可园中学物理科组工作总结
201*-201*学年
可园中学物理科组工作总结
201*.8.10
一年来，物理科组以“提高教学成绩，提升可中品牌”的工作思路大力推进教学改革，优化课堂教学；以“模式探讨”为主线，提高课堂教学质量；以狠抓教学常规为保证，努力提升教学水平；以学生为主体，把“爱与责任”融入物理教学。一年来，全组老师齐心协力，以坚定的信心、务实的态度、扎实的作风，努力做好教育教学中的各项工作，比较出色的完成了任务。（在此也要特别感谢卢主任和谢主任两位前任科组长的悉心指导和大力帮助），现把一年来做了的工作，没做好的工作以及下一年要做的工作跟大家汇报一下：
做了的工作：
一、重视教育教学理论学习，提高物理老师素养
1、多次组织老师认真学习《初中物理新课程标准》、广东省201*、201*年初中毕业生物理学业考试大纲、《课程改革及课程评价》等各类材料，通过学习，明确教学方向，转变教育观念，确立“以人为本”的教育理念。
2、要求科组教师撰写教学反思和读书笔记，积极总结平时教学中的得与失，提高教师的教学水平。一年来，有多位位老师的论文在省市获奖。
二、重视落实教学常规、力促教学质量的提高
教研组始终认为：落实好教学常规是提高教学质量的基础，所以把落实常规作为一项基础工作来抓。首先，要求每位老师努力做到“课前精心谋划、课中言简风趣高效、课后跟踪辅导提高”，确保教学质量的提高。其次，及时落实学校对教师教育教学工作的各项要求，抓好教师从教学准备、教学实施、教学评价等整个教学流程的常规管理。再次，不定期前往课室听课，及时了解组内教师的课堂教学情况，督促组内教师规范教育教学行为，为提高教学质量打基础。第四，组织了物理科月考、期中、期末等考试的命题、阅卷和考试分析评讲等工作。
三、抓好科组教研活动，促进物理教学工作
一年来，为了加强科组教师间的学习、交流，提高整个科组教学水平，科组安排了多次研讨课，以及每周一次的公开课和赛课。
1、在上学期围绕“有效教学”这一课题分别在新课教学、试卷的评讲课和新课的复习课这三大课型进行了探讨，同时在开学初还有幸请到范传东老师前来指导，卢婉嫦、阳松岭、罗学通、刘佛生、陈伙德等老师分别上了一节示范课供大家探讨、经过探讨，一种适合可中学生的课堂模式初现雏形。
2、在下学期，初三备课组紧紧围绕把课堂还给学生，提高复习课堂效率这一目标，积极探索适合可中学生的课堂模式。在开学第一周，备课组就组织全体老师互相听课，积极探索复习课课堂模式，最后通过大家各种尝试，最后确定“精讲精练、以练带讲”的第一轮课堂复习模式，在第三轮的模拟训练和查漏补缺中，我们通过讨论确定“以练为主，讲评为辅”的课堂复习模式。有了好的统一的课堂模式，为提高整个备课组的成绩，打下了坚实的基础。而初二备课组围绕进一步完善“情-导-探-评”探究性物理课堂教学模式进行积极探讨，通过重视物理知识的形成过程教学和情境教学法，以提高学生学习物理的兴趣。
3、组织好科组的各种公开课和赛课，加强老师间的学习、交流，以提高整个科组老师的教学水平。下学期高绮霞老师代表省市研室上示范课，陈伙德老师在莞城区一片青年教师教学大赛中获第一名，在市青年教师教学大赛获二等奖，同时我们多次开展组内各种研计课，通过这一系列的教研活动，教师的教学水平等到很大的提高。
4、为了提高中考成绩，科组还就“中考物理专题复习策略”、“近年中考物理出题趋势及对策”、“中考答题技巧”等课题进行了深入研究，通过这一系列探讨，为提高整个初三备课组的成绩打下了坚实的基础。四、抓好集体备课，充分发挥备课组的作用
一年来，初二初三备课组认真组织集体备课，做到统一备课、统一学案、统一内容、统一进度、统一作业、统一考试，各备课组认真钻研教学大纲、考试说明以及教材，把握好教学的重点、难点，结合教学内容与学生的具体情况，选择最优化的教学方法。各备课组集思广益，认真做好每一份教案、学案，在学案的编写，注重学生的参与，体现学生的活动，精心组织每一次考试，根据学生的反馈情况及时调整教学方法，不断提高整个备课组教学质量。
五、学生竞赛、课外活动丰富多彩
一年来，物理科组在初三开展物理竞赛辅导，在初二年级开展兴趣小组、航模小组辅导，同时在初二还大面积组织学生进行手工制作。一年来，科组教师辅导的多个项目在省市各种大赛获奖，通过这一系列课外活动，既丰富了学生的课外活动，又提高了同学们学习物理的兴趣，为物理成绩的提高打下了良好的基础。
一年来做得不好的方面：
1、一年来，科组始终围绕“如何尽快出成绩”这一中心开展工作，同时为了集中精心搞成绩，课外活动开展得比较少，主要集中在几个点上。下学年，随着新教师的加盟，课外活动将全面开展，既要有点，也要有面，通过精彩纷呈的课外活动,提高学生学习物理的兴趣,从而大面积提高物理成绩。
2、一年来，科组活动虽然都基本按部就班进行，但整个科组的前瞻性有待进一步提高。当然就是责任在我身上，所以也希望在以后的工作当中能得到各位的指导，让科组的发展得更快更好！
一年来，虽然很多做得不尽如人意，但我想只要继续发扬科组团结一心的优良传统，充分发挥科组中每个教师的聪明才智，在以后的工作中一定能取得更好的成绩。下一年准备从以下几个方面入手：
1、加强学习：带领全组积极参加业务学习，学习教育理论、信息技术、课标考纲等，努力提高大家业务能力。
2、进一步落实集体备课，发挥科组每一位老师的聪明才智。
3、积极参加校内、外教研活动，让老师有机会向先进的兄弟学校学习。4、加强校本教研，形成自己科组的课堂教学模式和教学特色，切实提高课堂实效性。
5、开展丰富多彩的课外活动，提高学生学习物理的学习兴趣。
6、继续发扬我们组的优良传统和作风，发挥团队集体的力量，为提高教学成绩继续努力。
扩展阅读：中学物理科组校本教材
江门市新会第二中学物理校本教材
物理科组主编
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前言
伴随着时光的流逝，人类历史上一个重要的世纪20世纪，在高科技文明的掩映下，正悄然地离我们而去，一个希望与挑战并存的21世纪则满怀着强烈的激情向我们走来。适逢世纪更迭的关键时刻，我们除了重温以往的舒适与优越之外，更应理智地立足现实，总结过去，展望未来。21世纪将是科技时代的预言已成为人们共知的真理，世界范围内的新技术革命日新月异，促使全球经济、社会的发展乃至人们的生活方式都不断发生重大变革。科技竞争，特别是人才竞争，已经成为世界各国全面竞争的焦点。现在，许多国家都把提高国民的科学文化素质当成是21世纪竞争是否成功的关键。为适应世界潮流，迎接新世纪的挑战，普及科学文化知识，正受到社会各界的广泛重视。科技知识的传播，已经成为当前我国促进社会主义物质文明和精神文明建设、维护社会繁荣稳定的一项重要任务，也是今后依靠科技进步，提高全民素质，使我国经济和科技得以持续、快速、健康发展的重要保证。
今天的青少年，就是明天的主人。他们都是21世纪的主人，这些人的文化科学素养，标志着国家未来的盛衰强弱，标志着我国在世界之林的竞争能力，尽多尽快地培养科技人才，是时代的当务之急。我们要扩大他们的知识面，启迪他们的智慧，开阔他们的视野，造就他们，培养他们，使他们成为下一世纪的合格主人。
自17世纪以来，物理学一直为自然科学的领头学科，推动着各学科的发展，诱发出许多交叉分支学科和技术领域。物理学作为一门基础学科，又总是向人类智慧提出一些最深刻的挑战。因此，向青少年介绍一些现代物理前沿科学、物理学思想，将有利于青少年开阔眼界、诱发思维、启迪心智，有利于吸引和培养优秀的青少年从了解科学到热爱科学，早日选定自己的志趣从而献身科学。
新会二中物理科组
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目录
第一章身边的力学
1、漫谈人体的运动与力学………………………………………….12、树木生长中的力学行为………………………………………….23、“势如破竹”与混凝土中的力学知识………………………………4
第二章物理与生活
4、音乐中的物理知识……………………………………………….65、涡流及其应用…………………………………………………….86、超声波及其应用………………………………………………….107、移动通信技术的发展…………………………………………….118、磁悬浮技术的应用-----磁悬浮列车……………………………13
第三章激光
9、激光的形成与发展………………………………………………1510、激光技术与材料加工………………………………………….1611、激光全息图像技术在防伪包装的应用……………………….1812、激光武器的应用……………………………………………….20
第四章太空探索
13、金星探秘……………………………………………………….2214、火星探秘……………………………………………………….2315、载人航天事业的发展………………………………………….25
1漫谈人体的运动与力学人体是个复杂的大系统
生命离不开运动，人类的一切活动都离不开运动，竞技场上奥运健儿们的运动更是牵动着亿万人的心。与无生命的物体不同，人体的运动是受意识控制的运动，虽然也遵循力学普遍规律，但却具有特殊的复杂性。从动力学研究的观点出发，这种特殊性可以归纳为：
（1）人体的“硬件”是由有限个部件用关节联结成的骨骼系统。
（2）各相邻部件之间存在肌肉联系，可施加作用力以改变相对运动状态。（3）肌肉作用力受神经中枢“软件”的控制。
因此，人体是由骨骼、肌肉和神经三个子系统构成的复杂大系统。除了各部件的机械运动以外，各相邻部件之间的肌肉控制力矩，感觉器官接收的输入信息和传递给肌肉的输出信息等都是比机械运动数量大得多的未知变量。它们的变化规律已超出了经典力学的研究范围。
经典力学有用武之地吗？
由伽俐略、牛顿奠基的经典力学发展至今已经达到尽善尽美的程度。宇宙万物的宏观运动无不可用经典力学解释，当然也应包括人体的运动在内。问题在于按经典力学普遍原理列出的动力学方程的数目远小于未知变量的数目。在这些未知变量中，引起困惑的肌肉收缩力和神经信息不是经典力学的研究对象，也难以被运动者本身感知，只有肌肉活动所引起的后果，即相邻部件的相对位置变动可以被感知和控制。体操运动员做一个高难动作时，他只关心手臂或腿的位置是否正确，不会去想关节上应加多大的肌肉收缩力或传递多大的神经脉冲。只要不追究肌肉施力的生物物理过程，并且假定运动者对肌肉的控制机能足够健全，人的主观意志就能通过肢体的相对运动体现出来。将相对运动规律作为附加的约束条件列出，就能从经典力学微分方程解出躯干运动的变化规律。这种研究方法十分有效，可以正确地解释人体运动和指导体育实践。
单杠上的自激摆动
悬挂在单杠上的运动员是一个复摆，但依靠收腹、屈臂和鞭打的联合动作能使稳定的平衡状态变为不稳定，产生振幅愈来愈大的摆动。这种称作振浪的体操动作是一种典型的自激振动。运动员根据自身摆动的位置控制肢体的动作。将这种协调关系写成约束条件，从动力学方程解出摆动规律，从而可以说明，正确的振浪动作使摆幅增大，错误动作反使摆动衰减。
直立的人体为何不倒
直立的人体是一个倒置的复摆，若不加控制是典型的不稳定平衡。人一旦感觉到重心有向一侧偏移的趋势，就立刻控制足底支承力的作用点向同一侧移动，同时向另一侧做弯腰动作以维持平衡。将这种协调动作写作约束条件，可以分析出，由不稳定平衡如何转变为平衡。由于重心水平运动的动力来自足底的静摩擦，因此受到地面能够提供的最大静摩擦力的限制。为保证控制作用有效，站立过程中重心的地面投影不得越出以支承足为中心的一个椭圆域，域的大小与地面摩擦系数成正比。在光滑的冰面上人容易摔倒是因为这个椭圆域缩小到接近于零的原因。
怎样保持步行稳定
人的步行是更复杂的运动。由于是单足支承，重心在地面上的投影经常越出足底与地面的接触面，不能像爬虫缓慢爬行那样随时满足静平衡条件。因此人的步行稳定性是一个动态过程，主要依靠足底摩擦力来保证，向前踏地时，摩擦力朝后，向后蹬地时摩擦力朝前的客观规律恰
好满足稳定性的要求。在地面上围绕支承足也可作出幅度与摩擦系数成正比的椭圆域。重心的地面投影必须保持在域内才能保证实现稳定步行。要使步行能连续进行，左、右足的椭圆域必须连通。因此跨步的距离必须受到限制，地面愈粗糙容许的步距愈大。田径运动员穿上钉子鞋就能大步奔跑，因为鞋底与地面的摩擦明显增强了。
人怎样才能离地人体从受地面约束到腾空状态的转变依靠起跳运动实现。当足底的法向支承力消失，且重心具有垂直向上的速度时，人体就能解除地面约束。因此正确的起跳动作是从下蹲状态向上伸展肢体，使重心的垂直运动先加速后减速。加速的目的是积累离地速度，减速的目的是减小法向支承力。当负加速度与重力加速度相等时，支承力减小为零，人体离地跳起。肢体的伸展主要受膝关节的控制，因此，膝关节转角可作为起跳运动的控制变量。对运动员来说，最大跳跃高度是衡量跳跃质量的优化目标，由离地速度确定。要提高离地速度，起先必须用大力蹬地以获得最大的起始伸展速度。但随后的制动过程必须缓慢，因为过快的制动将使解除约束过早发生，致使人体尚未积累足够的垂直速度即离地跳起而影响成绩。与跳跃运动相反，竞走运动必须避免支承足离地面的犯规动作。由于解除约束是由重心的垂直加速度引起，因此运动员在步行过程中必须力图避免重心上下波动，从而形成了竞走运动员独特的扭臀动作。
骑自行车的力学
虽然自行车是最普及的交通工具，但是自行车运动的原理至今尚未完全弄清楚。自行车是受人控制的机械，若不考虑人的主观因素，会得出自行车稳定性只与车速有关，即车速太慢太快都会引起不稳定的错误结论。实际上，众所周知，自行车是否稳定完全取决于驾车人的技术。当驾车人感觉到车架向一侧倾斜时，会立刻控制车把使前叉朝同一侧转动。将这种控制规律作为自行车运动方程的补充条件进行计算，结果表明，所谓驾车技术完全是由控制规律体现的。选择适当的控制参数就能使自行车稳定。除了把手以外，人的腰部动作是另一个控制因素，所以，高明的驾车人双手脱把也能骑好自行车。
总之，力学现象随处可见，只要大家细心观察，一定还能发现很多与我们人体运动有关的力学现象。
2树木生长中的力学行为
树木人类的朋友
远在恐龙漫游大地之前，地球上的树木已经是千姿百态，郁郁葱葱，花果芬芳，一派生机了。树木是木质多年生植物，通常把它分为乔木和灌木两种。乔木是l．3米以上，只有一个直立主干的树木；灌木是直立的、具有丛生茎的树木。我国现有木本植物约7000多种，属乔木者约占1/3以上，但是作为工业用材而供应市场的只不过1000种，常见的约300种。球上拥有充足的空气、水和阳光，这些是树木存活、生长和繁衍的必要条件。树木为生活在地球上的人类营造出了天然的乐园：树木的枝叶翻动摇曳，借助太阳光能蒸腾水分，增加地球表层空气湿度，缓解盛夏的炎热，是天然的“加湿器”和“空调器”；树木叶面能吸附和过滤灰尘、粉尘和烟尘，净化空气，是天然的“过滤器”。此外，树木还能吸收人们排放出的二氧化碳，放出氧气，调节空气的正常成分比含量，是“绿色工厂”；树木的集合，能够减弱风力和风速，保护土壤、建筑物等免受风蚀，是天然“风障”；树木能降低城市和街道噪声，是天然“隔音板”和“消声器”；树木能减弱降雨对地面的冲刷，减少水土流失.还有，树木为人类提供了丰盛的果实、药材和衣、食、住、行的原材料。因此，可以说，树木是人类不可多得的朋友，没有树木和森林，
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就没有人类的生活，更没有人类的生存与发展。树木人类真正的朋友。
伴随流体输送现象的树木生长
树木在生长发育过程中，形成了高度发达的营养体。水分及营养液等流体的输运现象始终伴随着树木营养生长的生理过程。这里仅简要地加以说明，树木由树梢沿主轴向上生长（高生长），也在土壤深处向下生长（根生长），中间的树干部分沿着径向生长（加粗）。前一年形成的树干部分到了次年不会再进行高生长。有人曾做过这样一个小实验：在距离地面1--2米处的树干上钉入一根铁钉，几年后树木长高长粗了，但那颗铁钉距离地面的高度却没有发生变化。树木从天上接受阳光的沐浴，到地下去寻觅水分，把原料从树根输送到叶片。由叶子制造养分，将养分向下输送，供给树木生长需要。这样，树木生长过程中，形成了非常协调完备的水分及养分的输送系统。一株红杉（美）树高达112米，一株杏仁桉（澳）树竟高达156米，一株银杏（中）树龄达3000年。那么对于如此高大、如此年久的树木，体内各种物质（水、矿物质、可溶性碳水化合物和激素等等）是怎样输送的呢？即树液（98％的水和可溶矿物质）是靠什么力量由树根上升到树梢的呢？而营养液又是靠什么力量从叶部运回到根部的呢？同时，那些输送通路又是如何呢？为了弄清上述流体力学现象，我们先来观察一下树干的横切面，它的最外层是树皮（外皮），树皮里边一层是韧皮部（也叫内皮），经它将营养液由叶部输送到树木的其他部分（包括根在内）。再向内一层是形成层，它的细胞不断分裂，使树木沿径向生长而不断加粗。再往里是边材和心材，即木质部，木质部中被叫做导管的细胞组织，它将树液输送到茎和叶部。
树木体内营养液的流动
树木由绿色的叶子依靠由根系吸收的水分和矿物质，再通过吸收太阳能进行光合作用共同来制造有机物（糖类、酸类等）树木营养液，以供给树各部的生长、增强、修复组织和繁殖等等。那么，营养液是通过什么途径、以什么为动力来输送的呢？为此，科学家们做了许多实验，获取了不少数据，得出了如下一些结论：
（1）环割实验证明，树木营养液是通过韧皮部的细胞以直线方式，即由上向运输，这是长途运输，而细胞间的运输则主要由胞间连丝为通道。
（2）压力流动模型实验证明，树木营养液的流动动力是流体静压力。即净生产细胞（如一片成熟叶）由于光合作用制造大量糖而保持较高的溶质浓度，水便通过渗透作用不断进入净生产细胞，使胞内的流体静压力增加，迫使营养液经过胞间连丝进入韧皮部。而净消费细胞（可以是一个根细胞、一个有代谢作用的细胞，或一个果实细胞）由于呼吸、生长和储藏保持着较低的溶质浓度，胞内流体静压力较低。这样，营养液便沿压力梯度向下运输到根部。上述营养液在韧皮部的流动动力已经清楚，那么，它的流动速度又如何呢？近年来的研究表明：韧度部转移营养液的最高速度在阔叶树中是0．4--0．7米/小时，在针叶树中是0．18--0．2米/小时。
根据上述树木营养液的输送速度，对于一株30米高的松树和杨树，营养液由树冠输送到树根的最短时间分别为7天和1．8天，而对于112米的红杉来说约需20多天的时间。
树木体内的水分流动
水在土壤-树木-大气这个系统中的重要性，无论怎样强调都不过分。这是因为水的可利用程度是控制树木存活和分布的诸因子中最重要的一个。从生理方面来看，水能保持树木的细胞充分膨胀，使得细胞才能增长和变粗，树木才能生长和维持一定的形状，气孔才会张开，树木
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才会运动（如放叶和开花）。树木所需的水分几乎全部由根系（吸水器官）吸取，并沿木质部（从根部到叶部）向上长距离移动。那么，水分是靠什么动力来提升的呢？研究结果表明，动力有两种：一种是根压，另一种是蒸腾拉力。所谓根压是指树木根系的生理活动使树液从根部上升的压力。根压把根部的水分压到地面上部，土壤中的水分才能不断补充进来，从而形成根系吸水过程。这是由根部形成力量引起的主动吸水。不过，根压一般只有0.1--0.2MPa，只能使木质部导管中的水柱升高10--20米，而许多乔木的高度是远远超过这个数值的。树木叶片的蒸腾拉力也是体内水分上升的主要动力。蒸腾拉力是怎样产生的呢？当树木叶片蒸腾失水时，叶肉细胞便产生很低的水势，形成-3---1MPa的负压，即产生对下部连续水柱的拉力，这就是蒸腾拉力。木质部导管中的水柱的上端受到强大的蒸腾拉力，克服水柱本身的重力和输运过程中产生的阻力，从而使水柱连续不断地进入叶部。可是，水柱在拉力作用下会不会断开呢？这取决于水分子间的吸收力（即内聚力）和水分子与管壁间的附着力的大小。据实验测定，0．5毫米直径毛细管中的水线，在20℃时可耐受27MPa的离心力而不断裂且不与管壁脱离。这个事实间接地说明了蒸腾拉力既能够把木质部中的水分拉到叶部，又不会把水柱拉断，从而使树木根部的水分源源不断地输运到叶部，保证了树木的枝繁叶茂。水分通过木质部由下向上流动，其速度因树种不同而异。据在树木胸高处测定，一般阔叶树种中环孔材水分流动速度为25--60米/小时。
目前所知，欧洲栎环孔材水分流动速度高达43．6米/小时；散孔材为1--6米/小时；而针叶树材一般为1--2米/小时。
在树木的生长过程中伴随着各种各样的力学行为，这里介绍的内容仅仅是其中的一小部分。尽管人们从30年代已开始在宏观上，后来又在微观上进行了不懈地研究和探索，但仍有大量的力学问题有待解决。随着社会的发展，人类的步，树木这个难得的朋友，对人类将越来越重要。爱护树木，多植树木，就是进步。
3“势如破竹”与混凝土中的力学知识
“势如破竹”纵横谈
人们总喜欢用“势如破竹”一词来形容所向披靡、节节胜利，而破竹之势则又烘托出一种长驱直入的无比威力。这种说法经流传下来是有些年代了。
我国历来多竹,不少南方人都有剖劈竹子的有趣经历：偌大青竹筒，利刃过处，节节响裂，钢刀长驱直入，毫无阻碍，施力式微，直贯到底。形容形势发展极其顺利、迅猛，说势如破竹，可谓贴切矣。竹子以其挺拔、高雅的素质，不屈不挠、奋发向上的精神风貌不仅历来被人们所称道，且还是大自然赐予的一种天然复合材料。从材质看，它的主体由一种纵向贯通型长纤维组成，这些长纤维处于基质之中，长纤维之间的亲和力很小。但是竹子的纤维分外致密、坚韧，具有强大的纵向抗拉、抗压能力。但若钢刀从它的端部猛力切入，纵向纤维间便会裂出一道楔形口，断裂力学上称为张开型裂纹或I型裂纹，在裂纹的尖端附近形成了一个强应力场（应力是单位面积上的内力）。应力在此处高度集中，因而此类张开型裂纹的破坏性最大；加以竹子长纤维间的亲和力原本就小，楔裂处不但迅即破坏，且随着钢刀的不断切入，加载速度提高，强应力场随之向前扩展，竹纤维间微弱的亲和力难以抵御迅速前移、高度集中了的强应力，于是刀刃未及，竹子便自动开裂。看来顺着纤维方向着力劈削，对竹子来说无疑是认定了它的弱截面，才出现淋漓痛快的势如破竹现象。出于“势如破竹”这条成语，人们似乎认为竹子耐力性差，只配做些竹篮竹筷之类的小东西了。殊不知换了一个方向，转它个90度，情况便会有天渊
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之别：如果钢刀从横向朝竹筒猛砍下去，刀子不是弹跳回来便是刃钝口缺，竹筒却是岿然不动的，至多略损些皮毛而已。这是因为竹子具有优化“复合材料”的表层，通体包裹着一层极为坚硬、耐磨的青皮，俗称“蔑青”。同一根竹筒，破竹之势在此似乎再也不灵验了。竹子的横向抗劈削能力是可以和一些有色金属相媲美的。不言而喻，横向截面是竹子抗劈削的强截面。于是在民间，对付竹子便因纵横有异，纵向才用刀劈，而横向呢，只得借重钢锯利齿的慢功夫了，两者不能混淆。从力学观点来推敲，“势如破竹”这条成语仿佛就应是势如破直竹才对呀！只是大家沿用久了，说到破竹，往往只想着纵向的，人们习惯于循着竹子纤维生长的方向来看问题，这大概也算是一种顺乎自然的心态吧。但若想利用竹子来制作构件，最起码也得了解这种材料纵、横向抵抗破坏的能力，即浅近的力学知识，这就是被意大利杰出的科学家伽里略赞誉为“美丽而有用的科学”材料力学所研究的课题。伽里略一生对材料力学孜孜不倦的探索、钻研，使他也成了这门学科当之无愧的奠基人之一。《材料力学》是一门研究构件的强度、刚度和稳定性的科学。为了方便起见，一般就先假定好材料的各个方向都具有相同的力学性能，这在力学上称为各向同性。工业上所用的锻钢、铸铁、紫铜、塑料等等许多人工材料与这一假定大致吻合。唯有竹子等天然材料例外，而竹子的纵、横力学性能相差又过于悬殊，万不能也认为是“各向同性”了。果真有人难得糊涂若此，在工程上就要出问题了。但也只要明白并顾及此点，竹子就能驯服地为人类服务，而不至于耐不得力的。我们用竹子做成杠棒、扁担、躺椅、竹床、精巧剔透的小竹楼乃至在小型混凝土预制件中替代钢筋的位置都是范例。只要略作分析，我们就不难发现在这些构件中，竹子所受到的要么是一种横向载荷或是一种纵向的集结力，这些都是竹子的“强项”，而决不去选定竹子的弱截面，着力形成劈削。这就避开了它的弱势，发挥了它的长处，因而是决无“势如破竹”之虞的。
经验和教训告诉我们：竹子固有它自己的客观特性，使用时要切实扬长避短，方能物尽其用。细细想来，物尽其用固然如此，人尽其才，又何尝不是如此呢。
混凝土的发展与力学
人们最早利用混凝土只不过把它当作人造石材，但今日的混凝土已经渗透到我们生活、生产的各个角落，那么，为什么混凝土能得到如此广泛的应用呢？首先是混凝土找到了一个很好的伴侣钢材。混凝土的膨胀系数与钢材很接近，因此它可以与钢材紧密结合起来。另一方面混凝土善于受压，钢材善于受拉，两者结合起来作为梁来使用时正好能够发挥彼此的长处。因为在梁里总是有一侧受压另一侧受拉的，而且它在受载过程中，要产生向下的弯曲变形，这必然使上边的材料缩短，下边的材料拉长，即总是上边受压下边受拉。进一步可以说：任何承受弯曲的构件总是一边受拉，一边受压，若把钢筋放在受拉一边，将混凝土放在受压一边，正好符合梁内的受力分布，得到很好的效果。
随着科学技术的发展，新的矛盾产生了，钢材的耐拉能力随着钢材性能的改进愈来愈高，可是它的弹性模量并没有增加，弹性模量是反映材料每单位伸长所需要的力。现在抗拉能力提高了，弹性模量没有增加，说明钢材在拉断时比以前伸的更长了。粘结在钢材旁边的混凝土本来就怕受拉，现在必然会裂得更加厉害而使构件无法正常使用。这就使能经拉的钢材，也就是高强钢材无法在钢筋混凝土构件中采用。为了克服这一弱点，人们设法先将钢筋拉紧，然后再在其四周浇筑混凝土，待混凝土凝固并与钢筋产生粘结力以后再放松拉紧了的钢筋。这时靠它们彼此间的粘结力使一部分预先拉紧钢筋的力量传到混凝土上，使在钢筋周围的混凝土受到预压力，而处在与钢筋相对一侧的混凝土受到预拉力，整个梁好像受到反方向的弯曲而拱起，这种现象称作反拱。反拱起来的梁、板在使用载荷下又重新弯回来。在相同的下垂变形条件下，
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经反拱的梁、板当然能承受更大的载荷，使其既不开裂也更不易破坏，这种被预先拉紧的钢筋做成的构件称作预应力混凝土构件。经过进一步探索，发现钢筋预加应力后在构件内呈直线状态。因为只要拉紧了，它就绷直了。可是直线位置的钢筋并不是最合宜的位置，于是开始探索曲线配置预应力钢筋的方法。首先想到的是在混凝土中预留孔道，待混凝土硬化后再穿钢筋，然后再张拉钢筋，向孔道里浇注水泥浆，使钢筋与混凝土间产生粘结力，形成预应力构件，这种构件里的钢筋允许有小量的弯曲。它称作后张法预应力构件，以便区别于前面先张拉钢筋再浇注混凝土的先张法预应力构件。
小量的弯曲还不能满足人们的愿望，于是放弃了钢筋与混凝土粘结的要求，将高强度钢材用隔离剂与混凝土分割开，先将这种钢筋按要求的曲线形状放好后再浇混凝土，由于存在隔离剂，钢筋可以在其中自由抽动，当然也就可以张拉这种曲线配置的钢筋了。张拉好以后再靠锚固技术将钢筋在两端锚固在混凝土上，中间仍保持无粘结状态。可以想象，这种锚固技术要求相当牢靠。只要锚固牢靠，它同样起到了预加应力的效果，这就是无粘结预应力混凝土。因为钢筋可以在混凝土中自由抽动，它的设计计算方法与一般有粘结力的预应力混凝土构件不同。人们没有停止前进的步伐，又进一步将优化理论应用到预应力构件上来。他们发并不是钢筋预拉得越紧越好，而是有一个最优的拉紧程度。这样，当解决了精确控制钢筋张拉力的技术以后，人们研制出了所谓部分预应力混凝土构件，这种构件既能满足承载能力、变形与开裂程度的要求，又处于最经济合理的状态中。
第二章物理与生活4音乐中的物理知识
科学与艺术的关系在近几年又被不少人重新提出来了。事实上它是一个一直被前人先哲们争议不休的古老课题。自古至今，多少科学家、艺术家、哲学家对此发表过他们的真知灼见。随着近代科学的发展，人类又重新认识了科学与艺术之间不可分割的内涵所在。当前，科学与文化的发展，除了有各门学科各自的前沿以外，还有三个特点：一是各种门类学科，包括自然科学、社会科学、技术科学、哲学和艺术等学科的交叉与渗透；二是作为主体的人和客观世界的融汇和结合，人们越来越看到自身的价值；三是计算机的渗入。音乐就处在这三个特点的交汇处。以往以研究音乐的客观基础及乐器发声为对象的科学音乐声学，现在已涉及到物理学、音乐艺术、电子学、计算机科学、生理学、心理学、美学等学科。因此，现代的音乐声学已经是一门与高科技结合的新的交叉学科。
一场音乐会中的物理问题
到现场去听一场音乐会，这是一种文化，一种享受，也是一种感情的交流，还可以说是一种美的升华。然而你知道吗？在音乐中还包含了许许多多的物理问题。
报幕员出来了，如果是一个不用扩音设备的音乐厅，那他站的地方一定是舞台正中偏前的位置，在这个位置上讲话，全场听起来最清晰，声音也最响。北京中山公园音乐堂的舞台干脆做成一个扇面，报幕员站在扇面的焦点上。音乐厅的听众大厅，有的做成长方形，有的是扇形。顶棚有的高，有的低。四边的墙壁常常用木板做成“孔隔”、“窝状”。这些都是通过声音的反射来控制声音的音质及其在大厅内的分布。还有，帷幕、座椅、顶板、墙壁、地毯等都有吸声的问题。乐队上来了，为什么第一小提琴、第二小提琴、中提琴、大提琴和大贝司之间有一定数量比例？为什么弦乐器与管乐器之间又有一定数量比例？所谓单管制、双管制、三管制的管弦乐队配置又意味着什么？乐队在舞台的位置如何？同一类乐器处在一起是为了什么等等。这里
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包括有音量问题和音色问题，即声音的叠加和强弱的配比，而在强弱的比例中又还有音色的配比。各种乐器的发声机理当然是物理问题，不同的乐器有不同的音色，因此，乐器之间都有着传统的“搭配”。乐器的分类方法最普遍的也是最科学的是按其发声的物理机制分类。和声、和弦、声音的协和以及中国唢呐的“不合群”等也是一种物理现象。而配器，也无非是各种音色、音量的搭配和穿插。你能同时听到并分辨出不同乐器，这是由于声波独立传播的性质造成的。如果剧场用了扩音器，或者是录音设备，那么，舞台上分布的、乐队前摆放的、歌唱者手里的传声器，俗称“麦克风”，无论从其类别、
性能、放置位置、高度、相互间的距离等都是不同的。这些都是音乐电声问题。音乐电声问题还有音箱的类别、性能、个数、放置位置等。弄得不好，还会有反射声与歌唱声脱节，扬声器发出尖叫声等。舞台上现在有声控的音乐灯光，也是靠声音的强弱去控制的，这也是涉及到物理方面的问题。
音乐的物理内容
既然我们明确了音乐是声音的一种，现在，让我们从学科的角度来看一看音乐的物理内容。由于声音是振动的传播，因此，物理学就是音乐的自然科学基础，音乐中包含着许多的物理内容。音乐的产生，也就是音乐声源，如弦振动、簧振动、膜板体振动、人的歌唱以及电振荡等属物理声学问题。音乐在各种场合的传播，涉及声的反射、折射、绕射、吸收和隔声等也是物理内容。电声音乐中的换能是把音乐的振动转换成电的振动，然后进行加工、控制，这是电学和声学的换能，也包括信号处理、调制、放大等物理内容。乐器制造实际上是一件发声的物理仪器的制造，音乐的测量，包括频率、强度、时间、频谱、动态等都是物理测量，制造乐器的许多材料性能测量也都是物理测量。研究音乐性质如音质好坏、振动模式等，都是利用物理方法。音乐声的心理、生理实验方法，实际就是物理实验方法在音乐中的运用。音乐研究离不开物理，但是，物理又不是音乐的唯一内容，音乐声学还要把物理和生理、心理因素结合起来，例如：音质的好坏，除了客观地用物理仪器测量以外，还要有主观评价。要把主观评价的客观基础与主观感受联系起来。因此，音乐要反映主体与客体的关系，这里也有审美问题。
人对音乐的感知大多是通过耳朵的。立体声效果是建立在双耳效应的基础上。耳朵的能分辨阈值，包括对音调的差别、声强的差别、时值的低限等，都要与客观的物理量结合起来考虑，这是音乐与生理的直接关系。还有，音乐反映人们的心理状态，传递人与人之间的感情，这又是音乐与心理学的关系。
“声声慢”与“节节高”声的传播速度
当你在校园里的某一处听广播喇叭里播的乐曲时，如果你能同时听到两个扬声器发出的声音，有时你会听到两个声音是一先一后的。产生这些现象的原因是你所在的位置与两个扬声器的距离不同，而且相差较大，而声音的传播是有一定速度的缘故。
一位歌唱演员，有一次在剧场里演出时使用扩音设备中扬声器里播放的伴奏带作为伴奏音乐。她总是觉得自己的歌声在往后拖，于是不断地放慢速度“等”着，而结果是越拖越慢，成了“声声慢”，而砸了锅。究其原因，是没有在舞台上放返送音箱，她听到的是台前向观众的扬声器中播出又从剧院后墙反射回来的伴奏音乐。由于声的传播有一定速度，当然就比唱歌后拖一定时间，有个“时间差”。你等它，“时间差”依然存在，就越拖越慢了。就如我们先看到闪电，再听到雷声一样，这说明声音传播的速度比光速小，并且是可以感觉到的。人们测定在空气中传播的声速大约是每秒钟340米左右，声音在液体和固体中传播的速度要比空气中的传播
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速度大。人们把耳朵贴在地上，可以比站着先听到远处的马蹄声。声音传播的速度还与传播介质的温度有关。介质温度越高，传播速度越快。声音随着传播介质的温度变化，这点在音乐表演中有很重要的影响。当我们用嘴吹奏笛子、小号等管乐器时，特别是在冬天，会由于人的气息给予的热量而使管内的空气温度升高。这样，由于管乐器的音调与空气中的声速成正比，就会使乐器声的频率变高，成为“节节高”乐队。或者使管乐器的声音与弦乐器等音调随着温度变化不大的乐器的声音脱节，而为对不准音的“多调乐队”，这将会造成不堪设想的后果。
音乐与物理的关系有很多，如声强、声压、声能分布形成的声场、音乐声的传远和衰减等等问题；如各种声谱、旋律、节奏、立体声等问题；如音乐声波在各种介质中的传播，音乐声波与温度的关系等问题；如音乐声的反射、吸收、独立传播等等。还有乐器本身是一种产生音乐声的物理仪器，它的分类、材料的性质、结构、振动的模式、声学参数、调试、维护、测量、表演等无不涉及物理问题，电声乐器的发声原理及调试加工、音响设备、音乐在厅室里的传播、歌唱发声的原理以及研究音乐的方法等，也都离不开物理。
5涡流及其应用
涡流是“涡电流”的简称，也称为“傅科电流”。它是这样来描述的：当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在这块导体中也会出现感应电流。由于导体内部处处可以构成回路，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，因此，这种电流在导体内自行闭合，形成涡旋状，故称为涡电流，以“i涡”表示。
如果我们仔细观察发电机、电动机、和变压器，就可以看到，它们的铁心都不是整块金属，而是用许多薄的硅钢片叠合而成。为什么这样呢？原来，把块装金属置于随时间变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流简称涡流。整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强。如变压器的铁心，当交变电流穿过导线，时穿过铁心的磁通量不断随时间变化，它在副边产生感应电动势，同时也在铁心中产生感应电动势，从而产生涡流。这些涡流使铁心大量发热，引起较大的涡流损耗。涡流的热效应对变压器和电机的运行极为不利，首先，它会导致铁心温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时可使绝缘材料当即烧毁。其次，涡流发热要损耗额外的能量（叫做“涡流损耗”），使变压器和电机的效率降低。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。为减少涡流损耗，交流电机、电器中广泛采用表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物的薄硅钢片叠压制成的铁心，这样涡流被限制在狭窄的薄片之内，磁通穿过薄片的狭窄截面时，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，回路的电阻很大，涡流大为减弱。再由于这种薄片材料的电阻率大（硅钢的涡流损失只有只有普通钢的1/5至1/4），从而使涡流损失大大降低。涡流的热效应
在金属圆柱体上绕一线圈，当线圈中通入交变电流时，金属圆柱体便处在交变磁场中。由于金属导体的电阻很小，涡电流很大，所以热效应极为显著，可以用于金属材料的加热和冶炼。利用涡流的热效应进行加热的方法叫做感应加热，冶炼金属用的高频感应炉就是感应加热的一个重要例子。当线圈通入高频交变电流时，在线圈中的坩埚里的被冶炼金属内出现强大的涡流，它所产生的热量可使金属很快熔化。这种冶炼方法的最大优点之一，就是冶炼所需的热量直接来自被冶炼金属本身，因此可达极高的温度并有快速和高效的特点。此外，这种冶炼方法易于控制温度，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种合金和特种钢等。
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电磁炉（又名电磁灶）也是应用涡流热效应的一个例子。它是无需明火或传导式加热的无火煮食厨具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具（炉具）。电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具，它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。
涡电流的机械效应电磁阻尼即涡电流还可以起到阻尼作用。利用磁场对金属板的这种阻尼作用，可制成各种电动阻尼器，例如磁电式电表中或电气机车的电磁制动器中的阻尼装置，就是应用涡电流实现其阻尼作用的。
电磁驱动这是对"电磁阻尼作用起着阻碍相对运动"的另一种形式的应用。感应式异步电动机就利用了这一基本原理。
涡流的磁效应
把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次，摆才能停止下来．如果电磁铁通电，磁场在摆动的铜板中产生涡流。涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来。这种现象称为电磁阻尼。电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制做的，它可使仪表指针很快地稳定在应指示的位置上。此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制做的。
涡流检测技术
电涡流检测的工作是运用电磁感应原理,通过线圈将变化的交流磁场引入导电材料，当磁力线穿过被检测的金属零件时，将在零件内部产生频率范围从500Hz到几兆赫的微小电流，这种电流称为涡流。对于由测头线圈产生的初始电流而言，涡流是一种阻抗，它将产生与初始交流磁场方向相反的二次磁场。大多数电涡流检测系统均采用单线圈测头，测头中的线圈既可产生电磁场，同时又可读取自身电磁场的变化，这与雷达系统既可发射信号又可接收自身信号的原理类似，不同之处仅在于雷达系统发射和接收的是声波或无线电波，而电涡流检测系统发射和接收的是电能量信号。由于电涡流检测原理的实质是对材料导电率的检测，因此电涡流检测系统非常适合用于检测非铁磁体材料（如铝）。随着汽车制造业使用铝合金零件越来越多，电涡流检测技术也日益受到汽车制造商的青睐。电涡流检测技术并非只能用于检测铝、奥氏体不锈钢等非铁磁体材料，它同样也可用于检测黑色金属材料工件（如铸铁等），但检测之前需要对仪器进行调整，以补偿此类材料较低的导电率。对于加工质量未知的待检测零件，由于热处理状态、材料成分、工件形状等因素的影响，其金属结构可能与加工质量优良的标准零件之间存在细微差异，用电涡流检测仪器可以检测出这种差异。此外，电涡流检测系统还可以检测出被加工表面以及表面以下部位的材料缺陷。为了保证测量的正确性和有效性，在进行实际测量之前，必须根据轮廓尺寸已知的标准零件对检测仪器进行定标置零，然后以标准零件为测量基准对其它的未知零件进行相对测量。检测方式通常是将被测零件的电信号与标准零件的电信号直接进行比较，如果其误差超过了设定的公差范围，则判定其不合格并将其剔除。因此，利用涡流原理
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可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题。
6超声波及其应用
人耳最高只能感觉到大约201*0Hz的声波，频率更高的声波就是超声波了。超声波在媒
质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，声波功率就是表示声波作功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比,而超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的，因而能量很大。超声波的技术应用概括起来主要是利用它能量大和沿直线传播这两个特点展开的。
超声波技术的应用
(1)超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像。我们知道声波能够绕过障碍物继续传播，但是，波长越短，这种衍射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫做声纳。声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度等。在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测,超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收，如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射。这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。在医疗诊断中则常采用回声法：将弱超声波透入人体内部，当超声波遇到脏器的界面时，便发生反射和透射。透射入脏器内部的超声波，再遇到界面时还会再次发生反射和透射，超声波接收器专门接收各次的反射波。医务人员根据所收到的各次反射波的时间间隔和波的强弱，就能够了解到脏器的大小、位置及其内部的病变等,因为人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样，我们平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹。
(2)超声处理。超声处理主要是利用它的功率特性和空化作用，改变或者加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态,利用强超声波进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、医疗、种子处理等，已经广泛地应用于工业、农业、医疗卫生等各个部门。
空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。在我国北方干燥的冬季，利用空化作用把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度，这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，
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能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。在工业上可以利用超声波对金属零件、玻璃和陶瓷制品进行除垢，如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，就能够很快清洗干净，既能免除了人工清洗的烦恼又节省了大量的时间,还可以利用强超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切削加工。平时我们用锤子和钢钎可以一下一下地将坚硬的岩石打出洞来，超声加工也是这个道理，利用紧压在工件上的金属变幅杆，当绕在它上面的线圈中通过交变电流时，它便产生超声振动而不断地敲击工件。变幅杆下端与工件之间放有金刚砂一类的高强度磨料,在杆的冲击下，磨料的颗粒就像被锤子敲击的钢钎一样錾削着工件。虽然变幅杆的伸缩量很小(只有几十微米)，每次的加工量很小，但由于超声源的频率很高，每秒钟振动在201*0次以上，所以工件被“蚕食”的速度是很快的。变幅杆底端的形状是什么样，加工出的工件形状也是什么样。所以，利用超声波可以加工出形状复杂的零件，而且加工的精度和光洁度也都很高。
超声波技术的发展
很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官。以昆虫为食的编幅，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置。现代的无线电定位器雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学。
随着科学技术的发展，超声波技术的应用一定越来越广泛，希望同学们通过努力的学习，将来有更多的发现和发明，为社会的发展和进步做出应有的贡献。
7移动通信技术的发展
说起通信技术，大家都不感到陌生，现代的通信技术不但可以听到千里之外的声音，还可以看到千里之外的人和事。这大大拉近了人与人之间的感情，大大缩短了地域之间的距离。但你可知道，人类为了移动通讯技术的发展而付出的大量的心血。
古代的通信
开始，人们向远处喊话时，为了把声音传得更远，常常用手围成喇叭形状，放在嘴前。这样虽然可以使声音传得远些，但是，最远也只有一二百米。后来人们发现，鼓的声音浑厚有力，可以传得很远，即使在七八里外也可以听见。于是，人们编出“击鼓语汇”，用多种多样的鼓点来表达各种不同的意思。一个鼓手敲鼓时，邻近的鼓手们便一个接一个地重复着相同的鼓声，这样，一个信号站、一个信号站地传下去，这种设置接力站传递信息的方式，为现代的微波中继通信提供了雏形。我国早在周朝，就是公元前1000年左右，就发明了类似的通信方式，并且传递速度比鼓声传递还快。这就是所谓“火光电报”烽火通信。，每当一个台“报警”，邻近的台看见之后，马上也放烽火，一台接一台把消息迅速传到远处。在没有烽火台的地方，信息便以书信的方式传送。送信人乘车或骑马，每经一段路设立一个驿站，像现在的邮局一样。送信的人，身骑快马，昼夜兼程，用最快的速度传送信件，用这样的办法，一天可走300里。
现代的移动通信
我们所说的移动通信，就是指电话机、寻呼机、传真机等在移动过程中的使用。它们可以在奔驰的汽车里、火车上，在水中的船舶和空中的飞机里使用。他们通过无线电波来传递声音、文字、图像等信号来实现通信的目的。
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移动电话是多种多样、五花八门的。有神奇的“大哥大”，有无绳电话、寻呼找人的BP机、便携式传真机，还有汽车电话、船舶电话和航空电话等。这么多移动通信设备，各有各的用处，各有各的特点，真是八仙过海，各显神通。
“大哥大”
“大哥大”是一种移动通信工具，不管是在天空还是地上，走着还是跑着，只要手里有个电话机，只要是在无线电波能够到达的地方，电话就可以打通了。
用“大哥大”打电话，在使用方法上与普通电话完全一样。按一下“大哥大”上的一个按钮，电话就处于普通电话拿起听筒的状态，“大哥大”里的小发射机就把信号用无线电波发射出去了。拨号时，“大哥大”的发射机将拨号的脉冲变成无线电波，发往基地，基台又与移动电话交换局联系。如果你所要的电话是个有线用户，移动局就会接通有线局的中继线，询问有线电话局有没有空闲的线路，若有，发送振铃信号，对方电话铃响。。当移动电话从一个无线电服务小区进入另一个小区时，移动电话交换机会自动命令通话中的移动台改换频道，以便马上与第二个小区的基台联系。如果某个地区的移动用户突然大大增加如同马路上车辆阻塞一样，电话总是“占线”，谁也打不通。这种情况下，移动电话交换机就进行自动控制，临时调用邻近基台的无线频道以保证这一地区移动电话的正常使用。现在大家用的手机就是由“大哥大”逐渐发展不断改进而形成的。
无绳电话
无绳电话它的主机与电话线相接，和普通的有线电话一样，而副机却可以随身携带。无绳话机的机身相当于移动电话中的基台，一般放在固定地点，与电话线相连。当手机与机身放在一起时，手机内部的蓄电池接受机身送来的电流进行充电，这时整个无绳电话与普通电话没有两样。一旦手机从机身上取下，它们双方内部收发信机就自动开始工作。第一代无绳电话，每个主机只有一部手机，只有一个固定的频率，持手机的人，只能向外拨电话，不能接电话，而且使用的是模拟无线电信号，话音质量很差。它还有一个大缺点：如果隔壁的邻居也有一部无绳电话，使用相同的频率，那么你的隐私就能被人听到。现在的无绳电话已经大大改进了。机身和手机之间传输的是数字信号，这样就可以进行话音加密，防止窃听；一部机身还可以跟好几部手机进行通话；不光能够打出，而且还能够打入。它还备有好几个信道，不会因邻居家的无绳电话占用了频道而影响你的使用
BP机
BP机实际上是一种无线寻呼机只能接收无线电信号，不能发送信号，所以是单方向的移动通信工具。普通型的数字寻呼机，外型小巧，比一包香烟还小，可以方便地放在衣袋中或者别在腰间。一旦收到寻呼信号，它会发出几声轻微的“B，B”声，提醒人注意。为了不干扰别人，也可以关上声音开关，寻呼机只是发出一阵阵机械振动，就像按摩器那样的轻微颤动，只有携带者本人才能感觉得到。寻呼机收到信号后，液晶屏幕上会显示出一些阿拉伯数字和英文字符，它们表示电话号码和简短话语。显示英文字符，使中国人用起来不方便，于是又有了汉字显示BP机。这种BP机不但能显示电话号码，同时也可传输简单信息。
汽车电话与船舶电话
汽车电话就是把无线电话安装在汽车上，人们就可以充分利用路途中的时间进行通信联系。汽车电话上有一个小型控制器，上面有拨号键和开关，还有一个送受话器。控制器通常在司机室内，与仪表、收音机等装在一起，收发信机安放在座位下面，不会妨碍乘客的活动，天线装在车顶。使用汽车电话，和使用普电话一样，十分方便。船舶电话和汽车电话一样，是把
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无线电话安装在船上，沿岸设立基地台，使无线电波覆盖沿海海面。为了增大船、岸之间的通信距离，一般将基地台安装在地形最高的地方。如果船上的海员想与家人通电话，船舶电话就把电波发射到基地台，经中继线传至陆地有线电话局，电话局的线路把家里的电话接通。
航空电话
飞机上的无线通信，最早始于第一次世界大战。飞机在空中激战，飞行员要时时刻刻与战友保持联系，协同作战，还要和地面指挥员联系，接受命令，可以说是战争促进了空中无线通信技术的发展。随着航空事业的发展，航空公司在一些大型客机上安装了空对地航空电话这些航空电话与各城市的电话网相联，旅客只要将信用卡插入电话机中，直拨对方的电话号码，就可以和地面通信，使用起来跟打普通电话一样。近年来，一些航空公司还向乘客提供了全球卫星通信业务。乘飞机的旅客可以在飞机上使用无线电话与地面上的国际电话网络进行通信，并且可以进行计算机通信。
21世纪的通信
由于微机技术和超大规模集成电路、程控交换技术的开发应用，移动通信正步入了ISDN时代。ISDN是一种能够提供各种通信服务的，全世界范围的公用通信网。也就是说，人们可以在ISDN网中进行计算机数据、图文传真、电视图像等各种通信。
8磁悬浮技术的应用----磁悬浮列车
磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具，简单地说，排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。磁悬浮列车分为超导型和常导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。简单地说，从内部技术而言，两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别。从外部表象而言，两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上（高速轮轨列车的最高时速一般为300350公里），在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400--500公里，它的中低速则比较适合于城市间的长距离快速运输。
常导型磁悬浮列车常导型也称常导磁吸型，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就
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象同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。
超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。
磁悬浮列车的优点
磁悬浮列车快速、低耗、安全、舒适、经济、无污染：常导磁悬浮列车可达400至500公里／小时，超导磁悬浮列车可达500至600公里／小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。运行成本和能耗低是它的又一优点。由于没有轮子、无磨擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车交通有利于保护环境。它在运行时不与轨道发生磨擦，且爬坡能力强、转弯半径小，所以发出的噪音很低(只有当时速达到200公里以上时，才会产生与空气磨擦的轻微噪音)。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车的爬坡能力为10%，而一般铁路的最高坡度只有4%。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。列车的整个安全系统可以相互检测，
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自动替补，这在其它交通工具是不具备的，因而它是一种高安全度的交通工具。
我国磁悬浮列车的发展
201*年8月14日，我国首辆磁悬浮客车在长春客车厂下线，这标志着我国继德国和日本之后，成为第三个掌握磁悬浮客车技术的国家。目前，我国自主研发的沪杭磁悬浮线全程175公里，该工程的建造仍在论证之中。
第三章激光
9激光的形成与发展
自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。
历史回顾
激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不开的，至少可追朔到过去的５０年。首先十九世纪末引起物理学观念的革命，1900年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，1917年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相同偏振，相同传播方向等特性。但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至1955年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。后来于1958年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。终于1960年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验
激光发射过程中辐射的吸收与发射
众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。在微观世界中电子绕核运动能量不能有任意值，只能取某些固定值，为了表达电子的能量状态，通常用符号E来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态EO，当电子离开基态至能量提升状态时称为激发态（Ee），电子由基态至激发态，或由激发态返回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。与电磁波频率相应的光子能量值为：
hvE2E1
其中E2、E1表示二能级的能量值，v为电磁辐射频率，h为固定值，称为普郎克常数，其值为
346.625610焦耳秒h
光子是辐射能量的最小单位，一般讲来只有正好符合二能级差的光子才能引起光子与电子间的相互作用，产生电子在不同能级间的跃迁。这些作用过程可分为三种，可用图１加以说明。
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图中A21,B12,B21代表跃迁机率系数，其中有B12B21,A21/B218hvc,A21为自发跃迁机率，B21为受激跃迁机率，B12为吸收机率。在外场作用下，若外场光场强度为，则总吸收机
33率与发射机率为：吸收=N1B12N1B12nhv,n为光子密度，发射=N2B21N2A21，其中N2、N1为上下能级的粒子数浓度。在平衡条件下N2、N1的比例符合波兹曼分布，即N2/N1＝ex[(E2E1)/kT]。其中k为波兹曼常数，T为绝对温度。
激光的输出特性与应用
激光器这一新型光源射出的激光与普通光源发射的光缆有很大的不同，可以概括为方向性好，可以用于人造卫星测距、大坝安装准直、建筑物的准直、矿山开挖的自动跟踪、定向等，这是激光与通常光源的最直观的不同；相干性单色性好，激光的相干性常用于距离测量，全息技术及广泛的一类计量领域；高亮度能量大因而可聚焦激光束能对金属钢板切割、打孔、焊接、合金化、表面热处理，在最硬的材料，如钻石上钻孔，对机体做手术，使原子、分子瞬间离化、分离等。
五彩缤纷的激光家族
从第一台红宝石激光器发明以来，激光器的种类已进人百花齐放的时代，甚至有人认为，所有物质都可能做成激光介质，构成激光器，无论固体、液体、气体、等离子体、半导体，又无论无机材料、有机材料、聚合物、染料等都可用作工作介质。从运作的时间分类有连续、脉冲、Ｑ调制、重复脉冲、短脉冲，超短脉冲器件，脉冲的时序已可控制，由锁模，至脉压缩等技术应用，超短脉冲已达皮秒(10－2秒)及飞秒（１飞秒=10－15秒）领域，最短的脉冲记录已达４.５飞秒脉宽，只包括几个光波波长。以功率分类：有小功率，中等功率，大功率，超高功率器件，当前最大功率的器件，连续输出超过一百万瓦，单脉冲输出大于几十万焦耳。用光波波长分类，可分为远红外、红外、近红外、可见、紫外、远紫外、软Ｘ射线。Ｘ射线激光器也能运转，其波长几乎覆盖了电磁波的整个波段。此外又可分为单频、稳频、选频、调频、多彼长、多色，直至白光激光器。激光束的质量，即模式也是重要因子，模是电磁场在空间组成的稳定花样，一种模式对应于一种花样，模可分为横模、纵模、单模、多模、选模、锁模器件等等，激光腔的结构不同，调整略有差别，模式则有变化。因为激光器光学谐振腔的长度远大于光波波长，所以是一种多模式的光学谐振腔。此外，激光器的激励方式，由于其能量供给方式不同，又可分为光泵、放电激光器、电子束泵；气体动力激励、化学反应激光器、量子阱激光器、自由电子激光器等等。
激光发展的方向在二十一世纪知识经济时代，激光对高科技的影响也将是与日俱增，估计二十一世纪激光对高科技的作用将在：（１）生命科学，其中包括激光医学与农业应用，（2）能源科学，其中包括同位素分离。受控核反应发电、太阳能利用中发挥作用，（3）信息科技，尤其在光纤通信、计算机技术中发挥作用，（４）先进武器系统，包括战术与战略武器系统的两个方面，（５）先进制造机器、未来工业系统，将包括光、机、电、算、材的综合自动控制、智能化、灵巧机器中起关键技术作用。此外对各学科中渗透也会广泛发生影响。
10激光技术与材料加工
激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性
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很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。
激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。
激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合算。
激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安全。但是，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。
激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。
激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。
激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.125--1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。
激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%--0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01--0.6微米厚)与厚膜电阻(20--50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。
激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15--25微米，槽深为5--200微米)，加工速度快(可达200毫米/秒)，成品率可达99.5%以上。激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。
激光热、表处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激
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光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。
激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。激光退火后,杂质的替位率可达到98%--99%,可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2--1/3,还可大大提高集成电路的集成度,使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,速度比无激光照射快1000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术可使电镀层的牢固度提高100--1000倍。激光上釉技术对于材料改性很有发展前途,其成本低,容易控制和复制,有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术,在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。
激光在电子工业中也得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工，可以对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。
激光技术是高科技的产物，其产生又推动了科学研究的深入发展，并开拓出许多新的学科领域，如非线性光学、激光光谱学、激光化学、激光生物学等。激光被用来研究与生命密切相关的光合作用、血红蛋白、DNA等的机制。激光还将成为时间和长度的新标准，以后任何高精度的钟表和米尺都可以用某一特定波长的激光束来标定。
激光在核能应用上也将大显身手。乐观的专家们估计，到2020年强大的激光会产生安全经济的热核聚变，这类似恒星内部的核反应过程。如果实现，热核聚变将带来巨大无比的社会和经济效益，能源危机亦将不复存在。到那时，一桶水中的氢聚变后所产生的电力足够一个城市使用。
目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。在未来的岁月中，激光会带给我们更多的奇迹。
11激光全息图像技术在防伪包装的应用
全息技术也称"全息摄影"。一种可把被摄物反射的光波中的全部信息记录下来的新型照相技术。1948年英籍匈牙利科学家加博尔提出并证实了全息照相原理。1960年发现激光，提供了良好的相干光源使全息照相获得飞速发展和广泛应用,1971年，加博尔为此获诺贝尔物理学奖。
随着伪劣假冒产品的增多，激光全息图像技术在防伪包装的应用也越来越多，收到较好的防伪效果。
防伪包装是一项系统工程，每一个环节都可能成为不法之徒进攻的目标。全息图像防商标屡被假冒是不争的事实，因而一部分业内人士纷纷推出了技术含量更高的激光全息图像技术，改进防伪商标的制作过程及工艺，努力提高激光全息图像防伪商标的防伪能力。但影响激光全息商标防伪性能的因素还有商标的种类及商标的使用位置，不同种类的激光全息图像防伪商标具有不同的防伪效果，即使是同类的防伪商标因为使用位置不同，防伪效果也存在着明显的差别。
激光全息图像防伪商标的种类
1、不干胶型
不干胶型激光全息图像防伪商标使用非常方便，对贴标机械的适应性较好，由于不同涂抹
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胶水及其它胶粘剂，所以在生产线上使用不会出现污渍，尤其用于较高档发的包装，效果更为明显。这种商标目前用量也最大。但它有一个致命的缺点是可以反复使用，从下位置揭下后可以被完整地粘到另一个位置上，使一些不法之徒可以利用旧的包装及商标制假，因而影响了防伪效果。从防伪的角度考虑，该类商标不宜作为防伪商标使用。2、防揭型
防揭型激光全息图像防商标的开发弥补了不干胶型激光全息图像防伪商标的缺陷，它只能一次性使且，当从包装上揭下来时，其上的图像已面目全非，不能再次使用。目前许多企业已在开发防揭型激光全息图像防伪商标，这种商标是包装领域最有发展前途的一种防伪商标。3、烫印型
烫印型激光全息图像防伪标识是一处根本不能揭下来的激光防伪商标，它能够被牢固完整地粘到被包装件上，与被包装件形成一体。如果能够合理地选择粘合的位置，其防伪效果会优于上面两种类型的防伪效果。
提高激光全息图像防伪商标防伪能力的做法
1、联机制作是防止盗用防伪商标的一种好方法
如果能过改进机械或研制新设备，实现在商品包装生产线上直接联机印刷封贴，那么大部分制假者都会因无力购买价格昂贵的大型生产线而放弃制假的行为。从目前的技术情况来看，联机制作尚在一些困难，主要是设备的问题，如果有了合适的设备，联机制作有可能实现的的。从全息标识的制作工艺来看，实现联机制作也是有可能的，而从激光全息标识的类型来说，烫印型激光全息标识是最符合联机生产要求的防伪全息标识。2、加密型激光全息图像防伪商标
对激光全息图像防伪商标进行加密可行极大地增强防伪效果。目前使用的加密方法主要有图像模糊处理法，莫尔条纹法，雠氏变换频谱法，密码法等。这些加密方法的使用，极大地提高了激光全息图像防伪商标的技术含量，其中有引起加密方法具有极高的不可识别性，能很好地达到防伪的目的。3、与其它防伪手段相结合
目前都是在包装上单独作用激光全息商标进行防伪，其技术含量随着时间的推移而逐步降低，防伪能力也越来越低。随着科学技术的不断发展，通过各种工艺使其它高新技术与激光全息图像技术结合，提高激光全息防伪图像的制作难度或使用复杂性，并汲取其它技术的优点，才能增大其仿造难度，提高商标整体防伪效果。所以与多种技术的交叉组合，是激光全息图像技术发挥防伪作用的最佳途径。它主要有以下几种：
（1）可在热收缩薄膜包裹包装件以后，将防伪商标热压印在热收缩薄膜上。打开包装时，一定会撕破热收缩薄膜，压印在其上的防伪商标也就不能被重复利用，这样就达到了防伪的目的。但一般激光全息标识的面积较小，能承受的温度也有限，热压印可能会破坏全息图像的完整性，影响整个包装的装潢效果。其解决的途径是：加大全息图像畏助边缘面积，压印时只压印图像的边缘部分，不触及图像区域。这样既保护了图橡，也实施了压印。当然，也可采用防揭型的防伪商标，同样也能达到防伪的目的。（2）制作全息电化铝箔。电化铝箔是烫印图像的载体，普通的烫印电化铝主要由基层、热敏层、着色层、镀铝层及胶粘剂层组成。烫印型激光全息标识所有的电化铝基本与普通烫印用的电化铝一样，但烫印型激光全息电化铝的基层是模压的激光全息图，且没有着色层，防伪效果较好。（3）制作烫印型激光全息标识。利用带定位系统的烫金机即可加热将带全息图像电化铝烫印
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到印刷品或包装上，使全息标识与印品蔌包装结合不可分割的一体，从而完成全息标识的制作。这种标识可以是单独的商标纹样，也可以是与包装图案相配合的图纹。烫印型激光全息标识使用方便，式样多，还具有一定的装潢效果，适宜在纸张、塑料、有机玻璃等多种包装材料上进行烫印加工，特别是它与各种材料结合紧密，不能撕下，具有极好的防伪效果。
烫印型激光全息标识有多种使用方法。使用的方法不同，防伪效果也不一样，只有根据包装设计要求合理选用，才能在到最好的最好的防伪效果。
激光全息图像技术在防伪包装上的应用主要是印刷防伪商标。防伪商标除了具有一般的防伪作用外，其突出的优点是装饰效果极佳，因而许多企业都乐意使用激光全息像防伪商标。随着激光全息图像技术的不断进步，它的防伪功能将越来越来好，到时所有的伪劣假冒产品将无所遁形。
12激光武器的应用激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而得到广泛应用，如激光测距、激光钻孔和切割、地震监测、激光手术等。而激光在军事领域也得到最充分应用，例如，激光致盲武器、激光防空武器、激光反卫星武器、激光等离子武器、激光制导子弹、激光窃听器、激光沙盘等现代高技术武器都展现了激光的效能。
激光武器的杀伤机理
激光之所以能成为杀伤武器，是因为它主要有以下破坏效应：一是烧蚀效应，高能激光光束照射到目标上时，部分能量被目标材料吸收转化为热能，使其汽化、熔化、穿孔、断裂，甚至产生爆炸；二是激波效应，当目标材料被激光照射汽化后，在极短时间内对靶材产生反冲作用，于是在靶材中产生压缩波，使材料产生应力应变并在表层发生层裂，裂片飞出具有杀伤破坏作用；三是辐射效应，目标材料因激光照射汽化，会形成等离子体云，能辐射紫外线、X光射线，使目标内部的电子元件损伤。激光武器产生的独特的烧蚀效应、激波效应和辐射效应，已被广泛运用于防空、反坦克、轰炸机自卫等方面，并已显示了它的神奇威力。
激光武器的优点
1．无需进行弹道计算。在战场上，交战双方如果都用火炮攻击对方目标，由于受地心引力和空气阻力的作用而容易使弹道弯曲，所以射击时都要根据距离、高度、风向、风速及弹丸初速等因素进行弹道计算。使用普通枪炮射击时，如果目标是运动的，还必须计算射击的提前量。由于激光武器所发射的“光弹”是以光速飞行的，其飞行速度常常要比普通炮弹快近40万倍，比导弹的速度快10万倍。因此，使用激光武器进行射击，无需考虑提前量的问题。
2．无后座力。由于光束基本没有质量，所以在使用激光武器射击时，不存在普通武器射击时出现的巨大后座力和噪声，这既可提高射击的命中率，有效地打击敌人，又便于隐蔽自己，减少伤亡。
3．操作简便，机动灵活，使用范围广。激光武器可通过转动反射镜迅速变换射击方向，在短时间内即能拦截多个来袭目标。激光武器既可直接在地面使用，也可在战车、军舰、飞机等活动作战平台使用，还可在卫星、航天器等空间作战平台上使用。
4．无放射性污染，效费比高。激光束可使坚硬目标（如坦克装甲）烧蚀和熔化，但又不象核武器爆炸那样产生大量的放射性污染。虽然目前激光武器的研制成本还比较高，但其硬件可以重复使用，每次的发射费用却比较低。例如，一枚“毒刺”防空导弹的价值高达2万美元，而发射一次氟化氘激光武器的费用仅需1到2千美元。
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激光武器的分类
不同功率密度，不同输出波形，不同波长的激光，在与不同目标材料相互作用时，会产生不同的杀伤破坏效应。用激光作为“死光”武器，不能像在激光加工中那样借助于透镜聚焦，而必须大大提高激光器的输出功率，作战时可根据不同的需要选择适当的激光器。目前，激光器的种类繁多，名称各异，有体积整整占据一幢大楼、功率为上万亿瓦、用于引发核聚变的激光器，也有比人的指甲还小、输出功率仅有几毫瓦、用于光电通信的半导体激光器。按工作介质区分，目前有固体激光器、液体激光器和分子型、离子型、准分子型的气体激光器等。同时，按其发射位置可分为天基、陆基、舰载。车载和机载等类型，按其用途还可分为战术型和战略型两类。
1．战术激光武器
战术激光武撂是利用激光作为能量，是像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等，打击距离一般可达20公里。这种武器的主要代表有激光枪和激光炮，它们能够发出很强的激光束来打击敌人。1978年3月，世界上的第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有太大区别，主要由四大部分组成：激光器、激励器、击发器和枪托。目前，国外已有一种红宝石袖珍式激光枪，外形和大小与美国的派克钢笔相当。但它能在距人几米之外烧毁衣服、烧穿皮肉，且无声响，在不知不觉中致人死命，并可在一定的距离内，使火药爆炸，使夜视仪、红外或激光测距仪等光电设备失效。还有7种稍大重量与机枪相仿的小巧激光枪，能击穿铜盔，在1500米的距离上烧伤皮肉、致瞎眼睛等。
战术激光武器的"挖眼术"不但能造成飞机失控、机毁人亡，或使炮手丧失战斗能力，而且由于参战士兵不知对方激光武器会在何时何地出现，常常受到沉重的心理压力。因此，激光武器又具有常规武器所不具备的威慑作用。1982年英阿马岛战争中，英国在航空母舰和各类护卫舰上就安装有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飞机失控、坠毁或误入英军的射击火网。
2．战略激光武器
战略激光武器可攻击数千公里之外的洲际导弹；可攻击太空中的侦察卫星和通信卫星等。例如，1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”。因此，高基高能激光武器是夺取宇宙空间优势的理想武器之一，也是军事大国不惜耗费巨资进行激烈争夺的根本原因。据外刊透露，自70年代以来，美俄两国都分别以多种名义进行了数十次反卫星激光武器的试验。
目前，反战略导弹激光武器的研制种类有化学激光器、准分子激光器、自由电子激光器和调射线激光器。例如：自由电子激光器具有输出功率大、光束质量好、转换效率高、可调范围宽等优点。但是，自由电子激光器体积庞大，只适宜安装在地面上，供陆基激光武器使用。作战时，强激光束首先射到处于空间高轨道上的中断反射镜。中断反射镜将激光束反射到处于低轨道的作战反射镜，作战反射镜再使激光束瞄准目标，实施攻击。通过这样的两次反射，设置在地面的自由电子激光武器，就可攻击从世界上任何地方发射的战略导弹。
高基高能激光武器是高能激光武器与航天器相结合的产物。当这种激光器沿着空间轨道游戈时，一旦发现对方目标，即可投入战斗。由于它部署在宇宙空间，居高临下，视野广阔，更是如虎添翼。在实际战斗中，可用它对对方的空中目标实施闪电般的攻击，以摧毁对方的侦察卫星、预警卫星、通信卫星、气象卫星，甚至能将对方的洲际导弹摧毁在助推的上升阶段。
现在激光武器在军事上已得到广泛应用，随着科学技术的不断发展，相信未来还有更多的的激光武器的发明和应用。
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第四章太空探索13金星探秘
金星是天空中最亮的星星，其亮度足以抵得上15颗天狼星。中国古代称它为太白或太白金星。金星和水星一样，位于地球轨道之内，是内地行星。由于金星比地球更靠近太阳，从地球上看去，它和太阳的最大视角距离不超过48°。因而，金星不会整夜出现在星空，它有时闪烁在群星都已隐去的朝霞中，有时又出现在众星尚未露面的落日余辉里。当金星出现在黎明的东方天空时，我国民间称它为启明星；出现在黄昏西方天空时，我国民间称它为长庚星。从外表上看，金星与地球有不少相似之处，也是一个有较密大气层的固体球。金星的半径为6073千米，只比地球半径小300千米，体积是地球的0.88倍。质量为地球的81.5％，相当于4.87×1027克。平均密度约为地球的95％，为5.19克／厘米3。由于这几项数值和地球十分相近，因此，人们形象地把它称为地球的姐妹行星。在宇宙飞船探测金星以前，有的天文学家推测，金星的化学成分和表面的物理状况与地球相似，金星上发现生命的可能性甚至比火星还要大。50年代后期，天文学家用射电望远镜穿过封闭金星的厚厚的云层，第一次测出它的自转周期和表面温度。金星自转极慢，温度极高，可能达到300℃以上，这个结果和以前预测的洞天福地般的金星环境简直相差十万八千里，有人怀疑是不是仪器出了毛病。1961年以来，前苏联和美国先后向金星发射了30多个探测器，开始是飞近探测，后来发展到着陆探测。现代科学证明，金星是个奇热、无水、任何生命都无法存活的世界，金星和地球只是一对“貌合神离”的姐妹。
金星的真面目
为了探索金星的真面目，20世纪60年代初拉开了探测金星的序幕，前苏联1961--1978年已发射了12个金星探测器。美国1962--1978年共有6个探测金星的飞船上天。仅在1978年12月4日--25日的20多天里，前苏联和美国就各有两个自动行星际站在金星表面软着陆，实现了对金星的现场考察。行星探测器对金星进行现场考察以后，遮盖在金星表面的“蒙面纱”已经逐渐揭开了。金星没有磁场和辐射带，其大气的组成和地球盎然不同：地球大气以氮、氧等气体为主，二氧化碳很少；在包围着金星的大气中，97％以上是二氧化碳，此外，还含有少量的氮、氩、一氧化碳、水蒸汽及氯化氢等。金星大气中的二氧化碳能让阳光通过，照到金星表面，却不让热辐射返回太空，使金星表面处于高温状态，产生“温室效应”。金星表面的温度高达465℃--485℃。温室保护罩的作用还使金星上的昼夜温差很小，基本上没有昼夜、季节和地区的差别。金星表面的大气密度比地球上的大50倍。地球海洋平面的气压是一个大气压；金星表面的气压大到90个大气压，相当于地球上海洋深处900米左右所受的压力。金星上空闪电频繁，每分钟达20多次，常常是电光闪闪，雷声隆隆。前苏联的“金星12号”1978年12月21日在下降到金星表面的过程中，仅仅在从11公里高空下降到5公里的期间，就接连记录到1000次闪电，有一次特别大的闪电竟持续了15分钟。“金星13号”和“金星14号”的下降装置在下降过程中，考察了金星的高空风。金星表面的风速大约为2--3米／秒，由表面到高空，风速逐渐加大，到50--70公里的高空，风速竟然达到100米／秒，风向与金星的自转方向相同，但比自转速度快得多。更惊人的是，在离金星表面30--88公里的空间，密布着一层有腐蚀性的浓硫酸雾。这是一个多么令人窒息的环境！这个现代天文学家称为“太阳系中的地狱”的金星绝对不能是地球的孪生姐妹。探测结果表明，金星上不存在任何液态水，不仅没有任何类似地球上的动植物存在，连任何生命的形式都没有。美国的“先驱者”1号和2号，前苏联的“金星”11号和12号分别在1978年12月4日、9日和21日、25日到达金星，对金星进行综合性的考察。从它们发回的信息得知，由于金星表面有浓密的大气保护，其表面并不像月亮、水
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星那样布满环形山。相对来说，金星表面比较平坦，大部分表面都覆盖着一层“浮土”，其平均密度是1.2--1.9克／厘米3，厚度不超过1米。在浮土下面，主要是密度为2.2--2.7克／厘米3的玄武岩。下降装置周围可以看到许多大石块，绝大部分石块呈红褐色，棱角分明，半埋在颗粒细小的黑褐色尘土和砂砾之中。这表明金星上的物质构造仍很活跃，可能存在活火山。金星上的山脉，一般都很高，最高的是麦克斯威尔山，高度为11270米，地球上的珠穆朗玛峰还比它矮一头。北半球大高原，长3200公里，宽1600公里，相形之下，青藏高原大为逊色。在赤道地区，发现一些像火山口一样大而浅的圆形圈，有些地方像是由巨大的熔岩流所形成。此外，还有一条很深的大裂缝，自南向北穿过金星赤道，裂缝最深的地方有7米左右，这是目前在太阳系天体上发现的一条最大的裂缝。从前苏联发射的自动行际站“金星13号”拍摄的金星表面照片看出，金星的天空是橙黄色的，云也是橙黄色的；金星上的物体，大部分看起来也是橙黄色的，有的微带绿色，蓝色的很少。金星的世界，真可说是个金黄世界。这种奇异的景色，是“金星13号”下降装置，通过蓝、绿滤色镜拍摄的。科学家们认为，这是由于金星大气和云层太厚，吸收了太阳光中蓝色部分，使照在金星大气层和大地上的光带着黄光。因此，金星上的白昼也不像地球上这样明朗，其亮度很像地球上的阴天。
金星上的城市
1989年1月，前苏联发射的一枚探测器终于穿过了金星表面浓厚的大气层，通过对其发回照片的科学分析，科学家们惊奇地发现，金星地表原来分布有2万座城市的遗迹。关于金星的这一最新秘密，是前苏联科学家尼古拉里宾契诃夫在布鲁塞尔的科学研讨会上披露的。在这次会议上，里宾契诃夫说：“那些城市全散布在金星表面，如我们能知道是谁建造了它们就好了，我们绝对无法在金星上生存片刻，但一些生物却做到了并留下了一个伟大的文化遗迹证明它。”“那些城市以马车轮的形状建成，中间的轮轴就是大都会所在。根据我们估计，那里有一个庞大公路网将它们所有城市连接起来，直通它的中央。”不久，美国发射的探测器也发回了不少有关金星地表城市建筑遗迹的照片。经过科学的处理、辨认、分析，科学家们确认，那2万座城市遗迹完全是由“三角锥”形金字塔状建筑组成的，每座城市实际上是一座巨型金字塔，这2万座巨型金子塔摆成一个巨型的马车轮形状，其间的辐射状大道连接着中央的大城市。研究者们认为，这些金字塔形的城市可以日避高温，夜避严寒，再大的风暴对它也无可奈何。并且1988年，前苏联宇宙物理学家阿列克塞普斯卡夫宣布说，在金星地表也发现了像火星上那样的人面形建筑。这是不是意味着这两个星球有某种特殊的联系呢？在金星的城市废墟下面，在金星地下是否真正还活着金星人呢？谁也很难作绝对的否定，外星人把金星作为飞碟基地，那更是完全可能的。因此，我们对金星人的寻访工作还并没有完成，我们也还不能够明确地肯定或否定金星生命及其文明世界的存在。因为在我们古老的神话传说或经典记载里，在遥远古老的洪荒时代，金星人就曾经来访问过我们地球，并且留下了许多他们殖民地球的历史遗迹。
到目前为止，金星留给人们很多的不解之迷，这有待你们将来去揭开它神秘的面纱。
14火星探秘
火星是一颗红色的行星，它缓慢地在众星之间穿行，时而顺行，时而又逆行，亮度常有变化，最暗的时候视星等约为+1.5等，最亮的时候比天狼星还亮得多，令人迷惑，所以，中国古代称为“荧惑”。火星是一颗最具传奇色彩的行星，有着许多令人神往的故事，然而，它并不像人们想象的那样美好。在干燥的火星表面上遍地都是红色的土壤和岩石,由于不断受到风沙作用，火星表面到处可以看到沙丘和类似河床的地形。这种河床地形分布在南半球及赤道附近，
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表明了距今大约30亿年前火星上曾有过像地球上一样的河川，有水流动。火星表面满目荒凉，是赤色的不毛之地。大气中的微尘使天空呈现橙红色,火星的红色之谜一直困扰着人们,通过对火星泥土的分析，我们知道原来火星土壤中含有大量氧化铁，由于长期受紫外线的照射，铁就生成了一层红色和黄色的氧化物。夸张一点说，整个火星就像是一个生了锈的世界。
火星的赤道半径是3332公里，只有地球半径的一半，它的体积只有地球的1／7，质量为地球的1／9；表面重力加速度为地球的2／5。在火星上，以每秒5公里的速度抛出的物体就能脱离火星。由于火星上物体的脱离速度小，火星难以束缚住许多大气分子，因而火星大气非常稀薄。火星大气的主要成分是二氧化碳，约占95％，其余是氮、氩、一氧化碳、氧、臭氧和氢；水汽的数量很少,平均约为大气总量的0.01％。表面大气压为7.5百帕，相当于地球30--40公里高处的大气压。火星上受到的太阳辐射只有地球上受到的40％，因而火星的表面温度比地球要低30℃以上，昼夜温差超过100℃。在火星赤道附近，中午的温度也只升到20℃左右，晚上又下降到-50℃以下,两极地区夏季气温只有-70℃,冬季可下降到-139℃。
100年前，意大利天文学家乔斯基亚巴雷利在望远镜中观测到火星表面有几百条“河流”样的黑暗条纹，并发表了手绘的火星表面图，在将意大利文的“河流”翻译成英文时，被译成了“运河”。在以后的几十年内，观察火星表面的“运河”成了火星研究的重要课题。本世纪50年代，前苏联有位天文学家从颜色变化上认为火星表面一些地区的光谱从地球上高寒地带某些植物的分光特征相似，从而推论火星上有耐寒植物。这些都曾使科学幻想作家的思维插上了翅膀，在他们的笔下，栩栩如生的怪物“火星人”跃然纸上。为了探测火星的真面目，1962年以来，美国和前苏联先后发射了15个火星探测器，其中美国发射了8个，前苏联发射了7个，对火星进行了就近观察、就近探测和实验，取得了许多珍贵的科学成果。1965年7月14日，美国的“水手4号”飞掠火星，第一次实现了人类就近一瞥红色近邻的夙愿。“水手4号”在离火星9600公里处拍摄了22幅电视图片，它发回来的图片显示出火星表面分布有许多环形山、火山和沙漠。1969年飞临火星的“水手6号”和“水手7号”不仅把地貌电视图片扩大到全球表面的10％，还用紫外分光仪器和红外分光仪器设备分析了火星的大气成分和表面结构。1971年发射的“水手9号”于11月进入环绕火星的轨道，成为火星的人造火星卫星，在环绕火星的轨道上观察火星及其卫星。1975年8月和9月，美国的“海盗1号”和“海盗2号”相继上天，它们的主要任务是探索火星上的生命之谜。前苏联从1962年11月至1973年8月共发射了7个“火星号”探测器，并依次编号为“火星1号”、“火星2号”、“火星5号”等。“火星号”探测器的主要任务是探测火星及其周围空间以及行星际空间。“火星2号”曾把刻有前苏联国徽图案的金属片投掷在火星表面；“火星3号”放出着陆舱，首次实现在火星表面软着陆；“火星2号”、“火星3号”和“火星5号”都先后进入环绕火星的轨道，成为火星的人造卫星。火星大气中常有一种形状像黄云的尘暴，局部的尘暴经常出现，大的尘暴在地球上用望远镜可观测到；特别大的尘暴（如1971年的尘暴）能笼罩火星全球，并持续数月之久。尘暴是由火星低层大气中卷着尘粒的大风构成的。据估计，每次大尘暴覆盖在火星南半球的尘埃达108--1010吨之多。火星表面的75％布满了沙漠，成分是硅酸盐、褐铁矿等铁氧化物，所以远远看去，火星是一个橙红和棕红的世界。火星的表面被划分成两个截然不同的半球，被一个大约倾斜于赤道30°的大圆所分开。大圆的南部半个球面崎岖不平，且布满环形山；最大的环形山直径约为1600公里；某些地区环形山的密度可以和月面相比；大圆的北部半个球面比较平坦，但也是满目荒芜，石块、沙丘和酷寒的山峰装点着它的表面。火星上还有一些火山和峡谷。最大的火山是一座称为“奥林匹斯之雪”的火山，其底部的直径约500公里，
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火山口的直径也有72公里，大约有25000米高，几乎是珠穆朗玛峰的3倍。火星上最大的峡谷是“水手9号”发现的水手谷，峡谷绵延5000多公里，宽200公里，比周围地面低6--7公里，谷壁十分陡峭，它比地球上最大的峡谷科罗拉多河峡谷（长46公里、深约1.8公里）大得多。火星表面不存在液态水，但探测到数千条干涸的河床，最长的达1500公里，宽约60公里，主要的大河床分布在赤道地区，是由比熔岩流更少粘带性的液体造成的。但早在1877年，意大利天文学家斯基帕雷利，发现火星上有一些纵横交错的暗线条，并进一步观测到它们似乎还有季节性变化后，。许多人认为它们是火星上的运河，是“火星人”为灌溉土地而特地开挖的，几乎在长达一个世纪里，都有不少人相信火星上有生命和大量的水。观测表明，火星上确实存在着水，只是水量比地球上要少得多。如果把火星大气中所含的水蒸汽全部凝结成水，并把这水平均覆盖在表面上，这层水薄膜的厚度大致是1／100毫米。火星大气中也飘浮着云，云主要由水和二氧化碳组成。火星大气非常稀薄，气压只有7个毫左右，大体相当于地球高空30--40公里处的大气压。在这样的环境中，水在0摄氏度就会沸腾，变为蒸汽逃逸掉。火星赤道附近的最高温度可以达到20摄氏度左右，那里有可能短时间内存在液态的水。火星表面的水主要集中在两极地区，那里常年的温度都在0摄氏度以下，极夜最低温度可以下降到零下139摄氏度，不用说水早已结成冰，就连二氧化碳也会凝结而成为干冰。所以与地球拥有的水相比，火星上的水量是微不足道的，但火星上毕竟有水，这是最主要的。据估计，在火星的全部历史中，蒸发和逃逸了的水如果全部重新回到火星上来的话，火星表面将被笼罩在一圈50--100米厚的水层中。可是，火星现在所拥有的全部水却不多，或者是大量的水都散逸掉了，或者是火星上从来就没有过那么多的水。
为探测是否有外星人的存在，美国“海盗号”探测器选择了生命存在可能性最大的地方着陆，对采取的土样进行实验和分析，结果表明火星表面上存在生命的可能性极其微小，火星是一个冷酷的、没有生命的世界。但随着太空科技的进步，或许真的能找到火星人的存在。
15载人航天事业的发展
载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞行活动。载人航天的目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和深入地认识地球及其周围的环境，更好地认知整个宇宙；充分利用太空和载人航天器的特殊环境从事各种试验和研究活动，开发太空及其丰富的资源。载人航天器由载人航天系统实施，载人航天系统由载人航天器、运载器、航天器发射场和回设施、航天测控网等组成，有时还包括其它地面保障系统，如地面模拟设备和航天员训练设施。根据飞行和工作方式的不同，载人航天器可分为载人飞船、太空船和航天飞机三类。载人飞船按乘员多少，又可分为单人式飞船和多人式飞船。按运行范围，可分为卫星式载人飞船和太空站进行载人航天活动等等。
载人航天技术是人类航天史上的重大突破
1961年4月12日，前苏联发射了世界上第一艘东方号载人飞船，航天员加加林在人类历史上首次登上太空绕地球飞行108分钟，开创了人类载人航天的新纪元，后来，前苏联又发射了上升号飞船和联盟号飞船；与此同时，美国也相继发射成功了水星号飞船、双子星座号飞船和阿波罗号飞船，1969年７月21日，阿波罗Ⅱ号登月飞船成功在月球上软着陆，航天员阿姆斯特朗和奥尔德林踏上月球，人类载人航天和空间探索取得重大突破。70年代后，美国放弃了载人飞船转而发展轨道器水平着陆、可部分重复使用、技术难度大的航天飞机，而前苏联继续改进联盟号飞船，使其性能有了很大提高。
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1971年，前苏联发射了第一个空间站礼炮号，标志着人类航天技术进入新的阶段。与载人飞船相比，空间站具有容积大、载人多、寿命长、可综合利用的优点，是发展航天技术、开发利用宇宙空间的基础设施，前苏联共发射了７个礼炮号空间站和1个和平号空间站。美国仅于1973年发射过天空实验室，并于1979年７月陨落。
1980年，前苏联的第一架航天飞机暴风雪号成功地进行了不载人的飞行实验。1981年，美国发射了世界上第一架航天飞机哥伦比亚号，后又相继研制了挑战者号、发现号和亚特兰蒂斯号航天飞机。1986年挑战者号失事后，美国又研制了奋进号航天飞机进行航天活动。
日本为了不失去大好时机，尽可能地沿用较成熟的运载火箭技术、卫星技术，开展月球探测活动。1990年1月24日20时46分，日本拉开了重返月球的帷幕，发射成功第13号科学卫星“飞天”，同年3月19日开始向月球接近，并从卫星上释放出一颗绕月球运行的小型月球轨道器。美国在1994年1月25日，发射成功先进轻型克莱门汀1号月球探测器。该探测器重233千克，直径1.14米，长1.88米。它对月球进行了迄今为止最为详尽的地貌测绘，并对其上的矿物构成和引力分布进行了分析，得到关于月球的最新探测数据。随着各种月球探测器飞向太空，重返月球前奏的号角越吹越响。它将激发起人们向月球基地进军的豪情。
目前，由美国、俄罗斯合作牵头并有日本、加拿大、巴西和欧空局等参与的旨在建造一个永久性国际航天站的计划正顺利的进行。可以预料，在国际航天组织的积极努力下，在广泛的国际航天合作大潮的推动下，载人航天事业将更加迅猛地发展下去。
中国的载人航天发展
载人航天技术代表着一个国家、一个民族的最高科学技术发展水平，是综合国力的具体体现。为瞄准高科技前沿，追踪当今世界航天技术，我国必须发展有自己特色的载人航天工程，以在世界高科技领域占有一席之地。
我国进行载人航天研究的历史可以追溯到上世纪70年代初。在我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”上天之后，就开展过有关载人航天的研究，当时，曾将飞船命名为“曙光一号”。但是，在进行了一段时间的工作以后，鉴于各方面的条件尚不成熟，这个计划被迫搁浅。进入80年代后，伴随着我国空间技术的快速发展，在已经具备返回式卫星、气象卫星、资源卫星、通信卫星等各种应用卫星的研制和发射能力以后，又成为了世界上第三个掌握卫星回收技术的国家，这为我国开展载人航天技术的研究打下了坚实基础。于是，载人航天的问题又一次被提了出来。在国家“863”计划提出时，就专门成立了一个专家组来从事这项工作的论证。由于载人航天投入大、效益周期比较长、风险也比较大，对于中国要不要搞载人航天，一直存在较大的分歧。另一个争论的焦点则是，中国选择什么方案来突破载人航天技术，是航天飞机，还是宇宙飞船？相对而言，宇宙飞船在技术上容易突破、研制费用较少、研制周期也较短，而航天飞机的研制投入很大、风险大、技术难度高。从实际情况来说，我国已研制了十几颗返回式卫星，有一定的技术基础，所以选择载人飞船进行技术突破比较好。在经过多年的反复论证后，1992年1月，中国政府批准载人航天工程正式上马。这是中国航天史上迄今为止规模最大、系统最复杂、技术难度最高的工程。该工程有七个分系统组成，包括宇航员系统、飞船的应用系统、载人航天飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、着陆场系统。其中，载人航天飞船系统是核心，包括轨道舱、返回舱、推进舱。按照计划，我国载人航天工程将分三步实施。第一步，发射无人和载人飞船，将宇航员安全地送入近地轨道，进行适量的对地观测和科学实验，并使宇航员安全返回地面。第二步，实现宇航员出舱太空行走以及完成飞船与太空舱的交会对接，并发射长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室，尽早建成完整配套的空间工
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程系统。第三步，建造大型长期有人照料的空间站。
201*年10月15日，一个令所有中华儿女骄傲的日子。上午9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，载着中国航天第一人杨利伟进入预定轨道，就在那一刻，浩瀚太空迎来了第一位中国人！标志着我国突破和掌握了载人航天的基本技术，完成和实现了我国载人航天工程第一步的计划和目标，使我国成为世界上第三个、也是发展中国家第一个能够独立开展载人航天飞行活动的国家。从此，太空俱乐部将写下中国人的名字，中国继前苏联、美国之后，成为太空俱乐部的第三位成员，杨利伟也成为举国景仰的民族英雄。201*年10月24日，在中国西昌，“嫦娥奔月”从传说成为现实。10月24日，嫦娥一号发射成功，11月5日，进入环月轨道，成为我国首颗探月卫星，11月22日，传回首张月面图像。“嫦娥一号”项目的成功，开辟了中国宇航事业的新纪元。
近半个世纪以来，航天技术飞速发展并取得了一系列成就，这不仅能为经济建设、科学文化和社会生活等各个领域的现代化提供有力的手段，而且也是一个国家综合国力以及科学技术发展水平的重要特征与标志。随着中国在航天技术领域取得的伟大成就而举世瞩目，人们希望将来中国有更为大胆而富有想象力的航天计划，带动国民经济腾飞，把我国建成一个更加繁荣富强的国家。
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