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第9章 电的世界(4)

一个偶然的机会,斯宾塞萌生了发明微波炉的念头。斯宾塞喜欢吃甜食。一天,他在实验室做实验时,一块巧克力粘在了短裤上。斯宾塞注意到,当他运行磁控管时,裤子上的巧克力溶化了。一般人可能认为,是他身上的体温使得巧克力溶化,斯宾塞没有按照这种逻辑思维去判断这件事,相反,思维敏捷的他给出了一个更为科学的解释:肉眼看不见的辐射光线“将其煮熟了”。

发现这个现象后,他把一袋玉米粒放在波导喇叭口前,然后观察玉米粒的变化。他发现玉米粒与放在火堆前一样爆开了。第二天,他又将一个鸡蛋放在喇叭口前,结果鸡蛋受热爆炸,蛋液溅了他一身。这更坚定了他的微波能使物体发热的论点。

雷声公司受斯宾塞实验的启发,决定与他一同研制能用微波热量烹饪的炉子。几个星期后,一台简易的炉子制成了。斯宾塞用姜饼做试验。他先把姜饼切成片,然后放在炉内烹饪。在烹饪时他屡次变化磁控管的功率以选择最适宜的温度。经过若干次试验,食物的香味飘满了整个房间。

1947年,雷声公司推出了第一台家用微波炉。可是这种微波炉成本太高,寿命太短,从而影响了微波炉的推广。1965年,乔治·福斯特对微波炉进行大胆改造,与斯宾塞一起设计了一种耐用和价格低廉的微波炉。1967年,微波炉新闻发布会兼展销会在芝加哥举行,获得了巨大成功。从此,微波炉逐渐走入了千家万户。由于用微波炉烹饪食物又快又方便,不仅味美,而且有特色,因此有人诙谐地称之为“妇女的解放者”。

十六、二极管的出现

历史发展到了19世纪末期以后,人类逐渐进入了电气时代。其中,电子计算机的发明被称为是20世纪最伟大的发明之一。虽然它的出现要晚至1946年。但是追溯历史,电子计算机的重要器件——二极电子管的发明,却早至20世纪初。

二极管的发明,来源于一种被称作“爱迪生效应”的物理现象。1877年,美国发明家爱迪生发明了炭丝电灯,经过一段时间的使用,爱迪生发现了一个问题:炭丝难以抵抗高温,使用不长时间会被烧坏。为了解决这个问题,1883年,爱迪生在灯泡内封进了一个与电路中正极相连接的金属片。不过,他很快发现一个特殊的现象,即灯丝与金属片之间并无接触,可金属片上却有电流通过,这个现象就是“爱迪生效应”。

爱迪生效应引起了英国工程师约翰·弗莱明的注意。弗莱明于1849年出生,曾经从事过无线电发射与接收等方面的工作。1901年,意大利科学家马可尼实现了横跨大西洋的无线电报试验,其中,弗莱明就参加了这次试验中发射器的设计工作。由于工作的原因,弗莱明准备革新无线电发射过程中的检波器,爱迪生效应的发现,使他获得了启示。

1904年,弗莱明在真空白炽灯的灯丝外面装上一个圆形金属片作为“板极”。这时,如果给灯丝加上负电压,给板极加上正电压,在电场的作用下灯丝发射出的热电子就会流向板极,从而使灯丝板极之间的电路导通。如果给灯丝和板极加上相反的电压,灯丝板极则会形成断路。因为这种灯炮里只有灯丝(阴极)和板极两个电极,所以叫做二极真空管(又叫二极电子管)。

二极管在电子设备中具有广泛的应用。比如,整流作用,可以使交流电变换直流电。当做开关元件,二极管在正向电压作用下处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下处于截止状态,如同一只断开的开关。在收音机等设备中起检波作用。此外,二极管还具有放大和振荡的作用。

弗莱明二极管的发明,开启了电子管的发展史。1906年,美国发明家德福雷斯特在二极管中的板极和阴极之间,加进一个金属丝网(又称栅极),使“两个电极”变成了“三个电极”,从而发明了三极管。相对于二极管,三极管的检波效率明显提高。此后,电子管迅速发展,出现了四极管、五极管等多极管。

十七、真空三极管

真空三极管在电子工业中占有非常重要的地位和实用价值,有人将之称为“无线电的心脏”。它的发现促成了无线通信技术的迅速发展,真正标志着人类科技史进入了一个新的时代——电子时代。

真空三极管的发明者是美国科学家德弗雷斯特。他幼年时的理想是做个机械技师,但很快被19世纪末科技的飞速发展所激励,科学研究成了他一生的奋斗目标。

德弗雷斯特读大学时参观了在芝加哥举行的世界博览会,博览会上那绚烂的灯光让他着迷,德弗雷斯特由此发现了电学的魅力,他决心把电学作为自己的终生奋斗目标。从此,德弗雷斯特如饥似渴地学习电学知识。

有一次,他在一本杂志上读到介绍无线电收发报机发明人马可尼的文章。德弗雷斯特很佩服马可尼,梦想着拜马可尼为师。机会很快就来了,1899年,马可尼来到美国,他要用自己的无线电装置报道国际快艇比赛的实况。马可尼在成功地报道比赛盛况之后,在美国的一艘军舰上做了无线电通讯表演。

表演结束后,德弗雷斯特抓住机会向马可尼做了自我介绍。马可尼从谈话中感到德弗雷斯特的电学基础不错,并且很有创造思想,便指着发报机里的小玻璃管对他说:“要进一步增大通讯距离,必须改进金属检波器。我现在还没有想出好办法,希望你能在这方面做出贡献!”

马可尼的话对德弗雷斯特的启发很大,他为自己确定了一个研究方向。为了一心一意地做好这个课题,他辞去了原来的工作,从旧货摊上买来电瓶、电键、线圈等装置和组件,开始做实验。由于德弗雷斯特原本家境就不富裕,再加上辞去工作,因此,生活变得十分贫寒。为了维持生活,他给富家子弟补习功课,到餐厅去洗盘子……尽管艰苦,但这些都没能动摇德弗雷斯特的信心和决心。

1904年的一天,德弗雷斯特正在实验室里做真空管检波试验。忽然,一位朋友气喘吁吁地跑来,告诉德弗雷斯特英国的弗莱明博士发明了真空二极管的消息。对德弗雷斯特来说,这仿佛是一个晴天霹雳,经过短暂的犹豫和思想斗争,德弗雷斯特果断而坚定地选择了继续。于是,德弗雷斯特又一头扎进了研究工作中。他请一位技师制作了几个真空管,对真空管的性能进行检测,以寻找进一步提高的方法。

幸运总会垂青有毅力的人。一天,德弗雷斯特为了试试屏极距阴极远近对检波的影响。在真空二极管的灯丝和屏极之间封进了第三个电极,即一片不大的锡箔。他惊奇地发现:在第三极上施加一个不大的电信号,就会使屏极电流产生相应变化。第三极对屏极电流具有控制作用!这也正是德弗雷斯特长久以来梦寐以求的信号放大作用!

这一发现让德弗雷斯特备受鼓舞,为了验证准确,他又重复做了几遍实验,结果证实这种物理效果确实存在。他还发现,用金属丝代替小锡箔,效果更好。于是,他把一根白金丝制成网状,封装在灯丝和屏极之间。就这样,世界上的第一个真空三极管诞生了!

1906年6月26日,德弗雷斯特发明的真空三极管获得美国专利。后来,人们把这一天当做真空三极管的诞生日。

十八、计算机的发明

计算机是数字运算工具之一。原为机械结构,用以做加、减、乘、除、开平方、开立方等运算,按传动结构分类,可分为手摇、自动、半自动三种;按用途分类,又有各种专用计算机,如自动加法机、柜式收银机等,目前已淘汰。随着电子技术的发展,出现了电子计算器和电子计算机,结构轻巧,运算速度快,功能多。

世界上第一台电子计算机是美国的莫克莱和埃克特在1946年发明的,名为“埃尼阿克”,装有18000多支电子管和大量的电阻、电容,第一次用电子线路实现运算。计算机重30吨,占地170平方米。主要用于计算弹道和氢弹的研制。

第一代:(1946~1958年)以电子管为主要组件,使用机器语言,存储量小,但运算速度已达到每秒几千次到几万次,主要用于科学计算。

第二代:(1958~1964年)以晶体管为主要组件,使用高级程序设计语言,运算速度每秒几万次到几十万次,除用于科学计算外,还扩大到数据处理和工业控制方面。

第三代:(1964~1970年)以中、小规模集成电路为主要组件,机种多样化、系列化,外部设备不断增加,尤其是终端设备和远程通讯设备迅速发展;软件功能进一步完善,运算速度每秒几十万次到几百万次,已广泛运用于各个领域。

第四代:(1970年开始)采用大规模集成电路和半导体存储器。体积更小,出现了由多台计算机组成的综合信息网络,深入到社会生活的各个方面。此时运算速度每秒几千万次,最高达每秒几亿次。

现在研制的电子计算机采用超大规模集成电路及其他新的物理器件为主要组件,能处理声音、文字、图像和其他非数值数据,并有推理、联想和学习、智能会话和使用智能库等人工智能方面的功能。

电子计算机的发明标志着真正意义上的信息技术开端。计算机的发明,使人类进入了第三次产业革命——信息化技术革命的新时代。它对人类的科技、经济、工作、生活、学习等各领域带来了深刻的影响和变化,人类社会正向信息化社会过渡。与信息化社会相适应的社会技术是信息技术,信息技术的核心是:计算机技术、通信技术和网络技术。

计算机是用来处理信息,用以计算的,但如何处理,如何计算,关键取决于软件。我们操作计算机,为使硬件有条不紊地工作,必须给计算机发号指令,安排合理的工作顺序,这个指令就叫做程序。而电子计算机的整个程序系统就叫软件。

电子计算机的程序有两大类,一种是应用程序,另一种是系统程序。我们也可把它们叫做应用软件或系统软件。按照使用者所给出的一串串指令和数据进行工作,指令串就构成了应用程序;供用户使用的、常与电脑硬件直接联系的软件叫系统软件。它一方面负责人与电脑之间交换信息,另一方面负责组织、协调电脑各部分的工作。

电子计算机硬件包括5个部分:运算器、存贮器、控制器、输入装置、输出装置。运算器、内存贮器、控制器称为主机部分,输入、输出装置、外存贮器称为外部设备。

计算机技术在非常短的时间内已经取得了极大的发展。最初计算机的体积十分庞大,足以占据好几间房屋,并且价格十分昂贵,只有少数专家才有条件使用。现在计算机的体积已经变得很小,容易携带,并且功能强大,效率更高,性能更加可靠。

根据《教育周刊》(2005)公布的最新报告,在美国,平均每38个学生就拥有一台教学用计算机,平均每41个学生拥有一台与互联网相连的教学用计算机。美国国家教育统计中心(NCES)的报告同样也从历史的角度考察了美国在校生应用计算机和信息技术(ICT)的历年变化情况。根据美国国家教育统计中心(NCES)2003年的秋季报告,美国公立学校在校生的人机比已经从1998年的12:1下降到4.4:1,接入互联网的学校从1994年的35%发展到几乎100%的学校都已经接入互联网。

随着教师和学生越来越多地应用现代技术,可供学校教学使用的技术种类也在不断增加。学生现在已经可以使用台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑、外围设备、互联网资源、多媒体技术、数字化学习系统,以及许多应用于不同领域的软件资源。

与此同时,计算机技术也成为很多儿童日常生活中的一部分。最近的研究表明,目前在美国有2100万即87%的青少年(12~17岁)在使用互联网,有51%即大约1100万的青少年每天都上网。在2000年,大约有42%的青少年每天上网。青少年在网上的活动范围十分广泛,包括网络游戏、网上购物、新闻阅读和健康咨询等。

这些数据都表明在过去的大约10年间,计算机技术已经从只为少数专家所专有的高新技术,发展成为能够被大多数人使用的通用技术。这种发展不仅改变了计算机技术的内涵、特征,以及它在我们生活中的地位,并且也改变了我们对计算机和教育的态度。

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