天文地理儀器設(shè)備

2023年11月15日發(fā)(作者：作文500字初中)

天文地理儀器設(shè)備

地震儀的鼻祖

公元132 年東漢都城洛陽發(fā)生了一件事，太史令張衡發(fā)明了一種儀器，

它能知道什么時(shí)候、哪里發(fā)生了地震。只要那個(gè)方向發(fā)生了地震，儀器上那

個(gè)方向的龍口就張開，龍口中的小銅珠就落入下方的蟾蜍口中而發(fā)出響聲。

這件事引起朝中大臣們的紛紛議論，有不相信的，也有表示懷疑的。但時(shí)間

一久，人們對(duì)這件事也就淡忘了。過了幾年，公元138 年的一天，張衡發(fā)明

的那架儀器朝西方向的龍口突然張開，小銅珠落人蟾蜍口中。這說明小鋼珠

落人蟾蜍口中的時(shí)候西方發(fā)生了地震，但當(dāng)時(shí)洛陽并沒有人感覺到有什么震

動(dòng)。于是滿朝文武又是議論紛紛，說張衡的那架儀器不可靠。但過不多久，

現(xiàn)在甘肅境內(nèi)的地方官府奏報(bào)來到，奏報(bào)稱那里發(fā)生了一次強(qiáng)烈地震。這件

事使當(dāng)時(shí)的人們對(duì)張衡的那架儀器十分信服，史籍中也稱其“驗(yàn)之以事，合

契若神”。

張衡發(fā)明的那架儀器就是世界上第一架地震儀——候風(fēng)地動(dòng)儀。《后漢

書·張衡傳》記載說“地動(dòng)儀以精銅制成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊。”

其里部主要構(gòu)件是中間一根高而細(xì)的銅柱，張衡稱之為“都柱”。都柱在接

受到地震產(chǎn)生的地震波后，就向波源方向傾倒。在都柱周圍架設(shè)有8 條通道，

使傾倒的都柱只能往一道中滑倒，其所倒方向即是地震發(fā)生的方向。尊外相

應(yīng)地設(shè)置8 條口含小鋼珠的龍，分別朝著8 個(gè)方向。每個(gè)龍頭下面都有一只

蟾蜍張口向上，準(zhǔn)備接住落下的小銅珠。都柱受地震波的震動(dòng)而傾倒時(shí)，敲

動(dòng)一個(gè)像弩機(jī)裝置似的牙機(jī)，利用杠桿原理傳動(dòng)，使龍首張開口，小銅珠便

落入蟾蜍口中發(fā)出聲響，人們就知道什么時(shí)候什么方向發(fā)生了地震。

張衡發(fā)明的候風(fēng)地動(dòng)儀雖然只能測(cè)知地震震中發(fā)生的大概方位，但在文

明發(fā)展史上卻是一項(xiàng)了不起的發(fā)明。一直到19 世紀(jì)，世界才出現(xiàn)真正用來觀

測(cè)地震的儀器。候風(fēng)地動(dòng)儀領(lǐng)先世界地震科技達(dá)1800 年，因此被公認(rèn)為地震

儀的鼻祖。

著名的渾儀

渾儀是中國古代用于測(cè)量天體球面坐標(biāo)的觀測(cè)儀器。它是由一重重的同

心圓環(huán)構(gòu)成，整體看起來就像一個(gè)圓球。有資料表明，在公元前4 世紀(jì)中葉，

中國就已經(jīng)使用渾儀觀測(cè)天象了，比古希臘約早60 年。

渾儀的最基本構(gòu)件是四游儀和赤道環(huán)。四游儀由窺管和一個(gè)雙重的圓環(huán)

組成。窺管是一根中空的管子，類似于近代的天文望遠(yuǎn)鏡，只是沒有鏡頭。

雙重圓環(huán)叫四游環(huán)，也叫赤經(jīng)環(huán)，環(huán)面上刻有周天度數(shù)，可以繞著極軸旋轉(zhuǎn)，



窺管夾在四游環(huán)上，可以在雙環(huán)里滑動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)四游環(huán)，并移動(dòng)窺管的位置，

就可以觀測(cè)任何的天區(qū)

。赤道環(huán)在四游環(huán)外，上亦刻有周天度數(shù)，固定在與

天球赤道平行的平面上。這樣，就可以通過窺管觀測(cè)到待測(cè)量的天區(qū)或星座，

并得出該天體與北極間的距離，稱“去極度”，以及該天體與二十八宿距星

的距離，稱“入宿度”。去極度和入宿度是表示天體位置的最主要數(shù)據(jù)。

渾儀的改進(jìn)和完善，經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)而繁，而又由繁而簡(jiǎn)的歷程。從漢

代到北宋，渾儀的環(huán)數(shù)不斷增加。首先增加的是黃道環(huán)，用以觀測(cè)太陽的位

置。接著又增加了地平環(huán)和子午環(huán)，地平環(huán)固定在地平方向，子午環(huán)固定在

天體的極軸方向。這樣，渾儀便形成了二重結(jié)構(gòu)。唐代起，渾儀又發(fā)展成三

重結(jié)構(gòu)。最外面的一層叫六合儀，由固定在一起的地平環(huán)、子午環(huán)和外赤道

環(huán)組成，因東西、南北、上下6 個(gè)方向叫六合，故名。第二重叫三辰儀，由

黃道環(huán)、白道環(huán)和內(nèi)赤道環(huán)組成，可以繞極軸旋轉(zhuǎn)。其中白道環(huán)用以觀測(cè)月

亮的位置。最里層是四游儀。北宋時(shí)，又增加有二分環(huán)和二至環(huán)，即過二分

（春分、秋分）點(diǎn)和二至（夏至、冬至）點(diǎn)的赤經(jīng)環(huán)。

多重環(huán)結(jié)構(gòu)的渾儀雖是一杰出的創(chuàng)造，在天文學(xué)史上也起過重要的作

用，但其自身也存在著兩大缺陷。一是要把這么多的圓環(huán)組裝得中心都相重

合，十分困難，因而易產(chǎn)生中心差，造成觀測(cè)的偏差。一是每個(gè)環(huán)都會(huì)遮蔽

一定的天區(qū)，環(huán)數(shù)越多，遮蔽的天區(qū)也越大，這就妨礙觀測(cè)，降低使用效率。

為解決這兩個(gè)缺陷，從北宋起即開始探索渾儀的簡(jiǎn)化途徑。這個(gè)渾儀改革的

途徑由北宋的沈括開辟，元代的郭守敬完成。沈括由兩個(gè)方面進(jìn)行改革，一

是取消白道環(huán)，借助數(shù)學(xué)方法來推算月亮的位置；一是改變一些環(huán)的位置，

使遮蔽的天區(qū)盡量減少。而郭守敬又取消了黃道環(huán)，并把原有的渾儀分為兩

個(gè)獨(dú)立的儀器，即簡(jiǎn)儀和立運(yùn)儀。

簡(jiǎn)儀由四游儀、赤道環(huán)和百刻環(huán)組成。赤道環(huán)的位置移至旋轉(zhuǎn)軸的南端，

這一方式，至今在各國的天文臺(tái)上安裝望遠(yuǎn)鏡時(shí)，還廣泛地被采用。百刻環(huán)

的安裝是一創(chuàng)新，環(huán)上等分成100 刻，分為12 個(gè)時(shí)辰，每刻又分作36 分。

它固定在赤道環(huán)內(nèi)，既可承托赤道環(huán)，又可得到真太陽時(shí)的讀數(shù)。四游儀窺

管兩端各設(shè)有十字線，這是后世望遠(yuǎn)鏡中十字絲的肇始。

立運(yùn)儀與簡(jiǎn)儀裝于同一底座上，由兩個(gè)圓環(huán)組成。一個(gè)是平鋪的“經(jīng)緯

環(huán)”，代表地平環(huán)，環(huán)面上刻有方位。一個(gè)是“立運(yùn)雙環(huán)”，中夾有窺管，

可測(cè)量天體的地平經(jīng)度和緯度。

簡(jiǎn)儀和立運(yùn)儀的設(shè)計(jì)和制造，在世界上領(lǐng)先300 多年。近代天文臺(tái)的赤

道裝置，測(cè)量?jī)x器經(jīng)緯儀等，都可從中找到其原始形態(tài)。

還應(yīng)該指出的

是，中國占代渾儀采用的是赤道坐標(biāo)系統(tǒng)，比西方采用的

黃道坐標(biāo)系統(tǒng)要先進(jìn)得多，今天已為各國天文臺(tái)所廣泛采用。

現(xiàn)在，人們還可以在南京紫金山天文臺(tái)，看到明代正統(tǒng)二年到七年

（1437～1442 ）間制造的渾儀和簡(jiǎn)儀。



張衡制造渾象

渾象是一種表現(xiàn)天體運(yùn)動(dòng)的演示儀器。它最初是在公元前2 世紀(jì)中葉的

西漢時(shí)，由天文學(xué)家耿壽昌創(chuàng)制的，而東漢著名科學(xué)家張衡在渾象的發(fā)展史

上做出了重要的貢獻(xiàn)。

渾象的基本構(gòu)成是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的中空?qǐng)A球，上面按觀測(cè)到的實(shí)際天象

布列星辰。轉(zhuǎn)動(dòng)圓球，即可演示天體的運(yùn)動(dòng)，其作用相當(dāng)于近代的天球儀，

堪稱天球儀的始祖。

張衡制造了第一臺(tái)自動(dòng)的天文儀器——水運(yùn)渾象。它以一直徑5 尺（約

1.18 米，東漢1 尺約23.5 厘米）的空心銅球表示天球，上面畫有二十八宿，

中外星官，互成24 度交角的黃道和赤道等，黃道上又標(biāo)明有二十四節(jié)氣。緊

附于天球外的有地平環(huán)和子午環(huán)等。天體半露于地平環(huán)之上，半隱于地平環(huán)

之下。天軸則支架在子午環(huán)上，天球可繞天軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，又以漏壺流出的

水作動(dòng)力，通過齒輪系的傳動(dòng)和控制，使渾象每日均勻地繞天軸旋轉(zhuǎn)一周，

從而達(dá)到自動(dòng)地、近似正確地演示天象的目的。此外，水運(yùn)渾象還帶動(dòng)有一

個(gè)日歷，能隨著月亮的盈虧演示一個(gè)月中日期的推移，相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械日歷。

張衡的水運(yùn)渾象對(duì)后世渾象的制造影響很大，宋代的水運(yùn)儀象臺(tái)則達(dá)到

歷史上渾象發(fā)展的最高峰。歷代制造的渾象大都已經(jīng)毀亡，現(xiàn)存僅有兩架，

一架在南京紫金山天文臺(tái)，一架在北京建國門古觀象臺(tái)，均是清代鑄造的。

除了天球儀式的渾象外，中國古代還創(chuàng)制有假天儀式的渾象，開了近代天象

儀之先河。

現(xiàn)在北京天文館里，有一個(gè)大圓頂?shù)奶煜髲d。當(dāng)你坐在里面仰觀屋頂，

便會(huì)感到宛如置身于無涯的蒼穹之中，看到繁星點(diǎn)點(diǎn)，其布列與實(shí)際天象一

致。假天儀的功能和作用即與此相似。假天儀何時(shí)發(fā)明，現(xiàn)尚有爭(zhēng)議，有人

認(rèn)為三國時(shí)即已問世。但有明確記載的，則以北宋時(shí)蘇頌主持制造的渾天象

為最早。

渾天象是蘇頌主持創(chuàng)制水運(yùn)儀象臺(tái)后的又一杰作。它的天球直徑有一人

多高，在球面上相應(yīng)于星辰的位置處鑿有一個(gè)個(gè)鏤空的小孔，外面的光線漏

進(jìn)后，人坐在球內(nèi)就好像看到天上閃閃發(fā)光的星星。天球亦是由水力機(jī)械帶

動(dòng)的，可控制其旋轉(zhuǎn)與天體運(yùn)行同步。與現(xiàn)代天象儀所不同的是，渾天象的

光源在外，表演內(nèi)容比較單一，而天象儀的光源在內(nèi)，且能表演眾多復(fù)雜的

天象。

世界第一座天文鐘

1092 年，在北宋都城開封的西南部，出現(xiàn)了一座形

狀奇特的木構(gòu)建筑

物。它就是“元渾天儀象”，一般通稱之為“水運(yùn)儀象臺(tái)”，由當(dāng)時(shí)著名

政治家、科學(xué)家蘇頌所主持創(chuàng)制。這是中國古代最宏偉、最復(fù)雜的一座天文



儀器，在古代世界上也是絕無僅有的。

水運(yùn)儀象臺(tái)的形狀呈正方形，上狹下廣，高三十五尺六寸五分（約近11．3

米，宋代一尺約31．6 厘米），底寬二丈一尺（約6．64 米）。臺(tái)分3 重，

第一、二重安裝水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和報(bào)時(shí)系統(tǒng)，第三重安裝渾象。臺(tái)頂平臺(tái)上安

裝渾儀，渾儀由“板屋”覆蓋，板屋上裝有9 塊可以啟閉的活動(dòng)屋面板。由

此可以看到，整座水運(yùn)儀象臺(tái)集觀測(cè)、演示、計(jì)時(shí)等功能于一體，實(shí)際上成

了一座小型的天文臺(tái)。

水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括有提水機(jī)構(gòu)、注水機(jī)構(gòu)、回水機(jī)構(gòu)和樞輪等部分，可

以使水周而復(fù)始均勻流動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)樞輪運(yùn)轉(zhuǎn)。樞輪直徑十一尺（約3.48 米），

是全臺(tái)機(jī)械裝置的原動(dòng)輪。其頂部附設(shè)有一組杠桿裝置，起著控制樞輪定時(shí)

轉(zhuǎn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)動(dòng)固定的距離的作用，相當(dāng)于近現(xiàn)代機(jī)械鐘表中的“擒縱器”。

它和歐洲17 世紀(jì)的錨狀擒縱器非常相似，堪稱擒縱器之始祖。

報(bào)時(shí)系統(tǒng)的前部建造成半座5 層木樓閣式建筑的形狀。第一層是晝夜鐘

鼓輪，輪上有3 個(gè)不等高的小木柱，可按時(shí)撥動(dòng)3 個(gè)木人的撥子，拉動(dòng)木人

手臂，一刻鐘木人擊鼓一次，時(shí)初搖鈴，時(shí)正敲鐘。第二層是晝夜時(shí)初正輪，

輪邊有24 個(gè)司辰本人，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，木人按時(shí)在木閣門前出現(xiàn)，表示1

日12 個(gè)時(shí)辰的時(shí)初、時(shí)正，相當(dāng)于現(xiàn)今的24 小時(shí)。第三層是報(bào)刻司辰輪，

輪邊有96 個(gè)木人，每一刻出現(xiàn)一人。第四層是夜漏金鉦輪，可以拉動(dòng)木人擊

鉦報(bào)更，并可以按季節(jié)調(diào)整，以適應(yīng)晝夜長(zhǎng)短的變化。第五層是夜漏司辰輪，

輪邊設(shè)有38 個(gè)木人，木人位置可以按節(jié)氣調(diào)整，從日落到日出按更籌排列，

依次出現(xiàn)。

渾象為一球體，直徑四尺五寸六分（約1.44 米）。球面上繪有283 個(gè)星

座，1464 顆星辰，并繪有銀河，黃赤道和二分、二至的位置。渾象下有木柜，

使之一半露于柜外，一半隱于柜中。渾象經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，可隨

機(jī)軸由東向西轉(zhuǎn)動(dòng)，和天體的視運(yùn)動(dòng)一致，使球面上星辰的位置和實(shí)際天象

相合。

渾儀亦經(jīng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，可隨天球轉(zhuǎn)動(dòng)，以觀測(cè)天象。這

是現(xiàn)代天文臺(tái)跟蹤儀器——轉(zhuǎn)儀鐘的先驅(qū)。其覆蓋的活動(dòng)屋板，則開了現(xiàn)代

天文臺(tái)自由啟閉式屋頂?shù)南群印?br>
整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)結(jié)構(gòu)精密、巧妙，標(biāo)志著中國當(dāng)時(shí)的天文儀器和機(jī)械制

造的高超水平。現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者已公認(rèn)它是世界第一座天文鐘，并認(rèn)為是現(xiàn)代

天文鐘的直接祖先。

最早的指

南針

李約瑟論證了磁羅盤是從中國傳到歐洲去的論點(diǎn)。在歐洲的文字記載

中，首次提到磁羅盤是在公元1190 年。當(dāng)時(shí)亞歷山大·尼卡姆在《來自大自

然》一書中寫道：“海上航行的水手們?cè)谇缣炜梢钥筷柟鈱?dǎo)航，但是遇上陰



天或在漆黑的夜晚，就無法辨別此時(shí)船正駛向羅盤的哪個(gè)方位。于是，他們

就用一根針觸一下磁鐵，然后旋轉(zhuǎn)此針，當(dāng)針停止旋轉(zhuǎn)后，針就指向北方。”

磁羅盤似乎不是經(jīng)阿拉伯地區(qū)傳人歐洲的。因?yàn)橹钡酱蠹s公元1232 年，

阿拉伯的文字中才出現(xiàn)關(guān)于磁羅盤的記載。記載描述了當(dāng)時(shí)的水手用經(jīng)磁石

磨擦過的魚形鐵片來辨別方向的情景。而這魚形鐵片是非常典型的中國式

樣。由此看來，歐洲人和阿拉伯人通過在航海時(shí)與中國人的接觸，大約是在

相同的時(shí)間內(nèi)獲得了航海磁羅盤。只不過歐洲人也許要比阿拉伯人早幾十年

擁有磁羅盤。

我們可以從當(dāng)時(shí)的書籍中發(fā)現(xiàn)能證實(shí)上述觀點(diǎn)正確性的依據(jù)。中國中世

紀(jì)的科學(xué)家沈括在其著名的著作《夢(mèng)溪筆談》（約刊印于公元1086 年）中清

楚地寫道：“術(shù)士用磁石磨一根針的針尖，針尖就能指向南方..在指甲上

或碗口上也同樣可以指向，且其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度很快。但這些支承物堅(jiān)硬而平滑，

針容易墜落。最好用一根新蠶絲以芥子大小的蠟拴在針的中心位置，吊在一

個(gè)無風(fēng)之處，它就會(huì)指向南方。其中有些針磨了以后可以指北。我家有指南

的也有指北的針。”

這段文字記載的年代要先于歐洲首次提到磁羅盤的年代整整一個(gè)世紀(jì)。

李約瑟評(píng)論說：“沈括提到的指南、指北兩種針當(dāng)然是在天然磁石的兩極進(jìn)

行了磁化的..沈括描述的實(shí)驗(yàn)條件說明了當(dāng)時(shí)人們做了大量仔細(xì)的研究。

懸掛時(shí)僅用一根絲線可以避免因絲線相互纏繞所產(chǎn)生的影響；采用絲線意味

著線僅由一條纖維組成，而不像麻線（幾乎可以肯定地說，在沈括所處的時(shí)

代，棉還不為中國所知），麻線是由多根短纖維在拉力作用下紡成的；采用

新的絲線則說明，線上的彈性應(yīng)處處保持一致。”

朱于公元1117 年寫的《萍洲可談》一書中，也有關(guān)于中國人使用航

海磁羅盤的明確記載。該書同樣是在歐洲首先提到磁羅盤之前寫就的。朱

的父親曾是廣州港口的高級(jí)官員，后又做了廣州的知州。在這部名稱有些古

怪的書中，朱寫道：“根據(jù)官對(duì)海船的規(guī)定，大船可載數(shù)百人，小船可載

百余人..舵手熟悉海岸構(gòu)造；夜間根據(jù)星辰的位置掌舵行船，白天則根據(jù)

太陽的位置辨向駕駛。在陰天及無星月的夜里則看指南針辨向。他們還可以

用一根端部帶鉤的30 米長(zhǎng)的繩子放下去，取海底的泥嗅一嗅，就知道他們到

達(dá)

了什么地方。”

文學(xué)家孟元老在他的《東京夢(mèng)華錄》（約公元1126 年）中寫道：“在黑

夜或雨大，或多云之夜，水手靠羅盤行船。由大副負(fù)責(zé)此事。”

在《宣和奉使高麗圖經(jīng)》（公元1124 年）中，作者徐兢寫道：“夜里常

常不能停船，因?yàn)轱L(fēng)和海能使其漂移，所以舵手只有靠星星和大熊星座來辨

向駕駛。如果夜間多云則使用指南浮針來測(cè)定南北。”

以上兩段文字記載也都早于歐洲關(guān)于羅盤的文字記載。

很明顯，用一條天然磁石來指示方向是磁羅盤最初和最簡(jiǎn)單的形式，它

比使用磁針這一先進(jìn)方法要早很長(zhǎng)的時(shí)間。究竟是在什么時(shí)期中國就開始使



用天然磁石羅盤（注：即司南）？如果羅盤在開始之時(shí)不是用于導(dǎo)航，又是

用于什么目的呢？

我們有把握將中國使用天然磁石羅盤的年代追溯到公元前4 世紀(jì)。當(dāng)時(shí)

一部名為《鬼谷子》的書（書作者不詳，但有人認(rèn)為可能是思想家蘇秦）對(duì)

此有過記載。書中有一段文字寫道：“故鄭人之取玉也，必載司南，為其不

惑也。”另一條記載出自思想家韓非子公元前3 世紀(jì)寫的《韓非子》一書，

從中我們可以讀到：

“臣民侵犯國君及其君權(quán)，就像漂移的沙丘和堆積起來的土坡逐漸形成

一樣。這就使君主忘卻其位置，把東西方向搞反了而不自知。所以古代君王

設(shè)立司南，以區(qū)分朝夕的方向。”

這是世界上各種文獻(xiàn)中最早記載磁羅盤的兩段文字（在一些埃及的古籍

中或許也有記載，但對(duì)其文字的解釋有分歧，在此不予討論）。在上面兩段

文字中，沒有一段提過“司南”是新發(fā)明的新奇之物。與此相反，文中卻提

到了“司南”應(yīng)歸功于“先王”，即早至公元前3 世紀(jì)。

指南車的傳說

指南車是中國古代用于指示方向的一種輪車式機(jī)械，又稱“司南車”。

一般在皇帝出行時(shí)使用，作為皇權(quán)象征的儀仗車輛之一。

關(guān)于指南車的發(fā)明，在歷史上有這樣的傳說：

距今4600 多年前，在北方有兩個(gè)部族，一個(gè)姓姜，其首領(lǐng)是神農(nóng)氏炎帝；

一個(gè)姓姬，其首領(lǐng)是黃帝。在這兩個(gè)部族的附近，又有一個(gè)九黎部族，酋長(zhǎng)

叫蚩尤。九黎部族非常強(qiáng)悍，經(jīng)常侵襲姜姓和姬姓部族。有一次，蚩尤又率

領(lǐng)部眾攻打姜姓部族。姜姓部族在神農(nóng)氏的帶領(lǐng)下奮起抵抗，可是在戰(zhàn)斗中

卻遇到大霧，迷失了方向，結(jié)果大敗。為了保護(hù)自己的部族，神農(nóng)氏向黃帝

求救，兩個(gè)部族于是聯(lián)合起來，共同抵御蚩尤的侵略。不料作戰(zhàn)時(shí)又遇到大

霧，黃帝的部眾雖然英勇善戰(zhàn)，也無法取勝。為此黃帝特意制造了一輛指南

車，利用它來識(shí)別南北，使不致于在戰(zhàn)斗中因霧迷失方向，終于打敗九黎族，

生擒了蚩尤。

歷史上

還有另外一個(gè)傳說：

在3000 多年前，周公協(xié)助周武王推翻了商朝暴君紂王的統(tǒng)治，建立了周

朝。周武王死后，周公又代周成王治理國家政事，一時(shí)天下太平，尤邦來朝。

遠(yuǎn)在今越南境內(nèi)的越裳氏也派遣使者，攜帶禮物來向周王朝致賀。為了答謝

他們的盛意，周公造了一輛指南車，贈(zèng)送他們，好讓他們能夠順利回國，不

致在路上迷失方向。

傳說終歸是傳說，不能代替史實(shí)。從科技史的角度看，在黃帝和周公所

處的時(shí)代還不可能發(fā)明和制造指南車。指南車究竟于何時(shí)和由何人發(fā)明，現(xiàn)

在已成歷史懸案。《三國志·魏書·馬鈞傳》記載，馬鈞在魏明帝時(shí)（227



—239 年）任給事中，曾與人討論指南車，他認(rèn)為過去有過，但已失傳。他

奉魏明帝之令，重新制造出了指南車。

指南車的機(jī)械傳動(dòng)和自動(dòng)控制原理十分巧妙，它是通過齒輪系的配合作

用來完成的。簡(jiǎn)單來說，齒輪系由與指示方向的木人相聯(lián)接的大齒輪（或主

齒輪）及與車子左右車轅相聯(lián)接的左右小齒輪系統(tǒng)組合而成。當(dāng)車子向正南

方向行駛時(shí)，大齒輪與左右小齒輪系統(tǒng)脫離，木人不受車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響；當(dāng)

車子偏離正南方向，向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，車轅的前端即向左轉(zhuǎn)動(dòng)，而其后端則向右

轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，右側(cè)的小齒輪系統(tǒng)即與大齒輪嚙合，進(jìn)而產(chǎn)生傳動(dòng)作用，使木

人向右旋轉(zhuǎn)，車子轉(zhuǎn)動(dòng)（向左）的角度正好與木人向右轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相等，二

者作用相消，故木人仍指向正南方，反之，車子向右轉(zhuǎn)彎，亦有相同效果。

于是，當(dāng)調(diào)定本人指向正南方向后，只要車子偏離正南，木人都能應(yīng)時(shí)調(diào)整，

從始至終直指正南方，為車隊(duì)外出行進(jìn)，指明正確的方向。

指南車是中國歷史上一項(xiàng)杰出的機(jī)械發(fā)明。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思靈巧。

它的創(chuàng)制，表明至遲在三國時(shí)已對(duì)齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)原理有了較深刻的認(rèn)識(shí)。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者

望遠(yuǎn)鏡，顧名思義就是一種能夠望得見遠(yuǎn)處東西的儀器。如果你用來觀

賞足球賽或歌舞表演，你將會(huì)有身臨其境之感；如果你用來看星星望月亮，

天上的星星好像就在你眼前內(nèi)爍，皎潔的月亮也仿佛伸手可及。望遠(yuǎn)鏡的功

勞就在于把你和遠(yuǎn)處物體的距離拉“近”了。

最早的望遠(yuǎn)鏡竟被人們看作是一種玩具，你也許沒有想到吧！

事情還得從1608 年說起。

當(dāng)時(shí)，在荷蘭的米德爾堡，有一個(gè)眼鏡匠，名叫李普希，他整天忙忙碌

碌地為顧客磨鏡片、配眼鏡，在他的店鋪里，各式各樣的透鏡琳瑯滿目，讓

人目不暇接。

由于眼鏡生意本小利微，李普希勉強(qiáng)維持5 口之家的生活，無錢給3 個(gè)

可愛的男孩買玩具，因此，父親的廢鏡片就成了小兄弟們的玩具了。

一天，3

個(gè)孩子在陽臺(tái)上玩耍，最小的孩子兩手各拿一個(gè)鏡片，在陽臺(tái)

的柵桿上前后比劃看著遠(yuǎn)處的景物，突然，他發(fā)現(xiàn)教堂尖頂上的風(fēng)向標(biāo)變得

又大又清楚，兩個(gè)小哥哥也好奇地拿著兩個(gè)廢鏡片往遠(yuǎn)處看，果然，遠(yuǎn)處房

上的瓦片、小鳥..都好像是近在眼前，看得那么清晰。孩子們高興地將他

們的發(fā)現(xiàn)告訴了父親。

李普希將信將疑地按照孩子們說的那樣試驗(yàn)著，他將一塊凸透鏡和一塊

凹透鏡組合起來，把凹透鏡放在眼前，將凸透鏡放在前面一點(diǎn)，當(dāng)他把兩塊

透鏡對(duì)準(zhǔn)窗外遠(yuǎn)處教堂尖頂上的風(fēng)標(biāo)時(shí)，李普希驚奇地發(fā)現(xiàn)，這只風(fēng)標(biāo)被大

大地放大了，似乎就近在眼前，伸手可及。

這一發(fā)現(xiàn)，立刻傳遍了米德爾堡，人們紛紛來到他的工作室要求一飽眼



福，有人甚至愿出高價(jià)買下這個(gè)“玩具”，拿回家一人獨(dú)享。

李普希意識(shí)到這是一樁賺錢的買賣，于是就向荷蘭國會(huì)提出了申請(qǐng)專利

的要求。1608 年10 月2 日，國會(huì)審議了這件事，認(rèn)為這種“玩具”應(yīng)該有

個(gè)正規(guī)的名稱，并且要求發(fā)明者對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，使它能夠同時(shí)用兩只眼睛進(jìn)

行觀看。李普希經(jīng)過考慮，給它取了個(gè)名字，叫“窺探鏡”。這一年的12

月15 日，他又交給國會(huì)一架經(jīng)過改進(jìn)的雙筒窺探鏡，國會(huì)給了他一大筆獎(jiǎng)

金。

盡管荷蘭人想盡辦法保守望遠(yuǎn)鏡的秘密，但是，望遠(yuǎn)鏡的消息還是不脛

而走，很快傳遍了歐洲。

1609 年6 月，居住在意大利威尼斯的物理學(xué)家伽利略聽到這一消息后，

立刻買來鏡片，安裝在一個(gè)銅筒的兩端，經(jīng)不斷改進(jìn)，制成了夠觀察天體的

望遠(yuǎn)鏡，它幫助伽利略打開了宇宙的大門。

1609 年末到1610 年初，伽利略利用望遠(yuǎn)鏡這一工具，不斷地對(duì)天體進(jìn)

行觀察。他發(fā)現(xiàn)月球表面并不光滑，而是山峰高聳；他看到銀河系是由無數(shù)

星體組成；他找到木星的衛(wèi)星；他還觀察到太陽的黑子、金星的盈虧、土星

的光環(huán)等等。

這一系列的發(fā)現(xiàn)，卻觸怒了教會(huì)，因?yàn)樗麄冞^去始終認(rèn)為天上是完美無

缺的，如今，不僅月亮上有斑點(diǎn)，連太陽也有缺陷，這如何了得？教會(huì)誣蔑

伽利略是騙子，望遠(yuǎn)鏡是“魔鬼”的發(fā)明，并于1616 年和1633 年兩次將伽

利略傳到羅馬，最后決定將他終身監(jiān)禁，直到300 年后的1980 年羅馬教庭才

宣布取消對(duì)伽利略的審判。伽利略的望遠(yuǎn)鏡與荷蘭李普希發(fā)明的一樣，都是

由凹透鏡和凸透鏡組成的，我們稱它們?yōu)椤罢凵涫酵h(yuǎn)鏡”。這種望遠(yuǎn)鏡有

一個(gè)重要缺陷，就是所有的圖像都帶有彩色的邊緣，這種情況有點(diǎn)像彩色電

視機(jī)圖像發(fā)生疊影時(shí)一樣，科學(xué)家們稱它為透鏡的“色差”。如何才能克服

這一缺陷呢？

英國科學(xué)家牛頓解決了這個(gè)難題。

他在研究光的折射的基礎(chǔ)上，提出了

自己的看法。他說：

“望遠(yuǎn)鏡的完善程度所以迄今受到限制的原因，主要不是由于缺乏那種

其形狀真正像光學(xué)專家們所規(guī)定的透鏡（所有的人迄今都是這樣想的），而

是因?yàn)楣獗旧硎且环N折射率不同的光線的復(fù)雜混合物。所以即使有一個(gè)透

鏡，其形狀如此精確，能把任何一種光線匯集到一點(diǎn)，但它卻不能把那些以

相同的入射方向射到同一種媒質(zhì)而會(huì)受到不同折射的光線，也匯集到同一點(diǎn)

上來。..這就使我去考慮反射現(xiàn)象，而在我看到它是有規(guī)則的，一旦光線

的反射角都等于它們的入射角的時(shí)候，我理解到如以反射現(xiàn)象為媒介，而且

只要能夠找到一種反射材料，把它像玻璃那樣磨得光潔，又能反射像玻璃所

能透射的那樣多的光、并且也能獲得把它磨成拋物面形狀的工藝，那末光學(xué)

儀器可以做到任何可設(shè)想的完善程度。”

1668 年牛頓把這種設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，制成了第一架反射式望遠(yuǎn)鏡模型，



鏡筒直徑約為2.5 厘米，全長(zhǎng)約15 厘米。

1671 年制成了經(jīng)過改造的第二架反射式望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡至今還保存

在英國皇家學(xué)會(huì)的圖書館里。現(xiàn)在制造的反射式望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)造，與牛頓的反

射式望遠(yuǎn)鏡基本相同。

在美國新澤西州霍爾姆德爾，有一個(gè)非常著名的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，那是

電話發(fā)明者貝爾在19 世紀(jì)末創(chuàng)建的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室可出了不少名人，其中有一

個(gè)是20 世紀(jì)30 年代在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作過的一位無線電工程師，名叫央斯基。

1931 年，26 歲的央斯基在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)長(zhǎng)距離無線電通訊方

面的研究。在這種通訊中，經(jīng)常可以聽到一種“嘶嘶”的聲音，使他很傷腦

筋，他根本不知道這種聲音來自何方。為了找到這種干擾的原因，央斯基特

地設(shè)計(jì)制造了一副可以轉(zhuǎn)動(dòng)的奇怪天線，這副天線看上去像個(gè)稀稀落落的平

面網(wǎng)架，下面是4 個(gè)從舊福特汽車上拆下來的輪于，人們戲稱它為“旋轉(zhuǎn)木

馬”。這副天線的方向性很強(qiáng)，投人使用以后，接收到了大量主要來自雷暴

的干擾信號(hào)。不過，其中有一種微弱的、有規(guī)律的干擾信號(hào)引起了央斯基的

注意，這種信號(hào)每隔23 小時(shí)56 分鐘出現(xiàn)一次最大值。“它來自何方呢？”

央斯基開始了認(rèn)真調(diào)查。

1933 年4 月，在一次國際性會(huì)議上，央斯基鄭重地宣布：“..最初，

我以為這種干擾信號(hào)來自太陽的無線電波，經(jīng)過仔細(xì)觀測(cè)，我發(fā)現(xiàn)它來自銀

河中心的方向。”于是，這份報(bào)告成了射電天文學(xué)的第一篇經(jīng)典著作，央斯

基也成了射電天文學(xué)的開創(chuàng)者。

1933 年5 月5 日，美國《紐約時(shí)報(bào)》頭版發(fā)表消息——“來自銀河中心

的新的無線電波”，全世界

不少報(bào)紙對(duì)此作了廣泛報(bào)導(dǎo)。然而，奇怪的是，

這一發(fā)現(xiàn)并沒有引起科學(xué)界的廣泛注意，就連央斯基本人對(duì)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)究竟有

多大意義也表示懷疑。因此，他在這方面沒有再花更多的精力，以后，央斯

基實(shí)際上已經(jīng)放棄了剛剛露了點(diǎn)頭的射電天文學(xué)，而將注意力轉(zhuǎn)向了其他領(lǐng)

域。

有意思的是，央斯基的發(fā)現(xiàn)卻引起了一個(gè)業(yè)余無線電愛好者——青年工

程師雷伯的注意。1937 年，雷伯在美國芝加哥郊外自己家的后院里，安裝了

一架直徑9．45 米的拋物面反射器，這便是世界上最早的射電望遠(yuǎn)鏡。1938

年初，雷伯開始用它進(jìn)行觀測(cè)，并接收來自太陽和其他天體的射電波，從而

證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。雷伯于1940 年發(fā)表了自己的觀測(cè)結(jié)果。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，人們發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的干擾與太陽的射電活動(dòng)有關(guān)，

這才開始認(rèn)識(shí)到天體射電的重要性。戰(zhàn)后，射電望遠(yuǎn)鏡極大地?cái)U(kuò)展了人類的

視野，揭開了一個(gè)又一個(gè)宇宙的奧秘，20 世紀(jì)60 年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的星

際有機(jī)分子、類星體、脈沖星以及微波背景輻射，都是射電望遠(yuǎn)鏡的偉大功

勛呢！

人類居住的地球被大氣層緊緊包裹著，它阻礙著天文學(xué)家對(duì)天上星星的

觀測(cè)。不知你注意到?jīng)]有，夏天的夜晚，當(dāng)你抬頭仰望星空時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多



星星都在“眨眼睛”，其實(shí)，這就是大氣搗的鬼。另外，大氣中漂浮著的水

蒸汽、煙霧和塵埃等，都會(huì)影響對(duì)星星的觀測(cè)。

擺脫大氣層，到空間去進(jìn)行天文觀測(cè)，這是天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的愿望。

這一天終于來到了！

1990 年4 月25 日，美國航天飛機(jī)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”將一架稱為“哈勃”的空

間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射進(jìn)入到太空軌道，使天文學(xué)家們的夢(mèng)想成真。哈勃是20 世紀(jì)最

偉大的天文學(xué)家之一，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡成了人類制造的第一架空間光學(xué)望遠(yuǎn)

鏡。

其實(shí)，早在1923 年，德國火箭先驅(qū)奧伯茲就首先描述了在地球大氣層外

進(jìn)行天文觀測(cè)的優(yōu)越性；23 年后，美國天文學(xué)家斯別茲第一次對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡

進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究，提出了遠(yuǎn)距離觀測(cè)的概念；直到1973 年，美國宇航

局和歐洲空間局才同意合作設(shè)計(jì)“空間望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，然而由于經(jīng)費(fèi)限制等

原因，1990 年才得以完成升空。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的外形是一個(gè)圓柱形，長(zhǎng)13.3 米，直徑4.3 米，總重量

為12.5 噸，即使放在地面，它也可算是一架大型望遠(yuǎn)鏡了。它由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

組件、科學(xué)儀器艙以及保障系統(tǒng)三大部分組成。按照設(shè)計(jì)要求，哈勃空間望

遠(yuǎn)鏡可以看到地面望遠(yuǎn)鏡7 倍的深空，弱50 倍的星星以及擴(kuò)展350 倍的宇宙

空間。先進(jìn)的航天技術(shù)可以使望遠(yuǎn)鏡上90 ％的部件得到保養(yǎng)、修理和更換，

這樣，哈勃空間望

遠(yuǎn)鏡可以在太空中飛行15 年，為天文學(xué)家尋找宇宙中出現(xiàn)

的任何蛛絲馬跡。由于它的靈敏度和分辨率比地面望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)10 倍，因此，天

文學(xué)家期望它能夠?yàn)樗麄冇^測(cè)到地面上無法觀測(cè)到的“奇景異色”。例如，

宇宙中暗弱天體發(fā)出的可見光、紫外線；測(cè)量暗弱天體的化學(xué)成份、溫度、

運(yùn)動(dòng)特征；研究神秘莫測(cè)的類星體、彗星和遙遠(yuǎn)星系；考察爆發(fā)星系、氣體

云以及恒星發(fā)射的物質(zhì)。不過，由于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡形狀存在一些問

題，使得它拍攝的照片質(zhì)量不能盡如人意，美國宇航局已于1993 年重新安裝

望遠(yuǎn)鏡主鏡，使它完全達(dá)到所設(shè)計(jì)的要求。

當(dāng)然，在太空中遨游的望遠(yuǎn)鏡也存在不足之處，例如天文學(xué)家很難對(duì)它

進(jìn)行校準(zhǔn)，而且這巨大的望遠(yuǎn)鏡在空間運(yùn)行時(shí)也并不十分平穩(wěn)。下一步天文

學(xué)家的理想是什么呢？天文學(xué)家們希望把天文望遠(yuǎn)鏡搬到月亮上去，在月亮

上建立天文臺(tái)呢！

溫度計(jì)的種類

在有文字記載的人類歷史上，關(guān)于冷熱一類的詞很早就出現(xiàn)了。我國古

代早在先秦文獻(xiàn)上就有不少寒暑冷熱的記載；到了戰(zhàn)國時(shí)期，人們已經(jīng)知道

將水存放在瓶?jī)?nèi)，由水是否結(jié)冰來推知?dú)鉁叵陆档某潭龋粷h代初期，我國人

民進(jìn)一步發(fā)展了以冰測(cè)溫的溫度計(jì)雛形。《淮南子》這本書中有這樣的說法：

“睹瓶中之冰而知天下之寒暑。”



大家都知道“爐火純青”這個(gè)成語吧！它的意思是比喻某人的品德修養(yǎng)、

學(xué)問、技術(shù)或處事手段等達(dá)到精純完美的境地。其實(shí)，“爐火純青”還體現(xiàn)

了我國古代的一種獨(dú)特的光學(xué)測(cè)溫術(shù)呢！據(jù)說，古時(shí)候的道家在煉丹時(shí)，必

須到爐火純青時(shí)才算煉成。

以后，這種技術(shù)又被廣泛用于熔鑄青銅合金的技術(shù)之中。戰(zhàn)國初期有一

本書，書名為《考工記》，其中這樣寫道：“鑄金之狀..青、白之氣竭，

青氣次之，然后可鑄也。”根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)原理，它是說，當(dāng)溫度升至1200℃

時(shí)，雜質(zhì)鋅將全部揮發(fā)，所以白煙消竭。“爐火純青”說明爐溫已經(jīng)夠高，

可以澆鑄了。

您看，這是多么有趣啊！

世界上很多物質(zhì)都具有熱脹冷縮的特性，水、空氣、水銀和酒精等等在

加熱的情況下體積都會(huì)膨脹，而在變冷的情況下則會(huì)縮小。因此，在日常生

活中，我們發(fā)現(xiàn)夏天的電線往下垂、冬天的電線繃得直；鐵路的路軌夏天變

長(zhǎng)冬天變短，中間空隙就有大有小；踩癟的乒乓球放到熱水中，凹下去的地

方一下子就復(fù)原了..這些都是因?yàn)闊崦浝淇s的緣故。人類很早就知道了這

種現(xiàn)象，公元前3 世紀(jì)就有人做實(shí)驗(yàn)來演示空氣的熱脹冷縮，然而都沒有想

到利用它來測(cè)量溫度。

據(jù)說，最早利用這一特性來反映冷熱程

度的是伽利略，他曾于1581 年在

意大利的比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。在這過程中，他發(fā)現(xiàn)生病往往與體溫的變化有

關(guān)，可當(dāng)時(shí)，人們除了憑人手觸摸確定體溫高低外，幾乎沒有什么可靠的辦

法。

“為什么不發(fā)明一種溫度計(jì)呢？用這種溫度計(jì)不就可以精確地測(cè)出病人

的體溫了嗎？”伽利略的創(chuàng)造發(fā)明欲望又一次在心頭涌起，“根據(jù)什么原理

來制造呢？嗯，看來必須在和溫度變化有關(guān)的熱脹冷縮上下功夫！”

于是，伽利略一頭鉆進(jìn)了“熱脹冷縮”世界中去了。然而，發(fā)明創(chuàng)造并

非一蹴而就之事，它必須具有靈敏的腦袋和靈巧的雙手，必須經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)

的思索和堅(jiān)持不懈的努力，才能最后取得成功，溫度計(jì)的發(fā)明同樣如此。

一晃10 多年過去了，在這期間，伽利略當(dāng)然不僅僅考慮溫度計(jì)一件事，

他發(fā)現(xiàn)了擺動(dòng)定律，可以使機(jī)械鐘走得更準(zhǔn)確；他在比薩斜塔上做了著名的

落體實(shí)驗(yàn)；他還因故離開了比薩大學(xué)被聘為帕多瓦大學(xué)的教授。在帕多瓦大

學(xué)，伽利略白天教書，晚上同學(xué)生們討論學(xué)問，然后再回到自己家里休息。

說是休息，其實(shí)他還要做實(shí)驗(yàn)、制儀器，天天如此。

就在這忙忙碌碌之時(shí)，1593 年伽利略發(fā)明了第一支空氣溫度計(jì)。這種儀

器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但以前從未有人想到過：它是一根玻璃管，一端開口，另

一端有一小泡，然后將它注滿水，并將開口的一端立于水盆內(nèi)的水面之下，

這樣，小泡內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)含有空氣的空間。如果用手握緊小泡，就會(huì)使泡內(nèi)

空氣受熱膨脹，越熱膨脹得越厲害，小泡中的空間也越大；相反，小泡內(nèi)空

氣就變冷而收縮。如果在玻璃管邊上裝一個(gè)標(biāo)尺，用來測(cè)定水的高度變化，



也就可以確定空氣溫度的變化了。

第一枝空氣溫度計(jì)制成以后，伽利略滿心歡喜，馬上用它到處去測(cè)定溫

度。不久，他就感到不滿意了，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)這種溫度計(jì)很不精確，既不能測(cè)

低溫，又不能測(cè)高溫：溫度太低玻璃管內(nèi)的水會(huì)結(jié)冰，溫度太高水又會(huì)汽化。

同時(shí)，伽利略還發(fā)現(xiàn)，即使溫度不變，玻璃管內(nèi)的水的高度也會(huì)有所差異，

這是由于它還要受到大氣壓強(qiáng)變化的影響。由于工作繁忙，伽利略沒有精力

和時(shí)間去進(jìn)一步研究、改進(jìn)他的空氣溫度計(jì)了。

首先對(duì)伽利略的溫度計(jì)加以改進(jìn)的是一位名叫雷伊的法國化學(xué)家。1632

年元旦，雷伊給他朋友寫了一封信，信中提出了一種液體溫度計(jì)，他建議把

伽利略的溫度計(jì)反過來裝，在泡里充水，管子里充空氣，用水的膨脹來指示

溫度。他在信中這樣寫道：

“使用的時(shí)候，將泡充滿水直到頸部，把它放在陽光下或一個(gè)發(fā)燒病人

的手中，熱會(huì)使水膨脹而上升，上升多少

則根據(jù)熱的高低而定。”

但是，雷伊的液體溫度計(jì)由于沒有把玻璃管的上端封閉，水的蒸發(fā)就會(huì)

帶來較大的誤差。

后來，在意大利托斯卡納大公爵斐迪南二世的指導(dǎo)下，佛羅倫薩的院士

們提出了將管子密封的設(shè)想，他們將玻璃泡裝上酒精，然后熔化玻璃尖把它

密封，并把刻度附在玻璃管上。這就是第一個(gè)與大氣壓強(qiáng)無關(guān)的溫度計(jì)。

1657 年，大公爵把這種溫度計(jì)贈(zèng)送給波蘭皇后的使節(jié)，皇后的大臣又把

溫度計(jì)轉(zhuǎn)送給巴黎的天文學(xué)家布里奧。兩年以后，布里奧制造出了第一支用

水銀作為測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。這樣，溫度計(jì)可測(cè)的溫度范圍就更大了。

就在伽利略發(fā)明第一支空氣溫度計(jì)之時(shí)，他的一位朋友帕多瓦大學(xué)的醫(yī)

學(xué)教授桑克托留斯則在用一種特殊的驗(yàn)溫器來指示人體溫度的變化，這種獨(dú)

特的驗(yàn)溫器可以說是世界上最早的體溫計(jì)了。

桑克托留斯發(fā)明的這種體溫計(jì)像一條蛇形，球狀的上端可放在病人的口

中，管子下端放在一個(gè)盛水的容器內(nèi)；蛇形管的刻度用玻璃珠標(biāo)示，玻璃珠

之間的距離則是任意的。雖然這是一個(gè)粗糙的儀器，但桑克托留斯卻利用它

發(fā)現(xiàn)了人體在健康和患病時(shí)的體溫變化。

在溫度計(jì)發(fā)展過程中，我們不得不提到德國物理學(xué)家蓋里克，他曾以馬

德堡半球?qū)嶒?yàn)而聞名于世，殊不知，他在1660 年至1662 年還創(chuàng)建了一個(gè)最

不尋常的溫度計(jì)呢！

蓋里克這架獨(dú)特的儀器有近20 英尺長(zhǎng)，它由一個(gè)繪成藍(lán)色，上面嵌著金

星的鋼球殼和1 英寸寬的銅管連接而成，銅管彎成一個(gè)很窄很窄的U 形，管

內(nèi)灌入了一些酒精。U 形管較短一臂的頂端是開口的，酒精液面上漂浮著一

個(gè)微小的倒扣著的銅箔杯，它與一根繩子連著，繩子繞過懸掛在球殼下的滑

輪，繩子的另一端是一個(gè)帶翅膀的小天使，用小天使來指示管子上的刻度。

大鋼球殼的一側(cè)加了一道閥門，用空氣泵排除空氣用以調(diào)節(jié)酒精的高度。當(dāng)

銅球內(nèi)的空氣膨脹時(shí)，U 形管開口一端的酒精就上升，小天使則下降；相反，



當(dāng)空氣收縮時(shí)，小天使就上升。

蓋里克制造的這個(gè)巨大的溫度計(jì)安裝在房子背陰的一面，它上面有7 個(gè)

標(biāo)度，從“大熱”開始一直到“大冷”。這個(gè)溫度計(jì)在當(dāng)時(shí)還真引人注目呢。

自從伽利略制成第一支空氣溫度計(jì)開始，人們始終碰到一個(gè)難題，那就

是“溫標(biāo)”——溫度計(jì)需要有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，才能被人們廣泛接受呀！

首先意識(shí)到這一問題的是英國著名物理學(xué)家玻義耳，他為缺少一個(gè)絕對(duì)

的測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)而感到深深的苦惱。

“有什么辦法呢？”玻義耳一邊思索著，一邊實(shí)驗(yàn)著。經(jīng)過一番鉆研，

玻義耳建議用茴香油放在酒精溫度計(jì)的周圍

，讓油凝固，記下當(dāng)茴香油開始

凝固時(shí)的酒精高度，然后再計(jì)算酒精的膨脹。

玻義耳有個(gè)助手，名叫胡克，他也跟著玻義耳一起思考著溫標(biāo)問題。有

一天，胡克做完實(shí)驗(yàn)以后感到十分疲勞，于是，他走到實(shí)驗(yàn)室外的酒柜里，

倒了半杯葡萄酒，獨(dú)個(gè)兒自斟自飲開了。突然，胡克的眼睛盯在那洋紅色的

葡萄酒上不動(dòng)了。

“咦，這倒是個(gè)好主意，為什么不用這樣紅色葡萄酒酒精代替無顏色的

酒精呢？這樣的話，不是更容易觀測(cè)溫度的變動(dòng)化了嗎？”

這個(gè)靈感，使胡克感到十分高興，不久，一支清晰易辨的溫度計(jì)便制成

了，它里面灌著紅色的酒精。胡克制造的溫度計(jì)變化非常大，夏天可以膨脹

到頂端，冬天可以降低到底部。在桿上刻度時(shí)，胡克先是把它放在正在凝固

的蒸餾水中，把它停留的位置當(dāng)作零，再根據(jù)液體的膨脹程度分度。

著名英國科學(xué)家牛頓也曾研究過溫標(biāo)這個(gè)難題呢！1701 年，牛頓用筆名

發(fā)表了一篇論文，報(bào)道了他在測(cè)溫學(xué)方面的研究成果，牛頓做了一支溫度計(jì)，

取了兩個(gè)固定點(diǎn)作為溫標(biāo)，一個(gè)是雪融化時(shí)的溫度，另一個(gè)是人體的溫度，

然后，他將這兩個(gè)固定點(diǎn)間分為12 等份。盡管牛頓提出的這種溫標(biāo)并不十分

令人滿意，但是，他發(fā)現(xiàn)的固體冷卻定律和他對(duì)溶解與沸騰溫度穩(wěn)定性的觀

察，對(duì)溫度計(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。

除此之外，還必須一提的是法國科學(xué)家阿蒙頓，他于1702 年改進(jìn)了伽利

略溫度計(jì)，他的溫度計(jì)是由一個(gè)恒定體積的玻璃泡和一個(gè)U 形管較短的一臂

連接而成，U 形管較長(zhǎng)的一臂內(nèi)的水銀柱高度表示所測(cè)得的溫度。阿蒙頓的

溫度計(jì)測(cè)出的溫度與大氣壓強(qiáng)無關(guān)，因此，不同地方的溫度計(jì)讀數(shù)可作比較，

但是由于他選擇水的沸點(diǎn)作為一個(gè)固定點(diǎn)，這又與大氣壓強(qiáng)有關(guān)，結(jié)果還是

不能取得較高的準(zhǔn)確度。

時(shí)間進(jìn)入了18 世紀(jì)。

由于物理學(xué)、醫(yī)學(xué)和氣象學(xué)等各個(gè)方面日益發(fā)展的需要，對(duì)溫度測(cè)量的

要求越來越高。真所謂“時(shí)勢(shì)造英雄”，在這樣的形勢(shì)下，有3 位科學(xué)家脫

穎而出，他們便是華倫海特、列奧默和攝爾薩斯。

華倫海特于1686 年出生在德國的但澤，他的父親是一個(gè)商人，父親為了

讓他繼承家業(yè)，特地送他到荷蘭學(xué)習(xí)商業(yè)。但是，華倫海特卻對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了



濃厚的興趣。終于，他成了阿姆斯特丹一個(gè)有名的科學(xué)儀器制造家。

華倫海特最初是用酒精來制作溫度計(jì)的，直到1714年，28歲的華倫海

特才制造了現(xiàn)在仍以他的名字命名的那種水銀溫度計(jì)。在他的溫度計(jì)上，他

選了3個(gè)固定點(diǎn)：第一點(diǎn)取冰、純水和氯化鎂混合物的溫度定為0度；第二

點(diǎn)取無鹽的冰水混合物的溫度定為32度，稱之

為凝結(jié)的起點(diǎn)；第三點(diǎn)取溫度

計(jì)插入人體口中或置于腋下的溫度定為96度。這便是“華氏溫標(biāo)”。

有趣的是，水的沸點(diǎn)雖然不是華氏溫標(biāo)的一個(gè)固定點(diǎn)，但是212這一點(diǎn)

恰恰與之重合。以后，為了使固定點(diǎn)更精確，人們便改以冰水混合物的溫度

為3 2度，以在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸騰溫度為212度。

列奧默是一位法國貴族博物學(xué)家，他在不知曉華倫海特工作的情況下，

沿著不同的路線，探索著溫度計(jì)的改良工作。

列奧默于1683年生于法國的拉羅歇爾，他是一位數(shù)學(xué)家、動(dòng)物學(xué)家。1730

年，列奧默引入了一種溫標(biāo)，他把水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間劃分為80度，這是因

為列奧默注意到，酒精和五分之一水的混合液在從水的冰點(diǎn)加熱到沸點(diǎn)時(shí)，

其體積從1000份膨脹到1080份。但是，由于他忽視了空氣壓強(qiáng)對(duì)液體沸點(diǎn)

的影響，他的溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果并不理想。列奧默發(fā)明的這種溫標(biāo)人們稱之

為“列氏溫標(biāo)”。

瑞典天文學(xué)家攝爾薩斯是18世紀(jì)前半葉以溫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化著稱的第三位科

學(xué)家。1742年，攝爾薩斯在一篇向瑞典科學(xué)院宣讀的論文中，建議人們采用

一種新的溫標(biāo)，即“百分溫標(biāo)”，又稱“攝氏溫標(biāo)”。他選擇了兩個(gè)固定點(diǎn)，

一個(gè)是沸水的溫度記作0，另一個(gè)是結(jié)冰的溫度記作100，中間分為100個(gè)分

度。因此，攝爾薩斯當(dāng)時(shí)的情況和我們今天恰恰相反：沸騰的水不是100度，

而是0度！這個(gè)“攝氏溫標(biāo)”使用起來比以前所有的溫標(biāo)都更令人滿意，漸

漸地成了科學(xué)研究中應(yīng)用最廣的溫標(biāo)。第二年，有人對(duì)“攝氏溫標(biāo)”的方向

不太滿意，于是，將它倒了過來，取水的沸點(diǎn)為100度，冰點(diǎn)為0度，這種

習(xí)慣便一直延用至今。

對(duì)于氣象觀測(cè)者來說，最感興趣的莫過于某一段時(shí)間，例如 24小時(shí)內(nèi)

溫度計(jì)所測(cè)得的最高溫度和最低溫度了。今天的報(bào)紙、廣播和電視上的天氣

預(yù)報(bào)，所報(bào)的溫度也是最高和最低兩項(xiàng)。但是，這兩項(xiàng)溫度如何測(cè)定呢？如

果使用普通的溫度計(jì)，豈不是需要一個(gè)人每時(shí)每刻去觀測(cè)溫度計(jì)才行嗎？有

沒有辦法制造出可以測(cè)出24小時(shí)內(nèi)最高溫度和最低溫度的溫度計(jì)呢？

18世紀(jì)，許多人都在考慮這個(gè)問題，也在設(shè)法解決它，英國科學(xué)家卡文

迪許便是其中之一，他是18世紀(jì)英國受人尊敬的一名科學(xué)家。18世紀(jì)50年

代前后，卡文迪許發(fā)明了早期類型的最高溫度計(jì)和最低溫度計(jì)，它們是兩個(gè)

互相獨(dú)立的儀器。

最高溫度計(jì)的外表與普通溫度計(jì)相差不大，關(guān)鍵在于它的上端：水銀柱

上部有一部分酒精柱，上端開口處還有一個(gè)小小的玻璃容器。當(dāng)溫度逐漸上

升，達(dá)到最高時(shí)，水銀柱頂著酒精柱達(dá)到最高處，多余的酒精便溢出到玻璃



容器中。隨

著溫度的下降，酒精柱上方出現(xiàn)了一段空間，這段空間便能表示

它曾達(dá)到的最高溫度。

最低溫度計(jì)就像一根倒置的虹吸管，長(zhǎng)肢封閉，短肢通過一個(gè)玻璃球與

一個(gè)大圓筒連通。玻璃球和大圓筒原先都裝有酒精，水銀則從短肢頂端延伸

到長(zhǎng)肢向上的某一點(diǎn)來表示環(huán)境溫度。當(dāng)溫度下降時(shí)，圓筒內(nèi)的酒精收縮，

水銀從短肢跑進(jìn)玻璃球內(nèi)就跑不出來了。如果后來溫度上升了，則短肢上部

充入一段酒精柱，其長(zhǎng)度同溫度上升成正比。短肢上水銀高度將表明這溫度

計(jì)比它這時(shí)的溫度低了多少，如果從現(xiàn)在的高度減去這個(gè)差值，就可以知道

它所達(dá)到的最低溫度是多少了。

卡文迪許發(fā)明的這種儀器直到18 世紀(jì)末才被人們廢棄，代之以帶有小的

活動(dòng)指標(biāo)的溫度計(jì)。這個(gè)指標(biāo)由溫度計(jì)液體表面的升降來加以操縱，至今我

們還可以看到它們的應(yīng)用，這便是由一個(gè)名叫西克斯的人所改進(jìn)的組合式最

高最低溫度計(jì)。對(duì)自己的這一發(fā)明，西克斯曾自豪地說：“我通常在晚上去

察看我的溫度計(jì)，從左邊的指標(biāo)看看昨天夜里的冷，從右邊的指標(biāo)看看今天

白天的熱。我將這些記錄下來，然后把一塊小磁鐵作用于管子被指標(biāo)貼住的

部分，使指標(biāo)向下移動(dòng)到水銀表面。這樣，無需加熱、冷卻、分離或擾動(dòng)水

銀，也無需移動(dòng)儀表，便可以使這儀表一動(dòng)也不動(dòng)就已經(jīng)調(diào)整好了，準(zhǔn)備作

另一次記錄。”

發(fā)明了能測(cè)最高、最低溫度的溫度計(jì)對(duì)我們真是太有用了，我們今天的

天氣預(yù)報(bào)不就是預(yù)報(bào)每天的最高、最低溫度嗎？

到了19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求更精確的溫度計(jì)，同時(shí)，

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為更精確溫度計(jì)的誕生創(chuàng)造了條件。在這一時(shí)期，誕生了

溫差電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、輻射熱計(jì)、光測(cè)高溫計(jì)以及氫溫度計(jì)等。

1874 年，德國科學(xué)家西門子首次制成了電阻溫度計(jì)，它是利用金屬或半

導(dǎo)體的電阻隨著溫度改變的性質(zhì)而制成的一種溫度計(jì)，由于這種溫度計(jì)比較

精確，往往被用作溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。

1902 年，由費(fèi)里發(fā)明的輻射熱計(jì)是一個(gè)帶有手柄的圓柱型儀表，它可以

測(cè)定來自一個(gè)方向的熱輻射強(qiáng)度。儀器的背面有著棋盤形黑、白相間鋁箔制

成的輻射熱接受體，正面則是一個(gè)電流表。如果我們要進(jìn)行測(cè)量，只要將接

受體對(duì)著輻射源直接讀數(shù)就可以了。

光測(cè)高溫計(jì)又稱為光學(xué)高溫計(jì)，它是利用熾熱物體發(fā)出的光測(cè)量其溫度

的一種高溫測(cè)量?jī)x器。1878 年由克羅伐研制的這種儀器其實(shí)是一個(gè)內(nèi)部裝有

特制電燈泡的簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡，使用的時(shí)候，將它直對(duì)著待測(cè)物體，使待測(cè)物體

的發(fā)光面在燈泡的燈絲處形成一個(gè)明亮的像，然后再調(diào)

節(jié)燈絲的電流，使其

亮度與像的亮度相同，這時(shí)，由電流的大小就可讀出熾熱物體的溫度。它可

以測(cè)量800 ℃至3200 ℃之間的溫度。

氫溫度計(jì)是一種氣體溫度計(jì)，1901 年由霍爾本研制成功。氫溫度計(jì)是利

用氫氣的壓強(qiáng)或體積隨溫度而變化的性質(zhì)制成的溫度計(jì)。



今天的溫度計(jì)已成了一個(gè)大家族，尤其是進(jìn)入電子時(shí)代以后，小巧靈便

的液晶顯示溫度計(jì)更是受人歡迎。

氣象儀器的發(fā)明

我們每天都能從電臺(tái)、電視臺(tái)知道當(dāng)天的天氣情況和以后幾天的天氣預(yù)

報(bào)，包括溫度、風(fēng)向和風(fēng)力、雨情和雨量，有的還會(huì)告訴我們大氣中的濕度。

當(dāng)然，這些“情報(bào)”全都來自氣象臺(tái)。

可是，你知道氣家臺(tái)是如何知道這些“情報(bào)”的嗎？當(dāng)然得靠?jī)x器：用

溫度計(jì)測(cè)溫度，用風(fēng)速計(jì)測(cè)風(fēng)速，用雨量筒測(cè)量雨量，用濕度計(jì)測(cè)濕度等。

關(guān)于溫度計(jì)的發(fā)明故事，我們已經(jīng)作了介紹。這里，我們將談?wù)勂渌麕追N氣

象儀器的發(fā)明故事。

地球上自從有了大氣層，也就有了風(fēng)，風(fēng)伴隨著人類在地球上經(jīng)歷了漫

長(zhǎng)的歲月——有時(shí)候微風(fēng)輕拂，有時(shí)候暖風(fēng)撲面，而有時(shí)候卻狂風(fēng)怒吼。

從感覺上，人們很容易知道風(fēng)的大小和方向，但是，這是很粗糙的。能

不能有一種測(cè)量風(fēng)的儀器呢？

我國東漢時(shí)代科學(xué)家張衡，不僅設(shè)計(jì)制造了渾天儀和地動(dòng)儀，而且他還

是世界上第一個(gè)風(fēng)信器的發(fā)明者呢！

所謂“風(fēng)信器”就是用來指示風(fēng)向的儀器，我們可以在一些較高的建筑

物尖頂上看到它們?cè)陔S風(fēng)擺動(dòng)。

當(dāng)時(shí)，張衡在發(fā)明了渾天儀和地動(dòng)儀以后，又對(duì)風(fēng)產(chǎn)生了興趣。“測(cè)天

我有了渾天儀，測(cè)地我有了地動(dòng)儀，而這天與地之間的風(fēng)倒是一個(gè)難題。有

沒有辦法制造一件測(cè)風(fēng)的儀器呢？”張衡開始了對(duì)風(fēng)的研究。

張衡感到，測(cè)風(fēng)最主要的應(yīng)該是測(cè)它的方向，“我制造的這件儀器，必

須滿足一個(gè)條件，就是能夠隨風(fēng)轉(zhuǎn)向，這樣，將它安裝在高處，抬頭一看不

就清清楚楚嗎？”

對(duì)張衡來說，制造這樣一件儀器并不是難事，不久他就制成了，并把它

安在5 丈高的桿頂上。

“嗨，這是什么玩意兒？大家快來看呀！”人們紛紛前來觀看這個(gè)從未

見過的東西。

只見桿頂上有一只銅鑄的小鳥，鳥嘴里銜著一朵花。

“諸位，這是我剛剛制造成功的一件儀器，我叫它‘相風(fēng)銅鳥’，這只

銅鳥的頭總是對(duì)著風(fēng)吹來的方向，有了它，我們可以隨時(shí)知道東西南北風(fēng)

啦！”張衡興致勃勃地對(duì)大伙說著。

“你們看，這只銅鳥真的在轉(zhuǎn)動(dòng)了！”人們發(fā)出了嘖嘖贊嘆聲。

這只“相風(fēng)銅鳥”又叫作“候風(fēng)儀”，也就是我們現(xiàn)在說的風(fēng)信器。同

樣的儀器在歐洲直到12 世紀(jì)才出現(xiàn)，比張衡

要晚1000 多年呢！

風(fēng)速怎么測(cè)呢？這可不是一件容易的事。能測(cè)風(fēng)速的“風(fēng)速計(jì)”直到17



世紀(jì)才出現(xiàn)，它的發(fā)明者便是羅伯特·胡克。

胡克的這項(xiàng)發(fā)明真是絕妙！原來，它的關(guān)鍵是一塊很輕的木板，這塊木

板可以自由擺動(dòng)，當(dāng)風(fēng)吹來時(shí)，這塊木板就在一個(gè)分度標(biāo)尺上移動(dòng)，這樣就

記錄下了風(fēng)的速度。胡克的這項(xiàng)發(fā)明大約在17世紀(jì)末期。到了18世紀(jì)，風(fēng)

速計(jì)又有了許多新的設(shè)計(jì)。例如，皮克林在胡克的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)抓鉤，

它可以防止木板在被風(fēng)吹起后擺回去，這樣就能觀測(cè)到某段時(shí)間內(nèi)的最大風(fēng)

力了。法國一位博學(xué)的教士于埃在一篇文章中記載了U形風(fēng)速計(jì)。U形管中

有一些液體，當(dāng)風(fēng)吹人U形管的一個(gè)彎肢后，風(fēng)的壓力使一邊的液體表面下

降，另一邊則上升，風(fēng)力便由這兩邊的高度之差來表示。

以后，風(fēng)速計(jì)雖然有了很大的改進(jìn)，但是其基本原理卻是相同的。現(xiàn)在，

在氣象臺(tái)的觀測(cè)場(chǎng)地上，10多米高的測(cè)風(fēng)儀總是“高高在上”，它既能測(cè)風(fēng)

向，又能測(cè)風(fēng)速，日日夜夜為我們提供著最新的風(fēng)向風(fēng)速資料。

下雨是最常見的一種自然現(xiàn)象。人們?nèi)绾瘟私庀掠甑某潭饶兀績(jī)H僅用形

容詞來形容，顯然是不夠的，還得發(fā)明一種儀器來進(jìn)行測(cè)量。雨量計(jì)便應(yīng)運(yùn)

而生了，它是一種計(jì)量雨水量的儀器。

在雨量計(jì)的歷史上，我們中國是走在前列的。早在宋代，數(shù)學(xué)家秦九韶，

在他撰寫的《數(shù)書九章》中，就有一道關(guān)于計(jì)算雨量計(jì)容積的題目。

到了公元 1424年，明永樂末年，當(dāng)時(shí)的政府為了掌握全國各地的旱澇

災(zāi)情，同時(shí)也為了測(cè)算農(nóng)業(yè)的收成，責(zé)成有關(guān)人員統(tǒng)一制定了一種雨量計(jì)。

發(fā)到全國各地，命令各州、縣將記錄到的降雨量向政府報(bào)告。其實(shí)，這種雨

量計(jì)十分簡(jiǎn)陋，和我們今天常見到的量筒差不多，上面標(biāo)有刻度，可以清楚

地知道某一段時(shí)間內(nèi)某一地區(qū)下了多大的雨。因?yàn)橛辛私y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)的

政府就可以了解全國各地的下雨情況。如今，在北京文獻(xiàn)館內(nèi)還存有北京、

江寧、蘇州、杭州等地的晴雨錄，這可算是世界上最早的氣候記錄了。

在歐洲，雨量計(jì)的發(fā)明則要晚得多。英國最早的測(cè)量降雨量的儀器是克

里斯多夫·雷恩爵士于1662年設(shè)計(jì)的。到了1695年，發(fā)明風(fēng)速計(jì)的胡克也

設(shè)計(jì)了一種雨量計(jì)，它是一個(gè)玻璃漏斗，安裝在一個(gè)木架上，漏斗的下端伸

進(jìn)一個(gè)較大的容器內(nèi)。在漏斗上，有2根繩子將它牢牢地固定在木架上，以

防被風(fēng)吹動(dòng)。所收集的雨水用秤稱量就可以了。

與現(xiàn)代雨量計(jì)相像的儀器是1722年由英國人霍斯利制造的，他用一個(gè)漏

斗把雨水收集在一個(gè)玻璃量筒里，這樣不就省去了稱量雨水的麻煩了

嗎？

后來，經(jīng)過人們的改進(jìn)，又出現(xiàn)了許多種類的雨量計(jì)，而且向自動(dòng)記錄

的方向發(fā)展。其中最常用的便是虹吸管雨量計(jì)：它有一個(gè)承雨筒，里面裝一

個(gè)浮筒，浮筒會(huì)隨著承雨筒中水面的升降而上下移動(dòng)；同時(shí)，它還有一個(gè)裝

時(shí)鐘的鐘筒，當(dāng)時(shí)鐘走動(dòng)時(shí)，鐘筒就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。這樣，鐘筒外面的一張自

記紙上就會(huì)記錄下一條降雨量曲線，雨量大，線條就上升，雨量小，它就下

降。

有了這種儀器，人們就可以很方便地從這些曲線上了解任何一段時(shí)間的



總雨量和其他數(shù)據(jù)了。

我們常常用“冷熱干濕”4 個(gè)字來說明周圍大氣的情況，“冷熱”指的

是溫度，“干濕”指的便是濕度。

“能不能制造一種像溫度計(jì)一樣的制造一種濕度計(jì)呢？這樣，一看上面

的刻度不就知道大氣干濕的程度了嗎？”這一想法最早是德國人蘭貝特在

1774 年前后提出來的，但是蘭貝特對(duì)此卻無能為力。

蘭貝特的想法卻引起了另一個(gè)叫布蘭德的德國人的注意，“這倒是個(gè)好

主意！濕度計(jì)，一旦發(fā)明出來，肯定會(huì)受人歡迎的。”

于是，布蘭德一頭鉆進(jìn)了干和濕的世界里，每遇到一種東西，他首先就

要看一看這種東西在干和濕的情況下會(huì)有什么變化。

功夫不負(fù)有心人。布蘭德終于找到了一種東西，可以用來表示干和濕的

變化。說來你也許不相信，這種東西便是最最普通的繩子。

布蘭德發(fā)現(xiàn)，同樣一根繩子，弄濕了要比干燥時(shí)略微長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)，利用這

種變化不就可以制造濕度計(jì)了嗎？于是，世界上最早的濕度計(jì)誕生了，它其

實(shí)就是一根下系重物、上端固定的繩子，繩子背后標(biāo)了一些刻度，可以表示

它長(zhǎng)度的變化。我們可以想象，這種繩子濕度計(jì)的精確度是很小的，只有在

大氣干濕變化十分懸殊時(shí)，它才會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)變化。

真正具有應(yīng)用價(jià)值的濕度計(jì)是由瑞士科學(xué)家索緒爾發(fā)明的，時(shí)間是18

世紀(jì)70 年代。

索緒爾對(duì)地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)和植物學(xué)具有濃厚的興趣。他長(zhǎng)期從事著阿爾

卑斯山的科學(xué)研究，是冰川研究的先驅(qū)者之一，在他的一生中，曾多次登上

了阿爾卑斯山，并將他的所見所聞都記錄到了《阿爾卑斯山旅行記》一書中。

在研究阿爾卑斯山及其冰川的形成過程中，自然離不開對(duì)氣候的研究。

除了溫度之外，濕度成了一個(gè)主要問題。當(dāng)時(shí)，溫度計(jì)已經(jīng)達(dá)到一定水平，

但是濕度計(jì)卻還不如人意。

“要是有一種像溫度計(jì)那樣的濕度計(jì)就好了，我可以隨身攜帶，測(cè)量阿

爾卑斯山上各處的濕度了，”索緒爾在撰寫《阿爾卑斯山旅行記》一書時(shí)，

常常閃出這樣的念頭，

“我來設(shè)計(jì)制造濕度計(jì)，人家不會(huì)說我是越俎代庖吧！”

于是，他開始了濕

度計(jì)的研制。他首先去圖書館翻閱了所有關(guān)于濕度計(jì)

的論文資料，發(fā)現(xiàn)有人用野燕麥芒來制造濕度計(jì)，有人用羊腸線來制造濕度

計(jì)，還有人索性用一根繩子來制造濕度計(jì)——周圍空氣的干濕變化會(huì)使繩子

的長(zhǎng)短相應(yīng)發(fā)生變化..然而，所有這些材料制造的濕度計(jì)都不理想。

“有沒有可能找到一種更合適的材料來制造濕度計(jì)呢？”索緒爾開始了

新的探索。

他把自己能收集到的材料都進(jìn)行了干濕度方面的測(cè)試，希望找到一種在

干和濕時(shí)長(zhǎng)度發(fā)生較明顯變化的材料。

索緒爾對(duì)濕度計(jì)的研制并不順利，他遇到了種種困難而進(jìn)展緩慢，而且

他還要外出去阿爾卑斯山勘探。



1775 年的某一天，索緒爾對(duì)他妻子梳下的一堆長(zhǎng)發(fā)發(fā)生了興趣。

“哎，我怎么就沒有想到用頭發(fā)試一試呢？”

索緒爾小心翼翼地挑選了幾根較長(zhǎng)的頭發(fā)進(jìn)行了干濕研究。他發(fā)現(xiàn)，一

根繃緊的頭發(fā)在受潮時(shí)伸長(zhǎng)，干燥時(shí)縮短，這種長(zhǎng)度的變化可達(dá)四十分之一

左右。

“這種濕度計(jì)不妨稱‘毛發(fā)濕度計(jì)’吧！”

索緒爾首先設(shè)計(jì)的一種毛發(fā)濕度計(jì)，毛發(fā)的下端由螺絲夾住，上端則夾

在一個(gè)圓筒上，毛發(fā)的伸縮會(huì)使圓筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)一個(gè)指針轉(zhuǎn)動(dòng)。

索緒爾發(fā)現(xiàn)，這種毛發(fā)濕度計(jì)太脆弱了，外出考察攜帶很不安全。因此，

他又設(shè)計(jì)了第二種毛發(fā)濕度計(jì)，這種新的濕度計(jì)雖然不及第一種靈敏，但卻

便于攜帶。

在這種濕度計(jì)上有一片金屬制成的扇形指針，邊上有2 條槽，一條槽放

毛發(fā)，另一條槽為絲線，當(dāng)毛發(fā)長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，指針便會(huì)顯示出來。

在索緒爾之后，又出現(xiàn)了其他類型的濕度計(jì)。例如，利用木板吸濕變寬

性質(zhì)制成的“木板濕度計(jì)”，類似的還有“鯨骨濕度計(jì)”，另外還有利用某

些材料吸濕后重量變化進(jìn)行測(cè)量的“海綿濕度計(jì)’”、“巖石濕度計(jì)”等。

以后，人們又相繼發(fā)明了干濕球濕度計(jì)、電阻式濕度計(jì)、紅外線吸收式

濕度計(jì)等，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。

給大氣測(cè)測(cè)壓力

為什么人們登上高山時(shí)會(huì)出現(xiàn)頭暈、心跳、呼吸急促的癥狀？原來，這

是大氣壓力變化的緣故。由于平地上大氣壓力較大，空氣中氧的壓力比血液

中的高，所以氧就往人體動(dòng)脈里滲，再通過血液循環(huán)帶往全身；高山上由于

大氣壓力減小，空氣中的氧氣少，動(dòng)脈血液中氧的壓力比外界高，氧氣便很

難進(jìn)入人體。通常，人到了海拔6000 米左右的高原地區(qū)就會(huì)出現(xiàn)這些不舒服

的癥狀了。

當(dāng)然，平地和高山上大氣壓力的不同是通過一種儀器測(cè)量出來的，這就

是氣壓計(jì)，氣壓計(jì)上的指針可以告訴我們此時(shí)此地大氣的壓力究竟有多大。

通過測(cè)量大氣壓力的變

化，我們可以預(yù)測(cè)天氣會(huì)有怎樣的變化等。

那么，我們是如何知道自己生活在有壓力的大氣中的呢？這還得從一次

十分有名的實(shí)驗(yàn)說起。

故事發(fā)生在1654 年的德國馬德堡市。馬德堡市市長(zhǎng)叫蓋里克，他是一位

業(yè)余科學(xué)愛好者，這一年，他進(jìn)行了一項(xiàng)非常壯觀的實(shí)驗(yàn)——馬德堡半球?qū)?br>
驗(yàn)。

那天，春日融融，綠草如茵。遠(yuǎn)處山坡下人山人海，近處草地上熱鬧非

凡，人們又是跳起德國傳統(tǒng)的舞蹈，又是揚(yáng)鞭策馬舉行賽馬表演。

不一會(huì)兒，蓋里克市長(zhǎng)也來了，他容光煥發(fā)地向大家宣布：



“諸位，今天，我將為大家表演一個(gè)科學(xué)游戲！”

說著，他雙手將2個(gè)鐵制的半球高高舉起。

“等一會(huì)兒，我將把這兩個(gè)半球扣在一起，不用任何東西焊接，然后把

里面的空氣抽掉，看看誰有能力再把它們分開來。”

接著，蓋里克“啪”地一聲就把這兩個(gè)半球合上了，他的助手遞上了一

個(gè)小唧筒，三下兩下就將里面的空氣抽光了。然后，蓋里克將兩根又粗又結(jié)

實(shí)的繩子系在半球兩邊的環(huán)上。“現(xiàn)在，一切都準(zhǔn)備好了，有誰想試一試自

己的力氣，把這兩個(gè)半球拉開？”蓋里克大聲問道。

從人群中走出兩個(gè)彪形大漢，他們自告奮勇地接過市長(zhǎng)手中的繩子，一

邊一個(gè)地拔起了河。只見他倆臉漲得通紅，但是那兩個(gè)半球硬是紋絲不動(dòng)。

他們只好認(rèn)輸，垂頭喪氣地退下陣來。

人群一片嘖嘖聲。

蓋里克又將兩邊“拔河”的人數(shù)增加到2個(gè)、3個(gè)，可是，鐵球還是紋

絲不動(dòng)。

蓋里克又牽來兩匹馬，一邊套上1 匹，兩個(gè)馭手揮起鞭子，兩匹馬仰天

一聲長(zhǎng)嘶，4蹄扣地向兩邊猛拉，可那球仍是依然如故。蓋里克又將兩邊再

各加1匹，一會(huì)兒又加1匹，這樣一直各加到7匹，還是不見動(dòng)靜。

蓋里克又命令兩邊再各加1匹，馭手的馬鞭霍霍，馬嘶嘯嘯，塵土飛揚(yáng)，

人群也沸騰了起來，加油聲此起彼伏..

只聽“嘭”的一聲，鐵球終于裂成了兩半，兩邊的8匹駿馬各帶著半個(gè)

鐵球一下子沖出好遠(yuǎn)。

這就是聞名于世的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。

原來，這是大氣壓力搗的鬼。蓋里克是如何知道大氣壓力的呢？

據(jù)說，有一天，蓋里克讓手下的工人用唧筒抽酒桶里的水，在抽的時(shí)候

唧筒脫落了，工人用布條重新綁好，或許是由于堵塞過嚴(yán)，使桶口密封了，

結(jié)果把空氣也抽光了，只聽得桶內(nèi)一片沸騰的噪聲。

蓋里克得知這件事情以后，就以銅球代替木桶，讓工人也用唧筒抽氣。

工人越抽越費(fèi)勁，最后只聽到“嘭”的一聲，銅球癟了。

從此，蓋里克迷上了這種實(shí)驗(yàn)，并且開始對(duì)它進(jìn)行了許多研究。馬德堡

半球的試驗(yàn)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

其實(shí)，早在馬德堡半球

實(shí)驗(yàn)之前，就有人對(duì)大氣壓力進(jìn)行研究了。

早在1640年前后，有人告訴意大利著名科學(xué)家伽利略，說抽水機(jī)從深井

里抽水最多不會(huì)高過10米。當(dāng)時(shí)，伽利略年事已高，而且雙目失明，無法親

自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了，于是，他叮囑自己的學(xué)生托里拆利，好好研究這個(gè)問題。1642

年伽利略死后，托里拆利決心實(shí)踐自己在老師面前的諾言。

托里拆利打算用水銀來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——比水的密度大13．6倍的水銀究竟

可以提到多少高度呢？

他讓助手維維安尼拿來一根長(zhǎng)約1米的玻璃管，一端開口，灌滿水銀，



并用手指封住開口，再倒立在水銀槽中。當(dāng)托里拆利放開手指以后，他們發(fā)

現(xiàn)管頂?shù)乃y面降到距離槽中水銀面76 厘米的高處停住了。接著，他們又用

其他形狀的玻璃管做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果總是相同的——水銀的高度總是76 厘米不

變。

托里拆利認(rèn)為，在玻璃管水銀上方的空間內(nèi)出現(xiàn)了真空，就是說那里幾

乎沒有任何東西，后人便稱其為“托里拆利真空”。這根水銀柱管就成了最

早的氣壓計(jì)。

是什么力量使水銀柱上升到76 厘米高度的呢？托里拆利猜想，水銀柱是

被水銀面上的大氣壓力托起的，并且，他把水銀柱高度的微小變動(dòng)看作是大

氣壓的變化而引起的。但是，托里拆利在1647 年尚未證實(shí)這個(gè)假說時(shí)就逝世

了，對(duì)于它的證實(shí)，只能留給后人去進(jìn)行了。

托里拆利做的真空實(shí)驗(yàn)的消息不脛而走，人們競(jìng)相演示著這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

消息傳到了法國，科學(xué)家帕斯卡為了檢驗(yàn)托里拆利的說法，在巴黎的教

堂頂上做同樣的實(shí)驗(yàn)，他希望能夠測(cè)出高處和地面上氣壓計(jì)水銀高度的差

別，但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗了，因?yàn)榘屠枋袃?nèi)的建筑不足以得到明顯的結(jié)果。

怎么辦？

帕斯卡想到山頂上去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是，帕斯卡是個(gè)半殘人，他自己無法

爬山，只能求助于他的內(nèi)弟佩利爾。

1647 年11 月的一天夜里，帕斯卡在考慮了很久以后，提筆給佩利爾寫

信：

“親愛的佩利爾，如果真的出現(xiàn)了山頂上水銀比山腳下升得低，那么必

然會(huì)得出這樣的結(jié)論，空氣的重量和壓力是造成水銀懸掛的唯一原因，因?yàn)?br>
我們可以肯定，山腳下比山頂上有更多的空氣壓下來。”

經(jīng)過周密的思考，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在第二年9 月的一天進(jìn)行了。佩利爾將氣壓

計(jì)帶到了多姆山頂上去，觀測(cè)氣壓計(jì)水銀柱高度有什么變化。果然，實(shí)驗(yàn)的

結(jié)果證實(shí)了托里拆利的假說。

佩利爾在返回的路上，又作了分段觀測(cè)，證明水銀升高與高度降低成正

比。當(dāng)他回到出發(fā)點(diǎn)時(shí)，得知留在山下的另一支氣壓計(jì)在他離開的一段時(shí)間

內(nèi)水銀柱高度并沒有發(fā)生變化。

第二天，佩利爾又在克萊蒙最高的塔腳下和塔頂上重復(fù)

了他的觀測(cè)，雖

然效果并不明顯，但是結(jié)果卻是肯定的。

這個(gè)結(jié)果使帕斯卡感到非常高興，他又進(jìn)一步做了很多實(shí)驗(yàn)，研究氣壓

計(jì)水銀柱高度和氣候的關(guān)系，他認(rèn)為，這些知識(shí)對(duì)農(nóng)民和旅行家很有用處，

因?yàn)檫@可以知道氣候的現(xiàn)狀以及即將發(fā)生的變化。

與此同時(shí)，還有人用鯉魚肚里的魚鰾做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他把魚鰾里的空氣

盡可能擠干凈，然后再把開口扎緊，放到托里拆利真空區(qū)內(nèi)，魚鰾在里面膨

脹了起來。如果在大氣壓下將魚鰾充滿空氣，一旦它到了真空區(qū)域，就會(huì)膨

脹得更大。



帕斯卡的實(shí)驗(yàn)使人們對(duì)氣壓有了更深的認(rèn)識(shí)。

德國馬德堡市市長(zhǎng)蓋里克除了那次驚心動(dòng)魄的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)以外，還

制造過一種水氣壓計(jì)呢！

當(dāng)時(shí)，蓋里克住在一幢四層樓的公寓里，上面用的水全靠下面提上去。

有人為了圖方便，設(shè)計(jì)制造了一個(gè)裝置，打算通過一個(gè)抽成真空的容器，利

用空吸作用，將水從底層“吸”到樓上去，這個(gè)裝置有點(diǎn)類似我們今天使用

的眼藥水滴管，也有點(diǎn)類似自來水筆的筆膽。

然而，怪事發(fā)生了！

這個(gè)裝置只能將水吸到蓋里克所住公寓的第三層，第四層是無論如何也

吸不上去了。

蓋里克知道，這又是大氣壓在作祟。

為了精確地知道水究竟能升到什么高度，蓋里克設(shè)計(jì)制造了一套設(shè)備，

它由4 根黃銅管首尾相連組成一個(gè)垂直的長(zhǎng)管，上端為一個(gè)玻璃容器，下端

為一個(gè)旋塞，旋塞浸在一個(gè)盛水的容器中。開始時(shí)，旋塞緊閉，管子全部充

滿水，玻璃容器也充滿水，然后打開旋塞，管子中的水便下沉到一定的高度，

這個(gè)高度可以從玻璃容器的邊上觀測(cè)，由浮在水面上的一個(gè)木頭小人伸出手

臂指點(diǎn)一個(gè)帶刻度的標(biāo)尺而作出指示。這就是蓋里克發(fā)明的水氣壓計(jì)。

蓋里克將水的上升歸因于大氣壓力以及因氣壓變化而引起的水面高度的

日常變動(dòng)。他對(duì)這種變動(dòng)作了長(zhǎng)期研究，試圖把這種變動(dòng)同天氣變化聯(lián)系起

來。果然，他成功地根據(jù)氣壓的突然下降預(yù)報(bào)了1660 年的一次嚴(yán)重風(fēng)暴。

托里拆利的氣壓計(jì)是最原始的，帶有水銀槽，很不方便。如何才能使氣

壓計(jì)小巧玲瓏，便于攜帶，而且測(cè)量也更精確呢？

開始，有人將托里拆利氣壓計(jì)改成虹吸氣壓計(jì)，它省去了水銀槽，管子

的開端彎過2 個(gè)直角，利用封閉管和開口管中水銀的液面高低之差來測(cè)量大

氣壓。

1665 年，阿蒙頓發(fā)明了一種氣壓計(jì)，它朝著封閉一端的方向狹窄下去，

適合于海上使用；后來，到了1688 年，阿蒙頓又發(fā)明了另一種復(fù)式氣壓計(jì)，

氣壓由幾個(gè)水銀柱來平衡，這樣可以縮短氣壓計(jì)的高度。

還有人將氣壓計(jì)的管子制成傾斜上升或者螺旋上升，

使得大氣壓的微小

變化在管子內(nèi)引起較大的水銀柱位移。

最著名的要數(shù)胡克輪式氣壓計(jì)了。它由一個(gè)泡、一根管子、一根U 形虹

吸管以及一個(gè)帶刻度的圓環(huán)組成，上面有一根指針，有點(diǎn)像鐘表上的盤一樣。

利用這種奇特的裝置，放在U 形虹吸管內(nèi)的水銀面高度如果有任何微小的變

化，那么，就會(huì)由小指針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)明顯表示出來。后來，胡克又想了一個(gè)

方法，用更加簡(jiǎn)便的結(jié)構(gòu)制造了輪式氣壓計(jì)。

為了更精確地讀出水銀面的高度，有人甚至將顯微鏡和測(cè)微計(jì)都用到了

氣壓計(jì)上。

今天，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，氣壓計(jì)的精度越來越高，外觀也越來越漂



亮，但是，其原理還是與原始?xì)鈮河?jì)相同，一種為“水銀氣壓計(jì)”，另一種

為“空盒氣壓計(jì)”。

指針式標(biāo)度盤裝置

我國最早的指南針還沒有使用針狀的指針。當(dāng)時(shí)是用形如湯匙、魚甚至

有時(shí)用甲魚狀的物品作為“指針”。此后，指針的設(shè)計(jì)和采用是一次巧妙的

改進(jìn)。有了指針和環(huán)繞在周圍的標(biāo)度盤，就使精確度大大地提高了。我們可

以說，就是在這一發(fā)展階段上，中國人開創(chuàng)了世界上第一代指針式標(biāo)度盤裝

置。這種裝置對(duì)現(xiàn)代科學(xué)來說仍是極其重要的。

在一些計(jì)算裝置中磁針也被用做指針。在我國，人們?cè)谟?jì)算裝置中使用

磁針的歷史最遲也可追溯到公元570 年。該計(jì)算裝置像是一種算盤，不過它

是基于指針式羅盤讀數(shù)原理制成的。在一部書名為《數(shù)術(shù)記遺》的古書中就

對(duì)它進(jìn)行了描述。書中附有甄鸞的評(píng)注。甄鸞寫道：

“在這種計(jì)算中，其位數(shù)以針鋒所指來定。第一位數(shù)為‘離’位，即指

向正南；第二位數(shù)為‘坤’，乃西南；第三位數(shù)為‘兌’，乃正西..”

甄鸞還提到，對(duì)某個(gè)數(shù)字進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)，則由針的尖端表示出其位置；

而對(duì)某個(gè)數(shù)字做除法運(yùn)算時(shí)，則由針的尾部表示出其位置（針的尖端和尾部

形狀不同）。

在我國，人們至少于公元6 世紀(jì)就已應(yīng)用指針式標(biāo)度盤裝置，而且很可

能早在公元3 世紀(jì)就已開始。

中國的指針式標(biāo)度盤裝置結(jié)構(gòu)之精細(xì)復(fù)雜令人驚奇。而其中最精巧的，

無疑地要首推堪輿家的堪輿羅盤了。其中有些標(biāo)度盤裝置竟由多達(dá)40 個(gè)同心

圓組成。在每個(gè)不同的同心圓上都標(biāo)有一套不同的數(shù)字以測(cè)量各種情況，并

可按要求讀出數(shù)字。

物理學(xué)儀器設(shè)備

威爾遜云室

劍橋大學(xué)的年輕的蘇格蘭研究生威爾遜，決定用1894 年暑期的時(shí)間幫助

尼維斯山上的氣象臺(tái)解決難題。他回憶說：“當(dāng)陽光照耀在山頂周圍的云層

上時(shí)，出現(xiàn)了一種非常奇妙的光學(xué)現(xiàn)象，使我十分感興趣；我希望能在實(shí)驗(yàn)

室里模擬這種光學(xué)現(xiàn)象。”于是在1895 年，

他開始了一系列的實(shí)驗(yàn)，企圖用

人工的方法產(chǎn)生霧、云和雨。

人們?cè)缇椭溃諝獾膭×遗蛎洉?huì)使空氣冷卻，如果空氣中的水蒸汽已

飽和，水蒸汽就會(huì)凝結(jié)。于是他開始設(shè)計(jì)一種儀器，把空氣裝在一個(gè)圓筒形

的玻璃室里，玻璃室的底部是一個(gè)活塞，活塞可以驟然下拉。當(dāng)玻璃室里的



空氣膨脹時(shí)，空氣就變冷，就有水珠形成。但是要做到這一點(diǎn)，還需要有某

種物質(zhì)微粒，使水蒸汽能圍繞著這個(gè)核凝結(jié)成水珠。在一般情況下，這種核

是由塵埃的微粒來充當(dāng)?shù)摹Ｔ谕栠d尚未從事這個(gè)題目的研究之前，科學(xué)實(shí)

驗(yàn)停留在這樣一個(gè)水平上：沒有塵埃，除了儀器壁以外的地方就沒有凝結(jié)現(xiàn)

象發(fā)生。但是威爾遜這時(shí)指出，即使通過反復(fù)的凝結(jié)除掉了灰塵，如果空氣

的膨脹超過了一定的限度，仍然會(huì)出現(xiàn)“云”。也許空氣中有某種其他的“核”，

可以充當(dāng)這種凝結(jié)的中心。這種凝結(jié)跟圍繞著塵埃微粒進(jìn)行的凝結(jié)不一樣，

當(dāng)核沉落到底部時(shí)，凝結(jié)現(xiàn)象并不消失。他寫道，這種核似乎“在任何時(shí)候

的存在量都極少，一旦被除去，立刻就有同類的核補(bǔ)充上來”。這些核到底

是什么東西呢？

如果空氣暴露在當(dāng)時(shí)新發(fā)現(xiàn)的X 射線下，出現(xiàn)的核似乎要多一些。他很

快就發(fā)現(xiàn)，這些核一定是離子——由于失掉了一個(gè)電子或獲得了一個(gè)額外電

于而帶上了正電荷或負(fù)電荷的原子。在爾后的若干年中，他主要是研究雷電，

但是由于受到盧瑟福等同事對(duì)在放射性中產(chǎn)生的α射線和β射線的研究工作

的影響，他于1910 年又轉(zhuǎn)而研究人工氣候。它們能跟X 射線產(chǎn)生同樣的效應(yīng)

嗎？經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究之后，他制造出了一些基于舊原理的新設(shè)備。

新的云室能非常理想地顯示出α射線和β射線在穿過云室時(shí)產(chǎn)生離子的效

應(yīng)。當(dāng)水氣圍繞著每一個(gè)離子進(jìn)行凝結(jié)的時(shí)候，能清楚地看到這此粒子的軌

跡，而且能拍下來，看見照片上的粒子拖著蒸汽尾巴。

以前，α粒子和β粒子的存在必須從它們的大量行為來推斷，現(xiàn)在人們

可以追蹤單個(gè)的粒子，就像能根據(jù)馬蹄印追蹤馬一樣，十分清楚。更妙的地

方是，像威爾遜在1912 年指出的那樣，這些照片似乎證實(shí)了盧瑟福關(guān)于這些

粒子的真正性質(zhì)的解釋，還證實(shí)了他在這以后提出的關(guān)于原一子的理論。事

實(shí)上，威爾遜云室在第一次世界大戰(zhàn)后的若干年內(nèi)，是研究亞原子粒子的物

理學(xué)家手中最好的工具。科學(xué)家們拍了一些反映核轉(zhuǎn)變和核裂變的結(jié)果的照

片；宇宙射線和正電子都是用云室首次觀察到的。因此我們說，威爾遜在兩

三個(gè)機(jī)械師的幫助下提供了一種變革基礎(chǔ)科學(xué)的手段。

回旋加速器

科學(xué)家們?cè)?br>
發(fā)現(xiàn)了鐳之后的最初40 年內(nèi)對(duì)原子的研究，宛如偵察一個(gè)誰

也沒有看見過的罪犯的行蹤，因?yàn)闆]有倍數(shù)足夠大的顯微鏡來觀察原子，更

不用說觀察比原子更小的核了。因此科學(xué)家們不得不像偵探一樣工作：被“通

緝的罪犯”這樣和那樣的事，留下了印跡，使專家們能夠想像他像個(gè)什

么樣子，在某種情況下會(huì)干什么事情。只有實(shí)驗(yàn)工作才能證明科學(xué)家們的理

論是否正確。

盧瑟福早在1919 年就布置下了一個(gè)這樣的圈套，采用的辦法是用氦核

（由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成）轟擊氮電子（山七個(gè)質(zhì)產(chǎn)和七個(gè)中子組成），



把若干氮原子轉(zhuǎn)變成了氧原子。在查德威克于1932 年發(fā)現(xiàn)了中子（事實(shí)證明

它是一種極好的“炮彈”）之后，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)新的鼓舞人心的領(lǐng)域做了

大量的工作。1931 年，加利福尼亞大學(xué)造了一臺(tái)大型的機(jī)器，即勞倫斯教授

設(shè)計(jì)的“回旋加速器”。這種機(jī)器是沿環(huán)形軌道加速原子核的粒子。回旋加

速器的原理就像小孩兒打秋千一樣，其運(yùn)轉(zhuǎn)由于不斷的推動(dòng)而加速。在粒子

加速器中，粒子在兩個(gè)強(qiáng)的電磁極之間通過，電磁極給粒子施加“推力”，

使其達(dá)到最高速度。這就意味著增加能量（以電子伏為單位計(jì)算）。最后，

當(dāng)粒子束達(dá)到理想的能量時(shí)，就用磁場(chǎng)使其偏折，轟擊靶子。

從入射粒子跟靶材料中的原子核碰撞的情況，可以知道關(guān)于物質(zhì)的基本

“建筑材料”的許多情況。由射入的“炮彈”從“靶”原子里打出來的亞原

子粒子流，可以導(dǎo)入一個(gè)泡沫室；導(dǎo)入泡沫室的粒子的軌跡——液態(tài)氫里的

極微小的泡沫線——可以拍成照片以供分析。速度、質(zhì)量、電荷和其他特性

都能從泡沫室里的軌跡照片看出來，使“偵探”能對(duì)“通緝的罪犯”進(jìn)行正

確的描述。

勞倫斯在1930 年制造的第一臺(tái)回旋加速器，是一臺(tái)精密的小型設(shè)備，直

徑只有4 英寸半，最多能把粒子加速到125 萬電子伏。這聽起來也許已經(jīng)很

了不起了，但是從那以來，加速器造得越來越大，在日內(nèi)瓦附近的法瑞邊界

建造了一臺(tái)最大的加速器，直徑達(dá)3 英里，指望它能發(fā)出3 千萬萬電子伏的

脈沖。因此，要研究最小的實(shí)體，必須使用倍數(shù)最大的“顯微鏡”。

核研究還在繼續(xù)進(jìn)行，目的是為了尋找關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的一些尚未解決的

問題的答案。在研究過程中又發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的粒于（它們的“奇怪性”能

準(zhǔn)確地測(cè)出），它們的行為和作用尚未得到充分說明。但是，沒有一種粒子

能看成是構(gòu)成原子核、原子和宇宙的最小的不可再分的單位。在探索物質(zhì)奧

秘的這個(gè)過程中，回旋加速器和從其演變出來的其他儀器繼續(xù)起著重要的作

用。



陀螺儀的性能

圍繞著一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸旋轉(zhuǎn)的任何物體，不管它像兒童玩的陀螺那樣

小，還是像地球那樣大，都可以稱為陀螺儀。陀螺儀的首次實(shí)際應(yīng)用也許應(yīng)

歸功于塞遜。他在1744 年說服英國海軍部在海上試驗(yàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的、能為船舶

指示出穩(wěn)定的水平基準(zhǔn)線的轉(zhuǎn)子。它裝在一個(gè)樞軸上，以免因船晃動(dòng)而受干

擾。它是現(xiàn)代飛機(jī)上使用的陀螺水平儀的祖先。

在塞遜之后很多年，有一個(gè)叫桑的蘇格蘭人和一個(gè)叫富科爾的法國人分

別在1836 年和1852 年利用陀螺的穩(wěn)定性來證明地球的自轉(zhuǎn)，但是桑沒有錢

制造一個(gè)足夠精確的轉(zhuǎn)子。富科爾成功地制成了這樣的轉(zhuǎn)子，并創(chuàng)造了陀螺

儀這個(gè)名詞。

本世紀(jì)初，利用大型陀螺儀穩(wěn)定船舶以防止左右搖晃的研究活動(dòng)突然增



加。最初的發(fā)明者是奧托·施利克。這種方法于1908 年在英國首次應(yīng)用，后

來被利用小型偏航顯示陀螺儀來控制水下鰭板的方法所取代。大約在同一時(shí)

期，布倫南、謝爾和希洛夫斯基等發(fā)明家正在建造能用兩個(gè)輪子而不是四個(gè)

輪子行駛的車輛，依靠?jī)?nèi)部的陀螺儀保持直立，但是他們的工作沒有得到社

會(huì)的承認(rèn)。

陀螺原理在航海上的另一種應(yīng)用是陀螺羅經(jīng)；它現(xiàn)在是除最小的船只以

外的所有船只上都有的一種重要儀器。人們普遍認(rèn)為，這是德國人安許茨一

肯普夫的發(fā)明（1908 年），不過緊接著美國的斯佩里也發(fā)明了陀螺羅經(jīng)。陀

螺羅經(jīng)能夠感測(cè)地球的旋轉(zhuǎn)，然后將轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)北極，正指北方，甚至船舶在

海上搖晃和顛簸時(shí)，也能對(duì)準(zhǔn)。

陀螺儀在空中的應(yīng)用取得了十分明顯的進(jìn)展。在空中，導(dǎo)航和控制的關(guān)

鍵是要有一個(gè)精確的垂直基準(zhǔn)線。一個(gè)單擺是不行的，因?yàn)槿绻闹С悬c(diǎn)

加速，單擺就會(huì)猛烈擺動(dòng)。在仿真水平儀和自動(dòng)駕駛儀中，使用一個(gè)帶垂直

軸的陀螺儀，就像一個(gè)直立的陀螺一樣。飛機(jī)在上升或側(cè)滾時(shí)跟固定的陀螺

軸形成的相對(duì)角度會(huì)給出一個(gè)讀數(shù)供駕駛員直接利用，也可用作自動(dòng)控制系

統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)。

過去20 年中，這些航空上的應(yīng)用，最后發(fā)展成了復(fù)雜的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

其核心是微型的精密陀螺儀，它能測(cè)出每小時(shí)零點(diǎn)幾度的輕微轉(zhuǎn)動(dòng)——這種

轉(zhuǎn)動(dòng)比地球緩慢的自轉(zhuǎn)還要小得多。此系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，在幾千英里的飛行

中，不依靠任何外界的參改源，將飛機(jī)精確的位置和方向記錄下來。

奇炒的萬向支架

當(dāng)一個(gè)宇宙飛船飛離地球后，在茫茫的太空里，是什么東西給它指引航

向呢？用指南針？不行，因?yàn)轱w船已經(jīng)脫離了地球。

一般是使用陀螺來導(dǎo)航，陀螺過去是一種玩具，但是由于它轉(zhuǎn)動(dòng)后有一

種保持轉(zhuǎn)軸不變的慣性，所以可以用于導(dǎo)航

。但是，必須有一個(gè)萬向支架，

使運(yùn)動(dòng)的船體不影響陀螺運(yùn)行。飛行器無論怎樣翻轉(zhuǎn)，陀螺的支架必需保持

“水平”才成。所以這種支架又叫作常平支架，它是構(gòu)成現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)

重要的部件。

而這個(gè)常平支架在我國西漢時(shí)代就發(fā)明了，不過不是用在指引方向上，

而是用在一種熏烘被子的“被中香爐”上。

在我國古代民間從西周起就有焚香除臭、熏煙滅蟲的習(xí)慣，他們把香草

放在一個(gè)特殊的盒子里燃燒，但有時(shí)會(huì)引起火災(zāi)。到了漢代，長(zhǎng)安的一個(gè)叫

丁緩的工匠發(fā)明了一種被中香爐，它是一個(gè)空心球體，里面盛有炭火，無論

這個(gè)球怎樣滾動(dòng)，炭火也不會(huì)撒出來引燃被子。

漢代司馬如的《美人賦》一詩里寫道：“金熏香，浦帳低垂”，這里

的，就是說的這種被中香爐，這種香爐制作非常精巧，外面鑲嵌著美麗的



花卉圖案，成為婦女的寵物，有的做成烤手的“火籠”，有的用一條鏈子配

帶在身上。

這種裝置為什么不會(huì)把炭火撒出來呢？原來，它是由兩個(gè)相互垂直的支

架構(gòu)成的，所以，無論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，盛炭火的容器始終保持水平。

人們還把它用在節(jié)日舞龍燈的“燈球”上，后來，又發(fā)展到裝在馬車上，

李約瑟博士在它的《中國科技史》的巨著中，就講過這種車子。由于車子里

裝了這種常平架，即使行走在崎嶇的路面上，躺在里面的達(dá)官貴人也不會(huì)感

到顛簸，這個(gè)支架和后來西方發(fā)明的陀螺儀的支架的原理一樣，只是中國沒

有把它應(yīng)用到更重要的地方。

第一個(gè)避雷針

雷電的破壞力是相當(dāng)驚人的，它的溫度大約有5 萬攝氏度，這比太陽的

表面溫度還要高出好幾倍，1977 年由于雷擊高壓線造成美國西北部大停電。

因此，人類在很早以前，就探討著避免雷擊，馴服雷電的辦法。

1752 年7 月的一天夜晚，在美國波士頓，陰云密布，狂風(fēng)忽起，眼看一

場(chǎng)大雨就要鋪天蓋地而來。就在這個(gè)時(shí)候，美國科學(xué)家富蘭克林（1706～

1790 ）卻在野外放風(fēng)箏。他的風(fēng)箏很特別，是用杉樹枝做骨架，用絲綢當(dāng)紙，

扎成菱形的樣子。風(fēng)箏的頂端安了一根細(xì)鐵絲，放風(fēng)箏的麻繩末端拴著一把

銅鑰匙。當(dāng)風(fēng)箏飛上高空不久，豆大的雨點(diǎn)就劈里啪啦地落下來。雨越下越

大，狂風(fēng)裹著暴雨把富蘭克林澆了個(gè)透濕．富蘭克林毫不在意，他緊緊拉住

風(fēng)箏下面的麻繩，不讓它像野馬一樣掙脫韁繩。他等待著即將出現(xiàn)的電閃雷

鳴。富蘭克林此時(shí)對(duì)于可能被雷擊致傷致命已毫無畏懼。在頭頂上閃電忽閃

忽閃的時(shí)候，他把一個(gè)手指靠近鑰匙，引出了一個(gè)強(qiáng)烈的電火花，在鑰匙與

手指之間閃過，同時(shí)手指感到一陣刺痛。他意識(shí)到這是天空的電流

通過濕麻

繩和銅鑰匙傳到了他的手上。他高興地大叫：“電，捕捉到了，天空的電捕

捉到了！”他上把銅鑰匙和萊頓瓶（一種蓄電瓶）連接起來，結(jié)果萊頓瓶蓄

了大量的電，這種電同樣可以點(diǎn)燃酒精，可以做“摩擦起電”的靜電所做的

一切。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了打雷實(shí)際上就是一種大規(guī)模的放電現(xiàn)象。富蘭克林進(jìn)而

想到，如果在建筑物上裝一根金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線下端接地，那么，根據(jù)尖端放

電的原理，云中的電荷就會(huì)同導(dǎo)線尖端的感應(yīng)電荷慢慢中和，這樣就可以使

建筑物免遭雷擊。后來理論變成了現(xiàn)實(shí)，富蘭克林在費(fèi)城建造了第一個(gè)避雷

針。這是一根豎直的金屬棒，以不導(dǎo)電的材料固定在屋頂上。在棒上拴一根

金屬線通到地下。當(dāng)閃電襲擊房屋時(shí)，它沿著棒和金屬線這條捷徑到達(dá)地下。

這樣，建筑物就未受損害。當(dāng)富蘭克林的這一發(fā)明傳開后，人們紛紛采用它。

我國古代勞動(dòng)人民也觀察到了雷電的放電現(xiàn)象，并懂得采用較為科學(xué)的

方法予以避免。1638 年，外國一位曾游歷過中國的修道士馬卡連出版了一本



介紹中國的書，其中談到當(dāng)時(shí)的建筑物時(shí)寫道：“..屋頂?shù)乃慕嵌急坏耧?br>
成龍頭的形象，仰著頭，張著嘴。在這些怪物的舌頭上有一根金屬芯子，其

末端一直伸到地里，如果有雷電打在房頂上，它就會(huì)順著龍的舌頭跑到地里，

不會(huì)產(chǎn)生任何危害。”

顯微鏡的出現(xiàn)

我們?nèi)庋勰芸吹降奈矬w都是比較大的，小到一定的程度，它就無能為力

了。誰有本事看到指甲垢中的細(xì)菌、病毒呢？誰又有本事瞧見河水中的微生

物？千百年來，人類對(duì)周圍的微觀世界真可說是“視而不見”。

確切地說，“放大鏡”的科學(xué)名稱應(yīng)該叫“凸透鏡”，它是一塊有一個(gè)

面或兩個(gè)面凸起呈弧形的透明玻璃片。古希臘人和中世紀(jì)的阿拉伯人都知

道，用這種放大鏡可以看清楚物體的細(xì)節(jié)處，用它還可以通過聚焦太陽光而

取火呢，因此，他們又稱它為“取火鏡”。

當(dāng)然，僅僅能將物體放大一點(diǎn)還不算希罕，要是能把平時(shí)用肉眼看不見

的物體放大到看得見了，才真正有意思呢！這種有“顯微”作用的“顯微鏡”

最早出現(xiàn)在荷蘭。那里的人們很早就開始磨制玻璃和寶石了，這種專門技術(shù)

經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的流傳，到16 世紀(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。

1590 年，在荷蘭的米德爾堡，有一個(gè)眼鏡制造商名叫扎哈里耶斯·詹森。

詹森和他的妻子在米德堡開設(shè)了一家遐邇聞名的眼鏡制造工場(chǎng)，由于詹森磨

制鏡片的技術(shù)精湛，待人和氣熱情，因此，很受顧客的歡迎。

在詹森的工作室兼營業(yè)室的架子上，陳列著他精心制作的各種杰作：有

鑲嵌綠寶石的眼鏡架，有雕

刻著花紋的眼鏡，當(dāng)然更多的還是大大小小、厚

厚薄薄、形形色色的眼鏡鏡片。每一件杰作制造出來以后，都少不了他的妻

子對(duì)它們作一番“評(píng)頭論足”，嚴(yán)厲的妻子常常使詹森感到十分難堪。

一天晚上，詹森又像往常那樣在工作臺(tái)上擺滿了家什，他的妻子則在廚

房?jī)?nèi)忙著準(zhǔn)備美味的晚餐。

詹森這天興致所至，做了2 個(gè)圓筒，一個(gè)圓筒的一端嵌著一塊雙凸透鏡，

另一個(gè)圓筒的一端嵌著一塊雙凹透鏡。他手拿著這2 個(gè)圓筒左右比試著，突

然，他發(fā)現(xiàn)從雙凹透鏡前看自己放在雙凸透鏡一端的手指好像粗了很多。他

又去捉了一只小甲蟲放在下面觀察：小甲蟲確實(shí)變大了！

“親愛的，快來看啊！”詹森興奮地向廚房大聲叫嚷，“我又制造了一

件寶貝。”

妻子干完了手中的活，系著圍裙走進(jìn)了詹森的工作室。

“什么寶貝呀？讓我看看！”她拿過詹森手中的圓筒看了起來。“我以

為你發(fā)現(xiàn)了什么新大陸呢！原來是這玩意兒，不稀奇！不稀奇！要我說呀，

如果能將遠(yuǎn)處的東西放大，看得清楚，那才叫稀奇呢！近處的東西，即使放

大看，也沒什么意思，眼睛直接看那個(gè)小甲蟲，不也看得清清楚楚楚嗎？”



詹森覺得妻子的話不無道理，“我應(yīng)該使它看清眼睛看不清的東西，對(duì)！

這才算稀奇。”經(jīng)過一段時(shí)間的琢磨，他終于造出了能夠看清很小物體的顯

微鏡。今天，米德爾堡科學(xué)協(xié)會(huì)仍然保存著一架鏡筒長(zhǎng)18 英寸、直徑約2

英寸的顯微鏡，據(jù)說這就是詹森制造的。

1665 年，30 歲的胡克在化學(xué)家波義耳的實(shí)驗(yàn)室里當(dāng)一名助手。工作之

余，胡克常常喜歡自己干一點(diǎn)事情，改制顯微鏡便是他的業(yè)余愛好之一。他

用他改制的顯微鏡來觀察各種物體的放大形象，同時(shí)，也用來測(cè)試顯微鏡的

放大效果。

一天晚餐過后，胡克又端出了他的寶貝顯微鏡，拿出一小片木炭進(jìn)行觀

察。接著他又拿出一小片軟木塞片放到了顯微鏡底下。

“咦，這是什么？”胡克發(fā)現(xiàn)軟木塞片有著其他材料所沒有的結(jié)構(gòu)，他

仔細(xì)地進(jìn)行了觀察。“它看上去全部是多孔多洞的，很像一只蜂窩，但是這

些蜂窩并不很深。應(yīng)該給這些蜂窩起個(gè)名字，叫它什么好呢？嗯..對(duì)！就

叫‘細(xì)胞’吧！”

胡克所指的“細(xì)胞”其實(shí)是那些一度被活的物質(zhì)所占有過的小格子。從

此以后，“細(xì)胞”一詞就用來描述生命的基本結(jié)構(gòu)單位，并且一直沿用至今。

以后，胡克又觀察過蘿卜、蕪菁等其他植物，也觀察到了它們所具有的類似

的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。只是胡克對(duì)生物學(xué)的興趣不大，因此，很快他就不再對(duì)細(xì)胞進(jìn)

行深入研究了。不過，胡克對(duì)顯微鏡的改制，使得顯微術(shù)廣為流傳開來

；他

還將他觀察到的許多東西匯編成一本書，書名叫作《顯微圖志》。這本書中

有83 頁插圖，它記錄下了人類最早發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的許多珍貴資料，還記錄了胡克

觀察雪花晶體結(jié)構(gòu)的圖形，以及微小的化石生物的結(jié)構(gòu)。

胡克使顯微鏡從玩具變成了科學(xué)儀器，他的作用猶如伽利略將望遠(yuǎn)鏡從

對(duì)準(zhǔn)枝頭小鳥到指向茫茫星空一樣。

幾乎與胡克同時(shí)期的列文虎克，于1660 年28 歲時(shí)，在德耳夫特謀得了

該城郡長(zhǎng)總管的職務(wù)。列文虎克雖然躋身政界，身居要職，但他仍保留著自

己從小培養(yǎng)起來的嗜好——磨制鏡片。列文虎克研制的顯微鏡結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)

單，嚴(yán)格地說它只是一種放大鏡。他研制的顯微鏡的特點(diǎn)是將一個(gè)凸透鏡裝

在一塊銅板上，再用一個(gè)凹鏡使光聚焦在所要觀察的物體上。

列文虎克磨制了400 多塊鏡片，許多鏡片面積很小，有的甚至比針尖大

不了多少。列文虎克通常將磨制好的鏡片夾在兩層鉆有小孔的銅片之間，然

后將銅片鉚在一起，在銅片上還有微調(diào)器可以調(diào)節(jié)焦距。列文虎克就是使用

這種自制的顯微鏡于1674 年開始觀察微生物和原生動(dòng)物的。

第2 年，列文虎克通過顯微鏡首先發(fā)現(xiàn)了原生動(dòng)物，輪蟲、滴蟲、細(xì)菌

等，它們的長(zhǎng)度雖然很小很小，但是，它們確實(shí)是活的，是有生命力的東西。

以后，列文虎克又發(fā)現(xiàn)了其他許多東西。

他將牙齒縫中積留的牙垢取下來，用水稀釋以后，首次看到了微生物；

他將蝌蚪的尾巴放在顯微鏡下，觀察到了50 多處微細(xì)血管中的血液回



流，證明了動(dòng)脈和靜脈實(shí)際上是一根連續(xù)的血管；

他將雨水和泥水取來，也在其中發(fā)現(xiàn)了微小的“動(dòng)物”，這些小“動(dòng)物”

還能沾在漂浮于空氣中的塵埃上隨風(fēng)飄揚(yáng)呢；

列文虎克的這些發(fā)現(xiàn)，在生物學(xué)史上開辟了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，他成

了在顯微鏡下觀察到微生物和原生動(dòng)物的第一個(gè)人。

以后，列文虎克的大部分顯微鏡按照他的遺愿都贈(zèng)給了英國皇家學(xué)會(huì)，

至今，這些珍貴的儀器仍然保存在博物館中。

到了19 世紀(jì)20 年代，科學(xué)家們終于研制成功了消色差顯微鏡，為觀察

細(xì)胞提供了有力的工具。1938 年，德國植物學(xué)家施萊登發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞；第

二年，德國動(dòng)物學(xué)家施旺發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞。這當(dāng)然都是在顯微鏡下才取得成

功的。在此基礎(chǔ)上，一門新科學(xué)——細(xì)胞科學(xué)建立了。

上面我們說的顯微鏡都屬于光學(xué)顯微鏡，它通常是由用玻璃磨成的透鏡

組合在一起使物體放大的。第一塊透鏡產(chǎn)生物體的放大像，再用第二塊透鏡

來觀察這個(gè)放大了的像。但是，光學(xué)顯微鏡并不能無限地放大物體，盡管人

們?cè)谒l(fā)明之后的300 年中作了種種努力——透鏡

越磨越光，設(shè)備越制越

精。但是，遺憾的是，光學(xué)顯微鏡的有效放大率始終沒有突破2000 倍這個(gè)極

限！

早在19 世紀(jì)末，德國一位名叫阿貝的光學(xué)家就認(rèn)為，光學(xué)顯微鏡的分辨

本領(lǐng)大約是使用光線波長(zhǎng)的一半。既然光線的波長(zhǎng)可以影響分辨本領(lǐng)，那么

如果使用波長(zhǎng)短的光線來作光源，不就可以把顯微鏡的分辨本領(lǐng)提高一些了

嗎？分辨本領(lǐng)高了，放大倍數(shù)自然也就提高了嘛！當(dāng)時(shí)，科學(xué)家已經(jīng)知道紫

外線、X 射線、γ線的波長(zhǎng)要比光波短。經(jīng)過多年的努力，在20 世紀(jì)初出現(xiàn)

了紫外線顯微鏡，后來又出現(xiàn)了X 射線顯微鏡，但是并沒有人馬上聯(lián)想到要

制造電子顯微鏡。

1924 年，法國科學(xué)家德·布洛依證明了任何一種粒子，當(dāng)它們?cè)诳焖龠\(yùn)

動(dòng)時(shí)，必定都伴有電磁輻射，輻射波的波長(zhǎng)與粒子的制裁量及粒子運(yùn)動(dòng)的速

度成反比。這真是一個(gè)好消息：如果能用高速運(yùn)動(dòng)的電子來作光源而發(fā)明出

一臺(tái)電子顯微鏡的話，那該是多么振奮人心啊！可惜，德·布洛依的證明并

沒有引起人們的重視。

那時(shí)，許多科學(xué)家都在從事高壓陰極射線示波器的研究。1924 年，一個(gè)

名叫加柏的科學(xué)家在德國柏林進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，無意間制造出了一種短焦

距、有會(huì)聚能力的線圈，然而，加柏不能解釋為什么這種線圈具有會(huì)聚作用，

也不知道這樣的線圈有什么用處。

2 年以后，又一位德國科學(xué)家布施發(fā)現(xiàn)，加柏制造的線圈對(duì)電子可以起

透鏡的作用。他發(fā)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的電子在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生折射，并且能

被聚焦，就如同普通的可見光通過透鏡被折射聚集一樣。然而，這個(gè)重要的

發(fā)現(xiàn)同樣沒有及時(shí)應(yīng)用到制造電子顯微鏡方面來。

德·布洛依和布施的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)，為電子顯微鏡的發(fā)明指出了方向，但是，



誰是幸運(yùn)的發(fā)明者呢？

布施的發(fā)現(xiàn)引起了許多人的興趣，柏林技術(shù)大學(xué)于1928 年成立了一個(gè)專

門研究小組來研究高壓陰極射線示波器。這個(gè)小組由一些大學(xué)生和研究生組

成，為首的是克諾爾，其中剛從大學(xué)畢業(yè)不久的24 歲的魯斯卡專門負(fù)責(zé)有關(guān)

電子光學(xué)部分的工作，他的第一件工作就是系統(tǒng)地研究磁場(chǎng)的光學(xué)行為。

經(jīng)過魯斯卡的努力，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過電子光學(xué)放大12 倍后得到的鉬格的像和

用玻璃透鏡得到的同樣放大倍數(shù)的像沒有什么區(qū)別，這個(gè)結(jié)果使年輕的魯斯

卡感到十分興奮，他決心把工作深入下去，并且作為計(jì)劃報(bào)告提交給技術(shù)大

學(xué)的學(xué)部，從而奠定了把磁透鏡進(jìn)一步發(fā)展為電子顯微鏡的基礎(chǔ)。

1931 年4 月7 日星期二，雖然這一天陰雨蒙蒙，但是對(duì)魯斯卡來說，卻

是終生難忘的。

早晨，與往常一樣，吃過早餐，喝了一杯咖啡，魯斯卡便

走進(jìn)了自己已

經(jīng)工作了三四年的實(shí)驗(yàn)室。這一天，他將做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將2 個(gè)磁透鏡組成的

電子光學(xué)光具座，對(duì)鉑金網(wǎng)格進(jìn)行二級(jí)放大。原來他認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)不會(huì)很順

利，但是事實(shí)卻使他大為驚訝：他成功地放大了17 倍。

“哇！這真想不到，磁透鏡竟然和光學(xué)透鏡一樣，不僅對(duì)光束具有折射

聚焦作用，而且經(jīng)過組合還有放大作用呢！”從這一天起，魯斯卡便獻(xiàn)身于

電子顯微鏡的研制工作了。

魯斯卡的成功僅僅是初步的，還存在很多困難需要解決，例如在電壓很

高的情況下，生物樣品一放入鏡體內(nèi)就會(huì)受到高強(qiáng)度電子束的照射，從而造

成嚴(yán)重的輻射損傷，使得圖像很難被真實(shí)地記錄下來。

在這種情況下，克諾爾打退堂鼓，轉(zhuǎn)而去研究電視了，而魯斯卡仍然堅(jiān)

持著，他把所有的時(shí)間和精力都貢獻(xiàn)給了電子顯微鏡的研制工作。到1933

年底，功夫不負(fù)有心人，魯斯卡終于建成了一臺(tái)真正的電子顯微鏡，它的最

高放大倍數(shù)達(dá)到12000 倍，為光學(xué)顯微鏡的6 倍。而且，魯斯卡想了一個(gè)巧

妙的辦法來解決輻射損傷難題：他在鏡內(nèi)裝了一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，一次可裝好幾個(gè)

樣品，當(dāng)一個(gè)樣品被電子束毀壞時(shí)，另一個(gè)樣品很快就可取而代之。

雖然魯斯卡費(fèi)盡了心血，卻得不到各方面的支持，他不得已也忍痛割愛，

轉(zhuǎn)而和老同事克諾爾一起研制電視去了。

就在電子顯微鏡研制工作瀕臨中斷的時(shí)候，馬頓在布魯塞爾挽救了這個(gè)

令人喪氣的局面。1933 年底以前，馬頓構(gòu)造成功了第一臺(tái)磁式電子顯微鏡，

利用這臺(tái)儀器他真實(shí)地觀察了一些生物樣品，并且首次拍攝到某種植物根的

厚切片的電子圖像，這在當(dāng)時(shí)來說，真是一個(gè)了不起的成就！在此基礎(chǔ)上，

馬頓又成功地制造了第二臺(tái)電子顯微鏡，他用這臺(tái)顯微鏡觀察了各種各樣的

生物材料，并且用事實(shí)證明：電子顯微鏡是可能具有實(shí)用價(jià)值的！

自從1933 年魯斯卡轉(zhuǎn)到電視研究以后，許多國家都開展了電子顯微鏡的

研制工作。英國也是其中之一。

1936 年前后，英國科學(xué)家馬丁說服了英國皇家學(xué)會(huì)，花了一筆經(jīng)費(fèi)制成



了一臺(tái)光學(xué)電子顯微鏡，馬丁在這臺(tái)儀器上全面比較了光學(xué)顯微鏡和電子顯

微鏡的性能。盡管馬丁制成的電子顯微鏡操作起來相當(dāng)不便，而且又確實(shí)存

在樣品的輻射損傷，再加上在電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間需要有移動(dòng)樣品

的機(jī)械裝置，使得它的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，然而得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻清楚地表明：

電子顯微鏡是有實(shí)用價(jià)值的，可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。可惜當(dāng)時(shí)正臨近第二次

世界大戰(zhàn)，許多公司都要生產(chǎn)雷達(dá)，所以電子顯微鏡的商品生產(chǎn)就被擱置一

旁了。

在這一時(shí)期內(nèi)，魯斯

卡也始終期望著能早一天制造出一臺(tái)真正實(shí)用的電

子顯微鏡，可以供任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用。在馬頓等人工作的激勵(lì)下，人們對(duì)

電子顯微鏡的前途已耳濡目染，所以魯斯卡重新又得到了財(cái)政上的支持，他

便立即著手電子顯微鏡的研制工作，重點(diǎn)放在改進(jìn)儀器的設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)便操作性

能方面。

當(dāng)魯斯卡正要開始工作時(shí)，他還幸運(yùn)地得到了他的兄弟赫爾穆特的大力

協(xié)助。赫爾穆特是個(gè)醫(yī)生，在醫(yī)學(xué)界小有名氣，生活富裕舒適，但他毅然放

棄了這一切，決心和魯斯卡一起把電子顯微鏡試用到醫(yī)學(xué)上，以解決光學(xué)顯

微鏡不能解決的疑難問題。經(jīng)過幾年的艱苦努力，魯斯卡終于在1938 年研制

成功了世界上第一臺(tái)真正實(shí)用的透射電子顯微鏡。次年，德國的西門子—哈

爾司克公司以這臺(tái)電子顯微鏡為樣機(jī)，生產(chǎn)了世界上第一批商品電子顯微

鏡，有40 臺(tái)左右，并在二次大戰(zhàn)后運(yùn)往其他國家。

到這時(shí)為止，電子顯微鏡便正式問世了，人類從光學(xué)顯微鏡時(shí)代進(jìn)入了

電子顯微鏡時(shí)代。

從1938 年至今，電子顯微鏡大致經(jīng)過了4 個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段從

30 年代到50 年代初，儀器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只由1 個(gè)聚光鏡和2 個(gè)成像透鏡

組成，操作維修相當(dāng)復(fù)雜，因此應(yīng)用并不普遍，主要局限在科學(xué)水平比較發(fā)

達(dá)的國家；第二個(gè)階段從50 年代初到60 年代初，電子顯微鏡的性能有了很

大改進(jìn)，由2 個(gè)聚光鏡和3 個(gè)成像透鏡組成，操作維修也比較簡(jiǎn)單了，很多

國家都能夠生產(chǎn)制造，使它的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大；第三個(gè)階段從60 年代初到

70 年代初，一方面透射電子顯微鏡達(dá)到了比較完善的程度，另一方面它的種

類增多，出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡、超高壓電子顯微鏡、分析電子顯微鏡等等。

電子顯微術(shù)也如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，如電子顯微圖像的光學(xué)與計(jì)算機(jī)處理

技術(shù)、X 射線顯微分析技術(shù)等；第四個(gè)階段從70 年代初至今，儀器本身性能

進(jìn)一步完善，并且能直接觀察重金屬原子的成像，自動(dòng)化程度更加提高。并

且出現(xiàn)了各種專用電子顯微鏡，如掃描透射電子顯微鏡、光學(xué)電子顯微鏡、

全息電子顯微鏡等，電子顯微術(shù)與物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)科學(xué)等

更加相互滲透、融合。

電子顯微鏡成了許多學(xué)科中不可缺少的工具。

有了光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，當(dāng)然使人類看到了層層深入的微觀世

界，但是，離開“看”到原子還相距很遠(yuǎn)。



1982 年，國際商用機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家賓尼和羅雷爾發(fā)明了

真空條件下工作的掃描隧道顯微鏡，使人類第一次“看”到了物質(zhì)表面的原

子排列狀態(tài)。為此，他們榮獲了1986 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

掃描隧道顯

微鏡能將原子圖像放大上百億倍，因此，可以直接觀察物質(zhì)

表面的奇妙景色。在微電子、半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，科學(xué)家正是利用這一火眼

金睛深入了解半導(dǎo)體材料表面結(jié)構(gòu)及表面粗糙度的。從1984 年開始，掃描隧

道顯微鏡就被用于真空、常壓大氣、室溫、低溫、蒸餾水、溶液、電解液等

環(huán)境下研究不同物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)。

1991 年11 月，我國科學(xué)家運(yùn)用自行研制的掃描隧道顯微鏡，觀察了用

德國重離子加速器實(shí)驗(yàn)中心高能帶電重金屬離子轟擊的天然二硫化鑰樣品，

清晰地看到了正常原子與輻射損傷坑共存的表面原子形貌圖，這在世界上還

是首次。1993 年8 月，第8 屆掃描隧道顯微學(xué)國際年會(huì)在我國北京召開，它

給我們帶來了有關(guān)微觀世界的更多信息。

工程儀器設(shè)備

齒輪的起源

齒輪的起源可追溯到公元前二三世紀(jì)的古埃及的托勒密王朝。那時(shí)，端

面齒輪或傘形齒輪通常用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)像“燈籠”一樣的極粗糙的小齒輪組件；

小齒輪組件是用板條籠或柵籠連接起來的兩個(gè)簡(jiǎn)單的輪圈，輪圈的兩端被齒

輪松松地咬住。在歐洲、亞洲和非洲，有齒輪的提水裝置到處采用，而且在

許多世紀(jì)內(nèi)，不少村莊都只有一套齒輪。但大約在公元前1 世紀(jì)，有人看出，

可以用齒輪把臥式水磨同垂直提水的水車（兩項(xiàng)較晚的發(fā)明）結(jié)合起來；維

脫勞維斯在描述用垂直水輪、端面齒輪和“燈籠”驅(qū)動(dòng)水磨時(shí)，最先向我們

介紹了齒輪。這種水磨的推廣比臥式的緩慢，但中世紀(jì)初期，至少在歐洲的

低地國家和穆斯林世界的某些人口稠密地區(qū)，它卻是磨面粉的普通方法。

蝸輪蝸桿，也就是中古和文藝復(fù)興時(shí)期的工程師所說的螺桿，可能是阿

基米德本人的發(fā)明，曾應(yīng)用在幾種工具中，但只有像亞歷山大城的赫倫那樣

特別熟練的技術(shù)人材才有把握制造出一根合適的螺桿來。在這些小型的科學(xué)

儀器中，齒輪是金屬的。希臘—羅馬時(shí)代遺留下來一組獨(dú)特的黃銅齒輪，這

組齒輪是從遇難的“安蒂西塞拉”號(hào)船上打撈起來的一臺(tái)小計(jì)算器上發(fā)現(xiàn)的。

金屬齒輪一直用在某些天文儀器上，等到機(jī)械鐘表問世后才得到普及。是那

些鐘表匠人首先尋求提高齒輪的效率，他們創(chuàng)造了一種跟鉆齒的齒輪不同的

齒輪。達(dá)·芬奇花了很長(zhǎng)時(shí)間研究出齒輪傳動(dòng)比和理想的齒形。據(jù)說，16 世

紀(jì)的一位后繼人屠里安諾制造了一臺(tái)輪齒切割機(jī)，用來為皇帝查理五世建造

的巨型天象儀制作齒輪。但是，大規(guī)模生產(chǎn)精密輪齒的理論和機(jī)床則是在100

年后出現(xiàn)的：英國王政復(fù)辟時(shí)期才開始普遍使用輪齒切割機(jī)，稍后，法國的



羅梅爾和拉伊爾又對(duì)輪齒切割進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。

彈簧

的歷史

大多數(shù)材料都有不同程度的彈性，如果將其彎曲，便會(huì)以很大的力量恢

復(fù)其原形。在人類歷史上，一定很早就注意到樹苗和幼樹的樹枝有很大的撓

性，因?yàn)樵S多原始文化利用這一特性，在特制的門后或籠子后楔上一根棍，

或者用活結(jié)套在一根桿上向下拉；一旦松開張力，這根棍或桿就會(huì)往回彈。

他們就用這種辦法來捕捉飛禽走獸。實(shí)際上，弓就是按這種方式利用幼樹彈

性的彈簧；先向后拉弓，然后撒手，讓其回彈。中世紀(jì)時(shí)，這種想法開始出

現(xiàn)在機(jī)械上，如紡織機(jī)、車床、鉆機(jī)、磨面機(jī)和鋸。操作者用手或腳踏板給

出下壓沖程，將工作機(jī)械往下拉，這時(shí)用繩索固定在機(jī)械上的一根桿彈回，

產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

彈性材料的抗扭性不壓于它的抗撓性。希臘帝國時(shí)期（大概是公元前4

世紀(jì)）發(fā)明了用搓成的腱繩或毛繩拉緊的扭簧，用以代替簡(jiǎn)單的彈簧來加強(qiáng)

石弩和拋石機(jī)的威力。這時(shí)人們開始認(rèn)識(shí)到，金屬比木頭、角質(zhì)或任何這類

有機(jī)物質(zhì)的彈性更大。菲洛（其寫作年代約為公元前200 年）把它作為一項(xiàng)

新發(fā)現(xiàn)來進(jìn)行介紹。他估計(jì)讀者是難以置信的。凱爾特人和西班牙人的劍的

彈性，引起了他的亞歷山大城的前輩的注意。為了弄清楚劍為什么有彈性，

他們進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)。結(jié)果他的師傅克特西比發(fā)明了拋石機(jī)，拋石機(jī)的彈簧

是用彎曲的青銅板作成的——實(shí)際上是最早的片簧；菲洛本人又進(jìn)一步改進(jìn)

了這些拋石機(jī)。富有創(chuàng)造性的克特西比在發(fā)明這種拋石機(jī)后，又想出了另一

種拋石機(jī)—一它利用汽缸內(nèi)空氣在受壓的情況下產(chǎn)生的彈性工作。

在很久以后人們才想到：如果壓縮一根螺旋桿，而不是彎曲一根直桿，

那末金屬彈簧儲(chǔ)存的能量就會(huì)更大。據(jù)伯魯涅列斯基的小傳記載，他制作過

一口鬧鐘，其中使用了若干代彈簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋

彈簧鐘表圖的15 世紀(jì)末葉的一本機(jī)械手冊(cè)中有這架鬧鐘的圖樣。這類彈簧也

用于現(xiàn)代的捕鼠器。帶圈簧（水平壓縮而不是垂直壓縮的彈簧）的鐘表，在

1460 年左右肯定已開始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大約又過了1 個(gè)

世紀(jì)，帶彈簧的鐘表才成為中產(chǎn)階級(jí)人士的標(biāo)志。

控制流動(dòng)方向的閥門

由于閥門只讓水或其他流體（如空氣）沿一個(gè)方向流動(dòng)，幾乎可以肯定

地說，它最先是作為需要這種運(yùn)動(dòng)的早期工具——風(fēng)箱的一個(gè)部件出現(xiàn)的。

阿格里科拉在研究文藝復(fù)興時(shí)期的冶金學(xué)的文章中說，鍛鐵爐風(fēng)箱有一個(gè)比

風(fēng)眼稍長(zhǎng)和稍寬的薄板，“薄板上覆蓋著山羊皮，是用皮帶捆在板上的，毛

邊一側(cè)沖地面”。放置的方式是：當(dāng)風(fēng)箱鼓起來時(shí)，薄板打開；

當(dāng)風(fēng)箱收縮



時(shí)，薄板關(guān)閉。”瓣閥肯定遠(yuǎn)比阿格里科拉的時(shí)代為早，同楔形板風(fēng)箱一樣

古老。但它問世的具體年代卻很難確定，因?yàn)榘觊y這個(gè)術(shù)語來自古老的皮袋

型風(fēng)箱（在這種風(fēng)箱中，操作的人可以用腳或手將風(fēng)眼堵住）。顯然，最早

的模型大約是希臘王朝時(shí)代的青銅燈，但在羅馬后期的詩人奧素尼烏斯之前

還沒有人提到過青銅燈的閥門。奧索尼烏斯把陸上快咽氣的魚的鰓。比作在

掬木腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過孔眼交替進(jìn)風(fēng)和擋風(fēng)的羊毛閥。

可以說，機(jī)械上使用閥門的歷史起始于克特西比的壓力泵。維脫勞維斯

和赫羅對(duì)壓力泵作了詳細(xì)的說明，他們說：“靈巧地安在管道口內(nèi)的環(huán)形薄

片，不會(huì)讓壓入容器的東西再往回跑。”看來克特西比壓力泵的原始瓣閥呈

長(zhǎng)筒形，那時(shí)已用來搞屋頂通風(fēng)。后來改用矩形閥，但名稱仍保持不變。已

經(jīng)修復(fù)了幾臺(tái)羅馬壓力泵，其閥門已嚴(yán)重腐蝕，但還是可以辨認(rèn)出來。赫倫

在講到用雙氣缸壓力泵作滅火器時(shí)，還介紹了一種原始的跳動(dòng)活門，一些在

三根彎柱上滑上滑下的小圓盤。克特西比的水力機(jī)件有用來控制空氣進(jìn)入管

道的滑閥。除此以外，在文藝復(fù)興時(shí)期前，所有的泵和風(fēng)箱閥都是瓣閥（或

鉸形閥）。

達(dá)·芬奇發(fā)明的一種錐形跳動(dòng)舌門，無疑是拉梅利的機(jī)械發(fā)明手冊(cè)

（1588 ）中所畫的那些舌門的來源。跟拉梅利同時(shí)代的阿勒奧蒂，在自動(dòng)木

偶戲中采用了一種蝴蝶閥來控制管道內(nèi)的水流。但是，從赫倫的時(shí)代直到發(fā)

明蒸汽機(jī)，這些跳動(dòng)舌門沒有一種得到廣泛應(yīng)用，各種閥門也沒有什么變化。

蒸汽機(jī)（需要對(duì)流入和流出順序進(jìn)行更精確的控制）導(dǎo)致了跟發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)

有關(guān)的精密閥門的出現(xiàn)，這些閥門包括紐科門設(shè)計(jì)的釋放積蓄在氣缸中的空

氣的“噴氣閥”、默多克的滑閥（1799 ）和使雙動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞保持平衡的

平衡閥。

蒸汽機(jī)上的曲軸

9 世紀(jì)的一首贊美詩曾講到西方用曲柄跟曲柄銷和曲柄臂連成一體來轉(zhuǎn)

動(dòng)磨石的事。此后500 年內(nèi)，曲軸只偶爾見于圖例。在公元1400 年之后不久，

至少在低地國家的帶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)、罐籠，甚至測(cè)試儀表等插圖的手稿中似乎

都突然出現(xiàn)了曲軸。組合曲軸在同一時(shí)代問世，最初為拉桿式，是一種簡(jiǎn)單

的手持工具。但是，在拉桿曲軸首次出現(xiàn)后幾年內(nèi)，有人就想到轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿的

曲柄臂可以用連桿代替，在手磨機(jī)中，連桿僅僅是人的手臂的延伸，但是，

連接機(jī)構(gòu)可以反向運(yùn)動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)曲柄驅(qū)動(dòng)連桿來操縱一臺(tái)泵，如同公元

1431 年的一部手稿中所描繪的那樣。于是，曲軸誕生了。15 世紀(jì)和16 世紀(jì)

普遍采用曲柄來驅(qū)動(dòng)風(fēng)箱和大型鋸機(jī)，它

們是要求雙向控制的僅有的兩種機(jī)

器。雖然偶爾也在泵中采用曲軸，但已經(jīng)設(shè)計(jì)出雙拐甚至四拐曲軸，并且很

可能已經(jīng)到處安裝使用。然而，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，人們并不真正歡迎曲軸，因

為只要重型機(jī)器都是木制的，曲軸就不易制成整體，就會(huì)使連接處受到很大



的應(yīng)力。

不管怎樣，在鑄鐵時(shí)代以前，曲軸并未獲得應(yīng)有的信譽(yù)。公元1780 年，

瓦特發(fā)覺自己受到一項(xiàng)專利的限制，不能利用曲軸將他的蒸汽機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)

轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)——舊式運(yùn)動(dòng)路線的倒轉(zhuǎn)。雖然他很氣憤，但卻從中受到了

啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了達(dá)到同一目的的恒星與行星齒輪。但是隨著專利的過時(shí)，曲

軸變成了進(jìn)行這種作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。如果使用兩個(gè)或多個(gè)汽缸，或必須從兩

側(cè)提供動(dòng)力（例如向汽船的槳輪上提供動(dòng)力），那么，曲軸就是一個(gè)解決辦

法。在爾后的蒸汽時(shí)代，曲軸被用在20 世紀(jì)所有的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上，無論哪一

種燃料都可以驅(qū)動(dòng)。

螺釘和改錐的來歷

木螺絲（在美國有時(shí)稱為螺釘）是比較近代的東西。但是，在16 世紀(jì)，

軍械工人和軍械士已經(jīng)使用一種帶凸片的小型工具——最初的“螺絲起子”

——來調(diào)節(jié)他們的步槍機(jī)構(gòu)了。步槍機(jī)構(gòu)用鐵釘釘在槍托上。有人發(fā)現(xiàn)，在

鐵釘上加螺紋，會(huì)固定得更牢。像所有其他鐵釘一樣，它們都是被敲進(jìn)去的，

取出來很困難。唯一的解決辦法，是在將鐵釘敲入之前，在其頭部切出溝槽。

這樣，利用“螺絲起子”就可以將它們?nèi)〕觥Ｓ谑牵萁z起子就成了最早的

螺絲鉗子或擰松器。費(fèi)利比安的1676 年的改錐就是這種類型。

由于螺釘是用手工制造的，造價(jià)自然昂貴，只用在特殊的工件上。然而，

到18 世紀(jì)末，一些不知名的天才（可能是在英國伯明翰）發(fā)現(xiàn)了一種更好的

制造方法，不過仍然是用機(jī)器制造平端螺釘。這使得螺釘?shù)脑靸r(jià)低廉，能普

遍地用于固定鉸鏈、門、家具等。但是，細(xì)紋螺釘?shù)淖饔糜捎谇脫舳鴾p低，

需要用有較長(zhǎng)凸片的工具將其擰進(jìn)去。大約在公元1780 年，倫敦裝配工具的

制造廠商引進(jìn)了有較長(zhǎng)凸片的改錐，這種改錐的商標(biāo)至今還稱為“倫敦牌”。

大約在公元1840 年，內(nèi)特爾福德改進(jìn)了木螺釘，將其制成帶尖的。改錐從此

一直向前發(fā)展。

空氣泵

德國馬德堡市市長(zhǎng)蓋里克對(duì)科學(xué)家和哲學(xué)家關(guān)于形成真空的可能性的爭(zhēng)

論很感興趣。作為一個(gè)受過專門教育的工程師，他決定通過實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)

問題。公元1650 年，他制造出了第一臺(tái)空氣泵——像一臺(tái)手工操作的水泵，

但有制造精密的零件，不透氣。這臺(tái)空氣泵是成功的。他指出，在一個(gè)抽盡

了空氣的容器內(nèi)，聽不到鐘響，蠟燭不燃

燒，動(dòng)物也會(huì)悶死。

他的大規(guī)模的演示是十分壯觀的。有一次實(shí)驗(yàn)是當(dāng)著皇帝斐迪南三世的

面在其宮廷前面的空曠處進(jìn)行的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在直徑12 英尺的兩個(gè)半球

的周邊凸緣上涂上潤滑脂，將兩個(gè)半球的凸緣嵌合，然后將球內(nèi)空氣抽盡。



將8匹馬分成兩組拉拴在每個(gè)半球上的鋼索也未能將其分開，可是放進(jìn)空氣

后，它們就分開了。在公元1654年的另一次實(shí)驗(yàn)，是將一個(gè)立式開口圓筒活

塞下面抽成真空，用50人拉拴在活塞上的繩子，他們反而被活塞拉動(dòng)了。人

們就是用這種方法來使活塞做功的；活塞的下面必須始終有一個(gè)真空。

但是，沒有空氣泵能形成真空嗎？經(jīng)過許多年之后，人們發(fā)現(xiàn)用蒸汽可

以解決這個(gè)問題。公元1698年，托馬斯·薩弗里第一個(gè)利用蒸汽排水，使蒸

汽通入密閉容器，然后在容器上噴冷水，使其中的蒸汽冷凝，從而產(chǎn)生真空。

他利用這種真空從礦井抽水，又利用鍋爐蒸汽將容器中的水排空。這個(gè)循環(huán)

過程反復(fù)進(jìn)行。

薩弗里的設(shè)備被稱為“礦工之友”。它沒有任何活塞或活動(dòng)零件，也不

是一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，而只是一臺(tái)泵而已。

在此以前的1690年，法國的丹尼斯·帕平已經(jīng)制造出了一個(gè)模型設(shè)備，

一個(gè)直徑2．5英寸的活塞剛好能放進(jìn)汽缸里。在汽缸內(nèi)盛少量的水，他就能

夠通過連續(xù)地將水加熱和冷卻的辦法，證明汽缸冷卻時(shí)在活塞下面形成真

空。雖然這種設(shè)備沒有得到實(shí)際應(yīng)用，但卻是第一臺(tái)利用冷凝蒸汽推動(dòng)活塞

和做功的設(shè)備。

公元 1712年，將居里克、帕平和薩弗里的上述3項(xiàng)成就結(jié)合在一起，

達(dá)特默思的托馬斯·紐科門制成了一臺(tái)實(shí)用的蒸汽機(jī)。

胡克發(fā)明了萬向節(jié)

公元1676年，被譽(yù)為“英國的達(dá)·芬奇”的羅伯特·胡克發(fā)表了他關(guān)于

“太陽鏡”的演說。這是一臺(tái)采用反射鏡系統(tǒng)安全地觀測(cè)太陽的儀器。這臺(tái)

儀器是用他新奇的萬向節(jié)進(jìn)行操縱的。萬向節(jié)是一種萬能儀器..用來通過

任何不規(guī)則的彎曲軌道產(chǎn)生環(huán)形運(yùn)動(dòng)。雖然胡克比較詳細(xì)地講過這種新儀器

的制造方法，并且含糊地指出，這種儀器可能在各方面獲得應(yīng)用，但他自己

只想用它來進(jìn)行天文觀測(cè)，或用在時(shí)鐘和日規(guī)的設(shè)計(jì)中，故在當(dāng)時(shí)沒有引起

多少人注意。

胡克是個(gè)才華橫溢的人，他在系統(tǒng)提出物理學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)方面的革

命性理論之余，在倫敦咖啡館內(nèi)同思想相近的朋友們無休止地討論之余，抽

空兒搞了二十幾項(xiàng)發(fā)明。他的日記通常略為提及某些新設(shè)想是如何在他的高

度活躍的頭腦中逐步醞釀成形的。英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)議記錄，記載了那些使他

最新的發(fā)現(xiàn)得以馳名的實(shí)驗(yàn)。

但是，日記并沒有講他在萬向節(jié)上花費(fèi)了許多

時(shí)間；他也不曾想學(xué)會(huì)演

示萬向節(jié)。就這種機(jī)器而言，發(fā)明完全屬于他個(gè)人看來是勿容置疑的。但是，

在動(dòng)力傳輸方面，在19世紀(jì)的運(yùn)輸革命之前，和許多其他的發(fā)明一樣，并不

需要一個(gè)具有向各個(gè)方向傳動(dòng)的自由接頭。



瓦拉發(fā)明了調(diào)速器

瓦特在1789 年發(fā)明的蒸汽機(jī)中使用的離心調(diào)速器，在當(dāng)時(shí)引起的轟動(dòng)不

是太大；瓦特重視動(dòng)力系統(tǒng)，只把調(diào)速器看成是蒸汽機(jī)上的一個(gè)附件。然而

它是第一臺(tái)通過改變?nèi)剂陷斎肓慷行У乜刂扑俣鹊难b置，是使一臺(tái)機(jī)器能

進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的一切反饋裝置的鼻祖，在發(fā)明史上的地位已確定無疑。瓦特

的調(diào)速器是由一對(duì)離心擺組成，最遠(yuǎn)處與蒸汽機(jī)的旋轉(zhuǎn)飛輪相連，直接連在

一個(gè)套筒上，套筒又與汽缸的進(jìn)汽閥連接。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)較快時(shí)，兩個(gè)球體就

向外擺動(dòng)，使套筒下降；當(dāng)速度減慢時(shí)，球體就隨之下垂，迫使套筒上升。

汽閥可開大開小，以維持均勻的速度。

瓦特調(diào)速器的歷史，也許可追溯到中世紀(jì)和文藝復(fù)興時(shí)期機(jī)器上有時(shí)用

來代替飛輪的球—鏈裝置或球—桿裝置。然而這些裝置只發(fā)揮飛輪的功能，

通過貯存能量、使鉆床或曲柄產(chǎn)生較有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)工具越過“死點(diǎn)”；

它們不能控制速度或功率輸入，最多只是對(duì)調(diào)速器的造型有所啟發(fā)。直到力

學(xué)發(fā)展了，人們知道了鐘擺的性能，懂得了離心力后，才有人想到利用球—

桿組合裝置來進(jìn)行控制。

磨坊工人經(jīng)常碰到的一個(gè)問題是無法利用強(qiáng)風(fēng)力。因?yàn)楫?dāng)軸旋轉(zhuǎn)很快

時(shí)，磨石容易向上移動(dòng)，擴(kuò)大兩塊磨石之間的距離，以至夾在兩塊磨石當(dāng)中

的谷粒不能完全磨碎。人們靠手將兩塊磨石拉緊，使它們之間保持適當(dāng)?shù)木?br>
離。直到1787 年，托馬斯·米德才想出一種方法，將兩個(gè)擺分開掛在驅(qū)動(dòng)磨

石的正齒輪上，通過鏈條和萬向節(jié)提升和調(diào)節(jié)拉桿。另一對(duì)擺與風(fēng)車翼板相

連，這樣就使后者隨速度的變化而張合。磨坊工人只要改變翼板承受的風(fēng)力，

就能調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的速度。兩年后，斯蒂芬·胡珀用齒條和扇形齒輪代替鏈條，

設(shè)計(jì)了一臺(tái)可以同它匹敵的機(jī)器，取得了專利權(quán)。

與此同時(shí)，約翰·倫尼在倫敦建的第一個(gè)用蒸汽驅(qū)動(dòng)的磨房——“阿爾

比恩磨房”。裝有和米德調(diào)速器一樣的調(diào)速器。博爾頓在1788 年5 月給他的

合作者瓦特寫信說，“有一種調(diào)節(jié)頂磨石和底磨石之間的壓力或距離的裝置。

用這種調(diào)節(jié)裝置，蒸汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)得越快，上下磨石就越密合..當(dāng)蒸汽機(jī)停止

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，頂磨石就升起..這是由于兩個(gè)鉛鎮(zhèn)重的離心力所致。全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，

鉛鎮(zhèn)重水平上升；運(yùn)轉(zhuǎn)減慢時(shí)，鉛鎮(zhèn)重就下落。它們通過這種方式對(duì)杠桿產(chǎn)

生作用。”這一

定是瓦特的妙想，因?yàn)殡m然這種調(diào)速器最初是用在磨石上，

而不是用在蒸汽機(jī)上，但在1788 年底前，瓦特就按后一種用途將它進(jìn)行改裝

了。由于他知道自己不能聲稱發(fā)現(xiàn)了這個(gè)基本原理，因而沒有想申請(qǐng)專利權(quán)。

他先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)調(diào)速器采取保密措施。

流珠軸承

看來很可能是意大利文藝復(fù)興時(shí)期的雕刻家和金匠的塞利尼（1500～



1571 年），首先看出一圈自由旋轉(zhuǎn)的滾珠可能減少兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體之間的摩擦

力。1543 年，他在自傳中寫道：“我已作成了一尊美麗的朱庇特雕像，將它

放在一個(gè)木制底座上。我在底座內(nèi)安了4 個(gè)小木球，木球的一大半埋在球窩

內(nèi)。整個(gè)設(shè)計(jì)十分巧妙，一個(gè)幼小的孩子也能輕而易舉地使其前后移動(dòng)和轉(zhuǎn)

身。

但是松動(dòng)地安在滾道里的進(jìn)行滾動(dòng)接觸的滾珠軸承，直到18 世紀(jì)最后

25 年才開始用在風(fēng)車上。最先用滾珠軸承的風(fēng)車是柱式風(fēng)車（約1780 年），

機(jī)器的整個(gè)結(jié)構(gòu)圍繞中心柱旋轉(zhuǎn)。1794 年，威爾士卡馬森的一個(gè)叫菲利普·沃

恩的鐵器制造商用經(jīng)向滾珠軸承作為四輪馬車的車軸軸承，并為此申請(qǐng)了專

利權(quán)。從那時(shí)起到19 世紀(jì)，特別是在19 世紀(jì)的50 年代和60 年代，人們將

滾珠軸承用在兒童玩的旋轉(zhuǎn)木馬、螺旋槳軸、軍艦上的機(jī)槍轉(zhuǎn)塔、扶手椅和

自行車等器械的軸上，并取得了若干專利權(quán)。但是，直到有動(dòng)力裝置的車輛

出現(xiàn)以后，金屬部件因快速行駛而發(fā)生大量的磨損時(shí)，這項(xiàng)發(fā)明才開始得到

充分利用。因此，在汽車和能大批生產(chǎn)的精密的球磨機(jī)出現(xiàn)以前，滾珠軸承

并沒有真正起到像今天這樣重大的作用。

傳動(dòng)鏈條

1864 年，斯萊特獲得了一種傳動(dòng)鏈條的專利，這種傳動(dòng)鏈條可以看作研

制一種能驅(qū)動(dòng)自行車和其他機(jī)械的精密鏈條的第一步。他在索爾福德一個(gè)工

廠制造紡織機(jī)械鏈條。后來這家工廠被瑞士人雷諾德買去。雷諾德又于1880

年獲得套筒鏈的專利。把套筒裝在這種鏈上，比斯萊特的設(shè)計(jì)能提供大得多

的承載表面。

人們所知的最早的傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)圖是達(dá)·芬奇畫的，然而不知道他畫的

傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠裾娴闹圃斐鰜砹恕Ｎ覀儚睦防摹恫煌娜斯C(jī)械》一書上，

可以看到公元1588 年的一種抽水機(jī)的插圖，這種抽水機(jī)就是利用鏈傳動(dòng)。圖

上的鏈有一個(gè)方形的鏈環(huán)，與木輪上凸出的齒相配，每一個(gè)方形鏈環(huán)都通過

3 個(gè)橢圓形的鏈環(huán)與下一個(gè)方形鏈環(huán)連接。

因?yàn)檫m合做傳動(dòng)鏈的金屬又稀有又昂貴，又缺乏良好的制作工具，所以

傳動(dòng)鏈未能廣泛使用。然而到19 世紀(jì)初期，由于工業(yè)革命的緣故，傳動(dòng)鏈獲

得了較為廣泛的應(yīng)用。

后輪用鏈傳動(dòng)的最早的法國自行車是吉爾梅設(shè)計(jì)的，由梅耶和吉

埃于

1868 年制造出來。雖然傳動(dòng)鏈已經(jīng)使用了一段時(shí)間，但主要是用于紡織機(jī)

械，自行車鏈條仍然相當(dāng)差勁。后來，一個(gè)叫朱贊的法國人于1885 年研制成

功了所謂的“現(xiàn)代自行車”，它的兩個(gè)輪子一般大，后輪用鏈傳動(dòng)。英國人

斯塔利于1885 年制造出了稱為“安全漫游者”的自行車。這種自行車有新的

改進(jìn)，但后輪仍用傳動(dòng)鏈傳動(dòng)。于是考文垂成了自行車的中心，開始了現(xiàn)代

自行車的時(shí)代。后來人們又把鏈傳動(dòng)原理用于摩托車和汽車。現(xiàn)在，精確的



傳動(dòng)鏈已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)械的最重要的零件之一。

抓斗大王

幾十年來，工人們?nèi)咳斯な褂?8 毫米粗的鋼絲繩在船艙內(nèi)捆扎原木，

然后再用吊車吊起。年復(fù)一年，誰也沒有想到這有什么不妥。然而有一天，

有一個(gè)人卻著意要改變這種落后的狀況。他就是包起帆，人稱“抓斗大王”。

說起他發(fā)明的抓斗，還要從血淋淋的事故說起。

1968 年，17 歲的包起帆初中畢業(yè)，一場(chǎng)“文化大革命”斷送了他學(xué)文化、

升高中的夢(mèng)想。他不得不到上海港木材裝卸公司報(bào)到，當(dāng)了一名裝卸工。從

此，包起帆便和木頭、吊車打起了交道。夏天，船艙里悶熱難耐，他和工人

們也要在里面搬運(yùn)木頭；冬天，木頭上都結(jié)了薄薄一層冰，他們也必須按時(shí)

完成裝卸任務(wù)。在這樣的工作條件下，稍不留神，就會(huì)禍從天降——那些又

重又粗的原木就像一只只“木老虎”，隨時(shí)有可能掙脫鋼絲繩的束縛，從高

高的吊車上滑落下來，一旦砸在工人們的身上，其后果真是不堪設(shè)想。

包起帆就曾親眼目睹過這樣的慘狀。

有一天，包起帆和一位同事正在船艙內(nèi)工作，只見吊車吊起的大木頭在

空中打轉(zhuǎn)。突在，險(xiǎn)情發(fā)生了，一根原木從吊車上滑了下來，壓在了這位同

事的身上。只聽“啊”地一聲，這位同事便在包起帆的身邊倒了下去，鮮紅

的血液從嘴里吐出。經(jīng)過醫(yī)生的檢查，砸下的原木壓斷了這位同事10 多根肋

骨。

這種事故在包起帆的身邊是經(jīng)常發(fā)生的，從他進(jìn)公司以后，就有500 多

人受重傷或輕傷，10 多人死亡。

同樣的事故也在包起帆的身上發(fā)生過。那是1974 年春天的某一天，包起

帆正在船艙里拉著鋼絲繩捆扎原木，就在他把鋼絲繩掛上吊鉤的一剎那間，

掛鉤升起來了，將他的左手大拇指連同手套都拉碎，鮮血直流，手上露出了

白白的骨頭。傷好了以后，包起帆重新進(jìn)入船艙裝卸原木，不料又被木頭砸

傷了腳腿。

面對(duì)此情此景，包起帆心想：“這種落后的裝卸方法勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)

效率低，真是一只令人畏懼的‘老虎口’啊！我一定要想點(diǎn)辦法，治一治這

只‘木老虎’！”

由于傷病在身，

包起帆不得不離開自己灑了多年血汗的工作崗位，來到

了機(jī)修車間當(dāng)修理工。包起帆就是這樣，到哪里都想有所作為。于是，他到

新華書店去買了許多書籍——《機(jī)械制圖》、《車工基礎(chǔ)》等，然而，對(duì)一

個(gè)文化水平只有初中二年級(jí)的人來說，要讀懂讀通這一本本厚厚的書，談何

容易啊！包起帆真想有一個(gè)重新學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，補(bǔ)上科學(xué)文化這一課。

機(jī)會(huì)終于來了。1978 年，大學(xué)恢復(fù)了招考，包起帆如愿以償，考取了上

海市第二工業(yè)大學(xué)。當(dāng)然，他讀的是半脫產(chǎn)的業(yè)余大學(xué)，4 天脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，2



天工作。

從初中二年級(jí)的水平一下要躍到大學(xué)，其困難是可想而知。然而，包起

帆卻知難而進(jìn)。三角函數(shù)、解析幾何雖然是第一次碰到，但是人家做10 道習(xí)

題，他就做20 道、30 道；電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)盡管理解起來有困難，但是人

家復(fù)習(xí)1 遍，他就復(fù)習(xí)2 遍、3 遍..功夫不負(fù)有心人，學(xué)習(xí)上的困難在一

點(diǎn)點(diǎn)地克服、一步步地后退，而包起帆卻在一天天地進(jìn)步。

為了補(bǔ)上初中、高中的知識(shí)，他特地到書店買來了數(shù)理化自學(xué)叢書，每

天晚上做完功課后就從基礎(chǔ)知識(shí)補(bǔ)起。包起帆還摸索出一套他自己的學(xué)習(xí)方

法呢，他把厚厚的書本拆成薄薄的幾本，揣在口袋里，走到哪里學(xué)到哪里，

馬路邊、車站上、汽車?yán)?.所有零星的時(shí)間都被他利用了起來。就這樣，

包起帆終于跟上了學(xué)習(xí)的步伐。

就是在拚命讀書的時(shí)候，包起帆也沒有忘記治服“木老虎”的使命。

平時(shí)，包起帆常常在碼頭邊散步，看到別的公司在裝卸黃沙、石子時(shí)都

是用抓斗，一上一下，一張一合，非常自如。于是，他想：黃沙、石頭能用

抓斗，為什么木頭就不能用抓斗呢？對(duì)！我得制造一種安全的能抓木頭的抓

斗。

他利用讀書的空閑，又來到自己工作過好幾年的船艙調(diào)查研究；他還到

圖書館、情報(bào)所、資料室查數(shù)據(jù)、找公式；回到家里，他還用硬紙板做成各

式各樣的抓斗模型..

一次次的試驗(yàn)，一次次的失敗，關(guān)鍵都在抓斗的開閉結(jié)構(gòu)：抓木頭時(shí)，

它必須張大口；抓起木頭時(shí)，它又必須緊閉口，將木頭緊緊夾住，不讓木頭

滑脫。

有一天，包起帆將自家的縫紉機(jī)零件拆下來，做成了一個(gè)小抓斗，再用

兩根繩子代替起重索，一上一下地來回放松、收緊，嘿！這小玩意兒竟然能

夠抓起東西了。

經(jīng)過緊張地畫圖設(shè)計(jì)、制造加工，包起帆終于夢(mèng)想成真。第一只木材抓

斗發(fā)明成功了！時(shí)間是1981 年10 月，這是包起帆永遠(yuǎn)難忘的一天，他眼看

著自己發(fā)明的抓斗輕松自如地裝卸著原木，心中涌起了一股自豪感。

包起帆發(fā)明的第一種抓斗叫“雙索門機(jī)抓斗”，它是用兩根起重

索使抓

斗打開和閉合的。有了這種抓斗，工人們終于從“老虎口”中解放了出來。

這項(xiàng)發(fā)明不僅使包起帆獲得了國家發(fā)明獎(jiǎng)，還使他榮獲了第16 屆日內(nèi)瓦

國際發(fā)明銀獎(jiǎng)呢！

大學(xué)畢業(yè)以后，包起帆調(diào)到了公司技術(shù)科當(dāng)技術(shù)員，這更使他如魚得水，

幾乎每年都有新的發(fā)明問世。

1983 年10 月，包起帆被推選為工會(huì)代表，赴京參加全國總工會(huì)召開的

“十大”。在開幕式上，他忽然發(fā)現(xiàn)大會(huì)發(fā)給每位代表用作記錄的圓球筆的

伸縮結(jié)構(gòu)十分靈活，“哎，這個(gè)結(jié)構(gòu)能不能用到我的抓斗上去呢？”真所謂

“心有靈犀一點(diǎn)通”。正是這枝普普通通的圓珠筆，使包起帆想到可以將“雙



索抓斗”改為“單索抓斗”，用一根繩索就可以完成打開、閉合抓斗兩個(gè)動(dòng)

作了。

晚上，代表們都去看電影了，而包起帆卻呆在宿舍里拿著這枝圓珠筆出

了神，這枝圓珠筆是怎樣的結(jié)構(gòu)呢？一連幾個(gè)晚上，他都沒有得出什么結(jié)論。

一回到上海，包起帆就直奔黃浦江西岸的一家圓珠筆廠，向工人請(qǐng)教圓

珠筆芯伸縮的奧秘。但是，接待他的人以為他是同行，是來竊取情報(bào)的，對(duì)

他十分冷淡。包起帆仍不死心，去公司開了介紹信，還是不管用。后來，他

又幾次登門求教，終于感動(dòng)了圓珠筆廠的接待人員。當(dāng)他們知道包起帆是為

了搞抓斗發(fā)明，才希望弄懂圓珠筆芯的伸縮原理，別無他意時(shí)，接待人員才

把“秘密”告訴了他。

包起帆如獲至寶，立刻投入了緊張的發(fā)明之中。他和工人們?cè)谠囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)

連續(xù)工作了3 天3 夜，連春節(jié)也是在碼頭上度過的。就這樣，“單索抓斗”

誕生了！只見兩對(duì)平行的爪子，插進(jìn)原木堆里，原木就順勢(shì)滾到抓斗里，起

吊工輕輕起動(dòng)單索抓斗，被夾得緊緊的原木，立刻就成捆成捆地從船艙里抓

了上來。

一種新的抓斗終于在包起帆的刻苦鉆研下誕生了。

傳送帶

現(xiàn)代工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)主要依靠傳送帶。

亨利·福特設(shè)計(jì)了第一條大型“裝配線”，用來大規(guī)模地生產(chǎn)著名的T

型福特牌汽車（這種車是1908 年開始生產(chǎn)的）。在大多數(shù)歐洲汽車還用手工

制造時(shí)，專門為大規(guī)模生產(chǎn)安裝的傳送帶是福特新建的汽車廠的心臟。它有

1／5 英里長(zhǎng)，然而這種想法卻是基于可替換的部件。可替換的部件可追溯到

工業(yè)革命的初期。

1789 年，美國教師惠特尼（軋花機(jī)的發(fā)明者）跟政府訂了一項(xiàng)合同：在

15 個(gè)月內(nèi)向政府交10000 支滑膛槍。如果采取傳統(tǒng)的方法，讓造槍工人從頭

到尾一支槍一支槍地造，在15 個(gè)月內(nèi)要造這么多的槍是不可設(shè)想的。因此惠

特尼想出了一個(gè)新主意，把造槍的工作化整為零，每一個(gè)工人都用一種連續(xù)

的操作生產(chǎn)一種部件

，而所有的部件都必須制造得很精確，能夠互相替換。

在那時(shí)，它是一種完全新的系統(tǒng)，需要新的工具。為此，惠特尼設(shè)計(jì)了

使工人便于使用銼刀的夾具，在適當(dāng)?shù)牡胤娇摄@多達(dá)12 個(gè)孔的型板，使生產(chǎn)

的工件不至于太長(zhǎng)或太短的固定在車床上的機(jī)械止動(dòng)器，用來鑄造各種部件

的鑄模。惠特尼帶了若干個(gè)袋子，每個(gè)袋子里裝著10 個(gè)同樣的部件，到費(fèi)城

的財(cái)政局去，叫財(cái)政局的官員在每一個(gè)袋子里任意拿出一個(gè)部件來。他用這

些部件當(dāng)著這些官員的面裝成了一支完整的槍。惠特尼證明這種系統(tǒng)是非常

有效的。比能“很好地裝配”更令人驚異的事情是，他用事實(shí)證明不用熟練

的軍械工人制造的部件，而是用半熟練的機(jī)械工人制造的部件，也能在很短



的時(shí)間內(nèi)裝配起來。

對(duì)福特有幫助的另一個(gè)重要因素是皮帶運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展，這種機(jī)器在整個(gè)

19 世紀(jì)都在發(fā)展，主要是用來在港口運(yùn)輸大宗貨物。利物浦在1868 年安裝

了第一臺(tái)大型的糧食傳送機(jī)。而福特則用他的裝配線把正在裝配的汽車連續(xù)

不斷地從一個(gè)工人傳給另一個(gè)工人。每一個(gè)有工具和部件的工人，必須在給

定的時(shí)間內(nèi)干完一件工作。工人不斷地干活兒，工件不停地傳送。

電學(xué)儀器設(shè)備

電流計(jì)的發(fā)明

1780 年的一天，當(dāng)伽伐尼（意大利波倫亞的一位醫(yī)學(xué)教授）在自己的家

里給學(xué)生們講課的時(shí)候，他的妻子正在隔壁的廚房里用他的解剖刀來剝青蛙

皮。她一邊干活兒，一邊聽丈夫講課，不覺聽得出了神，手術(shù)刀從手里滑落

到了放在鋅板上的青蛙的腿上。青蛙突然急促地抽動(dòng)起來，嚇得西格蘿娜·伽

伐尼一聲驚叫。伽伐尼教授急忙跑進(jìn)廚房，看發(fā)生了什么事。經(jīng)過一番研究

之后，他立即向?qū)W生們宣布：“我有一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物電——生

命的本源！”

然而他并沒有作出什么偉大的發(fā)現(xiàn)。他終生都堅(jiān)持這種錯(cuò)誤的看法，用

死青蛙作了無數(shù)的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然，什么也沒有證實(shí)。然而這卻使他的聲名傳遍

了歐洲，使他的名字永遠(yuǎn)跟“電鍍”、“驗(yàn)電器”和“電流計(jì)”這些術(shù)語聯(lián)

在一起了。帕維亞的伏打——一個(gè)比伽伐尼更偉大的科學(xué)家——正確地解釋

了這種神秘的現(xiàn)象。伏打說：抽動(dòng)的青蛙并沒有證明什么”生命的本源”，

只起了電的導(dǎo)體的作用；解剖刀是鋼制的，板是鋅制的——這倒是更重要的

因素。伏打指出，用一個(gè)潮濕的導(dǎo)體把兩種不同的金屬隔開時(shí)便會(huì)有電流流

動(dòng)。青蛙大腿的抽動(dòng)只表明有電流存在。伏打在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)明了第

一個(gè)電池——伏打電堆。然而伏打電堆產(chǎn)生的電卻被荒謬地稱為“伽伐尼

電”。

那是1800 年的事情，從那以后

，科學(xué)家們就有了一種供做實(shí)驗(yàn)用的有效

電源。長(zhǎng)期以來，他們一直懷疑電與磁之間存在著某種關(guān)系。1819 年，丹麥

物理學(xué)家奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)，把一根有電流通過的鐵絲拿近航海羅盤時(shí)，羅盤

的指針會(huì)猛烈搖擺。由電流產(chǎn)生的這種磁效應(yīng)，成了一種用來測(cè)量低壓電流

的儀器（電流計(jì)）的基本原理。

19 世紀(jì)20 年代，電流計(jì)被各種研究人員發(fā)展成了各種各樣的形式，并

為德國格廷根天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)高斯首先用來派上實(shí)際用場(chǎng)。1832 年，他發(fā)明了最

初的電報(bào)（雖然法國科學(xué)家安培在此之前已提出了這種想法）。高斯利用靠

近電流的磁針會(huì)偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過一根鐵絲把信號(hào)從家里輸送到天文臺(tái)。這

種電流計(jì)稱為動(dòng)磁式電流計(jì)。然而現(xiàn)在應(yīng)用得最廣泛的卻是動(dòng)圈式電流計(jì)或



鏡式電流計(jì)。它由一個(gè)用細(xì)金屬絲緊密地繞成的一個(gè)線圈組成，線圈懸于一

個(gè)磁場(chǎng)中。當(dāng)電流接通時(shí)，施于線圈上的“轉(zhuǎn)矩”為懸置導(dǎo)絲的“扭力”所

平衡，偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量由裝在線圈上的一面鏡子的方位、一盞小燈和能讀出電

流單位（安培數(shù)）的表來進(jìn)行。

1866 年在歐洲和美洲之間敷設(shè)第一條激動(dòng)人心的永久性電報(bào)電纜時(shí)（在

1858 年曾敷設(shè)過一次，但是失敗了），鏡式電流計(jì)起了決定性的作用。杰出

的英國科學(xué)家湯姆孫教授——后來稱為開耳芬勛爵——在敷設(shè)電纜的船“偉

大的東方號(hào)”上利用電流計(jì)來不斷地檢測(cè)流經(jīng)電纜的電流（如果有電流的話）

的大小。橫跨大西洋的海底電纜有2500 英里長(zhǎng)，從電報(bào)信號(hào)轉(zhuǎn)變成的電流，

從大西洋的彼岸傳到岸上時(shí)，當(dāng)然已經(jīng)是非常微弱了，因此，湯姆孫設(shè)計(jì)的

是最靈敏的電流計(jì)。他使用的記錄器叫“虹吸記錄器”，包括一根極細(xì)的玻

璃虹吸管，黑水由于毛細(xì)作用可在管內(nèi)流動(dòng)，把到達(dá)的信號(hào)記錄在紙帶上。

拾取信號(hào)的電流計(jì)本身由一個(gè)用極細(xì)的金屬絲繞成的線圈組成，線圈懸置于

一個(gè)馬蹄形磁鐵的兩個(gè)磁極之間。沒有湯姆孫的虹吸記錄器，要在這兩個(gè)大

陸之間保持可靠的電報(bào)服務(wù)，而且保持了這許多年，簡(jiǎn)直是不可能的。

蛙腿的啟示

意大利波洛尼亞大學(xué)解剖學(xué)教授伽伐尼有一個(gè)設(shè)備完善的實(shí)驗(yàn)室。室里

有許多標(biāo)本、解剖用具；還有像起電機(jī)、萊頓瓶等電器設(shè)備。伽伐尼早年學(xué)

習(xí)神學(xué)，后來學(xué)醫(yī)，成為人體、疾病和治療方面的權(quán)威學(xué)者。

1786 年的一天，伽伐尼指導(dǎo)學(xué)生解剖。有一位調(diào)皮的學(xué)生沒有認(rèn)真地做

實(shí)驗(yàn)，反倒對(duì)旁邊的起電機(jī)發(fā)生了興趣，他趁教授不注意的時(shí)候搖起了起電

機(jī)，突然啪的一聲起電機(jī)和盛蛙腿的銅盤打出一個(gè)大火花，把這個(gè)學(xué)生嚇了

一跳。伽伐尼和同學(xué)們都轉(zhuǎn)過身來，但是此時(shí)一

個(gè)更奇怪的現(xiàn)象引起了大家

的注意，擺在金屬盤里的蛙腿隨著電擊抽動(dòng)了一下，教授的眼睛瞪大了，他

顧不上批評(píng)這位淘氣的學(xué)生，而讓他從新?lián)u動(dòng)起電機(jī)，全體同學(xué)都注視著那

個(gè)蛙腿，啪的一聲銅盤上又打出一個(gè)大火花，蛙腿隨著電擊又抽動(dòng)了一下，

學(xué)生們你看我、我看你地議論紛紛。

伽伐尼走過來，用解剖刀的刀尖翻動(dòng)一下蛙腿打算探個(gè)究竟，此時(shí)蛙腿

像活了一樣忽然又跳動(dòng)了一下，這可又使伽伐尼大吃一驚，他用顫抖的手又

觸動(dòng)一下蛙腿，果然又引起蛙腿肌肉的抽搐。實(shí)驗(yàn)課再也不能正常地進(jìn)行下

去了，同學(xué)們都回到自己的桌子上用解剖刀去觸動(dòng)蛙腿希望能看到同樣的現(xiàn)

象，不過有的學(xué)生能使蛙腿抽動(dòng)。有的則不能，課堂里像開了鍋一樣，同學(xué)

們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里跑來跑去，伽伐尼也顧不上去管學(xué)生，只是滿腹疑惑地用解剖

刀去觸動(dòng)蛙腿，直到下課鈴聲響。

盡管伽伐尼不明白其中的道理，但是他像一切科學(xué)家一樣不放過任何偶

然現(xiàn)象。他花費(fèi)了11 年的工夫去研究這件事。



有一天，伽伐尼用銅絲勾住蛙腿把一些蛙腿掛到陽臺(tái)的鐵欄桿上去晾

干，一陣微風(fēng)吹來，蛙腿在欄桿上蕩來蕩去，伽伐尼發(fā)現(xiàn)蛙腿每次碰到鐵欄

桿時(shí)都要抽搐一下，這個(gè)偶然事件又引起他的思考。他目不轉(zhuǎn)睛地注視著這

個(gè)怪現(xiàn)象。忽然產(chǎn)生了一個(gè)念頭：蛙腿的電是來自大氣中和生物體中，但是

這是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論。

有一個(gè)最不肯接受“生物電”的人就是伽伐尼的同胞意大利帕維亞大學(xué)

的物理學(xué)權(quán)威伏打，伏打的性格比較內(nèi)向，幼年時(shí)是一個(gè)十分安靜的孩子，

他4 歲才會(huì)說話，家里人曾認(rèn)為他智力遲鈍，但到了7 歲，他就趕上并超過

了其他學(xué)生，14 歲時(shí)就決心當(dāng)一名物理學(xué)家。因此，伏打從小養(yǎng)成了善于思

考和不盲從的習(xí)慣。伏打在戳蛙腿時(shí)注意到，只用一種金屬或不用金屬時(shí)蛙

腿是不抽動(dòng)的，只有兩種金屬同時(shí)存在的時(shí)候，蛙腿才會(huì)抽動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象伽

伐尼已觀察到了，但是并不理解，這個(gè)現(xiàn)象卻引起伏打的深思，他覺得似乎

真理就在這里面。

伏打用兩種金屬制作了一根彎棒，一頭是鋼，一頭是鐵，中間連在一起。

他把一頭放在嘴里、另一頭靠在眼睛上，當(dāng)金屬棒和眼睛接觸的一瞬間，眼

睛里有一閃的亮光。如果是同一種金屬做成的棒就不會(huì)有這種現(xiàn)象。還有一

次他用舌頭舔著一個(gè)金幣和一個(gè)銀幣，當(dāng)用一根導(dǎo)線把金幣和銀幣接通時(shí)，

舌頭就會(huì)嘗到苦味。這些現(xiàn)象伏打認(rèn)為都是電造成的。而不是生物特有的，

但是，電是從哪里來的呢？

他想可能是從兩種金屬加唾液來的。唾液是一種復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，它能

使金屬生銹

，在這種化學(xué)反應(yīng)中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生電呢？

他在兩種金屬片之間夾上一層飽含鹽水的布片，電立即加強(qiáng)了許多倍！

而且能輸出穩(wěn)定的電流。

“成功了！”

伏打高興極了。

“是化學(xué)反應(yīng)！化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了電，蛙腿的抽搐只是對(duì)電的檢驗(yàn)，起了

驗(yàn)電器的作用。”

他明白了腿蛙抽動(dòng)的真正原因：腿蛙中含有水和鹽類，鋼制的解剖刀和

銅盤是兩種金屬，當(dāng)兩種金屬中間有鹽類物質(zhì)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生電，與蛙腿本

身無關(guān)。不用蛙腿換一個(gè)別的方法也能檢驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。

伏打進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，他用了銅片和鍍鋅的鐵片交替放置，中間再用一層層

在鹽溶液里泡過的布片隔開，制成了一種稱為“伏打電堆”的東西，這就是

現(xiàn)代電池的原形。

電池后來又經(jīng)過許多科學(xué)家的改進(jìn)，1887 年，英國人赫爾森發(fā)明了第一

塊干電池，使電池便于攜帶，干電池中的電解液是一種黏稠狀的物質(zhì)，所以

液體不會(huì)溢出。

從電變磁到電磁鐵



19 世紀(jì)初期，丹麥物理學(xué)家奧斯特在對(duì)伏打電池改進(jìn)時(shí)，曾對(duì)電流做過

各種研究，還特別研究了電與磁之間的關(guān)系。

有一次，他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過銅絲時(shí)，放置在銅絲旁邊的磁針產(chǎn)

生了哆哆嗦嗦的抖動(dòng)。奧斯特感到很驚奇，不知磁針為什么會(huì)擺動(dòng)。于是，

他重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以查找磁針抖動(dòng)的原因。

他將磁針平行地放置在銅絲下面，當(dāng)銅絲中有電流通過時(shí)，磁針確實(shí)發(fā)

出廠擺動(dòng)；而當(dāng)把磁針平行地放在銅絲上面，并給銅絲通電時(shí)，磁針又向相

反的方向擺動(dòng)；當(dāng)磁針與銅絲很接近時(shí)，磁針擺動(dòng)的角度最大，達(dá)45 °；而

在磁針逐漸離開銅絲時(shí)，磁針擺動(dòng)的角度也隨之逐漸減小。

接著，奧斯特還用鐵絲、黃銅絲代替銅絲進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，但所得結(jié)果

也是一樣的。隨后，他又在磁針與銅絲之間放置玻璃板、水和木板等，進(jìn)行

仔細(xì)觀察。盡管如此，磁針的偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)仍然不變。

奧斯特對(duì)這些試驗(yàn)進(jìn)行了分析研究，得到了這樣的結(jié)論：當(dāng)電流流過導(dǎo)

線時(shí)，在導(dǎo)線附近產(chǎn)生了像磁鐵那樣的磁性，即電流也具有和磁鐵一樣的磁

力。1820 年，他發(fā)表了這一研究成果，引起學(xué)者們重視與注意，也為電磁鐵

的發(fā)明揭開了序幕。

后來，法國物理學(xué)家安培根據(jù)奧斯特的發(fā)現(xiàn)作了更深入的研究。他在試

驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在兩條平行的銅線中，如果流過方向相反的電流時(shí)，就會(huì)看到兩

條銅線互相吸引而靠近；而流過方向相同的電流時(shí)，兩條銅線相互排斥而遠(yuǎn)

離。安培還通過這個(gè)試驗(yàn)建立了電磁學(xué)計(jì)算中最常用的公式，即人們常說的

安培定律。但更為重要的是，安培得到了這樣獨(dú)到的見解：用通過電流的線

圈完全可以代替磁

鐵的作用。

除安培外，當(dāng)時(shí)的法國科學(xué)家蓋呂薩克也對(duì)奧斯特的試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

他也制作了像安培那樣的線圈，并在線圈中掛了一枚鋼針。當(dāng)電流通過線圈

時(shí)，他發(fā)現(xiàn)鋼針竟被磁化了，變成了永久磁鐵。

到了1825 年，英國人斯特金用軟鐵棒代替放在線圈中的鋼針做試驗(yàn)，結(jié)

果軟鐵棒也變成了和鋼針一樣的磁體。但當(dāng)切斷電流時(shí)，和鋼針不同的是，

軟鐵棒卻未能變成永久磁鐵。斯特金覺得挺有趣。他想，如果將流經(jīng)線圈的

電流交替地接通、切斷，有電流時(shí)軟鐵棒即有磁性，而切斷電流后軟鐵棒的

磁性就消失，這不正好符合人們所需要的那種“通電變磁鐵”嗎！于是，他

深入鉆研，終于發(fā)明了電磁鐵。

斯特金發(fā)明的電磁鐵，是將軟鐵棒做成U 字形，即我們平常說的馬蹄形，

然后涂上清漆，再在上面繞上18 圈左右的銅線。

當(dāng)斯特金制成電磁鐵后，美國青年學(xué)者亨利給予了很高的評(píng)價(jià)，并對(duì)斯

特金的電磁鐵進(jìn)行了改進(jìn)。亨利不是在軟鐵棒上涂清漆，而是往軟鐵棒上繞

絕緣導(dǎo)線，這樣制成的電磁鐵有更強(qiáng)的磁力。

電磁鐵發(fā)明后不久，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)便相繼問世，它們都采用了U 形電



磁鐵作為主要組成部分。由此可知電磁鐵發(fā)明的重要意義了。另外，現(xiàn)在許

多電磁式儀表，以及速度達(dá)到每小時(shí)幾百千米高速磁懸浮列車等，也都是電

磁鐵的“用武之地”。因此，電磁鐵還有著燦爛的發(fā)展前景。

法拉第發(fā)明了變壓器

愛迪生發(fā)明了電燈，但是有一個(gè)問題使他很為難。因?yàn)椋?dāng)時(shí)輸電距離

不能超過3 千米，電流沿著電線走得太遠(yuǎn)以后，電壓下降，不能把電燈點(diǎn)得

雪亮，只能發(fā)出黃暈的光甚至不如煤氣燈。

如果提高輸電電壓，靠近發(fā)電機(jī)的電燈就會(huì)被燒毀，為了解決這個(gè)難題，

愛迪生在大約方圓3 千米的區(qū)域內(nèi)，就建一個(gè)冒著濃煙、隆隆作響的發(fā)電廠。

居民常常抱怨發(fā)電機(jī)發(fā)出的噪音、震動(dòng)和煙塵，但是，為了解決越來越多的

需求，愛迪生還是投資建廠。

正當(dāng)愛迪生計(jì)劃建立大量的發(fā)電站的時(shí)候，因發(fā)明空氣制動(dòng)器發(fā)了橫財(cái)

的威斯汀豪斯察覺愛迪生的方法存在著很大的局限性，他不斷地思考用什么

更好的辦法輸電，恰好這時(shí)候他得知，法國的化學(xué)家和物理學(xué)家哥拉爾在

1882 年發(fā)明了變壓器，這為他解決這個(gè)問題提供了一把鑰匙，他立即購買了

他的專利。

變壓器的原型應(yīng)該是法拉第發(fā)明的，他曾經(jīng)做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是把兩組

線圈繞在同一個(gè)軟鐵環(huán)上，當(dāng)在一個(gè)線圈內(nèi)通電的瞬間，會(huì)在另一個(gè)線圈上

感應(yīng)出電流來。斷電時(shí)也會(huì)感應(yīng)出電流。但是當(dāng)穩(wěn)定的直流電通過時(shí)，另一

個(gè)線圈中什么電流也沒有。只有通

以交流電，另一個(gè)線圈中才可以不斷地感

應(yīng)出電流來。

這種大小和方向不斷變化的電流，叫交流電。雖然電流大小在變化，但

是對(duì)點(diǎn)電燈是無妨的，因?yàn)殡娏魉矔r(shí)間斷，燈絲還沒有來得及冷下來，又接

通了，電燈一點(diǎn)也不會(huì)閃爍。

但是，當(dāng)威斯汀豪斯買來了專利后發(fā)現(xiàn)，變壓器的毛病百出，只好又組

織專門的班子進(jìn)行研究。

1885 年，正式成立了威斯汀豪斯電氣公司，第二年春天就實(shí)現(xiàn)了用3 千

伏高壓輸電6．4 千米的輸電網(wǎng)。

新成果立即引起了大家的重視，公司的生意日益紅火，威斯汀豪斯并不

以此為滿足，他得知在愛迪生的研究所里有一個(gè)叫特斯拉的年輕人，對(duì)交流

電動(dòng)機(jī)很有研究，就專程到紐約去拜訪。特斯拉出生于克羅地亞，在匈牙利

格拉茨大學(xué)學(xué)習(xí)工程學(xué)，后來移居美國。

特斯拉是一個(gè)脾氣有些古怪的人，他和愛迪生之間有些矛盾，后來特斯

拉終止了與愛迪生的合作，威斯汀豪斯用100 萬美元的代價(jià)買下了特斯拉的

40 多件專利，以借助他的新技術(shù)發(fā)展交流電動(dòng)機(jī)。

愛迪生對(duì)這悄悄興起的對(duì)手大為光火，于是掀起了一場(chǎng)詆毀交流電的宣



傳戰(zhàn)，他花了數(shù)千美元組織了新聞、雜志和廣告畫，向外界宣傳交流電的可

怕，威斯汀豪斯也不甘示弱，舌劍唇槍地給以回?fù)簦牵麤]想到，紐約

的法庭決定用交流電來執(zhí)行犯人的死刑，還說只有交流電才有把人很快電死

的效果，這是愛迪生做的手腳，對(duì)威斯汀豪斯是一個(gè)致命的打擊。

為了抵消電椅的沖擊，威斯汀豪斯盼望著有一個(gè)國際會(huì)議，恰好在芝加

哥舉辦紀(jì)念哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲400 周年的國際博覽會(huì)，作為會(huì)上的精品之一，

就是點(diǎn)燃25 萬只電燈，威斯汀豪斯不惜血本以極低的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)承擔(dān)這項(xiàng)工

程。1893 年5 月1 日，數(shù)萬支燈火在夜幕下光耀奪目，蔚為奇觀。

在會(huì)上，尼亞加拉大瀑布建筑公司的經(jīng)理擬建一座水電站。但是這座水

電站遠(yuǎn)離城市，他看到威氏在展覽會(huì)上的成就之后，就決定由他來承擔(dān)這項(xiàng)

任務(wù)。這件事也只有用交流電和變壓器才能完成。

1892 年，愛迪生通用電氣公司由于直流電的主張而遭到慘敗，公司責(zé)令

愛迪生退出公司，并去掉愛迪生3 個(gè)字，改名為通用電氣公司，又向威斯汀

豪斯公司提出和解，兩公司修好，共同使用技術(shù)成果，而愛迪生則從此不能

經(jīng)營發(fā)電事業(yè)了。

現(xiàn)在任何一個(gè)街頭上都可以看到變壓器，發(fā)電廠發(fā)出的電先升高電壓到

幾十萬伏，輸?shù)匠鞘泻笤侔央妷航迪聛恚@樣大大地提高了輸電效率，降低

了損耗。升高和降低電壓都離不開變壓器。

看不見的熱

1946 年的一大，美國雷西恩公司的一位名叫珀西·斯潘塞的工程

師正在

全神貫注地做雷達(dá)起振的實(shí)驗(yàn)。忽然，他的同事看到他胸前的衣兜上滲出暗

黑色的血跡，就慌忙地說：“你受傷了，上衣袋那兒滲出血了！”

珀西用手一摸，濕糊糊的，臉色立刻變得煞白。可是這時(shí)他突然明白了，

上衣袋里的巧克力糖融化了，真是一場(chǎng)虛驚。

珀西換了一件干凈的襯衣又繼續(xù)工作，但是巧克力糖為什么會(huì)融化？

珀西正在研究25 厘米雷達(dá)電波在空間分布的狀況。此時(shí)雷達(dá)天線正在發(fā)

射著強(qiáng)大的電波。

是不是雷達(dá)波的作用。忽然，腦子一亮，他想通了，一定是微波的作用。

人們知道，世界上的物質(zhì)都是由帶電粒子組成的。電磁波是變化的電場(chǎng)和磁

場(chǎng)組成的。電磁場(chǎng)的方向不斷地變來變?nèi)ィ瑤щ娏Ｗ痈D(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，產(chǎn)生熱

量，巧克力便融化了。

這件事情引起他的極大的興趣，他想這種加熱方式和傳統(tǒng)的加熱完全不

同。當(dāng)我們?cè)阱伬镏笠粋€(gè)雞蛋或一塊肉的時(shí)候，熱量是從外面慢慢傳進(jìn)去的。

外面的蛋清已經(jīng)煮老了，里面的蛋黃還沒有太熱，為了把整個(gè)雞蛋煮熟，就

要延長(zhǎng)加熱時(shí)間而浪費(fèi)許多熱量。如果用雷達(dá)波加熱食物，每一小部分都在

電磁波的作用下同時(shí)熱起來，并不需要熱的傳導(dǎo)，因此非常省時(shí)。想到這里，



珀西立即動(dòng)手制作了一個(gè)用雷達(dá)波烤肉的灶具。第二年——1947年珀西所在

的雷西恩公司就制造出一個(gè)微波灶。

微波灶加熱食物快，而且只對(duì)富含水分的食物起作用，而盛食物的瓷盤

子卻不會(huì)被加熱，當(dāng)你從微波灶中取食物的時(shí)候，一點(diǎn)也不用擔(dān)心被盤子燙

著手。

美國哈維實(shí)驗(yàn)室正在研究一種拆除原子能反應(yīng)堆混凝土建筑的方法，由

于有放射性不允許揚(yáng)起一點(diǎn)灰塵，科學(xué)家想到了用微波加熱混凝土中含的水

分，水在變成水蒸汽的過程中膨脹，就會(huì)使混凝土炸開，在此過程中不會(huì)產(chǎn)

生任何灰塵，這些微波又變成科學(xué)家手中的工具。筑路時(shí)，工人常常為融化

瀝青而苦惱，瀝青的濃煙造成污染，在運(yùn)輸過程中又要保溫。所以筑路工人

寧愿在炎熱的夏季鋪路，如果使用微波加熱瀝青就可省去這些麻煩。

微波還是戰(zhàn)勝癌癥的利器。有一次有一個(gè)癌癥病人高燒不退，家里人已

經(jīng)為他準(zhǔn)備后事了。但是，在高燒退去后，病人的癌腫竟完全消失了。這件

怪事引起了醫(yī)學(xué)界的重視，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞比一般的正常細(xì)胞對(duì)熱更敏

感，高燒殺死了癌細(xì)胞。這就是高燒后在癌癥病人身上發(fā)生的奇跡。

不過溫度的控制是十分重要的，不然就會(huì)損壞正常的細(xì)胞。1975年德國

科學(xué)家佩蒂克大膽地使用了一種全身麻醉加熱的方法。他把麻醉后的病人放

到50攝氏度的石臘液體中，同時(shí)讓他吸入高

溫氣體，使體內(nèi)達(dá)到41. 5～41．

度，據(jù)說治愈了很多腫瘤病人。

有的癌腫要更高的溫度才能殺死。例如：熱死腦癌的溫度閾值是43．5

攝氏度。但是人體不能長(zhǎng)期處在這樣的高溫下，應(yīng)該有一種局部加熱的辦法

才行。科學(xué)家又想到以微波灶的原理。也不能把整個(gè)人放在微波下烘烤，那

是非常有害的。不過微波天線可以做得很細(xì)很小，然后把它送到有腫瘤的部

位。現(xiàn)在制成了一種極細(xì)小的微波發(fā)生器可以從口腔中送到食道里，這種微

波發(fā)生器可以把食道中的癌細(xì)胞殺死，使堵塞的食道暢通。不必實(shí)行大手術(shù)。

對(duì)于前列腺腫大也可以用類似方法治療。

還可以把極細(xì)的微波發(fā)生線圈送到血管里就可以燒去血管管壁的多余物

質(zhì)，使血管內(nèi)壁變得光滑和富有彈性，目前在許多醫(yī)院里已經(jīng)可以進(jìn)行這種

手術(shù)了。

對(duì)于微波加熱，過去人們認(rèn)為，微波只能加熱含水的東西，對(duì)于不溶于

水的有機(jī)物質(zhì)是無能為力的。但是加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，微波可以使一些有

機(jī)物之間的化學(xué)反應(yīng)速度提高1200多倍，這引起科學(xué)家極大的興趣，并由此

得到一系列的新成果。

微波的另一個(gè)妙用是用它來傳遞能量。

據(jù)說從前美國駐某國大使館的工作人員經(jīng)常感到身體不適，卻又查不出

什么病來，也許是水土不服吧！于是大使館的工作人員輪流定期回國休養(yǎng)。

后來由國內(nèi)派來的電子專家進(jìn)行使館內(nèi)的例行公事檢查的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有一束

微波每天定時(shí)照射這個(gè)大使館，大使館的工作人員由于受到過多的微波照射



才影響了健康。

但是，為什么總有一束微波來照射這個(gè)使館呢？

電子專家發(fā)現(xiàn)，大廳的一個(gè)木雕雄鷹是微波照射的目標(biāo)。這個(gè)雕像是美

國的象征，是這個(gè)國家為了表示友好送給美國大使館的，送來后就一直掛在

這個(gè)會(huì)議大廳里。

拆開木雕才發(fā)現(xiàn)，里面有一個(gè)竊聽器。這個(gè)竊聽器沒有電源，它的能量

是由一束微波送來的。當(dāng)微波束照射這個(gè)木雕像時(shí)，竊聽器便開始工作，并

把大廳中的聲音由一束微波送回去。這種設(shè)計(jì)真是太妙了。

如果把這個(gè)思想用到空中飛行的飛機(jī)上，飛機(jī)就可以從地面射來的微波

束中得到能量。1987 年9 月第一架無人駕駛的微波飛機(jī)在加拿大渥太華郊外

的上空悠然自得地盤旋，它的能量來自飛機(jī)肚子下面的圓盤天線，一個(gè)像電

話亭大小的發(fā)電機(jī)組把能量通過微波送上天空，飛機(jī)接受到微波后，再轉(zhuǎn)化

成電力驅(qū)動(dòng)螺旋槳。因此這種飛機(jī)可以不用著陸不用空中加油持續(xù)不斷地環(huán)

球飛行。不過要每隔一二百千米設(shè)一個(gè)微波發(fā)送站。

人們最感興趣的是，有朝一日用微波的能量把航天飛機(jī)送上太空。用火

箭發(fā)射時(shí)，大量

的能量浪費(fèi)在火箭本身上，只是一個(gè)航天飛機(jī)沒有多重，用

微波發(fā)射可以節(jié)省20 倍的經(jīng)費(fèi)。

預(yù)計(jì)在下個(gè)世紀(jì)人類將在月地之間建立一個(gè)大型太空城，太空城由于能

充分利用太陽能來發(fā)電，所以向地球出口的貿(mào)易中電力占主要成分，向地球

輸送電能的最好方法是通過微波束，當(dāng)然如果飛機(jī)或生物穿過微波束的時(shí)候

會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害，不過地球上有許多荒無人煙的沙漠，在那些地方建立微波

接收站就可以避免意外事故的發(fā)生。

科學(xué)家對(duì)于微波各個(gè)角度的思考，產(chǎn)生了非常不同的發(fā)明。這種思維范

例值得我們學(xué)習(xí)。

燃料電池

有時(shí)一種新的技術(shù)思想是“一個(gè)尚未出現(xiàn)的問題的解決辦法”，事情常

常是在找到解決辦法后不久問題就出現(xiàn)了。燃料電池就是這樣。

有3 種產(chǎn)生電或貯存電的基本方法：一種是靠發(fā)電機(jī)，一種是靠電池，

一種是靠蓄電池。第4 種方法是靠燃料電池。燃料電池的歷史可追溯到戴維

爵士。在上世紀(jì)初期，戴維在作電解實(shí)驗(yàn)后提出，當(dāng)電流通過水時(shí)，它會(huì)把

水分解成組成水的氧元素和氫元素。后來，在1842 年，另一個(gè)叫格羅夫爵士

的英國科學(xué)家，成功地逆轉(zhuǎn)了這一過程，即是說，通過氫和氧這兩種氣體互

相反應(yīng)的方式產(chǎn)生了電。然而用這種方式產(chǎn)生的電卻是微不足道的，“電解

反應(yīng)的逆反應(yīng)”的想法由于這個(gè)原因被埋沒了達(dá)90 年之久。

但是到1932 年，一個(gè)叫培根的英國劍橋的年輕化學(xué)家開始從新的角度來

看這個(gè)問題。27 年之后，他演示了自己的“燃料電池”。實(shí)際上它是由一個(gè)



電池組構(gòu)成，每個(gè)電池都有兩個(gè)電極，電極是用鎳粉壓制的多孔平板做成的；

電池懸在40 ％的氫氧化鉀溶液中，在每平方英寸數(shù)百磅的壓力下和攝氏數(shù)百

度的溫度下輸入氫氣和氧氣。結(jié)果獲得5 千瓦24 伏的電流，可為一把圓鋸或

一個(gè)焊接裝置提供足夠的動(dòng)力。這個(gè)結(jié)果是令人鼓舞的。可是培根希望燃料

電池的效率最終能提高到80 ％，即是說，一磅氣體能產(chǎn)生一千瓦時(shí)以上的電

力。

具有巨大研究能力的一些大公司在美國開始從事這項(xiàng)研究。通用電氣公

司為了便于汽車上使用而成功地精簡(jiǎn)了燃料電池的組裝，而且有一輛用1008

個(gè)燃料電池和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的拖拉機(jī)已試驗(yàn)成功。它使用丙烷和氧，產(chǎn)

生15 千瓦的電，足以拖動(dòng)一個(gè)犁。克萊斯勒公司制造了一輛燃料電池汽車，

車上有4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每一個(gè)車輪上裝一臺(tái)，因此無需齒輪箱、傳動(dòng)裝置、差

動(dòng)裝置、主動(dòng)軸或后軸。俄國人也在進(jìn)行類似的研究。若要沒有噪聲、不排

放污染物的汽車，從現(xiàn)在看來，解決這個(gè)問題顯然是要使用燃料電池。

然而燃料電池的首次實(shí)

際應(yīng)用，則是用于美國的衛(wèi)星，在衛(wèi)星上為無線

電發(fā)射機(jī)提供用電。要研制用燃料電池提供動(dòng)力的經(jīng)濟(jì)電動(dòng)小汽車或貨車，

還必須做大量的研究工作。甚至可以用燃料電池來建立小型發(fā)電站為工廠和

局部地區(qū)提供用電。在遙遠(yuǎn)的將來，我們可能會(huì)有用燃料電池作動(dòng)力的火車

或輪船。

光學(xué)儀器設(shè)備

激光器

激光的出現(xiàn)是本世紀(jì)60 年代最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它以其高亮

度、高方向性、高單色性、高相干性等突出特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，并在

科學(xué)技術(shù)的許多重大領(lǐng)域開辟了新的生長(zhǎng)點(diǎn)，引起了革命性的變化。

1916 年，愛因斯坦發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，首次提出了受

激輻射的概念。按照這個(gè)理論，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩

個(gè)能級(jí)之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，同

第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，

而且是相干光，即兩個(gè)光子的方向、頻率、位相、偏振都完全相同。

隨著量子力學(xué)的建立和發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了

更深入的了解，微觀粒子的能級(jí)分布、躍遷和光子輻射等也得到了更有力的

證明，這就在客觀上更加完善了愛因斯坦的輻射理論，為激光的產(chǎn)生奠定了

理論基礎(chǔ)。40 年代末，出現(xiàn)了量子電子學(xué)，它主要研究電磁輻射與各種微觀

粒子系統(tǒng)的相互作用，并從而研制出相應(yīng)的器件。這些理論和技術(shù)的進(jìn)展，

都為激光器的發(fā)明準(zhǔn)備了條件。

1951 年，美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在核感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，把加在工作物質(zhì)



上的磁場(chǎng)突然反向，結(jié)果在核自旋體系中造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒

50 千赫的受激輻射，這是在激光史上有重大意義的實(shí)驗(yàn)。

1954 年，美國科學(xué)家湯斯和他的助手戈登、蔡格一起，制成了第一臺(tái)氨

分子束微波激射器。這臺(tái)微波激射器產(chǎn)生了1.25 厘米波長(zhǎng)的微波，功率很

小，但它成功地開創(chuàng)了利用分子或原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩

器的先例，因而具有重大意義。差不多與此同時(shí)，蘇聯(lián)的巴索夫和普羅霍洛

夫以及美國馬里蘭大學(xué)的韋伯，也分別獨(dú)立地提出了微波激射器的思想。

由于微波激射器的成功，使人們進(jìn)一步想到，如果把微波激射器的原理

推廣到光頻波段，就有可能制成一種相干光輻射的振蕩器或放大器。生產(chǎn)和

科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，也推動(dòng)科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)理，以產(chǎn)生新的性

能優(yōu)異的光源。

1958 年，肖洛與湯斯將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來，提

出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵建議，并預(yù)言了激光的相干性、方向性

、線寬和

噪音等性質(zhì)。同一時(shí)期，巴索夫、普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光

放大的原理性方案。

1960 年7 月，美國青年科學(xué)家梅曼成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了世界第一臺(tái)激光

器。工作物質(zhì)用人造紅寶石，激勵(lì)源是強(qiáng)的脈沖氙燈，它獲得了波長(zhǎng)0.6943

微米的紅色脈沖激光。

第一臺(tái)激光器問世以后，激光發(fā)展很快，短短時(shí)間里就出現(xiàn)了許多不同

類型的激光器。1961 年、1964 年，先后制成釹玻璃激光器和摻鈦釔鋁石榴石

激光器，它們和紅寶石激光器都是迄今仍被大量應(yīng)用的固體激光器。

1960 年底，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的賈萬等人制成了第一臺(tái)氣體激光器——氦

氖激光器。1962 年，有3 組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體結(jié)激光器。1966

年，又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)染料激光器。此外，還

有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等。

由于激光器的種種突出特點(diǎn)，因而很快被運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量

和探測(cè)、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領(lǐng)域引起了革命

性的突破。比如，利用激光集中而極高的能量，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工；

激光作為一種在生物機(jī)體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已

在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)上取得良好的效果；激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、

測(cè)距等方面外，各種激光武器、激光制導(dǎo)武器已投入實(shí)用。今后，隨著激光

技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，激光器的性能和成本進(jìn)一步降低，其應(yīng)用范圍還將繼續(xù)

擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來越重大的作用。

纖維鏡

能夠拐著彎進(jìn)行觀察的顯微鏡，是研制成功比頭發(fā)還細(xì)若干倍的玻璃纖

維后出現(xiàn)的一種奇妙的儀器。



研制纖維鏡碰到的第一個(gè)問題，是制造形狀像鞋帶一樣的鏡子，而且要

有自己的光源。把有一定折射率的玻璃裹在一根折射率不同的玻璃棒上，就

可能滿足全反射定律，換句話說，光就會(huì)沿著它們來回傳輸而沒有損耗。這

樣，不管距離多遠(yuǎn)，要拐多少彎，人們都能從外面看到“內(nèi)部的情況”。

最大的困難是制造極細(xì)的玻璃纖維，細(xì)到能把一束玻璃纖維插進(jìn)人體內(nèi)

的孔道中，插進(jìn)用于皮下注射的針中，或者通過防漏密封觀察一臺(tái)正在工作

的機(jī)械的內(nèi)部情況例如觀察一個(gè)核反應(yīng)堆的內(nèi)部情況。玻璃纖維有兩種：一

種傳輸“相干”光，在目鏡處產(chǎn)生圖像；另一種傳輸“非相干”光，傳到內(nèi)

部以照亮目標(biāo)。被照著的東西通過形成兩種光束的形式，在目鏡或攝影機(jī)上

形成影像。

英國的原子能局，還有較晚近的蘭克組織，已率先進(jìn)行這方面的發(fā)展工

作，到1965 年已開始生產(chǎn)25 微米（1 微米等于0.001 毫

米）的玻璃纖維。

若干美國公司，最著名的是寶雪龍公司，一直致力于研制更細(xì)的玻璃纖維，

結(jié)果研制成功了15 微米的玻璃纖維。寶雪龍公司的纖維鏡最初是在工業(yè)上用

來做檢查工作（由于它發(fā)出的是冷光，所以適合于用來檢查燃料箱的內(nèi)部）。

美國心臟收縮鏡公司給玻璃纖維消毒獲得成功，這就為醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用開辟了

廣闊的前景。支氣管鏡（讓患者吞下）和胃鏡（用來檢查胃）通常都是7 微

米粗的玻璃纖維束。但是，在未能用相機(jī)拍照之前，用于研究和發(fā)展的數(shù)百

萬美元是收不回來的。

光電池

1817 年，瑞典化學(xué)家柏濟(jì)力阿斯發(fā)現(xiàn)了一種新的、他叫做硒的元素。硒

是一種非金屬，在地球上分布很廣。很久以后，人們才發(fā)現(xiàn)硒適合作電阻用，

例如、愛爾蘭沿海的巴倫西亞島上的電纜站就曾用它作變阻器。在這里，一

位名叫梅的工程師注意到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：電流通過太陽下的硒棒比通過夜

晚的硒棒要自由得多。

梅氏雖然在1873 年作出了上述發(fā)現(xiàn)，但同樣未曾即時(shí)應(yīng)用（盡管在1883

年，早期的電視先驅(qū)者—一德國工程師尼普科夫，在發(fā)明用來掃描電傳圖像

的著名的“尼普科夫掃描盤”時(shí)，根據(jù)硒的這種性質(zhì)研制出了圖像傳輸系統(tǒng)。

幾年以后，第一位產(chǎn)生和接收電磁波的赫茲，對(duì)所謂的“光電”現(xiàn)象進(jìn)行了

一些研究。最后發(fā)現(xiàn)電子的湯姆孫提出了一種理論，說有的物質(zhì)會(huì)由于有入

射光而發(fā)射電子。再晚一些，愛因斯坦把量子理論應(yīng)用于光電現(xiàn)象，說明了

為什么只要光一投射在硒的靈敏的表面上，它就會(huì)開始發(fā)射電子，電子速度

為什么取決于光的波長(zhǎng)。

1902 年，第一次開始了光電現(xiàn)象在技術(shù)上的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)的德國物理學(xué)家

阿瑟·科恩研制成功了一種有效的傳真電報(bào)系統(tǒng)。大概就是他發(fā)明了作這種

用途的一種重要的光電池：一個(gè)小的高真空的玻璃電池，除了可以進(jìn)光的一



個(gè)狹小“窗口”外，內(nèi)壁都涂上了某種堿金屬。電池里面只有一個(gè)薄金屬環(huán)；

這只環(huán)和堿金屬涂層保持負(fù)電位和正電位。當(dāng)光照到涂層上時(shí)，它就根據(jù)光

的強(qiáng)度放出電子，金屬環(huán)則吸引電子。這樣就產(chǎn)生一個(gè)容易放大的弱電流。

在科恩的傳真電報(bào)中，是用一個(gè)光電池逐點(diǎn)照亮和掃描準(zhǔn)備傳這的靜止圖

像，然后將已調(diào)電流傳送到接收裝置，在那里用圖像的光值調(diào)制一盞燈，燈

逐點(diǎn)、逐行地使?jié)L筒上轉(zhuǎn)動(dòng)的光敏紙或底片爆光。這一系統(tǒng)目前仍用于有線

傳送或無線電傳送圖像。

這種類型的光電池叫做光電發(fā)射管。目前還使用另外兩種光電池：一種

是光電導(dǎo)電池，仍采用硒，用于自動(dòng)開關(guān)路燈最有效；另一種是光伏電池，

它包含兩種物質(zhì)

，例如銅和氧化亞銅，中間夾一個(gè)專門制備的邊界層。當(dāng)光

落在邊界層上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生伏打電流。

各種各樣的光電池已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如用于照相曝光表、防盜警

報(bào)器（在破門而入的人遮斷一束看不見的紫外線時(shí)，警鈴便會(huì)響起來）、工

廠用的計(jì)數(shù)裝置（記錄在傳送帶上通過的每一件貨物）、色敏元件（能對(duì)不

同波長(zhǎng)的光作出不同反應(yīng)，因而可以檢查出某些水果或蔬菜，例如豌豆是否

色正，是否應(yīng)在裝罐前剔出）等。

當(dāng)然，光電池的最重要的應(yīng)用是在電視中的應(yīng)用（攝像機(jī)就是一個(gè)大的

光電池）以及在錄音膠片的生產(chǎn)和顯示中的應(yīng)用；在這些應(yīng)用中，光電池把

錄音磁帶上的講話，音樂和音響變成膠片上的光學(xué)聲跡，再把這種聲跡還原

成聲音。在工業(yè)和科研方面應(yīng)用光電現(xiàn)象的另一種儀器，是探測(cè)弱光的光電

倍增器或電子倍增器；它是一個(gè)由一系列類似繼電器的電極構(gòu)成的系統(tǒng)，能

把由于光的入射而釋放的電子數(shù)量放大到容易測(cè)量的程度。