事物的工作原理 发明和发现有什么区别？

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事物的工作原理

概述
发明和发现有什么区别？
发明指的是地球上不存在而由人类制造出来的某种事物，包括条款、装置、工序、机器和玩具——从阿斯特罗特夫尼龙草皮到拉链。发现指的是地球上存在而人类未知或尚未“发现”的事物，比如说外太空的黑洞。发明与发现的实现常常需要以一种新方式将已有的科技融合在一起，这可能要历时几个世纪。它们的出现通常是为了满足人类的需要，比如说发明药物来治病；或者出于发明家希望更加高效地完成某项任务的愿望，比如说工具或机器；或者甚至源于偶然，像紧身衣就是这样。有的发明或发现属于个人成就，有的则属于团队成果。有时，同一种发明由不同的人在同一时间独自完成。个别情况下，不同的人在同一天发明出一模一样的东西。

什么是工业革命？
工业革命时期，不同社会都将其关注点从农业转移到大规模生产和工业上来，所以这是一个彻底变革的时代。它开始于18世纪的英国，到19世纪早期已经蔓延到西欧和美国。制造业中蒸汽机的引进，标志着工业革命的开始。随着发明家制造出取代人力的新机器，农业、纺织和金属制造业、交通、经济政策和社会结构都发生了翻天覆地的变化。到18世纪晚期，大部分成品通过先进的机械设备大批量生产出来——它们之前都是利用人力或简单的机器制造而成。人们建造工厂以放置新机器，人口也随之由农村地区向城市地区转移。

什么是诺贝尔奖？
诺贝尔奖是最著名的国际科学奖项。它分设化学、物理和生理学或医学三个奖项，每年授予在这些领域做出了重大贡献的人。该奖项由瑞典化学家和实业家阿尔弗雷德·诺贝尔设立，诺贝尔发明炸药以后获得了巨大财富，并留下了许多财富作为该奖项的基金。自1901年以来，诺贝尔奖已经授予来自于世界各地的先生们和女士们，奖励他们在这三个科学领域以及文学与和平领域做出的发明与发现。包括伊凡·巴甫洛夫（1904年）、阿尔伯特·爱因斯坦（1921年）和莱纳斯·鲍林（1954年）在内的著名科学家和发明家，都获得过诺贝尔奖。从1901年到2008年间，共有500名科学家获得诺贝尔奖，其中，女性科学家有11人。在她们中，玛丽·居里是唯一在不同领域获得了两次诺贝尔科学奖的人：1903年获得物理学奖，1911年获得化学奖。

建筑
钢铁怎样应用到摩天大楼中？
摩天大楼是一种高大的多层建筑，由钢铁建成，钢铁比砖、石头等其他建筑材料要结实得多，也轻得多。19世纪晚期，钢铁生产开始普及，建筑师尝试把钢铁铸成长而细的大梁。第一座摩天大楼出现在19世纪80年代的美国，它使用的材料就是用钢梁做成的立柱和水平梁。有了这一支架，建筑物便能建到十几层之高。设计师用捆绑钢管取代重梁以后，摩天大楼的高度又增加了一大截。芝加哥西尔斯大厦等筒体建筑的大部分支撑力来自于外墙中由钢柱和大梁组成的坚硬的网状结构。因为重量较轻的部分所需的支撑力较小，所以建筑师能增加更多的重量。额外的横梁可以呈对角放置以增加其支撑力，但几乎不会增加额外重量。横梁和支柱用螺栓拴住，四面都有焊接，这样起风时大楼就不会整体四处摇晃。

世界上最高的建筑是什么？
阿拉伯酋长联合国的哈利法塔，以2064英尺（629米）的高度成为世界上最高的摩天大楼。早在2009年，坐落在中国台湾省台北市信义区的台北101大厦是全球已建成的建筑物中最高的。101大厦建成于2003年，共101层，高1671英尺（509米），超过了当时世界上最高的建筑物——马来西亚吉隆坡的双子塔。位于伊利诺伊州芝加哥市的西尔斯大厦是世界第三高楼，人们能在这里生活和工作。它由西尔斯罗巴克公司于1970年开始修建，于1974年建成，共110层，高1450英尺（442米）。［如果算上天线的话，得有1730英尺（442米）高。］坐落在加拿大多伦多的加拿大国家电视塔也是一座高层建筑（尽管并不做生活与工作之用）。这座传输塔建于1976年，高1815英尺（553米）。


阿拉伯联合酋长国的哈里法塔，成为世界上最高的摩天大楼

升降电梯是如何工作的？
升降电梯把乘客和货物从一层楼运送到另一层楼，对于摩天大楼等高层建筑物来说，十分重要。供人们乘坐的升降电梯的轿厢与护栏相连，护栏安装在一个叫作垂直通道的长长的空间通道里。电梯依靠钢索移动，钢索系在一个能维持其平衡的大型重物上。当升降电梯在楼层之间升降时，电动机控制着钢索的升降，从而改变轿厢的方向和重量。（通常情况下，电梯里都标有显示轿厢载重限制的数字；如果轿厢的重量超过平衡它的重量，电动机就无法运转。）

为什么它们被称为摩天大楼？

有些建筑物之所以被称为摩天大楼，是因为它们高耸入云，内部建有支撑其楼层与墙体的钢铁框架。施工人员在弄清如何建造这种框架之前，用石头或砖块砌成的墙壁来承担建筑物的重量，如果建筑物建得过高，它们便无力承担。高层建筑如果用石头或砖块作为主要材料，它的底层就要筑有厚厚的墙壁，以支撑墙体和较高的楼层。厚厚的墙壁浪费了很多有用空间。因为城市土地有限，所以施工人员尝试用其他材料和施工方法建造出实用性更高的大楼。1885年，威廉·勒巴隆·詹尼（William Le Baron Jenny）终于在芝加哥建成了世界上第一座摩天大楼。虽然这座家庭保险公司的大楼只有十几层，在今天看来很矮，但它是最早利用内部钢框架来支撑整座大楼的建筑物。从那以后，高楼大厦拔地而起，直插云霄。在这之后，仅仅过去30年，人们便建造出了60层高的大楼。

最早启用的升降电梯的安全性不是特别好，这是因为一旦钢索断掉，靠重力拉动的轿厢就会轰然坠落。但是，电梯中很快加装了安全装置，以防止这类事故的发生。［美国发明家伊莱沙·奥的斯（Elisha Otis）在1853年发明了第一座“安全”升降电梯。］轿厢系上了额外的绳索，护栏也用坚硬的金属钳夹紧，即使主缆断掉，电梯也不会滑落。还有一些安全装置能在门打开的情况下，阻止升降电梯继续运行或者运行过快。有了垂直通道中的自动开关，电梯能快速通过非停靠层，到了停靠层时便减速停止，开门让乘客上下。因为长度过长的升降电梯实用性并不高，所以一些大楼有多组升降电梯，有的负责运送乘客上楼，有的为较高的楼层服务。

自动扶梯是如何工作的？
自动扶梯是一组移动台阶，把人从一层楼运送到另一层楼，常出现在百货商店、机场或其他公共场所。台阶下面有一条绕着轮子转动的连续传送带。台阶与两侧的传送带和一条中心传送带相连，传送带由电力驱动。扶梯两边的移动扶手以同样的方式运行，并与台阶移动的速度保持一致。扶梯顶端和末端的台阶能折叠放平，以便在地面下运行，绕传送带环转以后，再次打开并运行。同一组台阶可根据传送带被驱动的方向上下移动。

地面交通
缆车如何停止和行驶？
缆车也被称为“无尽的索道”，由安德鲁·史密斯·海里戴（Andrew S．Hallidie）发明，并于1873年在加利福尼亚州的旧金山投入使用。有了缆绳，缆车才能行驶，缆绳在一个通道上连续运转，通道位于铺设在街道下方的轨道之间。缆绳由中心站控制，通常以每小时9英里（14.5千米）左右的速度运转。每辆缆车的底部都有一个叫作电缆夹的附件。当缆车的开动者拉动控制杆，电缆夹就会夹紧移动的缆绳，并随之一起移动。当他放下控制杆，电缆夹就从缆绳上松开，启用刹车，缆车便停止移动。

谁发明了汽车？
汽车的历史十分复杂，要追溯到15世纪，当时意大利发明家和工程师列奥纳多·达·芬奇正为交通工具制作设计图并制造模型。然而，因为卡尔·奔驰和戈特利布·戴姆勒最先让人们开上汽车，所以他们被誉为汽油驱动汽车的发明者。奔驰和戴姆勒都是19世纪的德国工程师，但他们互不知晓对方的工作，并各自完成了自己的发明。他们都利用小型内燃机来驱动汽车。1885年，奔驰制造出三轮车，三轮车由耕作机舵柄（耕作机是一种用来翻土的农业工具）控制着。1887年，戴姆勒发明出四轮汽车。

最早的蒸汽驱动车和汽油驱动车分别是什么样子？
在奔驰和戴姆勒之前，还有更早的机动式车辆，这包括尼古拉斯·约瑟夫·屈尼奥（Nicolas Joseph Cugnot）发明的蒸汽驱动装置。1769年，这个法国发明家开着他的小车在巴黎街道上以每小时2.5英里（4千米）的速度行驶着。英国发明家和采矿工程师理查德·特里希维克（Richard Trevithick）也发明了一种能承载8名乘客的蒸汽机车，并于1801年在英国的坎伯恩首次驾驶。1826年，伦敦人塞缪尔·布朗（Samuel Brown）制造出第一辆具有实用性的四马力汽油机车。1862年，比利时工程师艾蒂安·雷纳尔（J．J．Etienne Lenoire）发明出一辆装有内燃机并以液态烃为燃料的汽车，但是直到1863年9月，这辆汽车才开始上路试驾，它在三个小时内行驶了12英里（19.3千米）。


不少人希望电动汽车能帮助减少污染，并降低美国对石油进口的依赖

电动汽车是如何工作的？
电动汽车看起来与汽车一模一样。它没有排气管和油箱，但总体结构与汽车基本相同。电动汽车没有巨大的引擎，而是通过电动机把储存在电池里的电能转化成机械能。电动汽车使用不同组合的动力生成装置——太阳能板、制动发电设备、驱动发电机的内燃机和燃料电池——以及储存装置。

人们最早在什么时候驾驶电动汽车？
在19世纪的最后十年间，电动汽车开始在美国各大城市异常流行。人们已经熟悉了电动手推车和铁路，科技的发展也带来了大大小小的发动机和电池。一款叫作爱迪生电池的镍铁电池成为电动汽车的首选电源。到1900年，电动车已经成为最受欢迎的汽车。那一年，美国共售出了4200辆汽车，其中38％是电力驱动车，22％是汽油驱动车，40％是蒸汽驱动车。到1911年，汽车启动马达淘汰了手摇汽油车，与此同时，亨利·福特已经开始大规模生产T型车。到1924年，美国全国汽车展上没有了电动汽车的身影，彼时，斯坦利蒸汽汽车也被弃用。

因为“清洁空气”法案的出台、20世纪70年代的能源危机以及对环境状况的担忧，汽车制造商再次推广纯电动汽车和混合动力汽车。混合动力汽车的驱动系统有两个或两个以上的动力源，比如说一个汽油发动机与一个电动机。因派克特是美国通用公司出产的一款电动车。日本本田汽车公司有两款混合动力汽车：因赛特和思域轿车。1997年，丰田普锐斯在日本首次上市，成为第一款量产的混合动力汽车。据美国环境保护署称，普锐斯2008款是在美国销售的最省油的汽车。基于以上原因，电动汽车与混合动力汽车可能成为未来的一种新趋势，从而最终取代纯汽油汽车。

桥梁有哪些类型？它们如何起作用？
美国共有超过50万座桥梁，它们帮助人们穿越山谷、溪流与铁路。桥梁主要有四种类型：梁式桥、拱桥、吊桥和悬臂桥。梁式桥是最简单也是最常见的一种桥梁，由笔直的板梁或大梁承载着路基的重量。它的跨度相对较短［通常不会超过250英尺（76米）］，负重由支柱或支墩承载。拱桥通常由钢材或混凝土建造而成，呈拱形，依靠两端的承受轴向外推挤。它的跨度能达到800英尺（244米）。吊桥的路基悬挂在钢索上，钢索固定在河岸上，承受着大量负载。吊桥在桥中墩的情况下，能横跨很长的距离——2000到7000英尺（610到2134米）。悬臂桥是用悬臂建成的桥梁，悬臂向水平方向延伸，重量仅由一端承载。悬臂很可能只是简支梁；然而，用来承载公路或铁路交通的大型悬臂桥则依靠桁架支撑，桁架是一种相互连接的梁架，用结构钢建成。

世界上最长的桥梁在哪里？
庞恰特雷恩湖长堤是美国乃至全世界最长的桥梁，由两座平行的桥梁组成，位于路易斯安那州的新奥尔良市附近。大桥的辅道横跨23.87英里（38.42千米）的水域，由超过9000根混凝土非金属桩支撑。辅道南端位于路易斯安那州的梅泰里市（Metairie，位于新奥尔良市的郊区），北端位于路易斯安那州的曼德维尔市。

纽约市的韦拉扎诺海峡大桥是美国最大的吊桥（一种主要承重构件悬挂在悬索上的桥梁）。它全长4260英尺（1298米）。大桥两端分别起自历史名迹布鲁克林的汉弥尔顿堡和史泰登岛的沃兹沃斯堡，一个多世纪以来，这两座堡垒始终守卫着位于纽约湾海峡的纽约港。大桥以乔凡尼·达·韦拉札诺（Giovanni da Verrazano）的名字命名，韦拉扎诺在1524年成为航行到纽约港的第一个欧洲探险家。旧金山的金门大桥是美国第二大吊桥，全长4200英尺（1219米）。紧随其后的是密歇根的麦基诺海峡大桥，它连接着该州的上下半岛。它的绰号为“巨无霸”，跨度为3800英尺（1158米）。


纽约的布鲁克林大桥是一座历史性的大桥，建于1883年，今天仍承载着大量交通

日本、丹麦、中国和英国等国也建有长长的吊桥。例如，明石海峡大桥在日本又被称为珍珠大桥，是世界上最长的吊桥，主跨度为6532英尺（1991米）。它只比前世界纪录的保持者东大桥长四分之一英里（0.45千米）左右，东大桥位于丹麦，同样在1998年正式通车。

布鲁克林大桥是谁修建的？
1855年，在德国出生的美国工程师约翰·罗布林（John A．Roebling）建造了世界上第一座真正意义上的现代吊桥。大桥的特征包括：桥塔支撑着大量钢索；路基悬挂在主钢索上。1867年，罗布林担负了建造布鲁克林大桥这一伟大的任务。在他的设计方案中，他提出了一个革命性的想法，即用钢丝索代替弹性较差的铁索。大桥动工不久，罗布林便在一次事故中压碎了脚，患破伤风去世，他的儿子华盛顿·罗布林（Washington A．Roebling）接手了建桥工作。14年后，也就是1883年，大桥最终落成。它是当时世界上最长的吊桥，横跨东河，连接着纽约的曼哈顿和布鲁克林。大桥的中心跨度为1595英尺（486米），石塔矗立在水面276英尺（841米）之上。今天，布鲁克林大桥是美国最负盛名的土木工程成就之一。

什么是“吻桥”？

“吻桥”是有顶和木制边缘的廊桥。之所以称作“吻桥”，是因为从大桥外面看不到桥内的人，大桥便成了很好的接吻私密场所。“吻桥”始建于19世纪，工程师为了保护大桥不被风雨侵蚀而为它们设计了覆盖物。从1805年到20世纪早期，美国共建成了10,000多座廊桥。到1980年1月，这些廊桥仅剩893座，其中光宾夕法尼亚州就有231座，该州也是第一座吊桥诞生的地方。

隧道是如何建成的？
隧道要么贯通大山，要么潜入海洋，为汽车与火车、水与污水以及电力线路与通信线路提供了空间。虽然隧道已经存在了几千年——罗马工程师建造出了古代世界最广泛的隧道网络，但今天的技术使其不断完善。为了修建一条稳固的隧道，工程师利用特殊的工具和设备，掘通土层或进行开凿工作。如果地面不稳定的话，工程师在挖掘隧道时就会在四周为其提供支护。他们常常使用隧道盾构进行支护工作，隧道盾构呈柱状，由隧道掘进设备向前推进，为隧道顶部提供超前支护。遇到坚硬的山石时，工程师便用巨大的岩石破碎装置来开山破洞，这种岩石破碎装置也称隧道掘进设备。一旦隧道有了稳固的结构，工程师就会进行最后的修整工作，例如修建道路和安装隧道灯。如果施工人员在水下工作，他们常常把预制隧道段滑动到固定位置，使其下沉，然后与其他部分相连接。

过山车是如何运行的？
过山车的工作原理相当于自行车在小山中滑行。当你向山顶骑行时，你使劲蹬脚踏板以到达那里。然后，滑行的时候，你的双脚离开脚踏板，车子滑到山底。如果斜坡够陡的话，下降速度就会非常快。相似地，过山车只在一开始被推力推上第一个“山丘”。当它越过“山丘”的最高点时，过山车自身的重量被重力往下拉，为车子的整体运行提供动力。车子与轨道之间并无绳索相连。过山车的潜能（储能）向动能（实现运动的能量）转变，推动它前进，时速常常达到每小时60英里（96.5千米）。转轮引导着轨道上的过山车，摩擦轮掌控着它在轨道一侧的运行情况。末端的一组轮子能让车子即使倒置也不会离开轨道。当旅程结束时，空气制动器让车子停下。

高空翱翔
飞机是如何飞行的？
飞机的飞行依赖于一套复杂的空气动力学原理——这一理论用来解释空气的运动和在空气中运行的物体的运动情况。飞机的引擎为其提供动力。小型飞机一般使用活塞发动机，活塞发动机转动螺旋桨，螺旋桨推动飞机在空气中前进，就像船舶的螺旋桨推动它在水中前进。但是大型飞机使用的是喷气发动机，燃料的燃烧为其提供动力。喷气发动机喷射出大量空气，这些空气推动飞机前进与上升。为了保持飞行，飞机必须处于不断运动之中——它的机翼滑过奔涌的空气以产生升力，气流也要为飞机提供动力。飞机在起飞时为了获得足够的升力升入空中，先要在地面高速滑行。

机翼的形状能让飞机升入空中，并且不会掉下来。机翼下表面平整，上表面弯曲。当飞机引擎推动飞机向前时，空气分散开来，环绕机翼流动。由于上翼面弯曲幅度较大，而下翼面平整，上翼面气流的速度大于下翼面气流的速度。与下翼面的空气相比，上翼面快速流动的空气更稀薄，压力较小，从而推动机翼的上升。机翼的这种形状产生了不均匀的空气压力，创造出一种叫作升力的力量，从而实现飞机的飞行。

飞行员如何驾驶飞机？
气流的力量控制着飞机的行驶。这是通过一个可移动的襟翼系统实现的——工作原理与船舵极为相似，襟翼位于机翼和机尾上。当调好角度以后，它们就阻碍流动的空气，流动的空气又反过来向后推，飞机得以转向或倾斜。例如，为了让飞机向下飞行，飞行员把后缘机翼调低，让气流引导机头向下。飞机转向则须改变襟翼和尾舵的方向。

莱特兄弟是谁？
来自美国的威尔伯·莱特和奥威尔·莱特，即莱特兄弟，是最早成功制造和驾驶飞机的人。莱特兄弟在他们的家乡——俄亥俄州的代顿市（Dayton）——经营着一家自行车商店，两人很小的时候就对力学很感兴趣。中学毕业以后，兄弟俩一起经商，与此同时，因为对航空的兴趣，他们开始在工作之余尝试制造滑翔机。兄弟俩查阅了全国的天气预报，以便找到一个进行飞行试验的最佳场地。他们认定北卡罗来纳州的基蒂霍克（Kitty Hawk）是个理想的地点。所以，1900年和1901年，他们在一个叫作斩魔山（Kill Devil Hills）的狭窄沙地上试飞了第一架滑翔机。回到俄亥俄州的自行车商店以后，他们建造了一个小风洞，在小风洞里尝试用模型机翼确定气压。


在北卡罗来纳州的斩魔山上，矗立着一座高60英尺（18米）的纪念碑，它建于1932年，用来纪念莱特兄弟历史性的飞行试验

莱特兄弟利用他们的实验设计制造出了一架飞机，并于1903年在基蒂霍克试飞。同年12月17日，他们驾驶一架由动力驱使、比空气重的机器，完成了全球首次飞行。奥威尔驾驶着飞机在空中飞行了12秒，行驶了120英尺（36.5米）远。兄弟俩那一天共飞行了四次，其中，威尔伯完成了一次最长的飞行：时长59秒，距离超过850英尺（259米）。媒体当时并没有怎么关注他们的努力，直到1908年，他们与作战部签署了一份制造第一架军用飞机的合同以后，情况才开始发生改变。第二年，他们创立了美国莱特公司，制造飞机。

什么是超音速飞机？
与亚音速飞机或者商业飞机这类普通飞机相比，超音速飞机在形状上有着很大不同。它通常形似飞镖，有着细长的机头与机翼，机翼贴近机身。细长的形状能减少飞机穿过空气时引起的摩擦力。紧挨在一起的机翼还能承受飞机制造出的冲击波，这是保持飞机控制的必要条件。虽然超音速飞机的机翼特殊，不能像普通飞机的机翼那样提供巨大的升力，但是通过高速飞行，便能获得起飞与降落所需的升力。

直升机是如何飞行的？
虽然直升机不像飞机有机翼，但它利用同样的升力原理在空中上升和旋转。直升机顶部的旋翼形似螺旋桨，它的旋翼做得就像飞机的机翼——下表面平整，上表面浑圆，同样也可以调节。和飞机划过空气向前冲以获得足够的升力飞起来不同，直升机仅仅移动旋翼的桨叶（3到6片），桨叶与中心轴相连，中心轴由引擎驱动。桨叶划过足够的空气——使得周围的气压发生改变，从而产生升力——以成功飞行。调节桨叶的角度能控制直升机的升力和飞行方式。因为旋翼的角度也可调节，所以与飞机相比，直升机的灵活性更高：除了向上、向下和向前飞行，它还能向后飞行，能在空中旋停。

水中高速公路
船是怎么浮起来的？
物体自身的重量把船拉入水中。它排开水或者把水推向两侧。但是，如果物体的密度（物体每单位体积内的质量）比排开的水的密度要小，它就会漂起来。这一原理很好地解释了为什么笨重的木筏能漂浮在水面上，而小石子却沉到水底：木筏的重量分布在一个很大的范围内，而石子的重量十分集中。

船是空心的，它的漂浮也是基于这一原理。里面的空气让它们的密度比看起来的要小。但是如果用来装载重物的货船负荷太大，进入船内的空气就会减少。这类船只必须留意载重标准，并在船体上标注载重线，以显示其安全行驶的最低水面高度。船航行的水体不同，载重标准也不同：在咸水与冷水中行驶时，由于咸水的密度大于淡水的密度，冷水的密度大于暖水的密度，船只可以装载更多的重物。

船在水中航行时如何获得驱动力？
船获得驱动力才能在水中航行。小型船只的驱动力可由人提供，他们划着桨前行。但是肌肉力量无法让船快速或远距离行驶。人们还能利用风推动帆船航行。但是对于需要远距离航行的大型船只来说，发动机是最可靠的动力来源。

汽油机、柴油机和蒸汽机可以适应不同大小的船只。一些发动机甚至还用核能驱动，核潜艇的发动机就是如此。发动机转动船的螺旋桨，螺旋桨有着巨大的桨叶，桨叶绕中心轴旋转。桨叶把水向后推动，被搅动的水产生反作用力，船便向前航行。转动的螺旋桨使得前方区域的水压降低，从而吸着它们向前移动，与此同时，和它们相连的船只也向前行驶。根据这一运动原理，螺旋桨也能驱动飞机。船只的航行由船舵控制，船舵是一块平直的可移动木板或金属，安装在船尾上。当转动船舵，它便改变了四周水的方向，水的反作用力使得船尾改变方向，慢慢地，整个船也都改变了方向。

潜艇如何下潜上浮？
潜艇的艇体构造独特。坚硬的外壳下面是巨大的压载水舱，压载水舱包围着它的操纵系统。水舱可以装满，也可以排空，从而帮助潜艇下潜与上浮。

当潜艇在水面航行时，它的压载水舱装满空气，使得潜艇的密度小于它所排空的海水的密度，潜艇便漂浮起来。但是，当潜艇需要下沉到水底时，它的压载水舱就会装满海水。水舱装满水以后，潜艇下沉；潜艇的密度与周围水的密度相同时，它就能在水底行驶。螺旋桨在发动机的驱动下推动潜艇的航行（艇体呈流线型，能最大限度地降低水的阻力），潜艇两侧的旋转鳍（叫作水平舵）控制着它的上浮下沉。当潜艇需要回到水面上时，舱内的压缩空气就被吹输进压载水舱中。空气排空海水，潜艇在水平舵的帮助下开始上升。一旦它的重量小于所排空的水的重量，潜艇便能在水面漂浮。


潜艇装满或排空压载水舱以实现下潜上浮

潜艇驾驶员在水底怎么知道潜艇的行驶路线？
如果潜艇离水面不是太远的话，驾驶员就用潜望镜操纵潜艇的行驶方向。这一高高的管状可旋转工具能伸出水面观察周围的环境，并利用内部一系列的镜面和镜头传送图像。除此之外，潜艇还利用声呐（声波）对周围的环境进行回声测探。声呐发射出的声波遇到物体或洋底就会反射回来；根据声波反射回来所需的时间，便能确定物体的距离。这些回声随后被转换成电信号，呈现在一个类似飞机雷达屏幕的显示屏上，以图片的形式——类似于机场的雷达屏幕——显示出附近海域的情况。

通信与电子设备
报纸是怎么制造出来的？
人们常常通过阅读报纸了解目前或新近发生的大事。好的新闻故事发生时，记者很快就被派到现场，尽可能多地收集情报，摄影师拍下能增加视觉信息的照片。回到报社以后，记者把新闻故事敲进电脑里，摄影师在暗室把胶卷洗成照片。

他们把照片存入装有扫描仪的电脑中。现在，越来越多的摄影师使用数码相机，这就意味着他们拍摄的照片不需要第一时间打印到纸上。它们自动生成数字或电脑可用的格式，能像电子邮件或其他电子文件那样，通过手机数据线或者卫星传送。一旦照片生成数字格式以后，工作人员就把需要印刷的新闻故事和配图排版在一起。新闻故事很可能要占据报纸的一个或者多个版面。设计人员在电脑屏幕上把整张报纸的文字和配图编排成具有视觉吸引力的易读版面，然后把它们印刷到一张张透明膜上。

接下来，工作人员把印有相应版面的透明膜铺在一张感光金属板上。当一束明亮的光线照射过来，有字母和图片的阴影部分就会印到金属板上。经过酸溶液的浸泡以后，阴影部分便永久刻在了金属板上，而金属板的有些地方则被侵蚀掉。剩下来的就是和印有报纸内容的透明膜完全相同的副本，它的文字和图片以凹槽的形式出现在金属板上。

现在就可以把报纸的页面印刷到纸上了。首先，把金属板缠绕在电动印刷机的滚筒上，再涂上墨水。擦拭干净以后，墨水仍旧留在凹槽中。当滚筒压过（大滚筒上的）纸张，纸张被压入凹槽，完美的印刷页面便出现了。报纸的每个页面都要经过这一过程。正如你能想象的，印刷厂规模巨大，有些印刷机有三层楼那么高。这些昂贵的机器（价值几千万美元）每个小时所印刷和分类的报纸达到7万份。印刷机完成这些工作以后，报纸就被扎成捆，等待第二天送往家家户户和报摊。

什么是角帖书？
角帖书是一种有柄的平面木板，15世纪—18世纪英美国家的学生们在课堂上使用。他们把纸张粘在木板上。角帖书上印有字母、祈祷文（《民数记》里一段特殊的祈祷文）、主祷文和罗马数字。为了保护纸张，整块木板被一片用动物的角制成的透明薄片覆盖着，这在当时非常稀有，也非常昂贵。早在1442年，英国就有了角帖书，到了16世纪，角帖书成为英国学校的一种标准装备。1800年左右，随着书籍的生产成本大大降低，角帖书便被淘汰了。

电脑和电动印刷机出现之前，印刷工作是如何进行的？
电脑和电动印刷机出现以前，人们利用手工完成印刷工作，他们把刻有字母和数字的木块蘸到墨水里面再印到纸上。历史学家认为，这种印刷方法最早出现在公元700年左右的中国。手动印刷机——有着可移动的铅字或字母——最早使用于14世纪的欧洲。1455年，约翰内斯·古登堡在今天德国所在的地方印刷出了一本《圣经》，这是第一本印刷书籍。在此之前，所有的书和手稿都是手写的。

为什么报纸不到几个月就会褪色泛黄？
人们在20世纪生产的大部分商业纤维素纸都是酸性的，新闻用纸也不例外。酸让纸张变得易碎，最后没怎么用就破掉了。这一问题源自于现代纸张的两个特征：首先，纸张的生产过程形成了非常短的纤维素纤维；其次，生产过程中用到了酸（或者酸未被净化掉）。水分中的酸降解纤维，酸性反应把纤维链分成小碎片。这一反应本身也产生了酸，从而加速了降解过程。具有讽刺意味的是，报纸年数越久反而能保存得越久。19世纪中期以前，报纸都是用棉麻制品制作出来的。今天生产的报纸最为脆弱；它未被净化，还有着最短的纤维。因此，通常情况下，报纸几个月以后就褪色泛黄了。

什么是摩尔斯密码？
1835年，画家出身的美国科学家萨缪尔·摩尔斯发明了一种由圆点和短破折号组成的密码，用它们代替字母、数字和标点符号。电报——信息的远距离传输——使用的是一个电磁铁，电磁铁是这样一种装置，当它被激活或轻敲金属表面以后就会产生磁性。一组重复的短脉冲可以产生磁性也可以消除磁性，从而带来断断续续的信息。

1837年，摩尔斯为摩尔斯密码成功申请了专利，几年以后，他与一个名叫阿尔弗莱德·维尔（Alfred Vail）的机械师和发明家共同成立了一家通信公司。1844年，摩尔斯从华盛顿给正在马里兰州巴尔的摩市的维尔发送了史上第一份远距离电报信息。这一年，摩尔斯还申请到了电报的专利权，虽然约瑟夫·亨利在1829年就发明了第一台电动机和实用电磁铁，并在1831年发明了电报，但他的这些贡献并没有获得专利权，摩尔斯也未向他表示感谢。今天，军队、海关和业余的报务员仍在使用摩尔斯密码，但是现在的国际摩尔斯密码主要利用声音和闪光发送信息。


摩尔斯密码过去常常从这样的电报局收发。在大城市，大型电报交换室里到处都是电报收发机，并配备大量员工

无线电是谁发明的？
来自意大利博诺尼亚市的古列尔莫·马可尼是证明无线电信号可以远距离传输的第一人。信号可在空间中以电磁波的形式传播，从而传递信息，信号的发射与追踪就叫作无线电。因为无线电的功能和不用天线的电报的功能一样，所以它一开始就被称为无线电报。1901年12月21日，马可尼成功地把摩尔斯密码信号从纽芬兰发送到英格兰。

“三极管”是什么？
1906年，美国发明家李·德·弗雷斯特（Lee de Forest）发明了他所称的“三极管”，“三极管”是一种能在真空管内放大无线电信号的装置。因为它能在不干扰信号的情况下，把微弱信号放大，所以有了“三极管”以后，无线电话便成为现实。第二年，德·弗雷斯特开始从纽约的曼哈顿定期播送无线电广播。因为那个时候美国家庭还没有无线电接收器，所以弗雷斯特唯一的听众是纽约港的船舶无线操作员。

电视是如何工作的？
电视的工作要经过一系列复杂的过程。首先，电视摄像机为现场拍摄图片。摄像机内部的光电池把图片转换成电信号。与此同时，麦克风把现场的声音记录下来。麦克风内部的振动磁石把声音也转换成电信号。有些电视节目，像新闻报道，会进行现场直播，这意味着观众能在家同步观看节目的进展情况。但是我们收看的大部分电视节目都是录播的，它们先被储存在录像带中，等到稍后再进行播送。声音和图片的电信号以磁信号的形式储存在录像带中，当播放的时候，磁信号再次转换成电信号。

节目播出之前，电子图片和声音信号会通过一种被称为电视发射机的装置。在强磁石的帮助下，变压器把电信号转换成一种叫作无线电波（类似于不可见的光波）的不可见能量，无线电波能在空气中传播很远的距离。它们能直接传送到室外的电视天线上，天线捕捉到无线电波以后，把它们传送给电视接收机，电视接收机再把它们转换成图片和声音。有线电视公司通过电缆把电子图片和声音信号直接传送到千家万户。为了把节目播送到遥远的地方，人们用围绕地球旋转的通信卫星把无线电波传回地球，从而扩大传输距离。因为无线电波以直线的形式传播，无法环绕地球，所以卫星必不可缺。

当天线或圆盘式卫星电视天线接收到无线电波以后，重新把它们转换成电信号。电视机的扬声器把部分信号转换成声音。背部特殊的枪状物使图片再现，这种枪状物向屏幕发射出电子束后，不同颜色的小圆点便出现在屏幕上，闪闪发光。由于电视台和广播塔随处可见，无线电波又以光速飞快传播，所以整个过程都在瞬间完成。电台也是利用同样的技术通过电波播送访谈节目和音乐节目。

什么是高清电视？
与传统电视系统相比，高清电视是一种有着较高分辨率的数字电视系统。一张电视图片可包含多少内容，受两个因素的限制，即每张图片由多少条线组成和每条线上有多少个像素，而后者又受电子束宽度的影响。为了获得与35毫米胶片的清晰度相近的图片，高清电视扫描线的数量是传统电视扫描线数量的两倍多，扫描线上的像素也小得多。美国和日本的高清电视有525条，欧洲的高清电视有625条。

电话是如何工作的？
声音是由物体来来回回地运动或振动产生的。物体振动时，周围的空气分子也随之振动，产生一种运动着的波纹，即声波，声波能在空气、水和固体材料中传播。电话的送话器和受话器分别有一个可振动的磁盘，它们把声音转换成电信号，电信号通过电话线路传输，然后再重新转换成声音。

因为电话的运转依赖于电，所以它通常与电线相连。举个例子，当你拿起电话以后，一股低电流能让你拨通一串号码联系到你的朋友。电话上的每一个数字都有其专门的电信号，当数字正确地组合在一起以后，它们就能清楚地辨认出你朋友的电话线路。当你按下电话号码并朝正确的方向把电话信号发送出去时，当地电话局便能接收到这些信息。短距离的呼叫信号可以通过电线或电缆传输，它们要么埋在地下，要么依靠支柱架在高空中。但是，当被呼叫者离得很远时，从你的电话中发送出去的电信号就会转换成可通过空气远距离传输的不可见波，即微波。微波通过空间发送到绕地球运转的通行卫星后，再返回到地球上，从而延长传输距离。你朋友家附近接收站的天线接收到微波以后，把它们再次转换成电信号。电信号通过电缆传输到他家附近的电话局，电话局里存有他的号码。这之后，他的电话会收到一个信号，电话铃便响了。从拨通电话到铃声响起，整个过程只需要几秒钟。


电话对于今天的孩子们来说不足为奇。它是人们日常生活的一部分，但是，你知道电话是如何工作的吗

当你的朋友接听电话以后，传话器中装有塑料磁盘的麦克风产生振动，把他/她的声音转换成电信号，电信号以相同的方式传到电话的另一头。你这边听筒中的扬声器接收到电信号后，另一个塑料磁盘也产生振动，把它们重新转换成声音。这样，麦克风和扬声器之间形成两个环路，你和你的朋友便能来回交谈。下次使用电话时，不妨想想这个让通话成为可能的神奇过程。

传真机是如何工作的？
传真机也叫电话传真，通过电话线路把图片和文本信息从一个地方传送到另一个地方。发射器利用数字或模拟扫描仪把黑白图像转换成电信号，电信号通过电话线路传送到接收器。接收器再把电信号转换成原始图像，然后打印出来。泛泛而言，传真机就是一台能传送和接收图像的复印机。虽然亚历山大·拜恩于1842年就发明出了传真，但是直到1924年传真才第一次应用于报业，通过有线传真把图片从克利夫兰传送到纽约。

手机出现之前，人们在车中如何交流？

手机出现之前，警察或者出租车司机等都是利用双向无线电对讲机在车中与他人交流。

一个城市中所有的无线电广播设备都通过一个大型的中央天线传输信号，天线矗立在高层建筑物的顶端。因为所有呼叫机共享一根天线，所以一次能拨打的电话数量就十分有限。以前的人曾用过一种一直连在车上的老式手机，手机靠车内的电池驱动。第一部便携式手机装有电池组，允许用户把它们从车上取下来，放在口袋里随身携带。然而，它们大部分都有差不多5磅（2.25千克）重，同时也很不实用。

手机是如何工作的？
移动电话或手机在20世纪80年代早期才首次成为商品，但是，能让手机变得真正小巧便携的技术在接下来的10多年间缓慢发展着。到21世纪初，手机已经成为世界各国数亿人的日常工具。此外，手机的强大功能不只让成人获益匪浅：仅在美国，就有超过20％的青少年拥有一部手机。这意味着每五个青少年中至少有一个拥有手机。

蜂窝系统将每个城市划分成许许多多的小区（大城市有数百个这样的小区）。每个小区都有自己的信号塔（信号塔有天线和收发信号的接收器与发射器）。每座塔在一定时间内可以处理无数个呼叫者，塔不大（与无线电天线相比），信号比较微弱，不会对附近其他塔的信号收发产生干扰。

当你呼叫手机用户时，你的手机会通过一种叫作无线电波的不可见能量带收发信号，这一不可见能量带的功能与光线相似。换言之，你的手机就是一台神奇的高科技收音机。拨通朋友的电话以后，你的手机便会搜索出最强的信号以找到最近的信号塔。一旦信号定位好以后，手机便发出一定的信息——比如你的手机号码和编号，帮助你的业务提供商判定你是他们的客户之一。然后，移动电话交换局找到可用的频道以实现通话。这之后，移动电话局完成连接工作（一切只发生在数秒之内），你和你的朋友便能交谈了，无需电线或电话线的帮助。如果你坐在汽车后座和别人打电话，而你的妈妈开着车从小镇的一头行驶到另一头，你的手机会自动切换到其他信号塔，通话始终保持畅通。

什么是“智能手机”？
智能手机是提供电子邮件、网络和整字键盘等高级功能的手机，其功能远远超过普通手机。黑莓、翠欧和苹果都被称为智能手机。例如，“麦金塔计划”在2007年推出的苹果手机，集五大设备——手机、音乐播放器、相机、电子记事簿和宽屏移动互联网——于一身。

电脑是如何工作的？
与所有数字计算机一样，电脑把文字、图片和声音转换成特殊的数字语言。这一语言被称为“二进制数字”。在数字计算机中，数字以电信号的形式呈现。1代表通电，0代表断电。所有信息都被转换成电气开关信号，这些信号又被处理成无数独立的模式。这些模式可以储存下来，通过数字通道传输或重新转换成我们可以迅速准确地使用和理解的形式。二进制数字从键盘、鼠标、麦克风和扫描仪进入个人电脑。数字通过有线或宽带调制解调器技术实现收发，还可以储存在不同的存储器中。电脑屏幕、打印机和扬声器把它们转换成我们可以使用的信息形式。


现代硅片比几十年前使用的真空管要小得多，能让电脑小到可以放在膝盖上或者置于手掌中

什么是硅片？
现代电脑中的数百万个晶体管都集成在一个微小的硅片中，有些硅片小到蚂蚁都可以吞得下。晶体管（控制电流的器件）相互连接，集合在位于芯片表面下的图层中，实现与其他装置的电路连接。芯片表面有一个由细金属丝组成的网格。在1958年和1959年，两个美国电气工程师杰克·凯比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）分别独立发明出了硅片。电脑有了芯片和微处理器后，变得更加小巧高效。硅片还用在计算器、微波炉、汽车收音机和录影机中。

世界上有多少台电脑？

高德纳等技术研究公司的数据表明，2002年4月，电脑的发货量达到10亿。2007年达到20亿（有些订单是为了更换旧电脑）。随着全球个人电脑的日趋流行，据研究公司估测，到2015年，将有200亿台电脑投入使用。在美国，一半以上的电脑用户还享用着互联网。

第一台电脑是谁发明的？
1823年，英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）提出了可编程计算机的概念。当时，他说服英国政府资助他所谓的“分析机”。成功的话就是一台可进行各种计算工作的机器。这台机器可能由蒸汽驱动，但它最重要的创新之处在于，整个运行系统都储存在一个打孔纸带中（一张长纸条，上面的孔用于储存数据）。因为当时的技术还不足以支持他的设计，所以巴贝奇的机器在他有生之年并未成形。然而，1991年，伦敦科学博物馆的多伦·斯沃德（Doron Swade）带领一个小组在巴贝奇研究的基础上制造出了分析机（有时也称作“差分机”）。分析机宽10英尺（3米），高6.5英尺（2米），重3吨，可进行31位数的计算。因为要完成一个小小的计算得摇动曲柄数百次，所以分析机并不实用，尽管如此，这一壮举还是表明巴贝奇是一个走在时代前面的人。现代电脑使用的是电子，能以光速运行。

哪种电脑出现在巴贝奇的“分析机”之前？
电脑从计算机器发展而来。算盘是最早用于计算的机械装置之一，今天也仍在使用，它是木框结构，木框中嵌有平行的细杆，杆上穿有小珠子或计数器。1617年，苏格兰学者约翰·纳皮尔（John Napier）发明出“纳皮尔算筹”，用象牙做标记，计算数的相乘。17世纪中叶，法国数学家布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）制造出了一种计算加减的简单装置。1694年，德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨发明了莱布尼茨轮，可用于数的叠加。

最早的可编程计算机是什么时候制造出来的？
1943年和1944年，英国政府制造出两台巨型计算机。二战期间，破译员用这两台巨大的电子计算装置破译加密的德国信息。它们分别叫作“巨人马克1号”和“巨人马克2号”，是世界上首批可编程的数字电子计算装置。它们是数学家马克斯·纽曼（Max Newman）和工程师汤米·弗劳尔斯（Tommy Flowers）根据英国数学家艾伦·图灵的想法设计制造出来的，利用真空管完成计算。作为该项目保密工作的一部分，巨人计算机的硬件和设计图都被清理干净。但是，2007年，科学家们根据工程师的记录和其他信息，制造出一台与巨人计算机的功能完全相同的计算机。这台计算机陈列在英国白金汉郡米尔顿·凯恩斯（Milton Keynes）的布莱切利公园里。

什么是互联网？
互联网是世界上最大的计算机网络。它通过网络和共享软件中的电线或电话线，把电脑终端连接在一起。有了合适的设备以后，人们就可以在各种各样联网的电脑上获取大量的信息和检索数据库，或者与世界各地的人们交流，只要对方也有相同的条件。根据国际电信联盟等各种信息来源，2008年，全球大约有14亿互联网用户。其中，亚洲大约有5.78亿，欧洲大约有3.84亿，北美洲大约有2.48亿。

互联网是如何工作的？
就像电话通过全球通话系统相互连接，家庭或办公电脑也通过全球电脑通信网络即互联网相连。该系统中的每一台电脑都有自己的互联网地址，这就像每部电话都有自己的号码。互联网供应商拥有诸多功能强大的电脑，这些电脑把所有的用户连接到互联网上，家庭电脑用户就是从它们这里购买网络业务。许多大型组织或公司的电脑能直接联网。互联网用户可以访问万维网，万维网是有着各种网站的全球网络，网站能提供信息、娱乐、商品和其他服务。


小小的MP3播放器里存有上千首歌曲，走到哪儿便能带到哪儿

搜索引擎是如何工作的？
互联网搜索引擎就像图书馆里经过计算机处理的卡片目录。用户在一个联网的浏览器中输入关键字或系列文字之后，搜索引擎便列出万维网上相关网站的超链接。它们利用被称为“网络爬虫”或“机器人”的电脑软件自动找到、列出和索引网页。网络爬虫扫描每一个网页的内容以获得词及其出现的频率，然后把信息储存在一个数据库中。当用户输入词或词条以后，搜索引擎便从数据库中重新列出一些网站，并根据它们与搜索词条的相关性来排序。

MP3播放器与电脑有何关联？
MP3播放器是一个不到1盎司（28克）重的电子设备，能从电脑上拷贝歌曲，也能把歌曲组织和储存到电脑存储器中。它播放的是MP3文件，MP3文件是一种压缩的电子音频文件。有了MP3播放器后，比如苹果公司的iPod播放器，用户便能设置个人音乐列表，走到哪儿都能听到上千首歌曲。

邮递员出现以前，邮件是如何投递的？

在殖民初期，人们通过朋友、商人和印第安人把信息带到殖民地的其他地方，他们要么步行，要么骑马。然而，大部分通信发生在殖民地和他们的祖国——英格兰、荷兰或瑞典——之间。船舶把这些信件带到国外。1639年，殖民地出现了第一个官方邮件通知业务，主要负责处理这种跨境信件。马萨诸塞州州法院指定理查德·费尔班克斯（Richard Fairbanks）的酒馆作为国外来往信件的官方仓库，人们聚集在这里，领取来自远方的爱人或者商业伙伴的信件。

什么是电子邮件？
人们通过互联网仅需数秒就能向他人发送电子邮件。举个例子，你在电脑上敲好一封邮件并发给你住在数英里之外的堂兄妹以后，它便以一串电子信号的形式通过电话线传送出去（有时也可通过有线电视的电缆传输）。

这些信号传输到业务供应商的基站，再通过大型电脑传送到互联网路由中心。路由中心遍布全球，与组织机构和互联网供应商相连接，把每秒钟接收到的无数计算机通信以最快的路径送达目的地。这里的巨型电脑读取邮件的地址后，就把它发送出去：根据传输距离的不同，邮件可能通过电话线发出，或者转换成可沿一种叫作光缆的细玻璃丝高速传输的光信号，抑或转换成一种有着相同速度的不可见能量带，即无线电波并传送到通信卫星，通信卫星再把它们传回地球，送到你堂兄妹家附近的一个基站。邮件到达离你堂兄妹家最近的路由中心后，便被送往他/她的业务供应商的基站，然后再通过普通电话线发到他/她的电脑上。而所有这一切在瞬间即可完成。

什么是“蜗牛邮件”？它是如何传送的？
“蜗牛邮件”一词用来表示美国邮政服务公司派送的普通邮件。你的信件写好、贴上邮票、投进邮箱以后，便开始了一个复杂的过程，这需要许许多多的人和机器来完成——有时还位于世界上的不同地方。邮递员每天多次光顾小镇里或者城市里的邮箱，取走里面的信件。这些信件再被送往当地的邮政分拣处，和同一天送来的其他信件放在一起。随后高速检测器便开始进行信件派送前的准备工作。

信件被倒在一个移动传送带上，传送带把它们送到一个机器里，机器根据它们的大小把它们分开。另一台机器负责检查信件上所贴的邮票是否正确，再给邮票盖上戳，避免被再次使用。每个信封上也要盖上戳，以显示信件处理的时间、日期和地点。

接下来，一台机器便读取写在地址栏里的邮政编码，邮政编码能准确表明信件要送往国内或者国外的某个地方（世界各地的邮政局相互合作，以共同分发邮件，它们基本上都有着相似的编码系统）。没写邮政编码或者写了但认不清的信件，邮政人员会手工处理。邮政编码机在每一封信件上都打上一个条形码（一组机读线条，比手写数字更可靠），第二台分拣机再次读取条形码，按地址分拣信件。信件根据城市和国家来分组。本地邮件第二天就会派送。其他邮件则根据不同的目的地，用卡车、特快列车或者飞机派送。因为过程复杂，这些邮件的派送时间比电子邮件长得多，所以又称蜗牛或慢速邮件。

邮件到了目的地附近以后怎样处理？
邮件一旦到达目的地附近，就被送到另一家邮政分拣处。条形码识别机再次扫描邮件，按照地区、社区和街道进行分类。这之后，邮件被送到当地邮政局，那儿的邮递员把它们送给收件人。送件地址可能包括住宅、商店和办公楼。在乡村，家家户户离得很远，邮递员每天可能要走很远的路去送件。

图片、光和激光
为什么晴天时，我能在人行道上看到自己的影子？
光照射到物体便会投下阴影。当物体遮住从光源处照射过来的光，光无法照射到物体后面的区域就形成了影子。把一块屏幕放到这一阴影部分，屏幕就会变暗。当你站在人行道上，你所处的水泥地表面就是那块屏幕。太阳是你的光源。随着太阳在空中移动，影子——因为从太阳的角度看它就是你“身后”空间的一部分——也会移动。

因为人行道和你的双脚相接触，影子就会形成与脚相连的图像。它将沿着背对太阳的方向延伸开去。早晨，太阳位于东边，影子向西延伸；晚上，太阳位于西边，影子就向东延伸。

电灯泡是如何工作的？
电灯泡使用的是电流所产生的热量，像台灯中的电灯泡就是如此。当电流流过金属丝，金属丝产生热量。金属丝或者灯丝的温度升高到一定程度便会发光。日常使用的电灯泡有一根用钨做成的灯丝。因为炽热的钨遇到氧气以后就会迅速燃尽，所以必须把它放在一个密封的玻璃灯泡内，灯泡里要么是真空的，要么装满不可助燃的气体。爱迪生是电灯泡的发明者，他原以为六个星期就能发明出电灯泡，但最后却用了一年多的时间。对此，他有一句著名的语录：“我没有失败……而是找到了10,000种不奏效的方法。”1879年，他终于获得了成功，这得益于两个因素：首先，他把灯丝放进玻璃灯泡中，然后把灯泡里的空气（包括氧气）抽掉。爱迪生试验了超过1500种材料才找到合适的灯丝，包括椰纤维、钓鱼线和脸上的毛发。


和其他温度计不同，耳温计通过探测不可见的红外光来读取体温

耳温计如何测量体温？
耳温计主要读取人耳内表面散发出的热辐射光谱。一切物体都会散发出热辐射（包括白炽灯发出的光），辐射表明它们的温度。物体温度越高，热辐射就越明亮，也就有越多的辐射波长变短。人耳散发出的热辐射属于光谱中的不可见红外线，这也是为什么看不到人发光。但是，耳温计可以看到这个不可见光，并利用光判断耳朵的温度。温度计的热辐射传感器工作迅速，所以只需几分钟便能测出人体的温度。

为什么有些物体在黑暗中闪闪发光？
在黑暗中闪闪发光的贴纸、星星、玩具和衣服，都是先吸收光线然后再把它们释放出来。这些物体含有磷光剂，磷光剂是像硫化锌这样的物质，被自然光激活以后能发出可见光。自然光消失以后，磷光材料还会继续发光。它们含有电子，电子吸收光能以后，遇到较高的能量，很容易便被激活。在磷光材料中，例如在黑暗中闪闪发光的物体，易感电子的灵敏度降低，但仍处于中级水平，而且很长时间以后才恢复到它们的基本状态（原始的能量水平），剩余的能量就以可见光的形式散发出来。

照相机如何拍摄照片？
当你按下照相机上拍摄照片的按钮以后，快门打开，光进到里面并停留瞬间。光穿过镜头，聚焦在胶卷上，在按键的那一瞬间在胶卷上留下了照相机“看”到的场景。胶卷上涂了一层感光的化学物质以保存影像，但是通常要把它放在一个装有其他化学物质的盆中，才能洗出照片，永久保留。胶片被制作成底片，底片上的图像和拍摄到的截然不同：黑色部分看起来很明亮，明亮部分看起来却很灰暗，颜色也与原来的恰恰相反。但是当光穿过这些底片照射到特殊的照片纸上——这也利用化学物质来完成，图像便恢复正常，和拍摄的时候一模一样。“快速”照相机中含有这些化学物质，能迅速处理胶卷。照片出现在照片纸上，在你等待的过程中形成图像。数码相机的工作原理和电视摄像机的一样：它们不使用胶卷，而是形成电子照片。把照片上传到电脑里，就可以调整它们的大小、形状和颜色，然后打印出来。

什么是达盖尔银版照片？
达盖尔银版照片是世界上第一种成功拍摄出来的照片。它以法国化学家路易斯·达盖尔（Louis Daguerre）的名字命名，达盖尔于1839年在法国科学院的一次会议上公布了他的发明。他的摄影方法不使用胶片，而是在镀有一层薄银的铜板上形成高清晰的图像。达盖尔银版法的拍摄过程很复杂。首先，把镀银的铜板表面洗净抛光，让它看起来就像一面镜子。然后，把铜板放在一个装有碘溶液的密封箱内进行敏化，直到它看起来就像一朵黄玫瑰。接下来，把铜板用不透光的小盒子装着，放进一个小照相机里。紧接着，让铜板曝露在光下，再用热水银激活，直至图片显现。最后，把铜板浸在一种特殊的化学溶液中，然后涂上氯化金，把图片固定下来。最早的银版照片的曝光时间为3—15分钟。美国摄影师迅速抓住这一新发明，用达盖尔银版法拍摄半身像，比如出现在热门期刊和书籍中的亚伯拉罕·林肯总统的照片。19世纪50年代后期，随着速度较快且成本较低的玻璃干板照相法的出现，达盖尔银版法便不再那么受欢迎了。

X射线如何给骨头拍照？
X射线与可见光相类似，两者都是一种以波的形式传播的电磁能。但是X射线的波长较短，所以肉眼无法观测到。就像光能穿过玻璃等物体，X射线也能如此。例如，它们能穿过皮肤、肌肉和器官，但是不能穿过骨头（含有较重的原子）等密度较大的部位。当你拍摄X射线时，光波透过你的身体投射到涂有特殊化学物质的胶片或金属板上。大部分光波遇到骨头时都会停下而转到其他部位，拍完以后，这些部位在X射线上呈现出黑色。骨头显得明亮清晰。当给胃、肠等器官拍摄X射线之前，病人会喝下一种能阻止X射线的特殊液体。液体把器官包裹住，器官的图片就可以拍摄出来。

什么是激光器？
1960年，美国物理学家希欧多尔·梅曼（Theodore Maiman）首次发明出激光器，激光器是一种能产生强烈的高能量光线的机器。因为激光的光线都有着相同的波长，并朝完全相同的方向移动，从而集合成一束精确度极高的狭窄光束，所以它比普通光线更加强大。制成激光所用的材料和能量不同，激光光速的能量也不同。无论是坚硬的金属还是复杂的人体，激光都能熔化、燃烧或者刺穿它们的表面，这也是今天它常常用在外科手术中的原因。利用激光，能获得精确的测量结果，能用于重塑角膜、矫正视力、传输电话信号、制导武器和读取超市的条形码。

什么是条形码？
条形码是出现在商品标签上的一组数字产品代码。一个完整的条形码有12位数。每一位数由宽度不等的两条黑色条纹和两条白色条纹进行编码。每一位数都代表着不同的信息。例如，第一位数表明产品的类型，其他数字代表着生产地的编号与价格。条形码最初用来帮助提高杂货店分拣商品的速度，并更好地记录库存，但因为它的成功运行，很快就应用到其他所有的零售商品中。条形码可用一种叫作条形码阅读器的激光扫描仪成功读取，或者用一种特殊的软件扫描图像得出。

CD上的音乐是如何用激光制作的？
音乐以数字数据的形式储存在一张激光唱片上。激光唱片的底面是一张金属薄片。它的螺旋轨道里填满了代表声音的微小圆形凹陷，又称小坑。激光束能把唱片上有凹陷的轨道转换成声音。

普通光从光源处发射出来以后，向不同的方向扩散，激光与此不同，它们能以极高的精确度集合成一束。激光扫过唱片上的轨道，传感器探测闪闪发光的平面部分（能把光反射回去）和小坑（不能把光反射回去）。这些断断续续的反射光再转换成电子信号。唱片机里的电脑内存巨大，储存着反射光所有可能的组合，它再在扬声器中把电子信号转换成有着不同音高和音量的音符。然后就可以播放音乐啦！

镜子如何利用光创造出影像？
当光粒子——被称为光子——照射到镜子以后，就会反射回来，有些光子进入我们的眼睛，我们便在镜子中看到物体。光子遇到粗糙的表面会随意反弹，遇到镜子等光滑的表面则以照射到物体的相同角度弹回。这种现象在科学上就叫作反射。光子在身体的任一部位杂乱无章地反弹着，遇到镜子以后，就从同一点以相同的角度反射回来，进入我们的眼睛。因此，身体的每一个部位都在镜子中构成一个图像，组合在一起就是一个完整的身体影像。


因为当光波穿过玻璃等材料时，速度会发生改变，所以我们能用透镜让光线发生弯折，甚至还能放大物体

放大镜是如何工作的？
放大镜是一块凸透镜，这意味着它向外弯曲，中间部分比边缘厚得多。用它观察物体时，这种形状能使物体的光波发生弯折，我们看到它的方式便与平常不同。把放大镜靠近物体，物体的光波变宽，然后在眼中聚焦，从而看起来变大许多。但是当举起放大镜远离物体时，物体就会变小且颠倒过来。这是因为图像与透镜的焦点离得很远。凸透镜的弯曲度越高，折射和放大光的能力就越强。显微镜（能看到极微小的物体）、双目镜和望远镜（能让遥远的物体看起来更大、更近）也都使用凸透镜。

简易家居用品
谁发明了拉链？
和很多发明一样，现代拉链的发展也由一系列事件构成。1893年，惠特科姆·贾德森（Whitcomb Judson）成功申请了专利，并开始销售“自动纽扣”，这是一种有着复杂钩扣环的鞋扣。惠特科姆和商人科罗内尔·路易斯·沃克（Colonel Lewis Walker）一起创立了全球滑动式纽扣公司，负责生产这种新装置。虽然不少人常常把惠特科姆誉为拉链的发明者，但是他并没有使用“拉链”一词。相反，在这家公司供职的瑞典电气工程师吉迪恩·桑巴克（Gideon Sundback）是真正的“拉链”之父。他负责改进贾德森的纽扣，并在1913年12月设计出现代拉链。桑巴克把紧固件从每英寸4个增加到10个或11个，用滑动器把两排相对的锁齿合成一个整体，并根据滑动器增加了相应的孔眼。他还发明了一台用于生产拉链的机器。

家电有哪些共同点？
尽管家电的功能各不相同，线路系统、管道和通风孔也各具特色，但它们的运行都离不开电。它们还依赖变压器，变压器发明于19世纪，能把电转换为家庭用电。20世纪早期，两项重大工程创新——电阻加热与小型高效电动机——的出现，带来了电炉灶、电熨斗、真空吸尘器、洗衣机、烘干机和洗碗机。20世纪后半叶，随着电子科学的进步，电气用具有了定时功能，甚至能够程控，大大减少了完成简单任务所需的工作量。

真空吸尘器如何清扫灰尘？
詹姆斯·斯潘格勒（James Spangler）是俄亥俄州一家百货公司的看门人，患有哮喘，在1907年发明出“电子吸尘器”，能够清扫掉引发其健康问题的灰尘和碎片。这便是第一台实用的家庭真空吸尘器。斯潘格勒的吸尘器利用电扇产生吸力，用旋转的刷子疏松灰尘，用枕头套做过滤器，用扫帚柄做把手。因为吸尘器很重而且很难操纵，所以斯潘格勒把这项发明的专利卖给了一个叫作威廉·胡佛的亲戚，胡佛重新设计吸尘器的时候，刚好有了小型高速交直流两用电动机，能让交流电和直流电同时流过电器的转子和定子。与又大又笨重的感应电动机相比，交直流两用电动机为真空吸尘器带来了更强的马力、更大的气流和吸力、更好的空气冷却装置，以及更佳的便携性。如今，胡佛电动吸尘器大有改进，但它的机械原理仍应用于今天的真空吸尘器。

洗衣机如何洗衣服？
所有洗衣机的运行都要用到机械能、热能和化学作用。洗衣机顶端的搅拌器（一种可来回移动的简单装置）的旋转或者前端圆筒的滚动，都要用到机械能。热能用来调节水温。洗衣粉和水混合以后发生化学作用，能去除污垢。你只要把衣服放进去，倒上洗衣粉，然后按下按钮或者调好温度、搅拌强度、漂清周期和持续时长，洗衣机便能进行剩下的工作。它用搅拌器或圆筒搅拌（或清洗）衣物，排掉污水，最后把衣服上剩余的水拧干。为了完成这些，洗衣机要用到外筒和内筒。装有搅拌器的内筒用来装衣物和拧干衣物的水分。它连在一个变速箱上，变速箱反过来连在一个黑色金属框架上，里面装着发动机。外筒用螺栓固定在机体上。洗衣机后面有两个放置热水管线和冷水管线的挂钩。洗衣机完成清洗、漂净和拧干的工作以后，洗干净的衣物就可以进行烘干了。

冰箱是如何工作的？
19世纪70年代，德国工程师卡尔·冯·林德（Carl von Linde）发明出可连续液化大量液体的方法，并用这一方法制造出第一台使用压缩氨气的高效冰箱。这一划时代的机器促进了现代制冷技术的发展。今天的冰箱靠氨气运行，氨气利用热力学在高压的情况下发生液化，根据热力学这一科学定律，当两种温度不同的物体相遇或相近时，温度较高的物体表面温度会下降，反之亦然。有了压缩机、小阀门和管道以后，液体氨遇到低压以后沸腾起来，变成挥发气体。管道经过冰箱中温度最低的部分、冷冻库和主体部分。管道里的低温液体氨吸收冷冻库和冰箱外面的热量以后，整个冰箱的温度变低。压缩机再重新吸收氨气，不断重复利用。冰箱里的温度计能调节气温，保证其处于恒温状态。

热水瓶如何为冰冷的物体和温热的物体保温？
因为保温瓶用真空——一个不含气体的空间——来防止瓶内热物的热量散发出去，同时防止热量进入瓶内给冰冷的物体升温，所以又称真空瓶。真空处在瓶胆和外壳之间的狭小空间里，外面空气中的热量进不来，里面的热量也出不去。保温瓶之所以用到真空，是因为它不含空气（和分子），因而也没有传导性（热量由分子运动产生）。因为它的开口也用塞子或绝缘材料制成的塞子或盖子牢牢盖住，所以热量也无法进出。瓶内温热的食物可以保温多个小时；同样地，由于真空阻挡了外部热量的进入，冰冷的食物也不会升温。


保温瓶之所以保温，是因为它用到隔热材料，并把物体储存在真空中

保温瓶的瓶胆过去常常用玻璃制成，玻璃是一种很好的绝缘体。瓶胆还镀有一层闪闪发亮的银，因而闪闪发光，具有反射性。这种镜面瓶胆的效果特别好——它们能有效地把所有热物散发热能的不可见射线弹回去。但是这也存在一个问题，即玻璃保温瓶很容易被打碎。今天，大部分保温瓶使用的是金属或塑料材料，虽不易碎，但保温效果却不怎么样。此外，因为里面的真空并不完美——含有一些空气，盖子盖得也不严实，所以无法一直保温。

烤箱是如何工作的？
烤箱里有一个面板，面板上排列的粗线能加热和烤熟食物。当你推下降低面包高度的控制杆后，控制杆挂到烤箱内的钩子上，打开加热器。当面包变成棕色，整体酥脆，烤箱里的一个特殊金属开关也被加热变弯。一段时间过去后，金属开关弯到一定程度，推动长条，控制杆就从钩子上松开，烤箱便停止工作。这一活动也把弹簧弹开，控制杆从而再次升起，面包从里面蹦出来。

咖啡机如何煮咖啡？

最普通的咖啡机即滴漏咖啡机，滚烫的水滴落到磨碎的咖啡豆上，从而煮好咖啡。当水桶里的水流过一根耐热管时被加热，管子通到滴漏区，放出接近沸腾状态的热水（100摄氏度）。水被加热元件加热（一个电阻加热线圈，在电流流过时释放出热量），电热元件与水桶里的水直接接触，同时给放置着玻璃咖啡容器的电热垫加热。今天，大部分咖啡机要么是半自动的，要么是全自动的。按钮和开关取代了手动压杆和推杆。有些咖啡机现在还有着特殊功能，比如内置的咖啡研磨机和泡沫制造机。

为什么微波炉能如此快速地烹饪食物？
烤箱利用气体燃烧或电流产生的热波烹饪食物，和它们不同，微波炉用的是一种叫作微波（与光波相似）的特殊电磁能。热波在食物内部慢慢为它们加热，微波却能瞬间穿过食物。在微波炉中，有一个叫作磁控管的装置，它发射出一束微波，微波穿过一个转动的电扇，向四周散开。当它们穿过食物时，它们的能量被食物中的水分子吸收。水分子以和微波同样的速度（每秒钟振动24.5亿次）高速振动，与其他分子相互摩擦。这些运动和摩擦产生了巨大的热量，从而把食物彻底烧熟。微波烹饪的过程和蒸烘很相似，这也解释了为什么食物不会变成棕色的。但是，有些微波炉装有传统的加热元件，能让食物看起来更加诱人——让它外面的颜色看起来和普通烹饪出来的一样。

微波能从一些材料中穿过（这些材料不会被加热），也能被一些材料吸收，还能被一些材料反射或弹回。因此，我们要注意放到微波炉里的容器和遮盖物。例如，微波能穿过玻璃、塑料膜、纸制品和大部分厚塑料制品，这些都可以安全使用。但是铝箔等金属容器和遮盖物却具有反射性。这些材料使得食物无法吸收微波而把它们弹开，弹开的微波数量太多，微波炉很可能就会烧坏。


灭火器应该只允许大人或在大人的指导下使用——并且只能在火灾期间

为什么物体燃烧时会冒烟？
物体着火时，周围空气的温度升高。加热的空气推升水蒸气（飘浮在空气中的水分子）和燃料的细小微粒（燃烧着的材料），形成一团黑色的烟云。物体燃烧得越彻底，进入到空气中的微粒就越多，产生的烟雾也越多。烟雾慢慢飘散开，同时重量最大的微粒在重力的作用下沉到地面。当火刚燃烧起来时，通常会出现大量烟雾，随着更多的燃料充分燃烧，烟雾减少。烟雾探测器正是利用了火初燃时会产生大量烟雾这一现象。探测器在火真正燃起来之前，检测到烟雾中的微小粒子。光学烟雾探测器用的是光束和光敏元件，当烟雾粒子进入光束以后，光敏元件发出警报。离子烟雾探测器能检测到更小的粒子；它们对探测器内部的微弱电流产生干扰，于是触发警报。

灭火器是如何工作的？
物体燃烧需要热量和氧气。所有燃料有着自己特定的燃烧温度，当它们遇到空气中的高热量而达到这一温度时（叫作它们的燃点），便开始燃烧。燃料失去热量或氧气，火就会熄灭。水常常用来灭火。丰富的水资源几乎到处都能找到，而这在扑灭燃烧的建筑物等重大火灾时非常重要。水能灭火有两个原因。首先，它让燃烧的物体迅速降温。其次，它把物体包裹住，使得含有氧气的空气无法进入。

但是，水无法扑灭油类火灾。因为油漂浮在水面上，所以发生油类火灾时，水无法切断氧气供应。这就必须使用其他不易燃物质——液体、气体或粉末——来熄灭大火，阻止氧气进入。大部分灭火器内装满了二氧化碳，二氧化碳是一种能阻断燃烧的重型气体。二氧化碳释放出来以后，形成一种如雪般的泡沫，覆盖并冷却火焰。小苏打也可用在灭火器当中，常常用来扑灭油化工火灾。小苏打遇热迅速熔化，在火焰表面形成外壳，阻断氧气。如果你的手边没有灭火器，遇到含有油脂的烹饪火灾，就应该把小苏打扔进去；水只会让火苗飞溅，火灾蔓延。因为灭火器中的物质必须快速覆盖大片区域，所以就需要一个强力喷雾器。灭火器中的灭火物质压力非常大，必须用巨大的力量才能把它们从喷嘴中释放出来。

能做家务的机器人发明出来了吗？
是的！机器人已经能完成许许多多人类不能做或不想做的工作。1986年，本田汽车公司推出了当时世界上最高级的人形机器人ASIMO，ASIMO一词是Advanced Step in Innovative Mobility的缩写，意为“移动创新的高级阶段”。ASIMO高4.3英尺（1.3米），重119磅（54千克），是世界上第一个能独立行走和爬楼的人形机器人。除了能像人一样行走，它还能理解程序化的手势和语言命令，识别声音和面貌，并与交流卡相连。ASIMO有胳膊和手，因此能完成诸如开灯、开门、运送物体和推车等工作。本田不希望它制造出的机器人成为另一个玩具而是成为人类的助手——它能帮着做家务、帮助老人和那些坐在轮椅上或躺在床上的残疾人。2008年，韩国科学技术学院的研究者们公布了一个叫作Mahru的人形机器人，它能跳舞，还能做家务。在一些国家，机器人已经取代了一些岗位，像日本一些企业中的求助台。

像ASIMO和Mahru这样的机器人是如何工作的？
ASIMO和Mahru都是精密昂贵的高科技先进机器，仿照人类的主要特点制造而成。机器人技术员仿照人体内部工作原理制造机器人，以保证它们足够逼真。首先，技术员设计出机器人所需的五个重要部分：身体结构、肌肉系统、感官环境、动力源和大脑系统。然后，他们制造出一个由电路、电动阀、活塞筒、电动机、螺线管、液压系统和其他零件组成的复杂机器，每个零件都担负着特定功能，从而保证机器人的运行。每个机器人都装有电脑，电脑控制着体内的一切活动。

很多机器人可以说话，有些甚至可以闻气味、尝味道和听声音。为了让机器人的身体动起来，电脑必须对特定部位发出移动的命令。如果技术员想要它们完成新任务，他/她便写出新的电脑程序。在某些情况下，如果任务太大，机器人的电路系统完成不了，就要给它安上新的部件。