用渦流熱效應(yīng)的一個例子。它是無需明火或傳導(dǎo)式加熱的無火煮食廚具，完全區(qū)別于傳統(tǒng)所有的有火或無火傳導(dǎo)加熱廚具（爐具）。電磁爐作為廚具市場的一種新型灶具，它打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式采用磁場感應(yīng)電流（又稱為渦流）的加熱原理，電磁爐是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運(yùn)動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能（故：電磁爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的。具有升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)。

渦電流的機(jī)械效應(yīng)電磁阻尼即渦電流還可以起到阻尼作用。利用磁場對金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動阻尼器，例如磁電式電表中或電氣機(jī)車的電磁制動器中的阻尼裝置，就是應(yīng)用渦電流實(shí)現(xiàn)其阻尼作用的。

電磁驅(qū)動這是對"電磁阻尼作用起著阻礙相對運(yùn)動"的另一種形式的應(yīng)用。感應(yīng)式異步電動機(jī)就利用了這一基本原理。

渦流的磁效應(yīng)

把銅板做成的擺放到電磁鐵的磁場中，當(dāng)電磁鐵未通電時，擺要往復(fù)多次，擺才能停止下來．如果電磁鐵通電，磁場在擺動的銅板中產(chǎn)生渦流。渦流受磁場作用力的方向與擺動方向相反，因而增大了擺的阻尼，擺很快就能停止下來。這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。電磁儀表中的電磁阻尼器就是根據(jù)渦流磁效應(yīng)制做的，它可使儀表指針很快地穩(wěn)定在應(yīng)指示的位置上。此外，電氣機(jī)車的電磁制動器也是根據(jù)這一效應(yīng)制做的。

渦流檢測技術(shù)

電渦流檢測的工作是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理,通過線圈將變化的交流磁場引入導(dǎo)電材料，當(dāng)磁力線穿過被檢測的金屬零件時，將在零件內(nèi)部產(chǎn)生頻率范圍從500Hz到幾兆赫的微小電流，這種電流稱為渦流。對于由測頭線圈產(chǎn)生的初始電流而言，渦流是一種阻抗，它將產(chǎn)生與初始交流磁場方向相反的二次磁場。大多數(shù)電渦流檢測系統(tǒng)均采用單線圈測頭，測頭中的線圈既可產(chǎn)生電磁場，同時又可讀取自身電磁場的變化，這與雷達(dá)系統(tǒng)既可發(fā)射信號又可接收自身信號的原理類似，不同之處僅在于雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射和接收的是聲波或無線電波，而電渦流檢測系統(tǒng)發(fā)射和接收的是電能量信號。由于電渦流檢測原理的實(shí)質(zhì)是對材料導(dǎo)電率的檢測，因此電渦流檢測系統(tǒng)非常適合用于檢測非鐵磁體材料（如鋁）。隨著汽車制造業(yè)使用鋁合金零件越來越多，電渦流檢測技術(shù)也日益受到汽車制造商的青睞。電渦流檢測技術(shù)并非只能用于檢測鋁、奧氏體不銹鋼等非鐵磁體材料，它同樣也可用于檢測黑色金屬材料工件（如鑄鐵等），但檢測之前需要對儀器進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償此類材料較低的導(dǎo)電率。對于加工質(zhì)量未知的待檢測零件，由于熱處理狀態(tài)、材料成分、工件形狀等因素的影響，其金屬結(jié)構(gòu)可能與加工質(zhì)量優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)零件之間存在細(xì)微差異，用電渦流檢測儀器可以檢測出這種差異。此外，電渦流檢測系統(tǒng)還可以檢測出被加工表面以及表面以下部位的材料缺陷。為了保證測量的正確性和有效性，在進(jìn)行實(shí)際測量之前，必須根據(jù)輪廓尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)零件對檢測儀器進(jìn)行定標(biāo)置零，然后以標(biāo)準(zhǔn)零件為測量基準(zhǔn)對其它的未知零件進(jìn)行相對測量。檢測方式通常是將被測零件的電信號與標(biāo)準(zhǔn)零件的電信號直接進(jìn)行比較，如果其誤差超過了設(shè)定的公差范圍，則判定其不合格并將其剔除。因此，利用渦流原理

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可以解決金屬材料探傷、測厚、分選等問題。

6超聲波及其應(yīng)用

人耳最高只能感覺到大約201*0Hz的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波了。超聲波在媒

質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功，聲波功率就是表示聲波作功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比,而超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動的頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的，因而能量很大。超聲波的技術(shù)應(yīng)用概括起來主要是利用它能量大和沿直線傳播這兩個特點(diǎn)展開的。

超聲波技術(shù)的應(yīng)用

(1)超聲探傷、測厚、測距、醫(yī)學(xué)診斷和成像。我們知道聲波能夠繞過障礙物繼續(xù)傳播，但是，波長越短，這種衍射現(xiàn)象越不明顯，因此，超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射。如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉(zhuǎn)著向各個方向發(fā)射超聲波，超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫做聲納。聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度等。在工業(yè)生產(chǎn)中常常運(yùn)用超聲透射法對產(chǎn)品進(jìn)行無損探測,超聲波發(fā)生器發(fā)射出的超聲波能夠透過被檢測的樣品，被對面的接收器所接收，如果樣品內(nèi)部有缺陷，超聲波就會在缺陷處發(fā)生反射。這時，對面的接收器便收不到或者不能全部收到發(fā)生器發(fā)射出的超聲波信號。這樣，就可以在不損傷被檢測樣品的情況下，檢測出樣品內(nèi)部有無缺陷。在醫(yī)療診斷中則常采用回聲法：將弱超聲波透入人體內(nèi)部，當(dāng)超聲波遇到臟器的界面時，便發(fā)生反射和透射。透射入臟器內(nèi)部的超聲波，再遇到界面時還會再次發(fā)生反射和透射，超聲波接收器專門接收各次的反射波。醫(yī)務(wù)人員根據(jù)所收到的各次反射波的時間間隔和波的強(qiáng)弱，就能夠了解到臟器的大小、位置及其內(nèi)部的病變等,因?yàn)槿梭w各個內(nèi)臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能力也不一樣，我們平常說的“B超”就是根據(jù)內(nèi)臟反射的超聲波進(jìn)行造影，幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的病變。根據(jù)同樣的道理也可以用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土制品，甚至水庫大壩，檢查內(nèi)部是否有氣泡、空洞和裂紋。

(2)超聲處理。超聲處理主要是利用它的功率特性和空化作用，改變或者加速改變物質(zhì)的某些物理、化學(xué)、生物特性或狀態(tài),利用強(qiáng)超聲波進(jìn)行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脫氣、醫(yī)療、種子處理等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個部門。

空化作用當(dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。在我國北方干燥的冬季，利用空化作用把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度，這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達(dá)到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，

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能夠增進(jìn)療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎。在工業(yè)上可以利用超聲波對金屬零件、玻璃和陶瓷制品進(jìn)行除垢，如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動沖擊物品上的污垢，就能夠很快清洗干凈，既能免除了人工清洗的煩惱又節(jié)省了大量的時間,還可以利用強(qiáng)超聲波對鋼鐵、陶瓷、寶石、金剛石等堅(jiān)硬物體進(jìn)行鉆孔和切削加工。平時我們用錘子和鋼釬可以一下一下地將堅(jiān)硬的巖石打出洞來，超聲加工也是這個道理，利用緊壓在工件上的金屬變幅桿，當(dāng)繞在它上面的線圈中通過交變電流時，它便產(chǎn)生超聲振動而不斷地敲擊工件。變幅桿下端與工件之間放有金剛砂一類的高強(qiáng)度磨料,在桿的沖擊下，磨料的顆粒就像被錘子敲擊的鋼釬一樣鏨削著工件。雖然變幅桿的伸縮量很小(只有幾十微米)，每次的加工量很小，但由于超聲源的頻率很高，每秒鐘振動在201*0次以上，所以工件被“蠶食”的速度是很快的。變幅桿底端的形狀是什么樣，加工出的工件形狀也是什么樣。所以，利用超聲波可以加工出形狀復(fù)雜的零件，而且加工的精度和光潔度也都很高。

超聲波技術(shù)的發(fā)展

很多動物都有完善的發(fā)射和接收超聲波的器官。以昆蟲為食的編幅，視覺很差，飛行中不斷發(fā)出超聲波的脈沖，依靠昆蟲身體的反射波來發(fā)現(xiàn)食物。海豚也有完善的“聲納”系統(tǒng)，使它能在混濁的水中準(zhǔn)確地確定遠(yuǎn)處小魚的位置�，F(xiàn)代的無線電定位器雷達(dá)，質(zhì)量有幾十、幾百、幾千千克，蝙蝠的超聲定位系統(tǒng)只有幾分之一克，而在一些重要性能上，如確定目標(biāo)方位的精確度、抗干擾的能力等都遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)代的無線電定位器。深入研究動物身上各種器官的功能和構(gòu)造，將獲得的知識用來改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備和創(chuàng)制新的設(shè)備，這是近幾十年來發(fā)展起來的一門新學(xué)科，叫做仿生學(xué)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)的應(yīng)用一定越來越廣泛，希望同學(xué)們通過努力的學(xué)習(xí)，將來有更多的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，為社會的發(fā)展和進(jìn)步做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

7移動通信技術(shù)的發(fā)展

說起通信技術(shù)，大家都不感到陌生，現(xiàn)代的通信技術(shù)不但可以聽到千里之外的聲音，還可以看到千里之外的人和事。這大大拉近了人與人之間的感情，大大縮短了地域之間的距離。但你可知道，人類為了移動通訊技術(shù)的發(fā)展而付出的大量的心血。

古代的通信

開始，人們向遠(yuǎn)處喊話時，為了把聲音傳得更遠(yuǎn)，常常用手圍成喇叭形狀，放在嘴前。這樣雖然可以使聲音傳得遠(yuǎn)些，但是，最遠(yuǎn)也只有一二百米。后來人們發(fā)現(xiàn)，鼓的聲音渾厚有力，可以傳得很遠(yuǎn)，即使在七八里外也可以聽見。于是，人們編出“擊鼓語匯”，用多種多樣的鼓點(diǎn)來表達(dá)各種不同的意思。一個鼓手敲鼓時，鄰近的鼓手們便一個接一個地重復(fù)著相同的鼓聲，這樣，一個信號站、一個信號站地傳下去，這種設(shè)置接力站傳遞信息的方式，為現(xiàn)代的微波中繼通信提供了雛形。我國早在周朝，就是公元前1000年左右，就發(fā)明了類似的通信方式，并且傳遞速度比鼓聲傳遞還快。這就是所謂“火光電報(bào)”烽火通信。，每當(dāng)一個臺“報(bào)警”，鄰近的臺看見之后，馬上也放烽火，一臺接一臺把消息迅速傳到遠(yuǎn)處。在沒有烽火臺的地方，信息便以書信的方式傳送。送信人乘車或騎馬，每經(jīng)一段路設(shè)立一個驛站，像現(xiàn)在的郵局一樣。送信的人，身騎快馬，晝夜兼程，用最快的速度傳送信件，用這樣的辦法，一天可走300里。

現(xiàn)代的移動通信

我們所說的移動通信，就是指電話機(jī)、尋呼機(jī)、傳真機(jī)等在移動過程中的使用。它們可以在奔馳的汽車?yán)�、火車上，在水中的船舶和空中的飛機(jī)里使用。他們通過無線電波來傳遞聲音、文字、圖像等信號來實(shí)現(xiàn)通信的目的。

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移動電話是多種多樣、五花八門的。有神奇的“大哥大”，有無繩電話、尋呼找人的BP機(jī)、便攜式傳真機(jī)，還有汽車電話、船舶電話和航空電話等。這么多移動通信設(shè)備，各有各的用處，各有各的特點(diǎn)，真是八仙過海，各顯神通。

“大哥大”

“大哥大”是一種移動通信工具，不管是在天空還是地上，走著還是跑著，只要手里有個電話機(jī)，只要是在無線電波能夠到達(dá)的地方，電話就可以打通了。

用“大哥大”打電話，在使用方法上與普通電話完全一樣。按一下“大哥大”上的一個按鈕，電話就處于普通電話拿起聽筒的狀態(tài)，“大哥大”里的小發(fā)射機(jī)就把信號用無線電波發(fā)射出去了。撥號時，“大哥大”的發(fā)射機(jī)將撥號的脈沖變成無線電波，發(fā)往基地，基臺又與移動電話交換局聯(lián)系。如果你所要的電話是個有線用戶，移動局就會接通有線局的中繼線，詢問有線電話局有沒有空閑的線路，若有，發(fā)送振鈴信號，對方電話鈴響。。當(dāng)移動電話從一個無線電服務(wù)小區(qū)進(jìn)入另一個小區(qū)時，移動電話交換機(jī)會自動命令通話中的移動臺改換頻道，以便馬上與第二個小區(qū)的基臺聯(lián)系。如果某個地區(qū)的移動用戶突然大大增加如同馬路上車輛阻塞一樣，電話總是“占線”，誰也打不通。這種情況下，移動電話交換機(jī)就進(jìn)行自動控制，臨時調(diào)用鄰近基臺的無線頻道以保證這一地區(qū)移動電話的正常使用�，F(xiàn)在大家用的手機(jī)就是由“大哥大”逐漸發(fā)展不斷改進(jìn)而形成的。

無繩電話

無繩電話它的主機(jī)與電話線相接，和普通的有線電話一樣，而副機(jī)卻可以隨身攜帶。無繩話機(jī)的機(jī)身相當(dāng)于移動電話中的基臺，一般放在固定地點(diǎn)，與電話線相連。當(dāng)手機(jī)與機(jī)身放在一起時，手機(jī)內(nèi)部的蓄電池接受機(jī)身送來的電流進(jìn)行充電，這時整個無繩電話與普通電話沒有兩樣。一旦手機(jī)從機(jī)身上取下，它們雙方內(nèi)部收發(fā)信機(jī)就自動開始工作。第一代無繩電話，每個主機(jī)只有一部手機(jī)，只有一個固定的頻率，持手機(jī)的人，只能向外撥電話，不能接電話，而且使用的是模擬無線電信號，話音質(zhì)量很差。它還有一個大缺點(diǎn)：如果隔壁的鄰居也有一部無繩電話，使用相同的頻率，那么你的隱私就能被人聽到�，F(xiàn)在的無繩電話已經(jīng)大大改進(jìn)了。機(jī)身和手機(jī)之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，這樣就可以進(jìn)行話音加密，防止竊聽；一部機(jī)身還可以跟好幾部手機(jī)進(jìn)行通話；不光能夠打出，而且還能夠打入。它還備有好幾個信道，不會因鄰居家的無繩電話占用了頻道而影響你的使用

BP機(jī)

BP機(jī)實(shí)際上是一種無線尋呼機(jī)只能接收無線電信號，不能發(fā)送信號，所以是單方向的移動通信工具。普通型的數(shù)字尋呼機(jī)，外型小巧，比一包香煙還小，可以方便地放在衣袋中或者別在腰間。一旦收到尋呼信號，它會發(fā)出幾聲輕微的“B，B”聲，提醒人注意。為了不干擾別人，也可以關(guān)上聲音開關(guān)，尋呼機(jī)只是發(fā)出一陣陣機(jī)械振動，就像按摩器那樣的輕微顫動，只有攜帶者本人才能感覺得到。尋呼機(jī)收到信號后，液晶屏幕上會顯示出一些阿拉伯?dāng)?shù)字和英文字符，它們表示電話號碼和簡短話語。顯示英文字符，使中國人用起來不方便，于是又有了漢字顯示BP機(jī)。這種BP機(jī)不但能顯示電話號碼，同時也可傳輸簡單信息。

汽車電話與船舶電話

汽車電話就是把無線電話安裝在汽車上，人們就可以充分利用路途中的時間進(jìn)行通信聯(lián)系。汽車電話上有一個小型控制器，上面有撥號鍵和開關(guān)，還有一個送受話器�？刂破魍ǔＴ谒緳C(jī)室內(nèi)，與儀表、收音機(jī)等裝在一起，收發(fā)信機(jī)安放在座位下面，不會妨礙乘客的活動，天線裝在車頂。使用汽車電話，和使用普電話一樣，十分方便。船舶電話和汽車電話一樣，是把

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無線電話安裝在船上，沿岸設(shè)立基地臺，使無線電波覆蓋沿海海面。為了增大船、岸之間的通信距離，一般將基地臺安裝在地形最高的地方。如果船上的海員想與家人通電話，船舶電話就把電波發(fā)射到基地臺，經(jīng)中繼線傳至陸地有線電話局，電話局的線路把家里的電話接通。

航空電話

飛機(jī)上的無線通信，最早始于第一次世界大戰(zhàn)。飛機(jī)在空中激戰(zhàn)，飛行員要時時刻刻與戰(zhàn)友保持聯(lián)系，協(xié)同作戰(zhàn)，還要和地面指揮員聯(lián)系，接受命令，可以說是戰(zhàn)爭促進(jìn)了空中無線通信技術(shù)的發(fā)展。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，航空公司在一些大型客機(jī)上安裝了空對地航空電話這些航空電話與各城市的電話網(wǎng)相聯(lián)，旅客只要將信用卡插入電話機(jī)中，直撥對方的電話號碼，就可以和地面通信，使用起來跟打普通電話一樣。近年來，一些航空公司還向乘客提供了全球衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。乘飛機(jī)的旅客可以在飛機(jī)上使用無線電話與地面上的國際電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并且可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信。

21世紀(jì)的通信

由于微機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路、程控交換技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，移動通信正步入了ISDN時代。ISDN是一種能夠提供各種通信服務(wù)的，全世界范圍的公用通信網(wǎng)。也就是說，人們可以在ISDN網(wǎng)中進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、圖文傳真、電視圖像等各種通信。

8磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用----磁懸浮列車

磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)組成的新型交通工具，簡單地說，排斥力使列車懸起來、吸引力讓列車開動。磁懸浮列車分為超導(dǎo)型和常導(dǎo)型兩大類。常導(dǎo)型也稱常導(dǎo)磁吸型，以德國高速常導(dǎo)磁浮列車transrapid為代表，它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右。常導(dǎo)型高速磁懸浮列車的速度可達(dá)每小時400-500公里。而超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型，以日本MAGLEV為代表。它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，列車運(yùn)行時與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時500公里以上。這兩種磁懸浮列車各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，德國青睞前者，集中精力研制常導(dǎo)高速磁懸浮技術(shù);而日本則看好后者，全力投入高速超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)之中。簡單地說，從內(nèi)部技術(shù)而言，兩者在系統(tǒng)上存在著是利用磁斥力、還是利用磁吸力的區(qū)別。從外部表象而言，兩者存在著速度上的區(qū)別：超導(dǎo)型磁懸浮列車最高時速可達(dá)500公里以上（高速輪軌列車的最高時速一般為300350公里），在1000至1500公里的距離內(nèi)堪與航空競爭；而常導(dǎo)型磁懸浮列車時速為400--500公里，它的中低速則比較適合于城市間的長距離快速運(yùn)輸。

常導(dǎo)型磁懸浮列車常導(dǎo)型也稱常導(dǎo)磁吸型，它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較小。常導(dǎo)磁懸浮列車工作時，首先調(diào)整車輛下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道兩側(cè)的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側(cè)向距離，實(shí)現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導(dǎo)向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調(diào)整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車運(yùn)行速度無關(guān)，所以即使在停車狀態(tài)下列車仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。

常導(dǎo)磁懸浮列車的驅(qū)動運(yùn)用同步直線電動機(jī)的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就象是同步直線電動機(jī)的勵磁線圈，地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動磁場驅(qū)動繞組起到電樞的作用，它就

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象同步直線電動機(jī)的長定子繞組。從電動機(jī)的工作原理可以知道，當(dāng)作為定子的電樞線圈有電時，由于電磁感應(yīng)而推動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。同樣，當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的驅(qū)動繞組提供三相調(diào)頻調(diào)幅電力時，由于電磁感應(yīng)作用承載系統(tǒng)連同列車一起就象電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”一樣被推動做直線運(yùn)動。從而在懸浮狀態(tài)下，列車可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的牽引和制動。

超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤�具有的完全�?dǎo)電性和完全抗磁性。超導(dǎo)磁鐵是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無法比擬的強(qiáng)大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強(qiáng)大的電磁鐵。

超導(dǎo)磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)，車輛上的感應(yīng)動力集成設(shè)備由動力集成繞組、感應(yīng)動力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時，就會產(chǎn)生一個移動的電磁場，因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波，這時列車上的車載超導(dǎo)磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車前進(jìn)。其原理就象沖浪運(yùn)動一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動他快速前進(jìn)的。與沖浪者所面對的難題相同，超導(dǎo)磁懸浮列車要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動電磁波的頂峰運(yùn)動的問題。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測儀傳來的信息調(diào)整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運(yùn)行。

超導(dǎo)磁懸浮列車也是由沿線分布的變電所向地面導(dǎo)軌兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供三相交流電，并與列車下面的動力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)非接觸性牽引和制動。但地面導(dǎo)軌兩側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組與外部動力電源無關(guān)，當(dāng)列車接近該繞組時，列車超導(dǎo)磁鐵的強(qiáng)電磁感應(yīng)作用將自動地在地面繞組中感生電流，因此在其感應(yīng)電流和超導(dǎo)磁鐵之間產(chǎn)生了電磁力，從而將列車懸起，并經(jīng)精密傳感器檢測軌道與列車之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時，與懸浮繞組呈電氣連接的導(dǎo)向繞組也將產(chǎn)生電磁導(dǎo)向力，保證了列車在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。

磁懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)

磁懸浮列車快速、低耗、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、無污染：常導(dǎo)磁懸浮列車可達(dá)400至500公里／小時，超導(dǎo)磁懸浮列車可達(dá)500至600公里／小時。它的高速度使其在1000至1500公里之間的旅行距離中比乘坐飛機(jī)更優(yōu)越。運(yùn)行成本和能耗低是它的又一優(yōu)點(diǎn)。由于沒有輪子、無磨擦等因素，它比目前最先進(jìn)的高速火車省電30%。在500公里／小時速度下，每座位／公里的能耗僅為飛機(jī)的1／3至1／2，比汽車也少耗能30%。因無輪軌接觸，震動小、舒適性好，對車輛和路軌的維修費(fèi)用也大大減少。磁懸浮列車交通有利于保護(hù)環(huán)境。它在運(yùn)行時不與軌道發(fā)生磨擦，且爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小，所以發(fā)出的噪音很低(只有當(dāng)時速達(dá)到200公里以上時，才會產(chǎn)生與空氣磨擦的輕微噪音)。它的磁場強(qiáng)度非常低，與地球磁場相當(dāng)，遠(yuǎn)低于家用電器。由于采用電力驅(qū)動，避免了燒煤燒油給沿途帶來的污染。磁懸浮列車的爬坡能力為10%，而一般鐵路的最高坡度只有4%。磁懸浮列車一般以4.5米以上的高架通過平地或翻越山丘，從而避免了開山挖溝對生態(tài)環(huán)境造成的破壞。磁懸浮列車在路軌上運(yùn)行，按飛機(jī)的防火標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行配置。它的車廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊，將路軌緊緊摟住，絕對不可能出軌。列車運(yùn)行的動力來自固定在路軌兩側(cè)的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強(qiáng)度相同，不可能出現(xiàn)幾輛列車速度不同或相向而動的現(xiàn)象，從而排除了列車追尾或相撞的可能。列車的整個安全系統(tǒng)可以相互檢測，

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自動替補(bǔ)，這在其它交通工具是不具備的，因而它是一種高安全度的交通工具。

我國磁懸浮列車的發(fā)展

201*年8月14日，我國首輛磁懸浮客車在長春客車廠下線，這標(biāo)志著我國繼德國和日本之后，成為第三個掌握磁懸浮客車技術(shù)的國家。目前，我國自主研發(fā)的滬杭磁懸浮線全程175公里，該工程的建造仍在論證之中。

第三章激光

9激光的形成與發(fā)展

自從六十年代初發(fā)明激光器和觀察到激光現(xiàn)象以來，激光原理、技術(shù)、應(yīng)用等都獲得蓬勃的發(fā)展。對基礎(chǔ)科學(xué)、生命科學(xué)、信息科技、軍事技術(shù)、能源技術(shù)，先進(jìn)制造機(jī)器，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都已起著很大影響，預(yù)期對二十一世紀(jì)的科學(xué)與技術(shù)，國民經(jīng)濟(jì)與國防的發(fā)展，都將發(fā)揮越來愈重要的作用。

歷史回顧

激光器的發(fā)明是與物理學(xué)長期基礎(chǔ)研究的積累與技術(shù)的進(jìn)步分不開的，至少可追朔到過去的５０年。首先十九世紀(jì)末引起物理學(xué)觀念的革命，1900年德國物理學(xué)家普郎克，最先提出輻射的能量是量子化的概念，解釋了黑體輻射的能量分布與光波波長的關(guān)系。以后如光電效應(yīng)等一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了光的量子論的觀念，1913年丹麥物理學(xué)玻爾最早用量子論的觀念于原子結(jié)構(gòu)的研究，建立起原子中電子運(yùn)動狀態(tài)的變化與光輻射的聯(lián)系，1917年愛因斯坦進(jìn)而闡述輻射的量子模型時指出，原子中吸收光子只有一個過程，而原子電子發(fā)射光子存在兩個過程，即自發(fā)發(fā)射與受激發(fā)射，這是首次被理論預(yù)言光源發(fā)射光子可能被感生輻射或稱受激發(fā)射，并且指出受激輻射的光子與人射的光子具有相同頻率，相同位相，相同偏振，相同傳播方向等特性。但對通常光源在通常發(fā)光時溫度處于平衡態(tài)下受激輻射是無法觀察到的。因之以后多人在研究觀察受激輻射，引入負(fù)溫度、負(fù)吸收等概念，直至1955年由美國科學(xué)家唐斯等與蘇聯(lián)科學(xué)家普羅霍洛夫等，首次提出三能級模型理論，同年實(shí)現(xiàn)了氨分子微波激射器。后來于1958年美國的唐斯與蕭洛，前蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫、普羅霍洛夫分別提出在紅外及可見光波段實(shí)現(xiàn)量子放大器的理論。終于1960年首次被美國的梅曼用紅寶石作工作介質(zhì)，用脈沖氙燈作光泵，發(fā)明紅寶石激光器及觀察到激光現(xiàn)象，很快在許多國家的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)了該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)

激光發(fā)射過程中輻射的吸收與發(fā)射

眾所周知，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子是由帶正電的核與繞核運(yùn)動的電子所構(gòu)成。在微觀世界中電子繞核運(yùn)動能量不能有任意值，只能取某些固定值，為了表達(dá)電子的能量狀態(tài)，通常用符號E來表示，在一般條件下，電子都處于原子中最低態(tài)的能量值，稱為基態(tài)EO，當(dāng)電子離開基態(tài)至能量提升狀態(tài)時稱為激發(fā)態(tài)（Ee），電子由基態(tài)至激發(fā)態(tài)，或由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，一般伴隨有電磁輻射過程，這些輻射可以是可見光、紅外線，或紫外線，依賴于二態(tài)之間的能量差。與電磁波頻率相應(yīng)的光子能量值為：

hvE2E1

其中E2、E1表示二能級的能量值，v為電磁輻射頻率，h為固定值，稱為普郎克常數(shù)，其值為

346.625610焦耳秒h

光子是輻射能量的最小單位，一般講來只有正好符合二能級差的光子才能引起光子與電子間的相互作用，產(chǎn)生電子在不同能級間的躍遷。這些作用過程可分為三種，可用圖１加以說明。

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圖中A21,B12,B21代表躍遷機(jī)率系數(shù)，其中有B12B21,A21/B218hvc,A21為自發(fā)躍遷機(jī)率，B21為受激躍遷機(jī)率，B12為吸收機(jī)率。在外場作用下，若外場光場強(qiáng)度為，則總吸收機(jī)

33率與發(fā)射機(jī)率為：吸收=N1B12N1B12nhv,n為光子密度，發(fā)射=N2B21N2A21，其中N2、N1為上下能級的粒子數(shù)濃度。在平衡條件下N2、N1的比例符合波茲曼分布，即N2/N1＝ex[(E2E1)/kT]。其中k為波茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。

激光的輸出特性與應(yīng)用

激光器這一新型光源射出的激光與普通光源發(fā)射的光纜有很大的不同，可以概括為方向性好，可以用于人造衛(wèi)星測距、大壩安裝準(zhǔn)直、建筑物的準(zhǔn)直、礦山開挖的自動跟蹤、定向等，這是激光與通常光源的最直觀的不同；相干性單色性好，激光的相干性常用于距離測量，全息技術(shù)及廣泛的一類計(jì)量領(lǐng)域；高亮度能量大因而可聚焦激光束能對金屬鋼板切割、打孔、焊接、合金化、表面熱處理，在最硬的材料，如鉆石上鉆孔，對機(jī)體做手術(shù)，使原子、分子瞬間離化、分離等。

五彩繽紛的激光家族

從第一臺紅寶石激光器發(fā)明以來，激光器的種類已進(jìn)人百花齊放的時代，甚至有人認(rèn)為，所有物質(zhì)都可能做成激光介質(zhì)，構(gòu)成激光器，無論固體、液體、氣體、等離子體、半導(dǎo)體，又無論無機(jī)材料、有機(jī)材料、聚合物、染料等都可用作工作介質(zhì)。從運(yùn)作的時間分類有連續(xù)、脈沖、Ｑ調(diào)制、重復(fù)脈沖、短脈沖，超短脈沖器件，脈沖的時序已可控制，由鎖模，至脈壓縮等技術(shù)應(yīng)用，超短脈沖已達(dá)皮秒(10－2秒)及飛秒（１飛秒=10－15秒）領(lǐng)域，最短的脈沖記錄已達(dá)４.５飛秒脈寬，只包括幾個光波波長。以功率分類：有小功率，中等功率，大功率，超高功率器件，當(dāng)前最大功率的器件，連續(xù)輸出超過一百萬瓦，單脈沖輸出大于幾十萬焦耳。用光波波長分類，可分為遠(yuǎn)紅外、紅外、近紅外、可見、紫外、遠(yuǎn)紫外、軟Ｘ射線。Ｘ射線激光器也能運(yùn)轉(zhuǎn)，其波長幾乎覆蓋了電磁波的整個波段。此外又可分為單頻、穩(wěn)頻、選頻、調(diào)頻、多彼長、多色，直至白光激光器。激光束的質(zhì)量，即模式也是重要因子，模是電磁場在空間組成的穩(wěn)定花樣，一種模式對應(yīng)于一種花樣，�？煞譃闄M模、縱模、單模、多模、選模、鎖模器件等等，激光腔的結(jié)構(gòu)不同，調(diào)整略有差別，模式則有變化。因?yàn)榧す馄鞴鈱W(xué)諧振腔的長度遠(yuǎn)大于光波波長，所以是一種多模式的光學(xué)諧振腔。此外，激光器的激勵方式，由于其能量供給方式不同，又可分為光泵、放電激光器、電子束泵；氣體動力激勵、化學(xué)反應(yīng)激光器、量子阱激光器、自由電子激光器等等。

激光發(fā)展的方向在二十一世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)時代，激光對高科技的影響也將是與日俱增，估計(jì)二十一世紀(jì)激光對高科技的作用將在：（１）生命科學(xué)，其中包括激光醫(yī)學(xué)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用，（2）能源科學(xué)，其中包括同位素分離。受控核反應(yīng)發(fā)電、太陽能利用中發(fā)揮作用，（3）信息科技，尤其在光纖通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)中發(fā)揮作用，（４）先進(jìn)武器系統(tǒng)，包括戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略武器系統(tǒng)的兩個方面，（５）先進(jìn)制造機(jī)器、未來工業(yè)系統(tǒng)，將包括光、機(jī)、電、算、材的綜合自動控制、智能化、靈巧機(jī)器中起關(guān)鍵技術(shù)作用。此外對各學(xué)科中滲透也會廣泛發(fā)生影響。

10激光技術(shù)與材料加工

激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，現(xiàn)在已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時間控制性

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很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。

激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對高熔點(diǎn)、高反射率、高導(dǎo)熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻后成為一塊連續(xù)的固體結(jié)構(gòu)。激光在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是有局限和缺點(diǎn)的，比如用激光來切割食物和膠合板就不成功，食物被切開的同時也被灼燒了，而切割膠合板在經(jīng)濟(jì)上還遠(yuǎn)不合算。

激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。在激光出現(xiàn)之前，只能用硬度較大的物質(zhì)在硬度較小的物質(zhì)上打孔。這樣要在硬度最大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現(xiàn)后，這一類的操作既快又安全。但是，激光鉆出的孔是圓錐形的，而不是機(jī)械鉆孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的。

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。

激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測量和去重兩大功能，可同時進(jìn)行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對于高精度轉(zhuǎn)子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。

激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可加工0.125--1微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。

激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進(jìn)行自動精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%--0.002%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻(0.01--0.6微米厚)與厚膜電阻(20--50微米厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。

激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高(線寬為15--25微米，槽深為5--200微米)，加工速度快(可達(dá)200毫米/秒)，成品率可達(dá)99.5%以上。激光清洗技術(shù)的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。

激光熱、表處理技術(shù)包括：激光相變硬化技術(shù)、激光包覆技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)、激

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光退火技術(shù)、激光沖擊硬化技術(shù)、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)、激光上釉技術(shù)，這些技術(shù)對改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝,效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后,雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%--99%,可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/2--1/3,還可大大提高集成電路的集成度,使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度,速度比無激光照射快1000倍,對微型開關(guān)、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大意義。使用該技術(shù)可使電鍍層的牢固度提高100--1000倍。激光上釉技術(shù)對于材料改性很有發(fā)展前途,其成本低,容易控制和復(fù)制,有利于發(fā)展新材料。激光上釉結(jié)合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術(shù),在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。電子材料、電磁材料和其它電氣材料經(jīng)激光上釉后用于測量儀表極為理想。

激光在電子工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。可以用它來進(jìn)行微型儀器的精密加工，可以對脆弱易碎的半導(dǎo)體材料進(jìn)行精細(xì)的劃片，也可以用來調(diào)整微型電阻的阻值。隨著激光器性能的改善和新型激光器的出現(xiàn)，激光在超大規(guī)模集成電路方面的應(yīng)用已經(jīng)成為許多其他工藝所無法取代的關(guān)鍵性技藝，為超大規(guī)模集成電路的發(fā)展展現(xiàn)出令人鼓舞的前景。

激光技術(shù)是高科技的產(chǎn)物，其產(chǎn)生又推動了科學(xué)研究的深入發(fā)展，并開拓出許多新的學(xué)科領(lǐng)域，如非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光生物學(xué)等。激光被用來研究與生命密切相關(guān)的光合作用、血紅蛋白、DNA等的機(jī)制。激光還將成為時間和長度的新標(biāo)準(zhǔn)，以后任何高精度的鐘表和米尺都可以用某一特定波長的激光束來標(biāo)定。

激光在核能應(yīng)用上也將大顯身手。樂觀的專家們估計(jì)，到2020年強(qiáng)大的激光會產(chǎn)生安全經(jīng)濟(jì)的熱核聚變，這類似恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過程。如果實(shí)現(xiàn)，熱核聚變將帶來巨大無比的社會和經(jīng)濟(jì)效益，能源危機(jī)亦將不復(fù)存在。到那時，一桶水中的氫聚變后所產(chǎn)生的電力足夠一個城市使用。

目前，激光技術(shù)已經(jīng)融入我們的日常生活之中了。在未來的歲月中，激光會帶給我們更多的奇跡。

11激光全息圖像技術(shù)在防偽包裝的應(yīng)用

全息技術(shù)也稱"全息攝影"。一種可把被攝物反射的光波中的全部信息記錄下來的新型照相技術(shù)。1948年英籍匈牙利科學(xué)家加博爾提出并證實(shí)了全息照相原理。1960年發(fā)現(xiàn)激光，提供了良好的相干光源使全息照相獲得飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,1971年，加博爾為此獲諾貝爾物理學(xué)獎。

隨著偽劣假冒產(chǎn)品的增多，激光全息圖像技術(shù)在防偽包裝的應(yīng)用也越來越多，收到較好的防偽效果。

防偽包裝是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，每一個環(huán)節(jié)都可能成為不法之徒進(jìn)攻的目標(biāo)。全息圖像防商標(biāo)屢被假冒是不爭的事實(shí)，因而一部分業(yè)內(nèi)人士紛紛推出了技術(shù)含量更高的激光全息圖像技術(shù)，改進(jìn)防偽商標(biāo)的制作過程及工藝，努力提高激光全息圖像防偽商標(biāo)的防偽能力。但影響激光全息商標(biāo)防偽性能的因素還有商標(biāo)的種類及商標(biāo)的使用位置，不同種類的激光全息圖像防偽商標(biāo)具有不同的防偽效果，即使是同類的防偽商標(biāo)因?yàn)槭褂梦恢貌煌�，防偽效果也存在著明顯的差別。

激光全息圖像防偽商標(biāo)的種類

1、不干膠型

不干膠型激光全息圖像防偽商標(biāo)使用非常方便，對貼標(biāo)機(jī)械的適應(yīng)性較好，由于不同涂抹

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膠水及其它膠粘劑，所以在生產(chǎn)線上使用不會出現(xiàn)污漬，尤其用于較高檔發(fā)的包裝，效果更為明顯。這種商標(biāo)目前用量也最大。但它有一個致命的缺點(diǎn)是可以反復(fù)使用，從下位置揭下后可以被完整地粘到另一個位置上，使一些不法之徒可以利用舊的包裝及商標(biāo)制假，因而影響了防偽效果。從防偽的角度考慮，該類商標(biāo)不宜作為防偽商標(biāo)使用。2、防揭型

防揭型激光全息圖像防商標(biāo)的開發(fā)彌補(bǔ)了不干膠型激光全息圖像防偽商標(biāo)的缺陷，它只能一次性使且，當(dāng)從包裝上揭下來時，其上的圖像已面目全非，不能再次使用。目前許多企業(yè)已在開發(fā)防揭型激光全息圖像防偽商標(biāo)，這種商標(biāo)是包裝領(lǐng)域最有發(fā)展前途的一種防偽商標(biāo)。3、燙印型

燙印型激光全息圖像防偽標(biāo)識是一處根本不能揭下來的激光防偽商標(biāo)，它能夠被牢固完整地粘到被包裝件上，與被包裝件形成一體。如果能夠合理地選擇粘合的位置，其防偽效果會優(yōu)于上面兩種類型的防偽效果。

提高激光全息圖像防偽商標(biāo)防偽能力的做法

1、聯(lián)機(jī)制作是防止盜用防偽商標(biāo)的一種好方法

如果能過改進(jìn)機(jī)械或研制新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在商品包裝生產(chǎn)線上直接聯(lián)機(jī)印刷封貼，那么大部分制假者都會因無力購買價(jià)格昂貴的大型生產(chǎn)線而放棄制假的行為。從目前的技術(shù)情況來看，聯(lián)機(jī)制作尚在一些困難，主要是設(shè)備的問題，如果有了合適的設(shè)備，聯(lián)機(jī)制作有可能實(shí)現(xiàn)的的。從全息標(biāo)識的制作工藝來看，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)制作也是有可能的，而從激光全息標(biāo)識的類型來說，燙印型激光全息標(biāo)識是最符合聯(lián)機(jī)生產(chǎn)要求的防偽全息標(biāo)識。2、加密型激光全息圖像防偽商標(biāo)

對激光全息圖像防偽商標(biāo)進(jìn)行加密可行極大地增強(qiáng)防偽效果。目前使用的加密方法主要有圖像模糊處理法，莫爾條紋法，讎氏變換頻譜法，密碼法等。這些加密方法的使用，極大地提高了激光全息圖像防偽商標(biāo)的技術(shù)含量，其中有引起加密方法具有極高的不可識別性，能很好地達(dá)到防偽的目的。3、與其它防偽手段相結(jié)合

目前都是在包裝上單獨(dú)作用激光全息商標(biāo)進(jìn)行防偽，其技術(shù)含量隨著時間的推移而逐步降低，防偽能力也越來越低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過各種工藝使其它高新技術(shù)與激光全息圖像技術(shù)結(jié)合，提高激光全息防偽圖像的制作難度或使用復(fù)雜性，并汲取其它技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，才能增大其仿造難度，提高商標(biāo)整體防偽效果。所以與多種技術(shù)的交叉組合，是激光全息圖像技術(shù)發(fā)揮防偽作用的最佳途徑。它主要有以下幾種：

（1）可在熱收縮薄膜包裹包裝件以后，將防偽商標(biāo)熱壓印在熱收縮薄膜上。打開包裝時，一定會撕破熱收縮薄膜，壓印在其上的防偽商標(biāo)也就不能被重復(fù)利用，這樣就達(dá)到了防偽的目的。但一般激光全息標(biāo)識的面積較小，能承受的溫度也有限，熱壓印可能會破壞全息圖像的完整性，影響整個包裝的裝潢效果。其解決的途徑是：加大全息圖像畏助邊緣面積，壓印時只壓印圖像的邊緣部分，不觸及圖像區(qū)域。這樣既保護(hù)了圖橡，也實(shí)施了壓印。當(dāng)然，也可采用防揭型的防偽商標(biāo)，同樣也能達(dá)到防偽的目的。（2）制作全息電化鋁箔。電化鋁箔是燙印圖像的載體，普通的燙印電化鋁主要由基層、熱敏層、著色層、鍍鋁層及膠粘劑層組成。燙印型激光全息標(biāo)識所有的電化鋁基本與普通燙印用的電化鋁一樣，但燙印型激光全息電化鋁的基層是模壓的激光全息圖，且沒有著色層，防偽效果較好。（3）制作燙印型激光全息標(biāo)識。利用帶定位系統(tǒng)的燙金機(jī)即可加熱將帶全息圖像電化鋁燙印

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到印刷品或包裝上，使全息標(biāo)識與印品蔌包裝結(jié)合不可分割的一體，從而完成全息標(biāo)識的制作。這種標(biāo)識可以是單獨(dú)的商標(biāo)紋樣，也可以是與包裝圖案相配合的圖紋。燙印型激光全息標(biāo)識使用方便，式樣多，還具有一定的裝潢效果，適宜在紙張、塑料、有機(jī)玻璃等多種包裝材料上進(jìn)行燙印加工，特別是它與各種材料結(jié)合緊密，不能撕下，具有極好的防偽效果。

燙印型激光全息標(biāo)識有多種使用方法。使用的方法不同，防偽效果也不一樣，只有根據(jù)包裝設(shè)計(jì)要求合理選用，才能在到最好的最好的防偽效果。

激光全息圖像技術(shù)在防偽包裝上的應(yīng)用主要是印刷防偽商標(biāo)。防偽商標(biāo)除了具有一般的防偽作用外，其突出的優(yōu)點(diǎn)是裝飾效果極佳，因而許多企業(yè)都樂意使用激光全息像防偽商標(biāo)。隨著激光全息圖像技術(shù)的不斷進(jìn)步，它的防偽功能將越來越來好，到時所有的偽劣假冒產(chǎn)品將無所遁形。

12激光武器的應(yīng)用激光是20世紀(jì)60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，如激光測距、激光鉆孔和切割、地震監(jiān)測、激光手術(shù)等。而激光在軍事領(lǐng)域也得到最充分應(yīng)用，例如，激光致盲武器、激光防空武器、激光反衛(wèi)星武器、激光等離子武器、激光制導(dǎo)子彈、激光竊聽器、激光沙盤等現(xiàn)代高技術(shù)武器都展現(xiàn)了激光的效能。

激光武器的殺傷機(jī)理

激光之所以能成為殺傷武器，是因?yàn)樗�主要有以下破壞效�?yīng)：一是燒蝕效應(yīng)，高能激光光束照射到目標(biāo)上時，部分能量被目標(biāo)材料吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使其汽化、熔化、穿孔、斷裂，甚至產(chǎn)生爆炸；二是激波效應(yīng)，當(dāng)目標(biāo)材料被激光照射汽化后，在極短時間內(nèi)對靶材產(chǎn)生反沖作用，于是在靶材中產(chǎn)生壓縮波，使材料產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變并在表層發(fā)生層裂，裂片飛出具有殺傷破壞作用；三是輻射效應(yīng)，目標(biāo)材料因激光照射汽化，會形成等離子體云，能輻射紫外線、X光射線，使目標(biāo)內(nèi)部的電子元件損傷。激光武器產(chǎn)生的獨(dú)特的燒蝕效應(yīng)、激波效應(yīng)和輻射效應(yīng)，已被廣泛運(yùn)用于防空、反坦克、轟炸機(jī)自衛(wèi)等方面，并已顯示了它的神奇威力。

激光武器的優(yōu)點(diǎn)

1．無需進(jìn)行彈道計(jì)算。在戰(zhàn)場上，交戰(zhàn)雙方如果都用火炮攻擊對方目標(biāo)，由于受地心引力和空氣阻力的作用而容易使彈道彎曲，所以射擊時都要根據(jù)距離、高度、風(fēng)向、風(fēng)速及彈丸初速等因素進(jìn)行彈道計(jì)算。使用普通槍炮射擊時，如果目標(biāo)是運(yùn)動的，還必須計(jì)算射擊的提前量。由于激光武器所發(fā)射的“光彈”是以光速飛行的，其飛行速度常常要比普通炮彈快近40萬倍，比導(dǎo)彈的速度快10萬倍。因此，使用激光武器進(jìn)行射擊，無需考慮提前量的問題。

2．無后座力。由于光束基本沒有質(zhì)量，所以在使用激光武器射擊時，不存在普通武器射擊時出現(xiàn)的巨大后座力和噪聲，這既可提高射擊的命中率，有效地打擊敵人，又便于隱蔽自己，減少傷亡。

3．操作簡便，機(jī)動靈活，使用范圍廣。激光武器可通過轉(zhuǎn)動反射鏡迅速變換射擊方向，在短時間內(nèi)即能攔截多個來襲目標(biāo)。激光武器既可直接在地面使用，也可在戰(zhàn)車、軍艦、飛機(jī)等活動作戰(zhàn)平臺使用，還可在衛(wèi)星、航天器等空間作戰(zhàn)平臺上使用。

4．無放射性污染，效費(fèi)比高。激光束可使堅(jiān)硬目標(biāo)（如坦克裝甲）燒蝕和熔化，但又不象核武器爆炸那樣產(chǎn)生大量的放射性污染。雖然目前激光武器的研制成本還比較高，但其硬件可以重復(fù)使用，每次的發(fā)射費(fèi)用卻比較低。例如，一枚“毒刺”防空導(dǎo)彈的價(jià)值高達(dá)2萬美元，而發(fā)射一次氟化氘激光武器的費(fèi)用僅需1到2千美元。

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激光武器的分類

不同功率密度，不同輸出波形，不同波長的激光，在與不同目標(biāo)材料相互作用時，會產(chǎn)生不同的殺傷破壞效應(yīng)。用激光作為“死光”武器，不能像在激光加工中那樣借助于透鏡聚焦，而必須大大提高激光器的輸出功率，作戰(zhàn)時可根據(jù)不同的需要選擇適當(dāng)?shù)募す馄�。目前，激光器的種類繁多，名稱各異，有體積整整占據(jù)一幢大樓、功率為上萬億瓦、用于引發(fā)核聚變的激光器，也有比人的指甲還小、輸出功率僅有幾毫瓦、用于光電通信的半導(dǎo)體激光器。按工作介質(zhì)區(qū)分，目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、準(zhǔn)分子型的氣體激光器等。同時，按其發(fā)射位置可分為天基、陸基、艦載。車載和機(jī)載等類型，按其用途還可分為戰(zhàn)術(shù)型和戰(zhàn)略型兩類。

1．戰(zhàn)術(shù)激光武器

戰(zhàn)術(shù)激光武撂是利用激光作為能量，是像常規(guī)武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機(jī)等，打擊距離一般可達(dá)20公里。這種武器的主要代表有激光槍和激光炮，它們能夠發(fā)出很強(qiáng)的激光束來打擊敵人。1978年3月，世界上的第一支激光槍在美國誕生。激光槍的樣式與普通步槍沒有太大區(qū)別，主要由四大部分組成：激光器、激勵器、擊發(fā)器和槍托。目前，國外已有一種紅寶石袖珍式激光槍，外形和大小與美國的派克鋼筆相當(dāng)。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉，且無聲響，在不知不覺中致人死命，并可在一定的距離內(nèi)，使火藥爆炸，使夜視儀、紅外或激光測距儀等光電設(shè)備失效。還有7種稍大重量與機(jī)槍相仿的小巧激光槍，能擊穿銅盔，在1500米的距離上燒傷皮肉、致瞎眼睛等。

戰(zhàn)術(shù)激光武器的"挖眼術(shù)"不但能造成飛機(jī)失控、機(jī)毀人亡，或使炮手喪失戰(zhàn)斗能力，而且由于參戰(zhàn)士兵不知對方激光武器會在何時何地出現(xiàn)，常常受到沉重的心理壓力。因此，激光武器又具有常規(guī)武器所不具備的威懾作用。1982年英阿馬島戰(zhàn)爭中，英國在航空母艦和各類護(hù)衛(wèi)艦上就安裝有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飛機(jī)失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網(wǎng)。

2．戰(zhàn)略激光武器

戰(zhàn)略激光武器可攻擊數(shù)千公里之外的洲際導(dǎo)彈；可攻擊太空中的偵察衛(wèi)星和通信衛(wèi)星等。例如，1975年11月，美國的兩顆監(jiān)視導(dǎo)彈發(fā)射井的偵察衛(wèi)星在飛抵西伯利亞上空時，被前蘇聯(lián)的“反衛(wèi)星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。因此，高基高能激光武器是奪取宇宙空間優(yōu)勢的理想武器之一，也是軍事大國不惜耗費(fèi)巨資進(jìn)行激烈爭奪的根本原因。據(jù)外刊透露，自70年代以來，美俄兩國都分別以多種名義進(jìn)行了數(shù)十次反衛(wèi)星激光武器的試驗(yàn)。

目前，反戰(zhàn)略導(dǎo)彈激光武器的研制種類有化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器、自由電子激光器和調(diào)射線激光器。例如：自由電子激光器具有輸出功率大、光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、可調(diào)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但是，自由電子激光器體積龐大，只適宜安裝在地面上，供陸基激光武器使用。作戰(zhàn)時，強(qiáng)激光束首先射到處于空間高軌道上的中斷反射鏡。中斷反射鏡將激光束反射到處于低軌道的作戰(zhàn)反射鏡，作戰(zhàn)反射鏡再使激光束瞄準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)施攻擊。通過這樣的兩次反射，設(shè)置在地面的自由電子激光武器，就可攻擊從世界上任何地方發(fā)射的戰(zhàn)略導(dǎo)彈。

高基高能激光武器是高能激光武器與航天器相結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)這種激光器沿著空間軌道游戈時，一旦發(fā)現(xiàn)對方目標(biāo)，即可投入戰(zhàn)斗。由于它部署在宇宙空間，居高臨下，視野廣闊，更是如虎添翼。在實(shí)際戰(zhàn)斗中，可用它對對方的空中目標(biāo)實(shí)施閃電般的攻擊，以摧毀對方的偵察衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星，甚至能將對方的洲際導(dǎo)彈摧毀在助推的上升階段。

現(xiàn)在激光武器在軍事上已得到廣泛應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來還有更多的的激光武器的發(fā)明和應(yīng)用。

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第四章太空探索13金星探秘

金星是天空中最亮的星星，其亮度足以抵得上15顆天狼星。中國古代稱它為太白或太白金星。金星和水星一樣，位于地球軌道之內(nèi)，是內(nèi)地行星。由于金星比地球更靠近太陽，從地球上看去，它和太陽的最大視角距離不超過48°。因而，金星不會整夜出現(xiàn)在星空，它有時閃爍在群星都已隱去的朝霞中，有時又出現(xiàn)在眾星尚未露面的落日余輝里。當(dāng)金星出現(xiàn)在黎明的東方天空時，我國民間稱它為啟明星；出現(xiàn)在黃昏西方天空時，我國民間稱它為長庚星。從外表上看，金星與地球有不少相似之處，也是一個有較密大氣層的固體球。金星的半徑為6073千米，只比地球半徑小300千米，體積是地球的0.88倍。質(zhì)量為地球的81.5％，相當(dāng)于4.87×1027克。平均密度約為地球的95％，為5.19克／厘米3。由于這幾項(xiàng)數(shù)值和地球十分相近，因此，人們形象地把它稱為地球的姐妹行星。在宇宙飛船探測金星以前，有的天文學(xué)家推測，金星的化學(xué)成分和表面的物理狀況與地球相似，金星上發(fā)現(xiàn)生命的可能性甚至比火星還要大。50年代后期，天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡穿過封閉金星的厚厚的云層，第一次測出它的自轉(zhuǎn)周期和表面溫度。金星自轉(zhuǎn)極慢，溫度極高，可能達(dá)到300℃以上，這個結(jié)果和以前預(yù)測的洞天福地般的金星環(huán)境簡直相差十萬八千里，有人懷疑是不是儀器出了毛病。1961年以來，前蘇聯(lián)和美國先后向金星發(fā)射了30多個探測器，開始是飛近探測，后來發(fā)展到著陸探測�，F(xiàn)代科學(xué)證明，金星是個奇熱、無水、任何生命都無法存活的世界，金星和地球只是一對“貌合神離”的姐妹。

金星的真面目

為了探索金星的真面目，20世紀(jì)60年代初拉開了探測金星的序幕，前蘇聯(lián)1961--1978年已發(fā)射了12個金星探測器。美國1962--1978年共有6個探測金星的飛船上天。僅在1978年12月4日--25日的20多天里，前蘇聯(lián)和美國就各有兩個自動行星際站在金星表面軟著陸，實(shí)現(xiàn)了對金星的現(xiàn)場考察。行星探測器對金星進(jìn)行現(xiàn)場考察以后，遮蓋在金星表面的“蒙面紗”已經(jīng)逐漸揭開了。金星沒有磁場和輻射帶，其大氣的組成和地球盎然不同：地球大氣以氮、氧等氣體為主，二氧化碳很少；在包圍著金星的大氣中，97％以上是二氧化碳，此外，還含有少量的氮、氬、一氧化碳、水蒸汽及氯化氫等。金星大氣中的二氧化碳能讓陽光通過，照到金星表面，卻不讓熱輻射返回太空，使金星表面處于高溫狀態(tài)，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。金星表面的溫度高達(dá)465℃--485℃。溫室保護(hù)罩的作用還使金星上的晝夜溫差很小，基本上沒有晝夜、季節(jié)和地區(qū)的差別。金星表面的大氣密度比地球上的大50倍。地球海洋平面的氣壓是一個大氣壓；金星表面的氣壓大到90個大氣壓，相當(dāng)于地球上海洋深處900米左右所受的壓力。金星上空閃電頻繁，每分鐘達(dá)20多次，常常是電光閃閃，雷聲隆隆。前蘇聯(lián)的“金星12號”1978年12月21日在下降到金星表面的過程中，僅僅在從11公里高空下降到5公里的期間，就接連記錄到1000次閃電，有一次特別大的閃電竟持續(xù)了15分鐘�！敖鹦�13號”和“金星14號”的下降裝置在下降過程中，考察了金星的高空風(fēng)。金星表面的風(fēng)速大約為2--3米／秒，由表面到高空，風(fēng)速逐漸加大，到50--70公里的高空，風(fēng)速竟然達(dá)到100米／秒，風(fēng)向與金星的自轉(zhuǎn)方向相同，但比自轉(zhuǎn)速度快得多。更驚人的是，在離金星表面30--88公里的空間，密布著一層有腐蝕性的濃硫酸霧。這是一個多么令人窒息的環(huán)境！這個現(xiàn)代天文學(xué)家稱為“太陽系中的地獄”的金星絕對不能是地球的孿生姐妹。探測結(jié)果表明，金星上不存在任何液態(tài)水，不僅沒有任何類似地球上的動植物存在，連任何生命的形式都沒有。美國的“先驅(qū)者”1號和2號，前蘇聯(lián)的“金星”11號和12號分別在1978年12月4日、9日和21日、25日到達(dá)金星，對金星進(jìn)行綜合性的考察。從它們發(fā)回的信息得知，由于金星表面有濃密的大氣保護(hù)，其表面并不像月亮、水

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星那樣布滿環(huán)形山。相對來說，金星表面比較平坦，大部分表面都覆蓋著一層“浮土”，其平均密度是1.2--1.9克／厘米3，厚度不超過1米。在浮土下面，主要是密度為2.2--2.7克／厘米3的玄武巖。下降裝置周圍可以看到許多大石塊，絕大部分石塊呈紅褐色，棱角分明，半埋在顆粒細(xì)小的黑褐色塵土和砂礫之中。這表明金星上的物質(zhì)構(gòu)造仍很活躍，可能存在活火山。金星上的山脈，一般都很高，最高的是麥克斯威爾山，高度為11270米，地球上的珠穆朗瑪峰還比它矮一頭。北半球大高原，長3200公里，寬1600公里，相形之下，青藏高原大為遜色。在赤道地區(qū)，發(fā)現(xiàn)一些像火山口一樣大而淺的圓形圈，有些地方像是由巨大的熔巖流所形成。此外，還有一條很深的大裂縫，自南向北穿過金星赤道，裂縫最深的地方有7米左右，這是目前在太陽系天體上發(fā)現(xiàn)的一條最大的裂縫。從前蘇聯(lián)發(fā)射的自動行際站“金星13號”拍攝的金星表面照片看出，金星的天空是橙黃色的，云也是橙黃色的；金星上的物體，大部分看起來也是橙黃色的，有的微帶綠色，藍(lán)色的很少。金星的世界，真可說是個金黃世界。這種奇異的景色，是“金星13號”下降裝置，通過藍(lán)、綠濾色鏡拍攝的�？茖W(xué)家們認(rèn)為，這是由于金星大氣和云層太厚，吸收了太陽光中藍(lán)色部分，使照在金星大氣層和大地上的光帶著黃光。因此，金星上的白晝也不像地球上這樣明朗，其亮度很像地球上的陰天。

金星上的城市

1989年1月，前蘇聯(lián)發(fā)射的一枚探測器終于穿過了金星表面濃厚的大氣層，通過對其發(fā)回照片的科學(xué)分析，科學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，金星地表原來分布有2萬座城市的遺跡。關(guān)于金星的這一最新秘密，是前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉里賓契訶夫在布魯塞爾的科學(xué)研討會上披露的。在這次會議上，里賓契訶夫說：“那些城市全散布在金星表面，如我們能知道是誰建造了它們就好了，我們絕對無法在金星上生存片刻，但一些生物卻做到了并留下了一個偉大的文化遺跡證明它�！薄澳切┏鞘幸择R車輪的形狀建成，中間的輪軸就是大都會所在。根據(jù)我們估計(jì)，那里有一個龐大公路網(wǎng)將它們所有城市連接起來，直通它的中央�！辈痪�，美國發(fā)射的探測器也發(fā)回了不少有關(guān)金星地表城市建筑遺跡的照片。經(jīng)過科學(xué)的處理、辨認(rèn)、分析，科學(xué)家們確認(rèn)，那2萬座城市遺跡完全是由“三角錐”形金字塔狀建筑組成的，每座城市實(shí)際上是一座巨型金字塔，這2萬座巨型金子塔擺成一個巨型的馬車輪形狀，其間的輻射狀大道連接著中央的大城市。研究者們認(rèn)為，這些金字塔形的城市可以日避高溫，夜避嚴(yán)寒，再大的風(fēng)暴對它也無可奈何。并且1988年，前蘇聯(lián)宇宙物理學(xué)家阿列克塞普斯卡夫宣布說，在金星地表也發(fā)現(xiàn)了像火星上那樣的人面形建筑。這是不是意味著這兩個星球有某種特殊的聯(lián)系呢？在金星的城市廢墟下面，在金星地下是否真正還活著金星人呢？誰也很難作絕對的否定，外星人把金星作為飛碟基地，那更是完全可能的。因此，我們對金星人的尋訪工作還并沒有完成，我們也還不能夠明確地肯定或否定金星生命及其文明世界的存在。因?yàn)樵谖覀児爬系纳裨拏髡f或經(jīng)典記載里，在遙遠(yuǎn)古老的洪荒時代，金星人就曾經(jīng)來訪問過我們地球，并且留下了許多他們殖民地球的歷史遺跡。

到目前為止，金星留給人們很多的不解之迷，這有待你們將來去揭開它神秘的面紗。

14火星探秘

火星是一顆紅色的行星，它緩慢地在眾星之間穿行，時而順行，時而又逆行，亮度常有變化，最暗的時候視星等約為+1.5等，最亮的時候比天狼星還亮得多，令人迷惑，所以，中國古代稱為“熒惑”�；鹦鞘且活w最具傳奇色彩的行星，有著許多令人神往的故事，然而，它并不像人們想象的那樣美好。在干燥的火星表面上遍地都是紅色的土壤和巖石,由于不斷受到風(fēng)沙作用，火星表面到處可以看到沙丘和類似河床的地形。這種河床地形分布在南半球及赤道附近，

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表明了距今大約30億年前火星上曾有過像地球上一樣的河川，有水流動�；鹦潜砻鏉M目荒涼，是赤色的不毛之地。大氣中的微塵使天空呈現(xiàn)橙紅色,火星的紅色之謎一直困擾著人們,通過對火星泥土的分析，我們知道原來火星土壤中含有大量氧化鐵，由于長期受紫外線的照射，鐵就生成了一層紅色和黃色的氧化物�？鋸堃稽c(diǎn)說，整個火星就像是一個生了銹的世界。

火星的赤道半徑是3332公里，只有地球半徑的一半，它的體積只有地球的1／7，質(zhì)量為地球的1／9；表面重力加速度為地球的2／5。在火星上，以每秒5公里的速度拋出的物體就能脫離火星。由于火星上物體的脫離速度小，火星難以束縛住許多大氣分子，因而火星大氣非常稀薄�；鹦谴髿獾闹饕�成分是二氧化碳，約占95％，其余是氮、氬、一氧化碳、氧、臭氧和氫；水汽的數(shù)量很少,平均約為大氣總量的0.01％。表面大氣壓為7.5百帕，相當(dāng)于地球30--40公里高處的大氣壓�；鹦巧鲜艿降奶�陽輻射只有地球上受到的40％，因而火星的表面溫度比地球要低30℃以上，晝夜溫差超過100℃。在火星赤道附近，中午的溫度也只升到20℃左右，晚上又下降到-50℃以下,兩極地區(qū)夏季氣溫只有-70℃,冬季可下降到-139℃。

100年前，意大利天文學(xué)家喬斯基亞巴雷利在望遠(yuǎn)鏡中觀測到火星表面有幾百條“河流”樣的黑暗條紋，并發(fā)表了手繪的火星表面圖，在將意大利文的“河流”翻譯成英文時，被譯成了“運(yùn)河”。在以后的幾十年內(nèi)，觀察火星表面的“運(yùn)河”成了火星研究的重要課題。本世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)有位天文學(xué)家從顏色變化上認(rèn)為火星表面一些地區(qū)的光譜從地球上高寒地帶某些植物的分光特征相似，從而推論火星上有耐寒植物。這些都曾使科學(xué)幻想作家的思維插上了翅膀，在他們的筆下，栩栩如生的怪物“火星人”躍然紙上。為了探測火星的真面目，1962年以來，美國和前蘇聯(lián)先后發(fā)射了15個火星探測器，其中美國發(fā)射了8個，前蘇聯(lián)發(fā)射了7個，對火星進(jìn)行了就近觀察、就近探測和實(shí)驗(yàn)，取得了許多珍貴的科學(xué)成果。1965年7月14日，美國的“水手4號”飛掠火星，第一次實(shí)現(xiàn)了人類就近一瞥紅色近鄰的夙愿�！八�手4號”在離火星9600公里處拍攝了22幅電視圖片，它發(fā)回來的圖片顯示出火星表面分布有許多環(huán)形山、火山和沙漠。1969年飛臨火星的“水手6號”和“水手7號”不僅把地貌電視圖片擴(kuò)大到全球表面的10％，還用紫外分光儀器和紅外分光儀器設(shè)備分析了火星的大氣成分和表面結(jié)構(gòu)。1971年發(fā)射的“水手9號”于11月進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，成為火星的人造火星衛(wèi)星，在環(huán)繞火星的軌道上觀察火星及其衛(wèi)星。1975年8月和9月，美國的“海盜1號”和“海盜2號”相繼上天，它們的主要任務(wù)是探索火星上的生命之謎。前蘇聯(lián)從1962年11月至1973年8月共發(fā)射了7個“火星號”探測器，并依次編號為“火星1號”、“火星2號”、“火星5號”等�！盎鹦翘枴碧綔y器的主要任務(wù)是探測火星及其周圍空間以及行星際空間�！盎鹦�2號”曾把刻有前蘇聯(lián)國徽圖案的金屬片投擲在火星表面；“火星3號”放出著陸艙，首次實(shí)現(xiàn)在火星表面軟著陸；“火星2號”、“火星3號”和“火星5號”都先后進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，成為火星的人造衛(wèi)星�；鹦谴髿庵谐Ｓ幸环N形狀像黃云的塵暴，局部的塵暴經(jīng)常出現(xiàn)，大的塵暴在地球上用望遠(yuǎn)鏡可觀測到；特別大的塵暴（如1971年的塵暴）能籠罩火星全球，并持續(xù)數(shù)月之久。塵暴是由火星低層大氣中卷著塵粒的大風(fēng)構(gòu)成的。據(jù)估計(jì)，每次大塵暴覆蓋在火星南半球的塵埃達(dá)108--1010噸之多�；鹦潜砻娴�75％布滿了沙漠，成分是硅酸鹽、褐鐵礦等鐵氧化物，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，火星是一個橙紅和棕紅的世界�；鹦堑谋砻姹粍澐殖蓛蓚�截然不同的半球，被一個大約傾斜于赤道30°的大圓所分開。大圓的南部半個球面崎嶇不平，且布滿環(huán)形山；最大的環(huán)形山直徑約為1600公里；某些地區(qū)環(huán)形山的密度可以和月面相比；大圓的北部半個球面比較平坦，但也是滿目荒蕪，石塊、沙丘和酷寒的山峰裝點(diǎn)著它的表面�；鹦巧线�有一些火山和峽谷。最大的火山是一座稱為“奧林匹斯之雪”的火山，其底部的直徑約500公里，

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火山口的直徑也有72公里，大約有25000米高，幾乎是珠穆朗瑪峰的3倍�；鹦巧献畲蟮膷{谷是“水手9號”發(fā)現(xiàn)的水手谷，峽谷綿延5000多公里，寬200公里，比周圍地面低6--7公里，谷壁十分陡峭，它比地球上最大的峽谷科羅拉多河峽谷（長46公里、深約1.8公里）大得多�；鹦潜砻娌淮嬖谝簯B(tài)水，但探測到數(shù)千條干涸的河床，最長的達(dá)1500公里，寬約60公里，主要的大河床分布在赤道地區(qū)，是由比熔巖流更少粘帶性的液體造成的。但早在1877年，意大利天文學(xué)家斯基帕雷利，發(fā)現(xiàn)火星上有一些縱橫交錯的暗線條，并進(jìn)一步觀測到它們似乎還有季節(jié)性變化后，。許多人認(rèn)為它們是火星上的運(yùn)河，是“火星人”為灌溉土地而特地開挖的，幾乎在長達(dá)一個世紀(jì)里，都有不少人相信火星上有生命和大量的水。觀測表明，火星上確實(shí)存在著水，只是水量比地球上要少得多。如果把火星大氣中所含的水蒸汽全部凝結(jié)成水，并把這水平均覆蓋在表面上，這層水薄膜的厚度大致是1／100毫米�；鹦谴髿庵幸诧h浮著云，云主要由水和二氧化碳組成。火星大氣非常稀薄，氣壓只有7個毫左右，大體相當(dāng)于地球高空30--40公里處的大氣壓。在這樣的環(huán)境中，水在0攝氏度就會沸騰，變?yōu)檎羝�逃逸掉�；鹦浅嗟栏浇�的最高溫度可以達(dá)到20攝氏度左右，那里有可能短時間內(nèi)存在液態(tài)的水�；鹦潜砻娴乃�主要集中在兩極地區(qū)，那里常年的溫度都在0攝氏度以下，極夜最低溫度可以下降到零下139攝氏度，不用說水早已結(jié)成冰，就連二氧化碳也會凝結(jié)而成為干冰。所以與地球擁有的水相比，火星上的水量是微不足道的，但火星上畢竟有水，這是最主要的。據(jù)估計(jì)，在火星的全部歷史中，蒸發(fā)和逃逸了的水如果全部重新回到火星上來的話，火星表面將被籠罩在一圈50--100米厚的水層中�？墒�，火星現(xiàn)在所擁有的全部水卻不多，或者是大量的水都散逸掉了，或者是火星上從來就沒有過那么多的水。

為探測是否有外星人的存在，美國“海盜號”探測器選擇了生命存在可能性最大的地方著陸，對采取的土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，結(jié)果表明火星表面上存在生命的可能性極其微小，火星是一個冷酷的、沒有生命的世界。但隨著太空科技的進(jìn)步，或許真的能找到火星人的存在。

15載人航天事業(yè)的發(fā)展

載人航天是指人類駕駛和乘坐載人航天器在太空從事各種探測、試驗(yàn)、研究、軍事和生產(chǎn)的往返飛行活動。載人航天的目的在于突破地球大氣的屏障和克服地球引力，把人類的活動范圍從陸地、海洋和大氣層擴(kuò)展到太空，更廣泛和深入地認(rèn)識地球及其周圍的環(huán)境，更好地認(rèn)知整個宇宙；充分利用太空和載人航天器的特殊環(huán)境從事各種試驗(yàn)和研究活動，開發(fā)太空及其豐富的資源。載人航天器由載人航天系統(tǒng)實(shí)施，載人航天系統(tǒng)由載人航天器、運(yùn)載器、航天器發(fā)射場和回設(shè)施、航天測控網(wǎng)等組成，有時還包括其它地面保障系統(tǒng)，如地面模擬設(shè)備和航天員訓(xùn)練設(shè)施。根據(jù)飛行和工作方式的不同，載人航天器可分為載人飛船、太空船和航天飛機(jī)三類。載人飛船按乘員多少，又可分為單人式飛船和多人式飛船。按運(yùn)行范圍，可分為衛(wèi)星式載人飛船和太空站進(jìn)行載人航天活動等等。

載人航天技術(shù)是人類航天史上的重大突破

1961年4月12日，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一艘東方號載人飛船，航天員加加林在人類歷史上首次登上太空繞地球飛行108分鐘，開創(chuàng)了人類載人航天的新紀(jì)元，后來，前蘇聯(lián)又發(fā)射了上升號飛船和聯(lián)盟號飛船；與此同時，美國也相繼發(fā)射成功了水星號飛船、雙子星座號飛船和阿波羅號飛船，1969年７月21日，阿波羅Ⅱ號登月飛船成功在月球上軟著陸，航天員阿姆斯特朗和奧爾德林踏上月球，人類載人航天和空間探索取得重大突破。70年代后，美國放棄了載人飛船轉(zhuǎn)而發(fā)展軌道器水平著陸、可部分重復(fù)使用、技術(shù)難度大的航天飛機(jī)，而前蘇聯(lián)繼續(xù)改進(jìn)聯(lián)盟號飛船，使其性能有了很大提高。

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1971年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一個空間站禮炮號，標(biāo)志著人類航天技術(shù)進(jìn)入新的階段。與載人飛船相比，空間站具有容積大、載人多、壽命長、可綜合利用的優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展航天技術(shù)、開發(fā)利用宇宙空間的基礎(chǔ)設(shè)施，前蘇聯(lián)共發(fā)射了７個禮炮號空間站和1個和平號空間站。美國僅于1973年發(fā)射過天空實(shí)驗(yàn)室，并于1979年７月隕落。

1980年，前蘇聯(lián)的第一架航天飛機(jī)暴風(fēng)雪號成功地進(jìn)行了不載人的飛行實(shí)驗(yàn)。1981年，美國發(fā)射了世界上第一架航天飛機(jī)哥倫比亞號，后又相繼研制了挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號和亞特蘭蒂斯號航天飛機(jī)。1986年挑戰(zhàn)者號失事后，美國又研制了奮進(jìn)號航天飛機(jī)進(jìn)行航天活動。

日本為了不失去大好時機(jī)，盡可能地沿用較成熟的運(yùn)載火箭技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)，開展月球探測活動。1990年1月24日20時46分，日本拉開了重返月球的帷幕，發(fā)射成功第13號科學(xué)衛(wèi)星“飛天”，同年3月19日開始向月球接近，并從衛(wèi)星上釋放出一顆繞月球運(yùn)行的小型月球軌道器。美國在1994年1月25日，發(fā)射成功先進(jìn)輕型克萊門汀1號月球探測器。該探測器重233千克，直徑1.14米，長1.88米。它對月球進(jìn)行了迄今為止最為詳盡的地貌測繪，并對其上的礦物構(gòu)成和引力分布進(jìn)行了分析，得到關(guān)于月球的最新探測數(shù)據(jù)。隨著各種月球探測器飛向太空，重返月球前奏的號角越吹越響。它將激發(fā)起人們向月球基地進(jìn)軍的豪情。

目前，由美國、俄羅斯合作牽頭并有日本、加拿大、巴西和歐空局等參與的旨在建造一個永久性國際航天站的計(jì)劃正順利的進(jìn)行�？梢灶A(yù)料，在國際航天組織的積極努力下，在廣泛的國際航天合作大潮的推動下，載人航天事業(yè)將更加迅猛地發(fā)展下去。

中國的載人航天發(fā)展

載人航天技術(shù)代表著一個國家、一個民族的最高科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，是綜合國力的具體體現(xiàn)。為瞄準(zhǔn)高科技前沿，追蹤當(dāng)今世界航天技術(shù)，我國必須發(fā)展有自己特色的載人航天工程，以在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地。

我國進(jìn)行載人航天研究的歷史可以追溯到上世紀(jì)70年代初。在我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”上天之后，就開展過有關(guān)載人航天的研究，當(dāng)時，曾將飛船命名為“曙光一號”。但是，在進(jìn)行了一段時間的工作以后，鑒于各方面的條件尚不成熟，這個計(jì)劃被迫擱淺。進(jìn)入80年代后，伴隨著我國空間技術(shù)的快速發(fā)展，在已經(jīng)具備返回式衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等各種應(yīng)用衛(wèi)星的研制和發(fā)射能力以后，又成為了世界上第三個掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國家，這為我國開展載人航天技術(shù)的研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。于是，載人航天的問題又一次被提了出來。在國家“863”計(jì)劃提出時，就專門成立了一個專家組來從事這項(xiàng)工作的論證。由于載人航天投入大、效益周期比較長、風(fēng)險(xiǎn)也比較大，對于中國要不要搞載人航天，一直存在較大的分歧。另一個爭論的焦點(diǎn)則是，中國選擇什么方案來突破載人航天技術(shù)，是航天飛機(jī)，還是宇宙飛船？相對而言，宇宙飛船在技術(shù)上容易突破、研制費(fèi)用較少、研制周期也較短，而航天飛機(jī)的研制投入很大、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)難度高。從實(shí)際情況來說，我國已研制了十幾顆返回式衛(wèi)星，有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，所以選擇載人飛船進(jìn)行技術(shù)突破比較好。在經(jīng)過多年的反復(fù)論證后，1992年1月，中國政府批準(zhǔn)載人航天工程正式上馬。這是中國航天史上迄今為止規(guī)模最大、系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)難度最高的工程。該工程有七個分系統(tǒng)組成，包括宇航員系統(tǒng)、飛船的應(yīng)用系統(tǒng)、載人航天飛船系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)。其中，載人航天飛船系統(tǒng)是核心，包括軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙。按照計(jì)劃，我國載人航天工程將分三步實(shí)施。第一步，發(fā)射無人和載人飛船，將宇航員安全地送入近地軌道，進(jìn)行適量的對地觀測和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并使宇航員安全返回地面。第二步，實(shí)現(xiàn)宇航員出艙太空行走以及完成飛船與太空艙的交會對接，并發(fā)射長期自主飛行、短期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)室，盡早建成完整配套的空間工

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程系統(tǒng)。第三步，建造大型長期有人照料的空間站。

201*年10月15日，一個令所有中華兒女驕傲的日子。上午9時整，我國自行研制的“神舟”五號載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，載著中國航天第一人楊利偉進(jìn)入預(yù)定軌道，就在那一刻，浩瀚太空迎來了第一位中國人！標(biāo)志著我國突破和掌握了載人航天的基本技術(shù)，完成和實(shí)現(xiàn)了我國載人航天工程第一步的計(jì)劃和目標(biāo)，使我國成為世界上第三個、也是發(fā)展中國家第一個能夠獨(dú)立開展載人航天飛行活動的國家。從此，太空俱樂部將寫下中國人的名字，中國繼前蘇聯(lián)、美國之后，成為太空俱樂部的第三位成員，楊利偉也成為舉國景仰的民族英雄。201*年10月24日，在中國西昌，“嫦娥奔月”從傳說成為現(xiàn)實(shí)。10月24日，嫦娥一號發(fā)射成功，11月5日，進(jìn)入環(huán)月軌道，成為我國首顆探月衛(wèi)星，11月22日，傳回首張?jiān)旅鎴D像�！版隙鹨惶枴表�(xiàng)目的成功，開辟了中國宇航事業(yè)的新紀(jì)元。

近半個世紀(jì)以來，航天技術(shù)飛速發(fā)展并取得了一系列成就，這不僅能為經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)文化和社會生活等各個領(lǐng)域的現(xiàn)代化提供有力的手段，而且也是一個國家綜合國力以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要特征與標(biāo)志。隨著中國在航天技術(shù)領(lǐng)域取得的偉大成就而舉世矚目，人們希望將來中國有更為大膽而富有想象力的航天計(jì)劃，帶動國民經(jīng)濟(jì)騰飛，把我國建成一個更加繁榮富強(qiáng)的國家。

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