第13课　从蒸汽机到互联网.doc

【备课资料】富兰克林与避雷针本杰明富兰克林（17061790）是美国独立战争时期著名的思想家，同时也是一名杰出的科学家。18世纪以前，人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。富兰克林经过反复思考，认为雷电可能是一种放电现象，它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他写了一篇名叫论天空闪电和我们的电气相同的论文，但没被认同。他决心用事实来证明一切。1752年6月的一天，阴云密布，电闪雷鸣，一场暴风雨就要来临了。富兰克林和他的儿子一道，带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带。富兰克林高举起风筝，他的儿子则拉着风筝线飞跑。由于风大，风筝很快就被放上高空。刹那间，雷电交加，大雨倾盆。富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线，父子俩焦急的期待着，此时，刚好一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“我被电击了！”后来，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。为了防止雷电的危害，他制成了一根实用的避雷针。他把几米长的铁杆，用绝缘材料固定在屋顶，杆上紧拴着一根粗导线，一直通到地里。当雷电袭击房子的时候，它就沿着金属杆通过导线直达大地，房屋建筑完好无损。1754年，避雷针开始应用。（2）19世纪初意大利科学家伏特发明电池【备课资料】伏特发明电池：汽车上的蓄电池又叫做“伏特电堆”，是一个叫亚历山德历伏特的意大利人发明的。为了纪念他的贡献，人们把电压的计量单位叫做伏特。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电压是220伏特。伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家。有一天，伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文，说动物肌肉里贮存着电，可以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文，伏特非常兴奋，便决定亲自来做这个实验。他用许多只活青蛙反复实验，终于发现，实际情况并不像加伐尼所说的那样，而是两种不同的金属接触产生的电流，才使蛙腿的肌肉充电而收缩。为了证明自己的发现是正确的，伏特决定更深入地了解电的来源。一天，他拿出一块锡片和一枚银币，把这两种金属放在自己的舌头上，然后叫助手将金属导线把它们连接起来，刹时，他感到满嘴的酸味儿。接着，他将银币和锡片交换了位置，当助手将金属导线接通的一瞬间，伏特感到满嘴的咸味。这些实验证明，两种金属在一定的条件下就能产生电流。伏特想，只要能把这种电流引出来，就能大有作用。伏特经过反复实验，终于发明了被后人称做“伏特电堆”的电池，这就是在铜板和锌板中间夹上卡纸和用盐水浸过的布片，一层一层堆起来的蓄电池。这种电池，今天仍然在使用着。伏特的发明激励着后人不断努力：1836年英国的丹尼尔对伏特电池作了改良，制造出丹尼尔电池，以后陆续又有本森电池和格罗布电池等问世。但是，那时电池的电压总是随着使用时间的延长而逐渐下降，人们还没有找到解决的办法。1860年，法国的布朗特埃发明了用铅制造的电池。这种电池的特性是：当电压下降时，可以给它通以反向的电流，使电池的电压再回升上来（即所谓的充电），因为这种电池能充电，所以又被称为蓄电池。不过，不论是蓄电池还是一般的电池，在阳板金属棒和阴极金属棒之间都必须灌充液体，因此搬运很不方便，特别是蓄电池使用的液体大多是硫酸，在挪动时很危险。为了克服这个缺点，1891年日本的屋井先藏发明了一种干电池，这种屋井式干电池与1878年法国的拉古兰久发明的拉古兰欠电池的原理是一样的。但是屋井先藏把拉古兰欠电池的氯化扶液体换成了糊状的氯化接，并严加密封。干电池的发明是很有影响的，逐渐为世界各国所采用。屋井先藏对于干电池进行了坚持不懈的研究，1926年他改用碳棒作干电池的阳极，进而完善了干电池的发明。（3）1831年英国科学家法拉第发现电磁感应现象（理论基础）英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。1791年9月22日出生在英国一个铁匠的贫困家庭，只上过两年小学，十二三岁曾以送报获得微薄收入贴补家庭，14岁在一家书店当装订书籍的学徒。他求知欲望十分强烈，在7年的学徒期间，利用订书的空闲时间，如饥似渴、废寝忘食地阅读了许多自然科学的书籍。后来，他毛遂自荐，在22岁时当了大化学家戴维的实验助手。从此直到退休，法拉第终生都在英国皇家研究院工作。他勤奋好学，工作努力，在科学上取得了巨大成就。1831年，法拉第经过7年反复试验，发现电磁感应现象，为制造电机提供了基本原理，他又制造了一台利用磁力产生电流的机器，将机械能转化为电能，从此，打开电能宝库的大门。1833-1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1867年8月25日逝世。发电机的发明和改进：英国科学家法拉第于1831 年发现了电磁感应原理。这一在人类社会发展过程中起到重要作用的原理是说：“当磁场的磁力线发生变化时，在其周围的导线中就会感应产生电流。”法拉第曾煞费苦心，通过研究和反复实验，终于发现了这一影响巨大的科学原理，而且他确信，利用此原理肯定能制造出可以实际发电的发电机。就在法拉第发现电磁感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U 形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N 极和S 极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁力线发生了变化，结果在线圈导线中就产生了电流。为了使电流方向保持不变，皮克希想出了一个巧妙的办法：在磁铁的旋转轴上加装两片相互隔开成圆筒状的金属片，由线圈引出的两条线头，经弹簧片分别与两个金属片相接触。另外，再用两根导线与两个金属片接触，以引出电流。这个装置，就叫做整流子，在后来的发电机上仍得到应用。皮克希发明的这种发电机在世界上是首创，当然也有其不足之处。需要对它进行改进的地方，一是转动磁铁不如转动线圈更为方便灵活；二是通过整流子可以得到定向的电流，但是电流强弱还是不断变化的。为改变这种情况，人们采用增加一些磁铁和线圈数量，并稍微错开地将变化的电流一起引出的办法，使输出电流的强度变化控制在一定的范围内。 从皮克希发明发电机后的30 多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，但成果不大，始终未能研制出能输出像电池那样大的电流，而且可供实用的发电机。1867 年，德国发明家韦纳冯西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。西门子的新型发电机问世后不久，意大利物理学家帕其努悌于1865 年发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。到了1869 年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，根据帕其努悌的设计方案，兼采纳了西门子的电磁铁式发电机原理进行研制，于1870 年制成了性能优良的发电机。古拉姆发电机的性能好，所以销路很广，他不仅发了财，而且被人们誉为“发电机之父”。 有些人看到古拉姆发明发电机获得成功，也想对发电机进行改进从而制造出更先进的发电机。在这些人中，就有德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了古拉姆发电机不同的线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。电动机的发明和改进：1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。他于1834年前后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型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置。安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑电磁和机械情报。但这两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发动机问世 ，电动机才行了广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。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，德国的西门子接制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达1215马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。长距离输变电技术的成熟；直流输电技术的初期发展：1882年法国德普勒建造了世界上第一条远距离直流输电实验线路，其中直流发电机发出1.5千瓦电力，输电线路长57千米；由于高电压大容量发电机制造困难，所以远距离输电所需的高压电不可能从直流发电机直接获得，尽管瑞典瑟雷等人做过技术上的改进，但直流系统的装置和运行方式仍十分复杂，造价昂贵。交流输电技术：18831885年，德国的高拉德和吉布斯、美国的威斯汀豪继发明和改进变压器；18901891年从法国劳芬到德国法兰克福架起了世界上第一条三相交流输电线路，全场170千米，在此基础上，欧美各国相继建立起远距离交流输电线路，三相交流的发电、变电、输送、分配和使用上的安全、经济、可靠和方便性，为发展电力工业开辟了广阔的前影。随着科学技术和工业生产发展的需要，电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得到广泛应用，社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（PIU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多；而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户，得到的电压也就愈低。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过正规教育，缺乏理论知识，难以解决交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险，不如直流电安全。他还打比方说，沿街道敷设交流电缆，简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者，观看用高压交流电击死野狗、野猫的实验。那时纽约州法院通过了一项法令，用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压交流电，这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才行。1888年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500伏，再分送到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利沃多布罗沃斯基又于1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。爱迪生（18471931），美国发明家。于1847年2月11日诞生于美国中西部的俄亥俄州的米兰小镇。爱迪生8岁上学，但仅仅读了3个月的书，就被老师斥为“低能儿”而撵出校门。从此以后，他的母亲是他的“家庭教师”。由于母亲的良好的教育方法，使得他对读书发生了浓厚的兴趣。为了赚钱购买化学药品和设备，他12岁时就开始工作。他卖过报纸、蔬菜和水果，出版过周刊先驱报，担任过报务员，开过公司，后来成为举世闻名的美国电学家和发明家，他除了在留声机、电灯、电话、电报、电影等方面的发明和贡献以外，在矿业、建筑业、化工等领域也有不少著名的创造和真知灼见。爱迪生一生共有1000多项创造发明，为人类的文明和进步做出了巨大的贡献。爱迪生被世人称为“天才”，但是他却解释说：“天才就是百分之二的灵感加上百分之九十八的汗水。”其中重要的发明有留声机和电灯等，特别是电灯的发明。1878年，爱迪生开始对电灯的研制感兴趣。研制电灯的关键是找灯丝材料，据说爱迪生试验了1600多种耐热材料和6000种植物纤维，但还是没有成功。1879年10月21日，他用棉线烧成碳丝，再将碳丝装进灯泡，小心地抽成真空，当电灯通上电流时，灯丝发出明亮的光辉，而且持续了45个小时。爱迪生并未满足，经过一次又一次的反复实验，用竹子纤维在碳化后可以做灯丝，灯寿命长达1200小时。为了给电灯提供电力，1882年，爱迪生在纽约建成了一个当时世界上最大规模的电力系统。他的直流发电机功率达到600多千瓦，为几千用户提供照明用电。【备课资料】互联网诞生1969年9月3日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）雷纳德克兰罗克（L.Kleinrock）教授实验室内，两部电脑成功地由一条5米长的电缆接驳并互通数据，在场大约只有20来人，这天就被视为网络网骨干网络诞生的日子。若仅根据两部电脑在实验室内互联的资料，便断言互联网络诞生未免使人产生疑惑。要知道，麻省理工学院（MIT）林肯实验室的拉里罗伯茨（L.Roberts），在他尚未成为“阿帕网之父”前，就曾经主持过一次具有历史意义的远程联网实验。他成功地将MIT一台TX-2小型电脑，以电话线传输和声音调制方式，连接到千里之外的加州圣莫尼卡，与另一台Q-32大型机实现了远程通讯，时间是1965年10月，只不过没有采用分组交换技术。正是这次成功的尝试。因特网起源于阿帕网，阿帕网UCLA第一节点与斯，罗伯茨才被调到美国国防部高级研究规划署(ARPA)，主持阿帕网（ARPANet）联网项目，从而催生了互联网络坦福研究院（SRI）第二节点的连通，实现了分组交换技术（又称包切换）的远程通讯，才是互联网络正式诞生的标志。UCLA联网实验的主持者正是克兰罗克教授，不过，准确的时间是1969年10月29日22点30分。这一过程充满了传奇彩色，有许多鲜为人知的轶闻趣事。克兰罗克是美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）计算机系教授、著名的网络先驱人物。他早年毕业于麻省理工学院，获电子工程博士学位，出版过6部著作并发表200多篇关于网络通讯的论文。事实上， 克兰罗克甚至比兰德公司科学家保罗巴兰（P. Baran）和英国学者唐纳德戴维斯（D.Davies）等人，都更早提出分组交换的理论。他原也在MIT林肯实验室工作，是拉里罗伯茨的挚友和网络技术的启蒙老师。罗伯茨把阿帕网第一节点选择在UCLA，与克兰罗克博士在那里主持研究有相当大的关系。1969年8月30日，由BBN公司制造的第一台“接口信息处理机”IMP1，在预定日期前2天运抵UCLA。克兰罗克带着40多名工程技术人员和研究生进行安装和调试。10月初，第二台IMP2运到阿帕网试验的第二节点斯坦福研究院（SRI）。经过数百人一年多时间的紧张研究，阿帕网远程联网试验即将正式实施UCLA由IMP1联接的大型主机叫Sigma-7，与它通讯的SRI大型主机是SDS 940。10月29日晚，克兰罗克教授命令他的研究助理、UCLA大学生查理克莱恩（C. Kline）坐在IMP1终端前，戴上头戴式耳机和麦克风，以便通过长途电话随时与SRI终端操作员保持密切联系。据克莱恩回忆，教授让他首先传输的是5个字母“LOGIN”（登录），以确认分组交换技术的传输效果。根据事前约定，他只需要键入“LOG”三字母传送出去，然后由斯坦福的机器自动产生“IN”，合成为“LOGIN”登录。22点30分，他带着激动不安的心情，在键盘上敲入第一个字母“L”，然后对着麦克风喊：“你收到L吗？”“是的，我收到了L。”耳机里传来SRI操作员的回答。“你收到O吗？“是的，我收到了O，请再传下一个。”克莱恩没有迟疑，继续键入第三个字母“G”。然而，IMP仪表显示，传输系统突然崩溃，通讯无法继续进行下去。世界上第一次互联网络的通讯试验，仅仅传送了两个字母“LO”！但它真真切切标志着人类历史上最激动人心的那一刻到来！由于没有照相机摄影留念，克莱恩把这一重大事件发生的准确时刻，记录在他的“IMP LOG”（工作日志）上，并签上了自己姓名的缩写（CSK）,作为互联网络诞生永久的历史见证。克兰罗克教授幽默地说，根据语音判断，“LO”可以代表“喂”（Hello），是我们向SRI致意和问候。可业界人士后来却评论说，“LO”应该是“Lo and behold”（美国习惯用语，意为：哟，你瞧！），用汉语直译是“嗨，瞧一瞧，看一看！”，整个一街头小贩的吆喝。数小时后，系统完全修复，克莱恩不仅传出了“LOGIN”，而且传送了其他资料和数据。有趣的是，第一次通过IMP“握手”的两台大型主机，却分别操着不同的“方言”聊天。一台使用的是ASCII码，另一台却使用着EBCDIC“方言”。幸亏克莱恩大脑里“储存”着两部字符编码词典，能快速地把一种“方言”翻译成另一种。“愿上帝保佑他！”事后，克兰罗克教授感慨地说。或许，他想起了电报发明者莫尔