孩子一定要知道的50个世界科学奇迹

孩子一定要知道的50个世界科学奇迹：材料类发明

1．陶瓷

奇迹概览

　　陶瓷是陶器和瓷器的总称，是指以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它一般是用可塑性制瓷粘土做胎体，用长石和石英等原料制釉，通过成型、干燥、烧制而成的制品，从最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于陶瓷的范围。

　　最早的陶器仅仅作为器皿被应用于日常生活，后来随着时代和工业的发展，陶瓷逐渐呈现出其艺术价值。至今，陶瓷已经发展为陶瓷工业。因此，现今的陶瓷主要分为日用、艺术欣赏和收藏以及建筑陶器，陶瓷以它不同的品种和价值呈现在人们的生活中。

⊙奇迹探秘：

　　1. 陶瓷是在什么时候被发明的？是哪个国家的人发明的？哪个国家的陶瓷最有名？

　　陶器的发明是原始社会新石器时代的一个重要标志。中国是世界上最早烧制和使用陶器的国家之一。早在10000年前，中国古人就把黏土塑造成需要的造型，烧制成不同种类的生活器物，这就是最早的陶器。

　　随着陶器的发展，早在欧洲人掌握瓷器制造技术1000多年前，中国人就已经制造出很精美的瓷器。而英文中的“china”是陶瓷的意思，而大写后的“China”就是中国，这就表明了中国就是“陶瓷的故乡”。

　　　2． 陶器和瓷器一样吗？如果不一样，那它们有什么不同呢？

　　瓷器和陶器是两种不同的物质，但是，两者又存在着密切的联系。瓷器是在陶器技术不断发展和提高的基础上产生的。陶器的出现可以追溯到8000或9000年以前，瓷器的出现则是在商周时代，距今有3000多年。商代时期，白陶的烧制成功标志着瓷器制造的开始。

　　陶器与瓷器的区别主要有如下几点：一、烧成温度不同。陶器烧成温度一般在800℃左右，瓷器的烧成温度大都在1300℃左右。二、坚硬程度不同。陶器烧成温度低，胎体硬度较差，敲击时声音发闷；瓷器的烧成温度高，胎质坚固致密，敲击时声音很清脆。三、使用原料不同。陶器的胎料是普通粘土，而瓷器的胎料则是瓷土，即高岭土（因最早发现于江西景德镇东乡高岭村而得名）。四、透明度不同。陶器不具备半透明的特点，而瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。

　　以上几个方面中，最主要的条件是原材料和烧成温度。因此，制陶工匠一旦掌握了烧成温度的技术，并认识到高岭土与一般黏土的区别，便具备了发明瓷器的条件。

走近奇迹

　　说到陶瓷，就不得不从考古学家所发现的出土文物中去寻找古人使用和制造陶瓷的足迹。

　　1986年，考古学家在河北省徐水县南庄头遗址发现了很多陶器碎片，是迄今为止中国发现的最早的陶片，距今约有10800年到9700年。从这些残陶片中，可以看出当时的古人尚未使用窑炉制陶，而是平地堆烧。其中，陶片的器型都是用盘筑或手工捏成型的罐、钵之类的小型陶器。虽然这些陶器原料粗糙、造型简单、烧成温度低，但它大大地改进了原始人的生活质量。

　　1973年，考古学家在河北省武安县发现的磁山遗址中，有大量距今7900年以上的陶器，其中主要有鼎、罐、盘、三足壶、三足钵、双耳壶等，器物大多是素面无纹，部分陶器饰有花纹。由此可以推断，人类的祖先最初用陶器作为储存食物的器皿。

　　距今6000年的仰韶文化时期的陶器以红陶（由于陶坯与大量空气接触烧成的陶器为红色）。从出土的文物来看，当时的制陶业已比较发达，烧制陶器的土是具有一定塑性的黏土，部分小型陶器已经采用模子制作了。到了仰韶文化后期，人们不再把陶器直接放在火焰上烧烤，而是开始使用陶窑烧制陶器，这是一个相当大的进步。而最能反映当时制陶水平的是细泥彩陶，它的表面呈红色，里表磨光，且造型独特，陶器上还绘有生动逼真美丽的图案，可见当时的制陶工艺已达到相当成熟的阶段。

　　随着社会的不断进步，陶器的质量也逐步提高。到了商代和周代，已经出现了专门从事陶器生产的工种。正是这个时期，人们在制陶的过程中发现原材料和烧制温度的变化会导致陶器的质地和外表的不同，因此，瓷器逐渐发展起来。

　　在商代和西周遗址中发现的“青釉器”已明显的具有瓷器的基本特征。它们质地较陶器细腻坚硬，烧结温度高达1100—1200℃，器表面有一层石灰釉。但是它们与瓷器还不完全相同，所以，被后人称为“原始瓷”或“原始青瓷”。

　　原始瓷从商代出现到东汉时期，历经了1600—1700年的变化发展，由不成熟逐步到成熟。东汉以来至魏晋时制作的瓷器为青瓷，加工精细，胎质坚硬，表面施有一层青色玻璃质釉。到了南北朝时期，中国白釉瓷器的制造逐渐发展起来。到了唐代，瓷器烧成温度达到1200℃，瓷的白度也达到了70%以上，接近现代高级细瓷的标准。

　　而宋代的瓷器，不仅在胎质、釉料和烧制技术等方面有了新的提高，而且在工艺技术上有了明确的分工，这使中国瓷器的发展进入了一个重要阶段。明清时期可称之为我国陶瓷生产的黄金时代。当时，景德镇青花瓷器成为我国陶瓷生产的主流。而青花瓷器的发展和盛行，改变了一直以来以青瓷为主的生产格局。康熙、雍正、乾隆三代时期，工艺技术较为复杂的瓷器产品多有出现，各种颜色釉及釉上彩异常丰富，因此，被认为是整个清朝统治下陶瓷业最为辉煌的时期。

　　而随着近代科学技术的发展，近百年来又出现了许多新的陶瓷品种。它们不再使用或很少使用粘土、长石、石英等传统陶瓷原料，而是使用其他特殊原料，甚至扩大到非硅酸盐，非氧化物的范围，并且出现了许多新的工艺。

　　纵观陶瓷的发展史，它已经成为中华文明史的一个重要的组成部分。无论任何一个年代，中国瓷器始终因极高的实用性和艺术性而备受世界人士的推崇。

⊙奇迹探秘：

　　　3．陶瓷上的釉是什么？有什么作用？?釉都有哪些种类？

　　釉是一种硅酸盐，陶瓷器上所施的釉一般以石英、长石、粘土为原料，经研磨、加水调制后，涂敷于坯体表面，经一定温度的焙烧而熔融，温度下降时，形成陶瓷表面的玻璃质薄层。它使陶瓷器更加坚固，同时也可以防止液体、气体的侵蚀。釉还有增加瓷器美观和便于洗拭、不被尘土粘染等作用。釉的种类很多，由于不同种类的釉中所含氧化金属物的不同以及烧成气氛各异，釉色有青、黑、绿、黄、红、蓝、紫等不同的色彩。

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【陶瓷的名品代表】

　　　白陶：是指器胎的表里都呈白色的一种陶器，器胚多是手工捏成，胎体以瓷土或高岭土为主要成分，烧成温度在1000℃左右，因此是陶器向瓷器的飞跃。

　　　彩陶：是指以赤铁矿粉和氧化锰为颜料，使用类似毛笔的工具，在陶坯表面上绘制各种图案，入窑经火烧后，在橙红的底色上,呈现出黑、红、白等颜色的陶器。

　　　黑陶：是在器物烧成的最后一个阶段，从窑顶徐徐加水，使木炭熄灭产生浓烟，并有意让烟熏黑而形成的黑色陶器。

　　　唐三彩：是一种盛行于唐代，以黄、褐、绿为基本釉色的陶器，被后人称为“唐三彩”。

　　　青花瓷：又称白地青花瓷器，是用含氧化钴的钴矿为原料，在陶瓷坯体上描绘纹饰，再罩上一层透明釉，经高温火焰一次烧成。青花是中国瓷器制造技术中的一种工艺手法，原始青花瓷于唐宋已见端倪，今以景德镇出产的最为著名。

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【景德镇瓷器】

　　景德镇，位于江西省东北部的长江河畔，地处赣、浙、皖三省交界，是中国唯一一座以生产陶瓷而著称的古老城市。景德镇自五代时期开始生产瓷器，至今已经走过了1000多年的发展历程。景德镇素有“瓷都”之称，这里千年窑火不断，其瓷器以“白如玉，明如镜，薄如纸，声如磬”的独特风格享誉海内外。景德镇的玲珑瓷、青花瓷、粉彩瓷、颜色釉瓷合称景德镇四大传统名瓷。因此，景德镇陶瓷艺术是中国文化宝库中的重要财富。

2．青铜冶铸

奇迹概览

　　青铜是世界冶金铸造史上最早的合金，也是人类历史上一项伟大的发明，青铜铸造工艺的产生，结束了漫长的石器时代，预示着一个新的时代的来临。它带动了农业和手工业的发展，并且促进了车、船、雕刻、金属加工等制造技术、以及军事和经济社会的发展，带来了技术革命的曙光。青铜器的应用，代表了当时的科技水平和文化艺术水平，也是一个时代的标志。

⊙奇迹探秘：

　　　1．青铜冶铸技术是在什么时间发明的？

　　公元前3500年，古代的中国人把锡和铜混合冶炼成为青铜合金，从此发明了青铜冶铸技术，并用此发明制造出了各种可以应用的工具和器具。

　　　2．中国出土的最早的青铜器是什么？

　　1975年，中国发现了第一件青铜器，是甘肃省东乡县林家村出土的马家窑文化的青铜小刀，年代约为公元前2700年。

　　　3．目前，世界上发现的最大的青铜容器是什么？

　　　司母戊鼎，又称司母戊大方鼎，1939年3月出土于河南省安阳市，是目前世界上发现的最大的青铜容器。司母戊鼎是中国商代后期王室祭祀用的青铜方鼎，它高133厘米、长110厘米、宽79厘米、重约832千克。该鼎曾是商王武丁的儿子为祭祀母亲而铸造的。现在保存于中国历史博物馆内。

走近奇迹

　　在距今约5800年的西亚，人类学会了用氧化铜矿石与木炭混合加热还原得到金属铜。但无论是用天然铜还是人工铜制成的工具都比较软，不易保持锐利的锋刃。经过上千年的摸索，人们渐渐懂得在铜中掺入锡，形成的铜锡合金，这种技术的应用使得工具更硬，更易于加工和铸造，于是便出现了青铜。

　　青铜铸造业在石器加工中产生并发展起来的，但青铜器比石器锋利、耐用，并且具有熔点低、铸造性能好的优点。

　　青铜器在中国的发展从夏代开始，到商、周时代、春秋及战国初期达到鼎盛时期，长达1600多年，这个时期的青铜器主要分为礼乐器、兵器及杂器。这些礼器用于古代礼仪中，或陈于庙堂，或用于宴饮、盥洗，还有一些专门做殉葬用。到秦汉以后，青铜器逐渐被铁器、漆器、瓷器所取代。

　　夏代是青铜器的发展时期，还处在石器、铜器、青铜器并用的时代，但那个时代只有少部分的青铜器。

　　商周时期，青铜器的冶铸技术已经达到了世界的高峰。青铜器被大量应用于生产工具，农具，生产工具包括斧、锛、钻、钻、刀、削、锯、锥等，农具包括锄、铲、，武器有戈、矛、钺、镞。还有用青铜铸造的精美的礼器、乐器、车马器和生活用具等。青铜器的应用对农业的发展及兵器的改革起到了重要的推动作用。

　　商周这一时期铸造了很多精巧的青铜器，如湖南出土的四羊方尊，河南出土的链鹤方壶等。其中四羊方尊是商朝晚期的青铜器，是青铜器中的精品，现收藏于中国国家博物馆内。

　　春秋战国时期，青铜冶炼技术仍然在继续发展，当然已经不像前朝那样繁琐，而是讲究实用和朴素风格。商朝和西周时期盛行酒器，而这一时期，青铜器逐渐趋向于日常生活用具，如铜镜、带构、货币、玺印、符节等，曾在湖北随州出土的大型曾侯乙编钟则是春秋时期高超的冶炼技术的反映。

　　从大量的存世青铜器物看，到战国时，我国的青铜手工业，已非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术，在冶铸工艺技术上已处于世界领先地位。在炼铜中，不仅掌握了合理的合金配比，还掌握了根据火焰的颜色，用“火焰鉴别法”来判定是否精纯。冶炼中的另一项重要成就是湿法炼铜，即铜胆法。把硫酸铜或碳酸铜（古称曾青、胆矾、石胆等）溶于水，使成胆水，然后投铁块于溶液中，因铁的化学性能比铜活泼，铁离子会置换出铜来。这是世界上最早的湿法冶金。

　　秦代以后，随着铸铁技术的发明与铁器的推广，在兵器、工具等方面，铁器已占据了主导地位，而陶瓷器皿在生活用品中占据了主要地位，青铜器开始淡出了历史的舞台。

　　青铜铸造技术的发明，结束了漫长的石器时代。青铜文化的变迁体现了社会、经济的变迁及文化内涵的变迁，开创了人类使用工具和武器的先河，极大地促进了生产力的发展。

⊙奇迹探秘：

　　　4．怎么辨别青铜器是在哪个朝代铸造的呢？

　　不同时期的青铜器有不同的风格，可以从图案，花纹和镶嵌物上进行辨别。

　　商代的青铜器大多以鸟兽为图案，如四羊尊、象尊、猪尊和鸮尊等。西周早期仍然延续商代的青铜器，但是到了中期时，则开始趋近于俭朴风格。方鼎、觚、爵、角、斝、觯、觥、卣、方彝等早期常见的青铜器已经大规模减少或消失，列鼎和编钟开始出现。列鼎是人的地位和身份的象征，按照高低的阶层来实行数量分配：天子九鼎，诸侯七鼎，大夫五鼎，士三鼎。部分西周青铜器还带有铭文。

　　而战国青铜器的风格华美瑰丽，他华丽的风格主要表现在金银错等镶嵌在器物上，金、银及红铜等金属或松绿石、水晶、玉、玛瑙等矿石，填充或镶嵌在青铜器的花纹空隙处，产生了多色彩的效果。

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【青铜之冠】

　　1980年12月，在秦始皇陵西侧7米多深处发掘出两乘大型铜车马，人、车、马的大小均为实物的1/2。铜马车通体彩绘，长3.28米，高1.04米，总重1.8吨。车舆呈方形，箱上有穹庐式车盖，象征天圆地方，车的两轮象征日月。整个铜像做得很精细，马的腿部肌肉具有动感，人的表情面带微笑，连窗上的拉带，马头的缨络都做工精细，一丝不苟。迄今为止，它是中国发现的体型最大、装饰最华丽、结构最逼真的古代铜车马，所以，被誉为“青铜之冠”。

　　这种高超的冶铸工艺水平，是我国古代科学技术的结晶。其制作工艺是：先分铸，然后用嵌铸、铆接、焊接、销钉固定等方法，组合在一起。车轮用分铸法，先分别铸出车毂和车辐，然后插入榫头固定。铸壁极薄，伞盖最薄处仅2毫米，这要十分准确地掌握铜液和模具的温度才行。现在，这尊铜马车在秦始皇兵马俑博物馆内展出。

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【青铜时代】

　　青铜时代，又称青铜器时代、青铜文明，人类使用青铜器是标志着人类文化发展到一个新阶段。

　　在青铜时代，世界上青铜铸造业形成几个重要的地区，这些地区成了人类古代文明形成的中心。在古代文化发达的一些地区，青铜时代与奴隶制社会形态相适应，如爱琴海地区、埃及、美索不达米亚、印度、中国等国家和地区，此时都是奴隶制国家繁荣的时期。进入文明的地区在青铜时代已经产生了文字。但是也有一些地区，没有经过青铜时代演变直接过渡到铁器时代。

　　中国进入青铜时代相对西亚、南亚及北非而言到来较晚，但很快发展到相当高的水平。在距今4500－4000年前的龙山时代为形成期（龙山文化处于中国新石器时代晚期，是铜石并用的时代）。鼎盛期即中国青铜器时代，包括夏、商、西周、春秋及战国早期，形成了一套高水平的采铜、冶铸技术体系。

3．生铁冶炼

奇迹概览

　　在人类历史上有很多原材料发挥过重要的决定性作用，而在这其中，铁应该居首位。无论在世界哪个地区，冶铁技术的发明都是划时代的重大事件。最早的生铁冶炼技术出现在我国的春秋中期（约公元前6世纪），比欧洲掌握这项技术早了2000多年的时间。中国冶铁技术的发达程度在世界冶炼史上处于绝对领先的地位。生铁冶炼技术的出现，对封建社会的作用可以与蒸汽机对资本主义社会的作用相媲美。铁的发现和大规模使用，是人类发展史上一个光辉的里程碑，它把人类从石器时代、铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。

⊙奇迹探秘：

　　　1．世界上最早的铁器是在哪里出现的？

　　1973年，在我国河北省藁城台西村商代中期（公元前13世纪中期）遗址出土了一件商代铁刃铜钺，表明中国的劳动人民早在3300多年前就认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别出铁与青铜在性质上的差别。通过把铁铸在铜兵器的刃部，以加强铜的坚韧程度。而经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。

　　世界上最早的铁器属于我国春秋时代，江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸，以及河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛，都是迄今为止我国最早的生铁工具。战国中期以后，出土的铁器遍及当时的七国（秦、楚、燕、韩、赵、魏、齐），被广泛应用到社会生产和生活的各个方面，在农业、手工业部门中已占居主要地位。楚、燕等地区的军队，装备基本上也以铁制武器为主。战国时期的铁器还经由朝鲜传入日本。西汉时期，应用铁器的地域更为辽阔，器类、数量显著增加，质量又有提高。东汉时期铁器最终取代了青铜器。

　　我国古代劳动人民制造出来的铁器也是世界闻名。河北沧州的铁狮，建于五代时期，距今已有1000多年的历史。而位于河南开封的北宋开封铁塔，更是有“天下第一塔”的美称。

走近奇迹

　　中国是最早发现和掌握炼铁技术的国家。在我国，最早的人工冶炼的铁是在春秋战国之交时期出现的。可见，从很早的时候开始，制铁技术就已经在我国流行开来。遗憾的是，中国最早开始使用铁器的年代目前还没有确定。

　　生铁冶炼采用的是“高温固态还原法”，是使它的炉温达到1150℃—1300℃，在这种炉温下，通过被还原生成的固态铁吸收碳，降低其熔点，从而得到液态的生铁，液态生铁可以直接浇铸成器。

　　在古代，世界上冶炼生铁的技术由于炼铁炉容积的限制，鼓风力弱而只能炼出海绵状的块状铁。而从春秋晚期开始，中国在炼铁技术上开始有了自己的发展，并迅速走在了世界的前列。当时，竖式炼炉开始成为生铁冶炼的主要设备。为了改善生铁的性能，中国在战国早期还发明了生铁柔化技术，从而得到高强度可锻铸的铁。特别是到了汉代，由国家专门设立的冶铁作坊，其冶铁的技艺一天比一天精进，使生铁得到了大量的生产。冶铁技术在我国秦汉时期得到了进一步的发展。高炉炼铁已成为一种经济而有效的炼铁方法。而且在汉代还出现了球墨铸铁。待到了宋代，人们更是发明出了水力鼓风机，使得冶铁高炉的鼓风设备达到世界先进，为生铁的大规模生产提供了强有力的动力。

　　到了13世纪，铸铁术开始传入西欧。但直到17世纪欧洲才开始大规模地制造和使用铸铁。最初，欧洲的铸铁被用于制造大炮的炮弹，后来才开始被用来制作墓板和炉壁。到了1709年，英国人亚伯拉罕·达比通过将焦炭引入炼铁技术，冶炼出了硬度较高的“达比铁”，使铁的硬度比早期更为坚韧。后来，法国人又冶炼出了一种延展性很强的铸铁，因其耐热的性能而被用于固定砖石墙和支撑烟囱，再后来，铁也被广泛应用于铁轨的铺设和摩天大楼的构建。

　　在古代世界各项技术尚不发达的时代，冶铁业的发展无疑是生产力进步的明显标志，它有力地推动着社会的变革和进步，为社会的发展和人类生活的改善做出了巨大的贡献。

⊙奇迹探秘：

　　　2．我国古代的炼铁方法都有哪些？?

　　我国古代，生铁的出现是因为中国烧陶窑和冶铜炉炉温较高，具备了高温冶铁的条件。铁矿石在温度较高的炼铁炉中高温还原并渗碳，得到含碳达到3%—4%的液态生铁。而我国古代的炼铁方法是块炼铁，冶炼块炼铁一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。在掌握块炼铁技术后不久，我国劳动人民就炼出了含碳2%以上的液态生铁，并用以铸成工具。战国初期，我国已掌握了脱碳、热处理技术方法，发明了韧性铸铁。战国后期，又发明了可重复使用的“铁范”（用铁制成的铸造金属器物的空腹器）。战国时已用叠铸方法（古代一种金属铸造技术，是将许多范片层层叠合起来进行浇铸，可以一次铸出多个铸件）生产铜钱，汉代以后，叠铸方法进一步发展，并大量生产车马器件等。西汉时期，出现坩埚炼铁法和炒铁法。同时，炼铁竖炉规模进一步扩大。

　　　3．目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址是哪里？?

　　1975年，在我国河南省郑州市西北27千米的汉代荥阳城（今郑州惠济区古荥镇）西墙外，发现了河南郡铁官（我国秦汉时期管理铁的冶铸事业的机构）的一号作坊遗址。这座遗址南北长400米，东西宽300米，总面积为12万平方米，是目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址。

　　在此遗址中有两座规模较大的炼铁高炉残迹东西并列，相隔14.5米，炉基深3米，炉缸为椭圆形，面积为8.5平方米，炉壁厚1米。其中一号椭圆形竖炉容积可达50立方米。这是目前我国发现的古代容积最大的炼铁炉，日产量估计为0.5—1吨，也是当时世界上最大的高炉。古荥冶铁遗址反映了我国汉代冶金技术已达到最高的黑金属冶铸技术水平。

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【高炉炼铁的过程】

　　高炉炼铁的任务是把铁矿石炼成生铁。铁矿石在高炉中经过还原作用（排除氧化铁中的氧）、造渣作用（将铁与杂石分开）、渗碳作用（铁吸收碳素）等一系列复杂的变化，最终形成铁水和炉渣。铁水可以直接用来炼钢或铸成铁锭（或铸件）；炉渣可以作为水泥、渣砖等的原料。从高炉炉顶放出的高炉煤气（主要含一氧化碳、二氧化碳和氮气、灰尘和某些有害气体）经过净化处理，可作为气体燃料。

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【铁器时代】

　　铁器时代，是继青铜时代后的又一个时代，它以能够冶铁和制造铁器为主要标志。位于小亚细亚（今土耳其境内）的赫梯人是世界上最早锻造出铁器的人，在公元前1400年左右，他们最早进入了铁器时代。而实际上所说的铁器时代是指的早期阶段，在晚期各国都已经进入了有文字记载的文明时代，也就多以各国的朝代来称呼其时代。不同地区进入铁器时代的时间有所不同，即使同在一个地区，比如欧洲，其中的日尔曼和罗马进入铁器时代的时间也各不相同。

　　　虽然各地区进入铁器时代的时间不尽相同，也很难以准确的年份标示，但铁器时代与之前时代的区别仍是十分明显的。其主要区别在于农业发展、宗教信仰与文化模式。铁器时代是指已经能运用很复杂的金属加工来生产铁器。铁的高硬度，高熔点与铁矿的高蕴含量，使得铁相对青铜来说价钱更便宜，并且可在各方面运用，所以人们对铁的需求很快就超过了对青铜的需求。

4.火药

奇迹概览

　　火药，是中国的四大发明之一，从发明至今，已经有1000多年的历史了。火药的发明为兵器由冷兵器到热兵器的发展奠定了基础。最初，火药由中国传到阿拉伯国家，又经阿拉伯传到希腊及欧洲。火药的传播与使用，不仅对作战方法本身，而且对欧洲统治和奴役的政治关系起了变革的作用，并对欧洲文艺复兴、宗教改革起到了促进作用。可以说，火药的发明大大推进了世界历史的进程。

⊙奇迹探秘：

　　　1．冷兵器是指什么？热兵器又指什么？难道它们与温度有关系吗？

　　冷兵器与热兵器与温度并没有什么关系。冷兵器指的是不带有**、火药或其他燃烧物，而可以在战斗中直接杀伤敌人，并保护自己的近战武器装备。广义的冷兵器指的是冷兵器时代的所有作战装备，如矛、弓、标枪等。冷兵器经历了石器时代、青铜时代和铁器时代三个发展阶段。热兵器时代开始后，冷兵器便逐渐地退出了战场上的主力地位。

　　热兵器与冷兵器相对，又名火器，古时也称为神机。它是一种射击武器，原理是利用推进燃料快速燃烧而产生的高压气体来推进发射物。传统的推进燃料为***或无烟**。所有依靠火药或类似的化学反应来提供能量，从而起到伤害作用的（如火药推动子弹）或者直接利用火、激光、化学等携带的能量伤人的（如火焰喷射器）武器，都是热兵器，如半自动步枪、突击步枪等。

走近奇迹

　　从战国至汉初，有的帝王贵族沉醉于成为神仙长生不老的梦想，他们命令一些人为他们炼制“仙丹”，这些炼丹家多是精通医术者或是修道之人，被称为方士或术士。火药的配方，就是在炼丹家炼丹的过程中逐渐发明的。

　　炼丹时，炼丹家对于硫磺、砒霜等具有毒性的药物，在使用之前常用烧灼的方法“伏”一下，“伏”就是降伏，这样能够使此类药物的毒性失去或减低，这种工序被称为“伏火”。

　　伏火的方子中都含有碳素，而且伏硝石要加硫磺，伏硫磺要加硝石。这说明炼丹家有意要使药物引起燃烧，以减低它们的毒性。唐代初期的名医兼炼丹家孙思邈就曾在“丹经内伏硫磺法”中，提到了用硝石、硫磺，再加碳来伏火的方法。这说明唐代的炼丹者已经掌握了一个很重要的经验，就是硫磺、硝石、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药。这对火药的发明起了决定性的作用。由于火药的发明来自炼丹家配药的过程中，在火药发明之后，又曾被当做药类（《本草纲目》中就曾提到火药能治疮癣、杀虫，辟湿气、瘟疫），这种药被称为“着火的药”，即火药。

　　炼丹家虽然掌握了一定的化学知识，但他们的方向是求长生不老之术，所以火药的发明具有一定的偶然性。

　　在宋朝人编的小说总集《太平广记》里就记载了这样一个故事。隋朝初年，有一个名叫杜春子的人去拜访一位炼丹人，当晚他就住在炼丹人家中。半夜，当杜春子在梦中惊醒时，看到炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，而且屋子很快就燃烧起来。这大概是因炼丹人配置易燃药物时疏忽而引起的火灾。虽然炼丹家知道硝、硫、碳混合点火会发生激烈的反应，并采取措施对反应速度加以控制，但是因药物伏火而引起丹房失火的事故还是时有发生。

　　火药不能解决长生不老的问题，又容易着火，所以炼丹家对它并不感兴趣。火药的配方由炼丹家转到军事家手里时，才发挥出了它的重要作用。

　　火药最初的运用，也不是运用于军事，而是运用于马戏、杂技的演出，以及烟火杂技节目。当时，人们用火药来表演幻术，如喷出烟雾以遁人、变物等，用来制造魔幻神奇的效果。中国发明的火药首先运用于制造烟火，但不久之后就将其运用于军事了。

　　唐朝末年，火药已被用于军事。据北宋史学家路振的《九国志》记载，904年，五代十国时（五代指后梁、后唐、后晋、后汉、后周，十国指吴、前蜀、吴越、楚、闽、南汉、荆南、后蜀、南唐、北汉）吴国的将领郑璠率军攻打豫章（今江西南昌），用飞火烧毁该城的龙沙门。这可能是有关用火药攻城的最早记载了。

　　到了宋代，战争接连不断，更是促进了火药武器的加速发展。据《宋史·兵记》中记载：970年，兵部令史冯继升创造了火箭法。这种方法是在箭杆的前端缚上火药筒，点燃后利用火药燃烧向后喷出气体而产生的反作用力把箭簇射出，这是世界上最早的喷射火器。

　　火药燃烧起来相当激烈，如果在密闭的容器内燃烧就会发生爆炸。由于火药燃烧时会产生大量的气体（氮气、二氧化碳）和热量，原来体积很小的固体火药，一经燃烧体积就会突然膨胀，猛增至几千倍，这样就会使容器发生爆炸。这就是火药的爆炸性能。利用火药燃烧和爆炸的性能，人们制造出了各种各样的火器。

　　北宋时期使用的火药兵器都是利用***的燃烧爆炸原理而制造的。北宋末年，爆炸威力较大的火器也出现了，比如“霹雳炮”和“震天雷”。这类火器主要是用于守城或攻坚。1126年，宋朝将领李纲镇守河南开封时，就曾用霹雳炮击退了金兵的围攻。

　　震天雷是一种是铁壳类的爆炸性兵器。元兵攻打金国的南京（今河南开封），金兵守城时就曾使用了这种武器。《金史》中对震天雷有着这样描述：“火药发作，声如雷震，热力达半亩之上，人与牛皮皆碎并无迹，甲铁皆透”。这样描述可能有一点夸张，但却说明了火药的威力之大。

　　在8—9世纪时，硝由中国传到了阿拉伯。当时的阿拉伯人称它为“中国雪”，而波斯人称它为“中国盐”。

　　13世纪，火药由商人经印度传入阿拉伯国家，并由阿拉伯国家传于希腊及欧洲。从此，欧洲人逐步地掌握了制造火药及火药兵器的技术。

　　对于火药和火药武器传入欧洲，恩格斯这样说道：“以前一直攻不破的贵族城堡的石墙抵不住市民的大炮，市民的子弹射穿了骑士的盔甲。贵族的统治跟身穿铠甲的贵族骑兵同归于尽了。随着资本主义的发展，新的精锐的火炮在欧洲的工厂中制造出来，装备着威力强大的舰队，扬帆出航，去征服新的殖民地……”可见，火药的发明为人类带来的是福还是祸，最终还是要取决于它的使用者。

⊙奇迹探秘：

　　　2．炼丹术是如何产生的？

　　炼丹术的产生，有其一定的社会背景。当封建社会发展到一定阶段时，随着生产力的逐渐提高，统治者对物质享受的要求也越来越多。帝王和贵族们产生了两种奢望：一是希望自己能够掌握更的钱财，以供它们享乐；二是希望可以长生不老，使他们的统治可以一劳永逸。

　　炼丹术由此应运而生，并分为两大类：一种是炼制“仙丹”，以求长生；另一种是，点化金银，希望能将普通金属通过炼制转化为金、银等贵重金属。

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【火药的分类】

　　火药是武器用以发射弹丸的能源，按用途的不同可分为发射药、***和固体推进剂。按火药的成型工艺可分为：混合火药、铸造火药和压制火药等。按它燃烧时的外部特征的不同可分为无烟药与有烟药。按照它挥发性的不同可分为易挥发性火药和难挥发性火药。按照火药的结构还可分为均质火药和异质火药。因为结构的不同，它的工艺性质、燃烧性质和物理力学性能等均有显著差别。

知识百科

【四大发明】

　　中国的四大古发明指的是指南针、造纸术、火药和活字印刷术四种对世界具有很大影响的发明。四大发明是使中国成为四大文明古国的重要标志之一，推动了中国古代的政治、经济、文化的发展，并且对世界文明的发展史也产生了非常大的影响。

5.玻璃

奇迹概览

　　玻璃，在中国古代也被称作琉璃，它是一种透明、不透气的固体物质材料，且强度及硬度颇高。玻璃很难与其他物质反应，所以在我们的日常生活中，玻璃制品的用途十分广泛，如遮风挡雨的门窗玻璃、交通工具中的挡风玻璃、观察用的望远镜、显微镜，甚至孩子的玩具玻璃球等。可以说，我们的生活离不开玻璃制品。

⊙奇迹探秘：

　　1.玻璃在我们的生活中占有重要的位置，那么，最早的玻璃是如何出现的呢？

　　没有人确切地知道玻璃是在何时、何地首先被制造出来的。只是，据考古记载，在公元前2600年左右，它出现于美索不达米亚（现今伊拉克）或埃及的早期文明中心地之一。

　　制造玻璃的技术，是埃及人和美索布达米亚人在公元前3400—公元前2500年发明的。究其起源，可能是他们在制陶中，从无意到有意地将天然碱与石英砂混合后焙烧，得到原始的粗制玻璃。那时的玻璃几乎全都带色，且不很透明。

　　2.中国最早的玻璃制品是什么时候发明的？

　　1965年，在我国河南出土了一件商代青釉印纹尊，尊口有深绿厚而透明的五块玻璃釉。1975年，在宝鸡茹家庄西周早、中期墓葬里出土了上千件琉璃管、珠等玻璃制品。

　　中国的玻璃发明要比埃及的晚，于商代（前1600—前1046）开始萌芽，最迟在西周（前1046—前771）开始烧制。而且我国玻璃的发明，应该和烧制陶瓷与冶炼青铜有关，制陶或制铜器的工艺师傅也就成了发明人。不过，我国早期的玻璃并不叫“玻璃”，古人称它为璆琳、琉璃、璢璃、璧流离、药玉、水精、罐子玉、玻瓈、料器等，到了清代才称玻璃。

　　位于山东省中部博山县内的颜神镇，从元至清一直为我国玻璃的重要产地。在该地发现的元末明初的玻璃作坊遗址，是中国迄今为止发现的最早的玻璃作坊。

走近奇迹

　　玻璃最初是由火山喷出的酸性岩凝固而得来的。有人相信，从石器时代起，就已经开始使用天然的火山玻璃。

　　古罗马普林尼（23或24一79）的《博物志》曾经记载，3000多年前，古代地中海沿岸民族腓尼基人，在海滩上用天然苏打支锅做饭。后来有人在无意中发现，天然苏打和海滩上的石英砂经火烧后变成了玻璃。于是，腓尼基人就开始秘密大规模生产玻璃制品，并将制品卖到世界各地，发了一笔横财。

　　而据考古记载，古埃及人约在公元前3700年前，就已经能制出玻璃装饰品和简单的玻璃器皿，但由于知识与技术的缺乏，当时只有有色玻璃。到了约公元前1000 年前，我国古代劳动人民才制造出无色的玻璃。

　　公元前200年，巴比伦人又发明了玻璃吹管制玻璃的方法，接着这个方法传入了罗马。大约在4世纪，罗马人已经开始把玻璃应用在门窗上。

　　后来玻璃制造的技术继续不断发展，11世纪，德国发明出了制造平面玻璃的技术。他们先是把玻璃吹成球状，然后造成圆筒型，在玻璃仍热时切开、摊平。这种技术后来在13世纪的威尼斯得到了进一步改良。

　　12世纪的时候，世界上出现了商品玻璃，并开始成为工业材料。而在14世纪的时候，意大利的威尼斯成为了欧洲的玻璃制造中心，很多用玻璃做成的餐具、器皿等都是由威尼斯制作。到17世纪下半叶，意大利玻璃制造商通过在石英砂溶液中加入一定比例的铅，由此发明了“人工水晶”又称为“水晶玻璃”，这成为了玻璃发展史上的重要里程碑，同时也迎来了意大利玻璃的鼎盛时期。

　　尽管曾经有一段时间，意大利对自己的制造技术严格保密，但却没能阻挡玻璃制造技术的迅猛发展。1688年，制作大块玻璃的工艺被发明了出来，从此，玻璃成了普通的物品。而1827年发明的玻璃压印机器，更始拓宽了大规模生产廉价玻璃器具的道路。

　　后来，为了适应研制望远镜的需要，人们又制造出了光学玻璃。1873年，比利时首先制出平板玻璃。1906年，美国制出平板玻璃引上机。1920年，发明了可以在模具上加上雕刻的办法，而且还可以使用不同颜色的玻璃，于是在1930年以后，大量生产的廉价玻璃器具逐渐出现。

　　我国也在西周时候开始制造玻璃。考古专家在西周的古墓中曾发现过玻璃管、玻璃珠等物品。南北朝以前，我国对以火烧成的玻璃质透明物为“琉璃”。不过，当时很多的“琉璃”严格上来说，并不属于现代所说的玻璃。

　　随着玻璃生产的工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。现代，我们所使用的玻璃是由石英砂、纯碱、长石及石灰石经高温制成的。而玻璃也已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料，被广泛应用于建筑、日用、医疗、化学、电子、仪表、核工程等领域。

⊙奇迹探秘：

　　3.现在我们用的一些玻璃比如普通玻璃、强化玻璃，它们又是如何被制造出来的？

　　现在我们所用的大约90%的平面玻璃，都是由1950年皮尔金顿玻璃公司的阿士达·皮尔金顿爵士发明的“浮法玻璃”方法制成的。这种玻璃也叫“退火玻璃”，方法是把玻璃溶液倒进一缸溶解的锡内，玻璃浮上锡面后自然形成两边平滑的表面，慢慢冷却及成长带状离开锡缸。之后按照各种标准厚度过火打磨，便成为接近完全平的玻璃。

　　这种玻璃是民用建筑的最好玻璃，但它有一个缺点，破裂时会成为大块锋利的碎片，会造成人员伤亡。因此，人们又发明出了强化玻璃。

　　强化玻璃是由退火玻璃经热处理而成的。切割好的退火玻璃被放在滚筒桌上，推入超过退火温度600℃的焗炉，然后经空气迅速冷却。玻璃表面被冷却至退火温度以下，快速硬化及收缩；而玻璃内部则在短时间内仍作流动。当玻璃内部收缩，会在表面造成压应力，玻璃外部则成张应力。

　　强化玻璃在建筑上的用途很多，玻璃门、玻璃幕墙、负重的玻璃等都经常使用它。但是它也有缺点，如果其上出现任何损坏或裂痕，因为内部应力平衡作用，整块玻璃都会碎成指甲大小没有尖角的碎片，而且还有可能发生爆裂。与退火玻璃相比，强化玻璃的硬度也较低，容易被刮花。

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【玻璃的成分】

　　普通玻璃主要是非晶的二氧化硅（SiO2），就是石英或砂的化学成分。制造玻璃时一般会加入两种材料碳酸钠（苏打粉）及碳酸钾（钾碱）来使硅降温。而且通常还要加入适量的氧化钙CaO，使玻璃不溶于水。

　　常见的玻璃通常也会加入其他成分，以达到不同的用途和效果。例如，看起来十分闪烁耀眼的水晶玻璃，是在玻璃内加入使玻璃折射指数增加的铅；制造光学镜头的玻璃，可以加入钡来增加玻璃的折射指数；至于高精密的光学镜头则是加入钍的氧化物，来大幅增加折射指数；倘若要玻璃吸收红外线，可以加入铁；而玻璃加入铈则会吸收紫外线。

　　至于玻璃颜色的改变，则是因为其中加入了各种金属和金属氧化物。例如，适量的锰或硒可以产生淡紫色的玻璃，蓝色的玻璃中含有少量的钴，等等。

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【玻璃为什么是透明的】

　　在生活中，许多固体都不透明，但大多数气体、液体都是透明的。因为，当一种物质呈固态时，分子间的排列通常都整齐有序，彼此的联结也十分牢固。因此光波无法从中透过，照到这些物体上的光波会被反射、散射或吸收。而当物质为液态或气态时，分子间的联结强度没那么高，分子也呈随机状态排列。部分光波就可以从缝隙或孔洞中穿过。物质中的分子排列越是无序，光线就越容易穿过。这就是光可以透过液体和气体的最根本的原因。

　　组成任何物质的分子都是由许多原子结合在一起的，这些原子通常带有很多电子。当光子与这些电子发生作用时，可能会发生以下情况：电子吸收光子的能量并将其转化为其他形式（通常是转化为热能）；电子吸收并保存光子的能量（这样会引起发光现象，储能时间较短时称为荧光，储能时间较长时称为磷光）；电子吸收光子的能量并将其沿入射方向发射回去（反射）；电子不吸收光子的能量时，光子继续沿其路径传播（透过）。

　　在玻璃的制造过程中，用作冷却剂的材料可使玻璃的分子排列呈无序状态，其所含电子不吸收可见光的光子能量。这就是玻璃透明的原因。

孩子一定要知道的50个世界科学奇迹：能源动力类发明

6．蒸汽机

奇迹概览

　　蒸汽机是一种把蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现，曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它依然是世界上最为重要的原动机。后来，它才渐渐地被让位于内燃机和汽轮机等。可以说，蒸汽机是工业革命的领头羊，恩格斯在《自然辩证法》中对蒸汽机这样评论道：“没有蒸汽机的出现，就没有人类近代工业文明。”由此可见，蒸汽机的发明对人类所做出的巨大贡献。

⊙奇迹探秘：

　　　1．蒸汽机的发明者是谁？是在什么时间发明的？?

　　很多人认为，瓦特是蒸汽机的发明者，其实并非如此。他只是对当时已经出现的蒸汽机做了一系列的重大改进，发明了单缸动式和双缸动式蒸汽机，大大提高了蒸汽机的热效率和运行的可靠性，对当时的社会生产力的发展做出了重大贡献。

　　詹姆斯·瓦特（1736—1819），英国著名发明家、工业革命时期的重要人物、英国皇家学会会员、法兰西科学院外籍院士。他出生于英国格拉斯哥的一个商人家庭。童年时代，他曾在文法学校读过书，但他没有受过系统的教育。在父亲做工的工厂里，他学到了很多机械制造方面的知识。后来，他到了伦敦一家钟表店做学徒。1763年，他到格拉斯大学工作，修理教学仪器。在大学里，他经常与教授讨论理论和技术问题。1765年，29岁的瓦特发明了带有单独冷凝器的蒸汽机，从此拉开了第一次工业革命的序幕。1781年，他制造了从两边推动活塞的双动蒸汽机。1785年，他因改进蒸汽机的重大贡献被选为皇家学会会员。1819年8月25日，他在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。在他的讣告中有对他发明蒸汽机的赞颂：“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”

　　　2．国际单位中，功率与电功率的单位是什么？为什么？

　　　国际单位制的功率和电功率的单位都是瓦特，符号为W。1瓦特＝1焦耳/秒，也就是每秒钟转换、使用或耗散的能量（以焦耳为量度单位）的速率。在日常生活中，常以千瓦为单位，1千瓦＝1000瓦特。这一单位是纪念詹姆斯·瓦特对蒸汽机的发展做出的重大贡献而以他的名字（James Watt）命名的。

走近奇迹

　　蒸汽机的发明，点燃了第一次“工业革命”的导火线。它的出现，可以说是历史的必然。

　　16世纪末至17世纪的后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到了相当大的规模。所以，仅仅靠人力和畜力已经很难再满足排出矿井地下水的要求了，而矿井的周围又有非常丰富而价廉的煤作为燃料。因为现实的需要，很多人开始致力于“以火力提水”的研究。

　　1690年，一位名叫巴比的法国人首先发明了第一台活塞式蒸汽机，但这台蒸汽机并没有实用价值。1698年，英国的一位名为塞莱斯的技师发明了实用的无活塞式蒸汽机。这种机器在矿井中得到了广泛的应用，还被称为“矿山之友”，而且还获得了专利。它依靠真空的吸力吸水，吸水的深度不能超过6米。为了把几十米深的矿井里的水吸上来，必须要把提水机装在矿井的深处，用比较高的蒸汽压力才能把水压到地面上来，这在当时是困难而又危险的。另外，因为受当时材料和技术的限制，没有办法大范围地推广这种蒸汽机。

　　1712年，一位名叫纽科门的毫无名气的铁器商发明了第一台实用的蒸汽机。这种蒸汽机先是在英国，后来在欧洲得到迅速推广，其改型产品直到19世纪初还在制造。但是，这种蒸汽机的热效率很低，主要是因为蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉很多热量，所以，它只在煤价低廉的产煤区推广。

　　1764年，当时还是一名仪器修理工的詹姆斯·瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这个缺点。后来，他自筹资金，租了地下室，买了很多设备，经过反复不懈的艰难的实验，他终于在1765年发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，他还在汽缸外壁加装了夹层，用蒸汽加热汽缸壁，从而有效减少冷凝损失。这样，他就制成了单动作蒸汽机。1769年，他取得了国家专利。

　　1782年，瓦特发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，这种蒸汽机实用价值更高。因为它的阀门可以利用蒸汽的压力来推动活塞，既可向前又可向后，并借助连杆和飞轮把活塞的直线运动变成了圆周运动。为了保持蒸汽机匀速运转，瓦特把一个离心调速器连接在进汽活门上，使其自动调节进汽量。他还设计了一个和汽缸分离的冷凝器，将高温蒸汽从气缸中导出并冷却，使得主要汽缸能保持一定温度。同时，他提高了汽缸的精密度，把活塞和阀门也做得光滑、严密。他的思路原理非常新颖，效率也高得惊人。

　　瓦特的创造性工作使蒸汽机得到了迅速发展，使原来只能提水的机器成了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗也大大地下降。也就是说，瓦特发明了现代意义上的蒸汽机。

　　从18世纪晚期起，蒸汽机不仅广泛应用于采矿业，而且还推广到冶炼、纺织、机器制造等行业和领域。蒸汽机的使用使得英国的纺织品产量在1766年到1789年的20多年内增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累。

　　1776年，在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验开始了。经过不断地改进，1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的蒸汽机船“克莱蒙”号。从此以后，蒸汽机在船舶上作为推进动力达100多年。

　　1800年，英国的特里维希克设计了一种高压蒸汽机，这种机器可以安装在较大车体上。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，这就是机车的雏型。后来，史蒂芬逊不断改进机车，1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，时速达46千米/时，开创了铁路时代。

　　19世纪末，电力应用兴起，电站中的主要动力机械就是蒸汽机。20世纪初，蒸汽机的发展达到了顶峰。当时的蒸汽机具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域。尤其值得一提的是，蒸汽机在军舰上成了当时唯一的原动机。

　　正是因为蒸汽机的发明，为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。

⊙奇迹探秘：

　　　3．世界上第一台蒸汽机是什么？?

　　人类对蒸汽的认识和利用，经历了一个漫长的历史过程。实际上，世界上第一台蒸汽机在公元1世纪就产生了，它就是古希腊数学家罗希发明的，但是它仅仅是一个玩具而已。约在1679年，法国物理学家家丹尼斯·巴本制造了第一台蒸汽机的工作模型。

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【蒸汽机的构造】

　　简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成的。从锅炉来的新蒸汽，经过主汽阀和节流阀进入滑阀室，因为受滑阀的控制，所以会交替地进入汽缸的左侧或右侧，从而推动活塞运动。

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【工业革命】

　　工业革命又称产业革命，指资本主义工业化的早期历程，即资本主义生产完成了从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。工业革命是以机器生产逐步取代手工劳动，以大规模工厂化生产取代个体工厂手工生产的一场生产与科技革命。工业革命是资本主义经济发展的客观要求所决定的。工业革命在18世纪60年代开始于英国，首先从棉纺织业开始，逐步发展到采矿、冶金、机器制造、运输等部门。

　　18世纪80年代，因蒸汽机的使用而得到进一步发展。到19世纪上半叶，英国工业革命基本完成。法、德、美等国也于19世纪完成了工业革命。工业革命使人类跨入了机器时代，带来了生产力的巨大发展，以及社会阶级结构的变化，形成了近代工业资产阶级和无产阶级两大对立阶级；拉大了东西方社会进步的距离，并把世界纳入了资本主义的商品经济体系。

7．内燃机

奇迹概览

　　　内燃机是相对蒸汽机而言的，蒸汽机是通过外部加热里面的水，形成蒸汽而膨胀，从而推动活塞往返，形成动力。而内燃机则是由燃料直接在气缸里燃烧膨胀推动活塞往返，进而形成动力。内燃机包括往复活塞式内燃机、自由活塞式发动机和喷气式发动机等。不过，人们通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，常见的有柴油机和汽油机。内燃机具有许多优点，如体积小、质量轻、方便移动、热效率高等。

⊙奇迹探秘：

　　　1．世界上第一台内燃机的发明者是谁？是在哪一年发明的？

目前，全世界各种类型的汽车、拖拉机和轮船以及农业机械、工程机械等都以内燃机为动力。内燃机在人类活动中占有非常重要的地位。内燃机的作用如此之大，那么世界上第一台内燃机是谁发明出来的呢？它是由一个名叫艾蒂安·勒努瓦的法国科学家模仿蒸汽机的结构设计制造出的，这台内燃机是以后生产的无数内燃机的“祖爷爷”。

艾蒂安·勒努瓦（1822—1900），法国发明家，出生于比利时。他非常勤奋好学，善于创新，一生中取得了多项发明成就。其中，最为出名的是他在1869年发明了世界上第一台实用的内燃机。这是一台用电点火、使用照明煤气为燃料的内燃机，它的基本结构与当时的蒸汽机相差不多。尽管这台内燃机的热效率仅仅为4%左右，但是却预示着内燃机时代的到来。

走近奇迹

　　　瓦特发明的蒸汽机，这是具有划时代意义的伟大发明，它推动了第一次工业革命的迅猛发展。但是随着工业的发展，蒸汽机的弊端日益显现，蒸汽机本身有难以克服的缺点。如蒸汽机很笨重；操纵复杂；启动慢，不能随意停止；锅炉容易爆炸，危险性大；并且锅炉的燃烧需有经验的人专门看管。

　　　其中蒸汽机更大的缺点是热效率低，一般只有 5%—8%，最好的也不超过10%—13%。这是由于蒸汽机的锅炉和汽缸是分离的，锅炉在外面燃烧，热量损失较大，因此蒸汽机的效率难以提高。于是，人们开始研究把蒸汽机的锅炉和汽缸合并起来，燃料在外面燃烧改为在内部燃烧，利用燃烧后的烟气直接推动活塞运动，这就是内燃机。

　　　随着科学探索的发展，人们提出了各种各样的内燃机方案，但是仍没有人发明出内燃机来。直到1860年，法国发明家勒努瓦发明了第一台实用的内燃机。它以煤气为燃料，但这种最初的内燃机燃料消耗量很大，效率低。

1862年，一位名叫罗沙的法国科学家对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

　　1876年，经商出身的德国发明家尼古拉·奥古斯特·奥托（1832—1891）一次偶然在报纸上看到关于改进勒努瓦内燃机的报道，非常高兴。在此之前，奥托一直在关注内燃机的研制情况。作为商人，他从蒸汽机的广泛应用中看到了内燃机的发展前途。奥托仔细研究罗沙的原理，凭着坚强的意志，终于试验成功了第一台往复活塞式、单缸、卧式的四冲程内燃机，但仍以煤气为燃料，采用火焰点火，热效率达到14%。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。

奥托内燃机不仅体积小，重量轻，而且消耗的煤气少，功率较大。因此，越来越多的工厂采用这种内燃机来代替蒸汽机。但是奥托煤气内燃机有许多不方便的地方，它不能作为轮船、汽车等运输机械的动力。

　　后来随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国发明家戈特利布·戴姆勒成功地制造出了第一台汽油内燃机。由于它比煤气内燃机重量轻、操作简便，燃料运输和储存也更为方便，所以汽油发动机开始用作汽车、轮船的动力。

　　1897年，德国工程师狄塞尔发明了压缩点火式内燃机，为内燃机的发展开拓了新途径，它的热效率达到了26%。这种内燃机以后大多用柴油做燃料，所以又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于发电站进行发电，1903年用作轮船的动力，1904年装在舰艇上，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。

　　　随着工业生产的不断发展，内燃机被广泛应用，它为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。

　　　由此可见，内燃机的发明，产生了动力机的一次新革命。内燃机不仅效率高，而且种类多，用途广泛，它推动了交通运输业的革命，使汽车和飞机制造业迅速发展起来，引起了工业生产的机械化变革。

⊙奇迹探秘：

　　　2．法国科学家罗莎获得了“四冲程循环”的发明专利，但被称为“四冲程发动机之父”的却是德国的奥托？

1862年，虽然法国科学家罗沙已经获得过四冲程循环的发明专利，但他并没有制成任何实际的四冲程循环内燃机，而德国发明家奥托却是第一个应用四冲程循环原理制成内燃机的人。

　　奥托还提出了内燃机的工作原理，就是可燃气体先在气缸中压缩，在点燃压缩可燃气体时产生较强的爆发力，提高了内燃机的热效率和输出功率。同时，他利用活塞的四个冲程，把进气、压缩、作功及排气融为一体，使内燃机的结构紧凑和简化，从而推动了小型内燃机的实用化。奥托创建的内燃机工作原理，一直在现代汽车发动机上沿用至今。

　　所以，人们习惯上用“奥托循环”来称呼点燃式的四冲程内燃机循环。他是继瓦特之后又一名伟大的发明家。他发明的四冲程循环内燃机，是继蒸汽机出现之后人类机械史上又一巨大贡献，开创了人类文明的一个新时代。

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【内燃机的工作原理】

内燃机以往复活塞式最为普遍。它的工作循环是由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。内燃机将燃料和空气混合，在它们在气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞运动，再通过曲柄连杆运动形成动力，从而带动机械工作。

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【鲁道夫?狄塞尔】

提起柴油机，我们不能不讲到它的发明者：鲁道夫·狄塞尔（1858—1913）。

1858年3 月，鲁道夫·狄塞尔生于巴黎。在学校读书期间，他非常喜欢物理和热力学。1879年，年仅21岁的狄塞尔大学毕业，当上了一名冷藏专业工程师。在工作中狄塞尔感到当时的蒸汽机效率极低，于是有了设计新型发动机的想法。在积蓄了一些资金后，狄塞尔辞去了制冷工程师的职务，自己开办了一家发动机实验室。

　　像所有伟大的发明家一样，狄塞尔试验发动机遇到了许多的困难。但他并没有被困难所吓倒，一步步完善自己的机器。1892年狄塞尔终于制造出了第一种试验机，即原始的柴油机；1896年，柴油机试验成功；1897年，狄塞尔进一步完善了他的发明；1898年，狄塞尔的柴油机获得了商业上的成功。

　　鲁道夫·狄塞尔的发明改变了整个世界。人们为了纪念他，就把柴油机称作狄塞尔发动机。直到今天，柴油机的英文名称仍然是“DIESEL ENGINE”。

　　　　8．电动机

奇迹概览

　　电动机又称为马达或电动马达，是一种将电能转化为机械能，再利用机械能产生动能，用来驱动其他装置运动的电机设备。它应用了电流的磁效应原理，利用通电线圈在磁场中受力而转动。电动机按使用电源不同，分为直流电动机和交流电动机。

　　19世纪，电动机的发明不仅使人力和畜力从繁重的劳作中解脱出来，而且还实现了电能和机械能的互换。不仅如此，电动机使电能的远距离传递和转化成为现实，电能逐渐进入人们的工业生产中。至此，一个崭新的时代——“电气化时代”到来了。

⊙奇迹探秘：

　　　1．电动机的发明者是谁？是在什么时间发明的？?

　　英国物理学家迈克尔·法拉第和美国物理学家亨利总是被误认为是电动机的发明人。其实，法拉第和亨利并没有发明可使用性的电动机，而是发现了“电磁感应现象”。

　　他们之所以被误认为是电动机的发明人，主要原因在于“电磁感应现象”是电动机的基本工作原理。这就是说明，在电动机发明之前，法拉第和亨利已经在原理上确定了制造电动机的可能性，只是没有进一步地创造而已。

　　而真正能用于工业生产的电动机，是比利时发明家格拉姆于1870年前后发明的。

　　格拉姆（1826—1901），比利时发明家。格拉姆出生在比利时一个公务员家庭里。他在学校里的成绩欠佳，不过，他的双手非常灵巧，在摆弄电气设备方面是一个高手。1856年，格拉姆来到巴黎，从此就一直生活在巴黎地区。他在一家专门制造电气设备的公司里谋到一份工作。1867年，他制成了一台改进型的交流发电机。1870年前后，他又搞出了一台直流电动机。于是，电力工业就以格拉姆发明的直流电动机为基础逐步发展起来了。

　　　2．在国际单位制中，法拉是什么单位？它的命名有什么原因吗？

　　国际单位制中，电容的单位是法拉，简称“法”，单位符号是F。此单位是以发现电磁感应现象的英国物理学家迈克尔·法拉第的名字而命名的。

　　　3. 什么是电磁感应现象？主要应用于哪些方面？

　　闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。电磁感应现象显示了电、磁现象之间的相互联系和转化。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛应用。

走近奇迹

　　19世纪初，随着工业的发展，电力逐渐被广泛利用，与此同时，第二次工业革命也拉开了序幕。这个时期，很多国家的物理学家都纷纷投入到电磁的研究以及发电机、电动机的发明中。而电动机的发明是在电流的磁效应原理的基础上，而发明这一原理的是丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特。

　　1820年，奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。

　　第二年，也就是1821年，法拉第在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后，被这一学科领域深深吸引，于是，他在同年发现了通电流的导线能绕磁铁旋转。接着，他借鉴奥斯特的实验，专门对电和磁铁的作用进行探索。

　　不仅是法拉第，其他科学家也在努力寻找着“磁生电”的答案。而美国物理学家亨利于1830年，在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒，然后把条形铁棒上的导线接到检流计上，形成闭合回路。他观察到，当电磁铁的导线接通的时候，检流计指针向一方偏转后回到零；当导线断开的时候，指针向另一方偏转后回到零。这就是亨利发现的电磁感应现象。但是，亨利没有及时公开发表自己的实验结果。

　　1831年，法拉第终于通过10年的研究，也发现了电与磁互相作用。于是，法拉第向英国皇家学会提交的一个报告中，把这种现象定名为“电磁感应现象”。电磁感应规律的发现，对人类社会有着划时代的贡献，使后来人们发明发电机、电动机、变压器，以及交流电的利用等等成为可能。

　　德国科学家雅可比于1834年前后，制成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与U型电磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。这大概就是电动机的雏形。后来，他做了一个更大型的装置，安在小艇上载着几名乘客驶过了穿越德国的主要航运水道——易北河，当时还引起了很大的轰动。但这种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。

　　直到第一台实用直流电动机问世，电动机才得到广泛应用。1870年，比利时工程师格拉姆发明了直流发电机。后来，格拉姆向直流发电机输入电流，其转子会像电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。与此同时，德国科学家西门子接连制出更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆。1881年，西门子公司制成了世界最早的电车。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。

　　1888年，克罗地亚出生的美国发明家尼古拉·特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成的，又称感应电动机。这种电动机结构简单，使用交流电，无火花，因此被广泛应用于工业和家庭电器中。

　　随着科学家对电动机的深入研究，1902年，瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机的构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，但转子用直流供电，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表、电唱机和磁带录音机。

　　由于电动机的使用和控制非常方便，而且工作效率较高，没有烟尘和气味，不污染环境，噪声也较小。因此，在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面都能看到电动机的身影。电动机的发明为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。

⊙奇迹探秘：

　　　4．电动机与发电机的区别是什么？?

　　在电力的使用中，发电机和电动机是相互关联的两个重要组成部分。发电机是将机械能转化为电能；电动机则相反，是将电能转化为机械能。

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【电动机的构造】

　　电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子和转子构成。定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。定子与转子之间会有一定空气间隙，以确保转子能自由转动。定子与转子绕上线圈，通上电流产生磁场，就成为电磁铁，定子和转子其中可为永久磁铁，磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

知识百科

【第二次工业革命】

　　第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点。从19世纪70年代开始，出现了一系列电气发明。1831年，英国科学家法拉第发现电磁感应现象。此后，很多科学家对电作了深入的研究，并纷纷开始研制发电机和电动机。1866年，德国科学家西门子制成一部发电机，后来几经改进，逐渐完善。1870年前后，比利时人格拉姆发明电动机，电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。从此，电力工业和电器制造业迅速发展起来，人类跨入了电气时代。随后，电灯、电车、电钻、电焊机等电气产品如雨后春笋般地涌现出来。

　　所以，第二次工业革命时期是以电力为代表的自然科学的新发展时期。自然科学开始同工业生产紧密地结合起来，更进一步地推动了生产力的发展，特别是电动机广泛应用于工业技术使第二次工业革命取得了巨大的成果。

小说孩子一定要知道的50个世界科学奇迹，材料类发明 试读结束。