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《孩子一定要知道的50个世界科学奇迹》 仪器类发明 免费试读

　　16．指南针

奇迹概览

　　指南针是我国历史上的四大发明之一，同时也是中国对世界文明发展的一项重大贡献。指南针是用以辨别方向的一种简单的仪器。我国古代劳动人民在长期的生产实践中，接触了磁铁矿，逐渐认识了磁性。在发现磁石可以吸引铁的性质后，人们又发现了磁石可以指示方向。经过多方的实验和研究，人们终于发明了简便实用的指南针。这一发明后来经由阿拉伯传入了欧洲，对欧洲的航海业甚至整个人类社会的文明进程，都产生了巨大的影响。

　　

⊙奇迹探秘：

　　　1．在陌生的地理环境中，我们可以利用指南针来辨别方向，那么，指南针为什么可以指示方向呢？?

　　　在自然界中，许多物质具有吸引铁等物质的属性，这种属性就是磁性。带有磁性的物质称为磁体，而磁体上磁性最强的部位称为磁极。我们所生活依存的地球就是一个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，拿一根可以自由转动的磁针，无论站在地球的什么地方，它的正极总是指北，负极总是指南。指南针在地球磁场中受磁场力的作用，因此会一端指南一端指北。

　　　2．指南针的发明也有一个过程，而最早的可以指示方向的东西却不是指南针，它是什么呢？?

　　　传统观点认为，指南针的始祖大概出现在我国战国时代，它的前身是我国古代劳动人民发明的一种可以指示南北的指南器——司南。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象，积累了大量的知识和经验，经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。

　　　

走近奇迹

　　指南针也叫罗盘针，是我国古代发明的利用磁石指极性而制成的指南仪器。

　　我国古代先民从很早时候起就对磁性有了观察和研究，晋朝、东汉时的一些典籍中就有磁石或磁性的使用记载。而到了魏晋南北朝时，更在《名医别录》（是秦汉医家在《神农本草经》一书内容补充之外又补记的365种新药物，分别记述其性味、有毒无毒、功效主治、七情忌宜、产地等。由于本书系历代医家陆续汇集，故称此书名）中提出了磁力测量的方法，这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。

　　春秋时期，我国劳动人民在采矿、冶炼中逐渐认识了磁石。到了战国时期，人们就利用磁石的这一原理制作而成世界上最早的指南工具——司南，并用它来判定方位。司南在使用时需要先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到勺子停下来，勺柄所指的方向就是南方。这种勺形司南直到8世纪时仍在应用。

　　到了北宋后期（11世纪），我国劳动人民又逐渐掌握了制造人工磁体的技术，之后又制作出了指南鱼，这是一种用薄铁片剪成的鱼形指南针，将铁片加热并沿子午线方向淬火使之被地磁场磁化。这种方法制作而成的指南针比司南要方便许多，只要有一碗水，就能将鱼放在水面上辨别方向。之后，人们又经过反复的改进，发现钢针在天然磁体上摩擦带了磁性后也可以指示方向。在我国北宋科学家沈括所著的科学巨著《梦溪笔谈》中，对这种人工磁化的方法有详细的描述，而经过人工带磁的钢针，可以说是比较正式的指南针了。

　　进入南宋后，人们又发明出了指南龟，这便是后来广为应用的旱罗盘的前身。在这一时期，人们还发明出磁针与方位盘一体的罗盘，这就为人们测量方位更提供了便利。

　　指南针一经发明很快就被应用到军事、生产、日常生活、地形测量等方面，特别是航海上。指南针在航海上的应用有一个逐渐发展过程，在《萍洲可谈》（我国宋代记述有关典章制度、风土民俗及海上交通贸易等的笔记体著作）中就记录了世界航海史上最早的指南针的使用记载。到了元代，指南针一跃而成为海上指航的最重要的仪器，它的使用已经不再受昼夜与天气的影响。而且人们还编制出罗盘的使用导航，在不同航行地点通过指南针的针位做出连线图，称为“针路”。船行到什么地方，采用什么针位方向，一路航线都一一标识明白，以此作为航行的依据。

　　在北宋末南宋初（约1180年），中国的指南针通过阿拉伯商人传入了欧洲，欧洲人才开始利用指南针导航，这不仅促成了15—16世纪世界历史上著名的“地理大发现”，更是使资本主义的原始积累在世界范围内迅速展开，从而改写了人类的历史。现在，指南针依然在人类的生活中发挥着巨大的作用。

　　

⊙奇迹探秘：

　　　3．我国古代早期的指南针都是什么样子的呢？?

　　我国古代早期的指南针可谓是多种多样，有鱼形、针形，还有龟形的。

　　鱼形的指南针称为指南鱼，民间常用薄铁叶剪裁成鱼形，鱼的腹部略下凹，磁化后浮在水面就能指南北。另外，还有一种指南鱼的做法，是用木头刻成手指大小的鱼形，木鱼腹中放入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。将其浮于水面，鱼头指南，这也是水针的一类。

　　而用磁石摩擦缝衣针后，使针锋带了磁性，便成为磁针。可以有以下几种方法来装置磁针：水浮法，将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。碗唇旋定法，将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。指甲旋定法，把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如，指示方向。缕悬法，在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，就可以指示方向了。

　　做成龟形的指南针就是指南龟，它是用木块刻成龟的形状，龟腹部中心嵌以磁体，木龟安放在尖状立柱上，龟静止时首尾分指南北。

　　

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【指南针的构造】

　　指南针的主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针（针形磁铁，通常是狭长菱形。中间支起，可在水平方向自由转动，受地磁作用，静止时两个尖端分别指着南和北），磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线（是指在地球磁场作用下，磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向）的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能，人们可以辨别方向。指南针常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。

　　

知识百科

【电子指南针】

　　指南针是一个重要的导航工具，但有时候由于磁针磁力的强弱变化，有可能会造成方向指示的偏差。因此，随着科技的不断发展与进步，现代科学手段利用了指南针的原理，制作成了电子指南针，它将会弥补旧式指南针或罗盘指南针的缺陷。因为电子指南针全部采用固态的元件，相比较而言，它的稳定性要更好一些。而且，电子指南针还可以与其他电子系统进行简单的系统对接，这使得它使用起来更为方便，它的使用范围也更为宽广。

17.钟表

奇迹概览

　　从原始的计时法到第一台机械原理钟，再到现在各种奢华而精密的钟表的演变过程中，世界上不同时期的科学家及钟表工匠们，用他们的智慧和实践容合成了一座时间的隧道，勾勒出了钟表文化和科技的发展轨迹。德国作家恩斯特·容格（Ernst Jünger）这样说道：“钟表创造了自然界中新的节奏。此后人类彻底告别了时间由自然决定的时代，摆脱了自然界的束缚，开创了自主划分时间的新纪元。”随着人们生活节奏的加快，时间的单位也变得更加精确，利用钟表我们可以更合理地控制和管理时间了。

⊙奇迹探秘：

　　　1.钟和表指的是同一种物品吗？如果不是，它们有什么区别吗？

　　钟和表被统称为钟表，它们都是计量和指示时间的精密仪器。

　　按照国际惯例，习惯将机芯的直径超过50毫米、厚度超过12毫米的称为钟；机芯直径37—50毫米、厚度4—6毫米的，称之为怀表；机芯直径在37毫米以下的称之为手表；机芯面积不大于314平方毫米或者机芯直径不大于20毫米的，称之为女表。手表是人类发明中最小、最坚固、最精密的机械之一。

　　

走近奇迹

　　古代人是通过观察各种天文现象或者流动物质的连续运动来判断时间的。例如，人们发现影子的长度会随着时间而改变，于是发明了日晷，它是利用日影的方位来计时的；而沙漏和壶漏则是利用沙流和水流的流量来计时的。

　　古代时中国就有以水来计时的工具，如铜壶滴漏。到了东汉时期，天文学家张衡制造了漏水转浑天仪，他用齿轮系统把计时漏壶和浑象连接起来，以漏壶滴水来控制浑象旋转，一天刚好可以转一周，这便是最早出现的机械钟。

　　1088年，宋朝的天文学家苏颂组织了一批学者，并运用自己丰富的数学、天文和机械学知识制造了集报时、演示和天象观察三种功能于一体的水运仪象台，这是世界上最早的天文钟。虽然它最终被毁于几十年后的战乱，但是在世界钟表史上它具有着极为重要的意义。

　　14世纪时，在欧洲某些国家的高大建筑物上出现了报时钟，它的指示机构只有时针，动力来源于悬挂的重锤因地心引力而产生的重力作用，被称为机械打点钟。15世纪末到16世纪初，开始出现了铁制发条，这成为了钟的新动力来源，为钟向小型化发展创造了条件。1583年，意大利科学家伽利略建立了钟摆的理论基础——等时性理论。1656年，荷兰科学家惠更斯利用伽利略的理论成功地设计了钟摆，并指导制造了第一个摆钟；1675年，他又用游丝（钟表里的弹性元件）取代了原始钟摆，为后来的可携带钟表的创造提供了条件。

　　18世纪，科学家们发明了各种各样的擒纵机构，为袋表的产生与发展奠定了基础。19世纪出现了大批的钟表生产厂家，钟表制造业已经逐步发展为工业化生产，并达到了相当高的水平。

　　中国制造钟表的工艺在19世纪也达到了一个崭新的水平。1875年，上海“美利华”作坊制造出了以造型典雅、民族风格鲜明而闻名海内外的南京钟。南京钟为屏风式样，钟面镀金并镌刻有花纹，它不仅报时清脆而且走时准确，并在1903年的巴拿马国际博览会上获得了特别奖。

　　随着科技技术的不断发展，钟表的体型不断地缩小，样式也越来越美观，并逐渐发展为手表。

　　1926年，世界著名的劳力士表厂制造了第一只可以长时间在水中活动的表，获得了专利并将其命名为oyster，即著名的“蚝式”表。第二年，一位名为梅赛迪斯·吉莉丝（Mercedes Gleitze）的英国女性，佩戴着这种蚝式腕表成功地完成了个人游泳横渡英伦海峡的壮举。当她到达终点时，腕表运转完全正常，劳力士公司宣告防水腕表成功诞生。

　　蚝式腕表的诞生成为钟表史上的转折点。从此以后，更多新的科学技术和设计被广泛地应用于腕表上，腕表的生产量开始大幅度地增加，价格便随之下降，使更多的人可以拥有它。腕表的时代到来了！

　　

⊙奇迹探秘：

　　　2.钟表常会出现时间稍快或稍慢的误差，机械钟表的走时精度会受哪些因素的影响呢？

　　机械手表的走时精度，往往会受到很多因素的影响，一般来说，主要是以下几方面：一、由于工作环境的不同，钟表往往受到来自外部环境的各种影响。二、钟表的走时精度往往会受到摩擦力的影响，但摩擦往往有双面的作用。它有积极的一面，比如分轮、自动发条和条盒之间的摩擦、螺钉自锁等；另一方面，摩擦会导致零件的磨损和传动效率的降低，从而影响计时。三、快慢针的影响。快慢针是便于校时的经济结构，但它会影响系统的等时性，并可能产生位差。四、擒纵机构（机械能量传递开关装置）在能量传递过程中对摆轮游丝系统产生的影响，会影响到钟表的走时精度。五、钟表的走时精度还受到温度的影响。六、游丝会在磁场的作用下变形，因此磁场会影响钟表走时。七、荡框游丝（钟表内的弹性元件）在重力作用下会影响钟表走时。八、摆轮元件的平衡问题会影响到钟表的走时。

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【钟表的历史演变】

　　从钟表的发展史，基本可以分为三个演变阶段：首先，从最初的天文计时器的逐渐脱离；其次，从大型钟到微型化的过渡；最后，腕表的发展到后期电子技术的运用。钟表的每一阶段的发展都是与当时的技术发明密不可分的。

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【世界名表】

　　百达翡丽：瑞士仅存的独立制表商之一。昂贵的制作材料和高贵的艺术境界塑造了百达翡丽经久不衰的品牌效应。

　　劳力士：瑞典表业的经典品牌，手表领域中的霸主。它的最初标志是一只伸开五指的手，以表示这个品牌的手表完全是手工精雕细琢的，后来逐渐演变为皇冠的注册商标，以示它在同行业中的霸主地位。

　　宝玑：多年来瑞士钟表的代名词。世界诸多历史名人都是宝玑表的钟爱者，如法国王后玛丽·安东尼、英国维多利亚女王、沙皇亚历山大一世、英国首相邱吉尔……

　　欧米茄：欧米茄始于1848年，配戴欧米茄手表代表成就与完美，这个品牌的手表以其先进卓越的制表艺术，深受各界人士的喜爱。

　　爱彼：为维持瑞士作为钟表王国的美誉，爱彼表坚持每一只都以“老师傅的一双手”来打造，并在每只表的后面都刻上制造者的名字，百年如一日！

　　卡地亚：卡地亚最初是闻名遐迩的法国珠宝首饰制造名家，自1904年制造金表后，从此卡地亚表成为上流社会的宠物。

　　江诗丹顿：江诗丹顿被称为贵族的艺术品。江诗丹顿表每年只生产2万多只，并且在瑞士制表业中始终担任着重要角色。

18.显微镜

奇迹概览

　　显微镜一词来源于希腊文，就是“小型观察器”的意思。显微镜是由一个透镜或几个透镜组合构成的光学仪器，用于放大微小物体使之成为人的肉眼能够看到，它是人类进入原子时代的标志。显微镜被广泛应用于生命科学的研究，使人们能够深入地观察物体的微细结构，促进了近代微生物学、组织学、病理学和胚胎学的建立和发展。显微镜的发明打开了神秘的微观世界的大门，带领人类走进了一个无法用眼睛直接看见的新世界。

　　

⊙奇迹探秘：

　　　1.显微镜具体应用在哪些方面呢？

　　显微镜用来观察微小物体的图像，常常用于以下几个方面：1.矿物质分析，2.物质成分的分析，3.分子、中子、原子等分析，4.细胞、基因的分析，5.细菌或病毒的分析，6.金相分析。

　　

走近奇迹

　　第一架真正的显微镜是由一片凸透镜和一片凹透镜重叠而组合起来的，这种显微镜又被称为复式显微镜，是荷兰的一对眼镜匠父子制成的。

　　1590年，荷兰有一位叫詹森的天真少年，他的父亲是一位眼镜匠人。于是，镜片便常常成为詹森手中的玩具。一天詹森在楼顶上玩耍，他无意中把两块凸透镜片装到了一根金属管里，并用管子去看周围的物体，他发现了奇怪的现象，教堂上的大公鸡雕塑比原来大了好多。他把这个意外的发现告诉了父亲，父子俩一起分享这个新发现带来的愉快。詹森虽然是发明显微镜的第一人，但是他却没有发现显微镜真正的价值所在。也许也正是由于这个原因，詹森的发明才没有引起世人的重视。

　　直到1665年，英国科学家罗伯特·胡克设计并制造了第一架光学显微镜，并发表了《显微图谱》一书。他用这架显微镜观察并描述了植物细胞，而“细胞”这个名词就是由胡克观察植物木栓组织上的微小气孔得来的，并一直沿用至今。

　　1974年，荷兰布商列文虎克为了检查布匹的质量，也亲自制作了光学显微镜，并通过光学显微镜观察到了池塘水中的原生动物，并于9年后成为首位发现“细菌”存在的人。

　　光学显微镜主要由物镜、管镜和目镜三大部分组成。当标本经物镜和管镜放大后，形成了放大而倒立的实象；实象经过目镜的再次放大后，又形成了放大的虚象。人眼通过光学显微镜而观察到的象，其实就是一个被放大了的虚像。最初的显微镜比较简单，只能放大到几百倍。随着科技的不断改进和发展，后来的光学显微镜可以把物体放大到1500倍左右。

　　1932年，德国柏林工科大学的鲁斯卡和克诺尔制成了世界上第一台电子显微镜。电子显微镜是根据电子光学原理，用电子透镜代替了光学透镜，并用电子束代替了光束，从而能够使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。

　　电子显微镜通常由镜筒、真空系统和电源柜三大部分组成。镜筒主要由电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件组成，这些部件自上而下地装配成一个柱体；真空系统由机械真空泵、真空阀门和扩散泵等部件构成，通过抽气管道与镜筒相联接；电源柜由励磁电流稳流器、高压发生器和各种调节控制单元组成。

　　电子显微镜的问世，把放大倍数从几百倍一下子提高到了1万倍。到20世纪90年代时，世界上又研制出放大率可以达到200万倍的电子显微镜，通过它人们看到了物质内部的精细结构，认识到物质是由一些肉眼看不到的极小微粒组成的。借助先进的电子显微镜，人们对微观世界的认识又进一步地深入到了病毒和原子。

　　随着人类对微观世界研究的不断深入，研究微观世界的工具也在不断更新。1983年，利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器——扫描隧道显微镜问世。这种显微镜比电子显微镜更加先进。自从扫描隧道显微镜发明以后，世界上便又产生了一门新科技，即纳米科技。纳米科技是以0.1纳米至100纳米这样的尺度为研究对象的新学科。

　　科学家爱因斯坦曾说：“科学总是朝着两个截然相反的方向无止境地发展，那就是宏观领域和微观领域。”显微镜的发明，打破了人类关于周围世界认识的局限，把一个无法用肉眼直接看到的微观世界呈现在人类的视野里，为人类对微观世界的研究作出了巨大贡献。

　　

⊙奇迹探秘：

　　　2.什么叫做微观世界？相对于微观世界，宏观世界又是怎样的呢？

　　物质是由人的肉眼看不到的分子、原子、离子等构成的，分子、原子、离子都非常的小，而人的肉眼只可以分辨直径大于0.1mm以上的物体，小于肉眼可分辨尺度的事物都属于微观世界。通常人们把感官不能直接感觉到的微小物体和现象分别称为“微观物体”和“微观现象”，而“微观物体”和“微观现象”被总称为微观世界。

　　宏观世界是不涉及分子、原子、电子的物质世界，是“宏观物体”和“宏观现象”的总称。肉眼能够看到的都是宏观物体，宏观物体和宏观空间范围内的现象被称为宏观现象。

　　

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【显微镜的使用】

　　低倍镜的使用方法：

　　1.取出显微镜时要右手握住镜臂，左手托住镜座，把显微镜轻放于实验台上。2.安好目镜和物镜，然后转动转换器，使物镜对准通光孔。3.打开光圈，以左眼在目镜上观察，调节反光镜方向，直到视野光线均匀明亮为止。4.将要观察的玻片标本放在载物台上，用压片夹压住，标本要正对通光孔的中心。5.左眼在目镜内看，并转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，物镜接近玻片标本，直到视野内出现清晰的物象。

　　高倍镜的使用方法：

　　1.选好目标，同时把物象调节到最清晰的程度。2.转动转换器，调换上高倍镜头。3.转动细调节器的螺旋，以调节焦距，直到获得清晰的物象。

　　

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【罗杰·培根与透镜现象】

　　13世纪时，英国牛津的罗杰·培根曾对透镜做过多次试验，并得出结论：“若是从一个凸的或凹的曲面，去透视一件物体，所得到的现象是不同的，它能够变成这样：大的使我们看成了小的，或者相反，小的看成大的；远的看成近的，隐蔽的变成看得见的。”不仅如此，他还断言道：“我们能够做成使太阳、月亮河星星好像是降低了一点似的，还有许多简直使一般没有科学信仰的人不敢去相信的事。”

　　罗杰·培根对透镜现象的发现确实非常伟大，但是当时的当权者却对此十分恐慌，它们非但不接受，并且认为这是谬论邪说，并把培根关进了监狱。由于当权者对科学的无知与误解，使得显微镜的发明推迟了几百年。