第二章　趣味科学发明

阿基米德由洗澡得出浮力定律

相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠。但是在做好后，国王疑心工匠做的这个金冠并非全金，但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重。工匠到底有没有私吞黄金呢？既想检验真假，又不能破坏王冠，这个问题不仅难倒了国王，也使诸大臣们面面相觑。经一大臣建议，国王请来阿基米德检验。最初，阿基米德也是冥思苦想而却无计可施。

有一天，他在家洗澡，当他坐进澡盆里时，看到水往外溢，同时感到身体被轻轻托起。他突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法，来确定金冠的比重。他兴奋地跳出澡盆，连衣服都顾不得穿上就跑了出去，大声喊着“我知道了！我知道了！”。

阿基米德经过了进一步的实验以后，便来到了王宫，他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里，比较两盆溢出来的水，发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大，密度不相同，所以证明了王冠里掺进了其他金属。

这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王。作为一名科学家，阿基米德觉得他还没有尽自己应尽的职责。沿着用排出液体多少称量物体这条思路，他继续研究下去，终于总结出了有关浮力的原理：浸在液体中的物体会受到向上的浮力，这种浮力的大小等于物体排开的液体的重量。这就是著名的浮力定律。

伽利略证实自由落体定律

1564年伽利略生于意大利的比萨。他是杰出的天文学家和物理学家。因为他的卓越成就而被人们称为近代科学之父。

在伽利略之前，古希腊的亚里士多德认为，物体下落的快慢是不一样的。它的下落速度和它的重量成正比，物体越重，下落的速度越快。比如说，10000克重的物体，下落的速度要比1000克重的物体快10倍。

1700多年前以来，人们一直把这个违背自然规律的学说当成不可怀疑的真理。年轻的伽利略根据自己的经验推理，大胆地对亚里士多德的学说提出了疑问。经过深思熟虑，他决定亲自动手做一次实验。他选择了比萨斜塔做试验场。

这一天，伽利略带了两个大小一样但重量不等的铁球，一个重10磅，是实心的；另一个重一磅，是空心的。伽利略站在比萨斜塔上面，望着塔下。塔下面站满了前来观看的人，大家议论纷纷。有人讽刺说：“这个小伙子的神经一定是有病了！亚里士多德的理论不会有错的！”

实验开始了，伽利略两手各拿一个铁球，大声喊道：“下面的人们，你们看清楚，铁球就要落下去了。”说完，他把两手同时张开。人们看到，两个铁球平行下落，几乎同时落到了地面上。所有的人都目瞪口呆了。

伽利略的试验，揭开了落体运动的秘密，推翻了亚里士多德的学说。这个实验在物理学的发展史上具有划时代的重要意义。

帕斯卡“玩”水发明液体压强定律

帕斯卡从小就对大自然充满了好奇，常常思考一些他认为有趣的问题。有一天，他在上学的路上，看到园丁准备浇花，只见园丁把又长又扁的水管接在水龙头上，拧开水龙头，扁水管一下子变得圆鼓鼓的，水就顺着水管流进了花园。

这时，帕斯卡趁浇花的园丁不注意，悄悄把双脚站到水管上，想压扁管子堵住水，可根本堵不住，水照样从他脚下的水管中流过。他又蹲下来，用手按水管，脸都憋红了也没能按住。这时，园丁走过来，拍拍他的肩膀，吓了他一跳。

帕斯卡以为那位园丁会责怪他，谁知，园丁却反而笑呵呵地对他说：“小家伙，你是想按住水管吗？这是徒劳啊，就是七八个人，只怕也堵不住哟！你看它喷得多高啊！”

帕斯卡不禁产生了许多疑问：水进了水管为何要往前跑？水本来是往低处流的，为何水管里的水要往高处流呢？为何水能把管子胀得圆鼓鼓的？细孔里流出来的水为什么能喷那么高？

帕斯卡向园丁请教这些问题，但并没有得到一个满意的答案。没有办法，他只有回到家中向爸爸请教了！出乎他意料的是，他认为最有学问的爸爸也答不出，反而还教训他：“算了，把书本学好就行了，别整天想这想那的。”

执著地帕斯卡并没有就此作罢，既然从别人那里得不到答案，就自己做试验，他弄来一段水管，接在水龙头上，把另一头扬得高高的，看水往外喷。他还用钉子把好水管钻上几个孔，让水也从小孔里喷“抛物线”。

就这样，帕斯卡每天挺有兴趣地摆弄着水管。经过多次细心的观察后，他发现了一个有趣的现象：从小孔里喷出的水流都一样长。

没多久，水管就破烂不堪了，帕斯卡又找来较薄的橡皮管子，费了很大劲才把管子安到水龙头上。细管子顿时被撑得又粗又壮，帕斯卡睁大惊奇的眼睛想：“水究竟从哪儿来这么大的力量？”

帕斯卡决定把这个问题弄个水落石出。他找来一个四周扎有一些小孔的空心球，然后把球上连接一个圆筒，圆筒里安了个可以来回移动的活塞。再将球和圆筒里灌满水，然后用力往里按活塞，水便从球四周的小孔里均匀地向外喷射，真是好玩极了。

帕斯卡重复了一遍又一遍，经仔细观察，他发现：如果不按活塞，水也就不向外喷射。帕斯卡觉得这太神秘了，但他怎么也弄不清楚秘密之所在，也不急于去问爸爸，认为应该自己解决问题。

帕斯卡对揭开这个秘密有着强烈的愿望，便不断学习科学文化知识充实自己。当他长大以后，更加对幼年时“玩”水产生的现象感兴趣。于是，他决定继续进行他的“玩”水实验，不过这次不是在水龙头下悄悄地玩，而是在实验室公开地“玩”，并且有了许多仪器、设备等实验装置做辅助。

1648年，经过无数次的实验和精确计算。帕斯卡终于总结出了一条规律：“加在密闭液体上的压强，能够按照原来的大小由液体向各个方向传递。”物理学把它叫做“帕斯卡定律”。当年帕斯卡只有25岁。

波义耳由一束紫罗兰引起的发明

在17世纪以前，人们只把化学作为寻找点金石和制造药品的一种方法。直至1627年，英国诞生了一位名垂青史的科学家——罗伯特·波义耳，正是他奠定了近代化学研究的基础，使化学逐渐成为一个独立的学科。

1627年1月25日，波义耳出生在爱尔兰的一个贵族家庭里。父亲特别喜爱波义耳，专门为他请来了最好的家庭教师。在他8岁的时候，父亲又把他送到伊顿公学学习。

意大利著名的科学家伽利略是波义耳心中最钦佩的人。1641年，他专程来到意大利想去见识一下这位科学家巨擘，可惜伽利略不久就去世了。伽利略的新科学理论对他产生了深刻的影响，他决心像伽利略那样不迷信权威，勇于开创科学实验。

1645年，实验室开始进行物理学、化学和农业化学等的研究工作。几个问题同时研究是波义耳一贯的做法。通常他对助手讲明一天的工作，就回到工作室向秘书口授哲学论文。

一天清晨，波义耳刚走进书房，一阵花香扑面而来，使人心旷神怡。一盆美丽的紫罗兰摆放在屋子的角落里，波义耳忍不住摘下一朵，然后不时地嗅着这沁人心脾的花香来到实验室。

实验室里，他的助手正在准备当天实验用的盐酸，忽然，一个助手一不小心把盐酸溅到了桌子上，实验室里顿时弥漫着刺鼻的气体。

波义耳见状忙放下手中的紫罗兰，过去帮忙，当他转过身时，发现紫罗兰也溅上了盐酸。

“真可惜，美丽的花朵也沾上盐酸了。”波义耳随手将花插在一旁。波义耳随即去了别的实验室，布置完工作后，他回到了实验室，看到桌子上的花束时，他顿时惊呆了：原先深紫色的紫罗兰，现在变成了红色！

“奇怪！怎么眨眼间这紫罗兰就变色了？莫非是盐酸的缘故？”想到这，波义耳对助手说：“快去把书房那盆紫罗兰端来。”

急于寻找答案的波义耳，立刻取出一只烧杯，倒了一些盐酸，不一会儿，助手把花端过来了，波义耳摘下一朵紫罗兰浸入盐酸中。果然，花瓣渐渐由深紫色变为淡红，最后变成红色。

“太妙了！”助手兴奋地说。波义耳反复试了好多次，又用其他花、苔藓等来做实验，结果发现石蕊苔藓效果最好。

为了使用方便，波义耳就开动脑筋，用石蕊苔藓泡成浸液，然后把纸浸透，然后烘干纸片。这种纸片用起来方便，用它进行溶液的酸碱鉴定非常准确，这就是我们今天仍然在用的PH试纸。

波义耳在化学方面作出了突出贡献，这是有目共睹的事实，因此他被公认为近现代化学的奠基人、英国著名物理学家、化学家。

牛顿由苹果落地推出万有引力定律

牛顿从小对茫茫宇宙就非常感兴趣，他在研究天体运动时，一直都在苦苦思索着，要找到使太阳系所有行星都围绕太阳旋转的神秘力量。有一天，一件突然发生的小事，促使牛顿找到了问题的答案。

那是1666年秋季的一天，天气格外晴朗。牛顿和往常一样，早早地就来到沃斯索斯普村庄园的小花园里，一边晒着暖和的太阳，一边思索着天体运动法则的问题。

他身后是一棵很大的苹果树，上面结满了红彤彤的大苹果，微风一吹，一阵阵沁人心脾的苹果香扑面而过，十分诱人。忽然，一个大苹果掉了下来，不偏不倚，恰好砸在牛顿的头上。

牛顿挠了挠脑袋，拿起掉在地上的苹果，像是想起来什么似的，愣愣地注视着手里的这个“天外来客”，若有所悟，并自言自语道：“为什么苹果不往天上掉，不向前后左右掉，而偏偏落在树的正下方呢？”

“这究竟是什么原因？”牛顿看着苹果，不断地思考着这个问题。思绪越来越远，飞到了月亮，飞到了茫茫的宇宙……他手中的苹果，也已经变成了月球，变成了行星，变成了茫茫太空中的一个个天体。

牛顿坐在树下，对着苹果沉思了许久，突然，他悟出了一个道理：“苹果从树上掉下来，只因为地球在用力往下拽它，在吸引着它。可是，苹果是因地球的引力而掉在地上的，为什么月球就不会受地球引力的影响而掉下来呢？”

“又是什么样的力使它们始终保持着一定距离运转呢？难道是因为月球和地球的距离比苹果和地面的距离大的缘故吗？”牛顿百思不得其解。“地球的力量到底有多大？这种力量有没有极限呢？”一个又一个疑问困扰着牛顿。

忽然，牛顿想到了小时候玩过的一种游戏：首先把一块石头用一根绳子绑住，然后把绳子的另一头系在手上，再用力使劲地甩，石头就会绕着圆圈打转。

牛顿想：“如果把人看成是地球，而石头就是月球，石头绕着人转，那么绳子也就相当于地球引力，石头越大，转起来越费力。”

“这样，就可以了解到月球为什么保持一定的距离，环绕地球转，而不会飞走或掉到地球上来了。同样的道理，太阳与地球之间，也存在着这种引力。而宇宙中的其他星体之间，也被这种引力吸引着，有规律地运动着。”

牛顿一下子开了窍似的，悟透了宇宙运动规律，于是万有引力就这样被发现了。牛顿悟出了这个道理，心中有说不出的喜悦，可是思考并未因此而止步，他仍在思考着地球、月球、太阳之间存在的这种力会不会改变。

牛顿又想到了开普勒第二法则：假如有一个行星，它环绕地球一周用27年，那么它和地球的距离就是太阳距离的9倍。

牛顿运用这个法则反推回去，结果发现了有名的“逆二乘法则”。运用这个法则，可以推算出地球和月球之间的引力。后来，科学家运用这个定律，测算出了彗星出没的时间，并相继发现了海王星和冥王星等。

这就是万有引力和苹果落地的故事。不管是真是假，牛顿老家园子里的苹果树被赋予了非凡的意义，成为后人瞻仰牛顿故居时赞叹牛顿伟大过人之处的活典型。

爱迪生从揉搓烟煤到发明电灯

在电灯问世以前，人们普遍使用的照明工具是煤油灯或煤气灯，这种灯燃烧时有浓烈的黑烟和刺鼻的臭味，而且很容易引起火灾，酿成大祸。多少年来，很多科学家绞尽脑汁，想发明一种既安全又方便的电灯。

为了实现这一想法，爱迪生开始着手研究用电照明这一具有重大意义的课题。他们首先要寻找适于制作灯丝的材料。在试验过的金属中，铂似乎是最理想的一种。因为这种材料符合电阻高、散热慢的要求。

1878年10月5日，爱迪生提出了一份关于铂丝“电灯”的专利申请。这种灯泡的灯丝是用铂丝绕成的双螺旋，它们之间再加一支金属棒，当灯丝热度接近铂丝的熔点时，金属棒便膨胀造成短路，灯泡温度降低，铂丝冷却的同时金属棒也冷却下来，于是电流再次通过。然而铂的价格昂贵，不利于普及。不久，爱迪生就放弃了铂丝的使用，转而采用铂箔。但成功总是显得那么遥远。

爱迪生没有放弃，他把能想到的耐热材料全记到了纸上，经过统计，竟有1600多种。难道这1600多种耐热材料中就没有一种适用吗？爱迪生思索着。他更换不同的材料，制成许多不同直径、不同形状的灯丝，一样样地试。

一天晚上，爱迪生在实验室中一边思考着问题，一边心不在焉地把一块压缩的烟煤在手中揉搓着，不知不觉中，烟煤已被搓成了一根细线。他突然想试试手中的细线是否会对实验有所帮助，于是将其截下一小段，放在炉中熏了大约一小时，又把它放进玻璃泡中，抽去部分空气，然后把电流接上。

随即，脆弱的细线释放出了耀目的亮光。细心的爱迪生发现，经过碳化后的细线变得异常坚硬。碳丝灯虽然只亮了很短的时间，但却给电灯的研究带来了成功的希望。

经过深思熟虑，爱迪生发现灯丝过快地被烧坏可能是灯泡中留有过多的氧气所致。于是，一天傍晚，在爱迪生和助手们成功地把碳丝装进灯泡中之后，一位德国籍玻璃专家按照爱迪生的吩咐，将灯泡里的空气抽到只剩下一个气压的1/100后封上了口。这为爱迪生提供了一个高度真空的条件。

当电流接通后，灯丝在真空状态下发出了金色的亮光！并且持续了45小时之后才被烧断。就这样，世界上第一批碳丝的白炽灯问世了。1879年除夕，爱迪生电灯公司所在地洛帕克街灯火通明。

但爱迪生并未满足于当前的成就，他决定再进一步延长灯泡的寿命。他发现竹子纤维在碳化后做灯丝，寿命可长达1200小时。几年以后，他又发明了一种化学纤维替代竹丝。再往后，试验重新转向耐热的金属方面，最后才改用钨作灯丝。

爱迪生坚持不懈地研究终于获得了最后的胜利。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，它的直流发电机功率已达到600多千瓦，为几千名用户提供照明用电。此后，白炽灯的使用范围空前地扩大，逐渐遍及全世界。

毫无疑义，爱迪生的这一伟大发明在科学史上开辟了一个新纪元，把人类从此带进了一个崭新的电光世界。人们最终感受到了光明、舒适、温暖与快乐。爱迪生的功勋影响了千万人的生活方式，也推动了人类文明的进程。

爱因斯坦从坐马车想到相对论

爱因斯坦在不足16岁的时候，有一次乘坐马车，当他看到马车在地面上经过时，头脑里忽然产生了一个奇怪的念头：如果有人以光速和光线一齐前进，那么，是不是将看到的光线就是静止在空间中的电磁波呢？

就像我们坐在一辆匀速行驶的汽车上，观察与我们以同样的速度、同样的方向，一块儿前进的另一辆汽车一样，感觉那辆汽车似乎是不动的。

可是，爱因斯坦却凭着推理和想象，认为那是不可能的。

火车上的乘客，相对于火车没有运动，相对于地面却以每秒几十米的速度飞驰而过。火车相对于地面运动，而地球相对于太阳运动，这些都是相对运动。但是，如果按此继续推导下去，太阳相对于银河系中心运动，那银河系又相对于什么运动呢？

根据经典物理学的解释，除去相对运动外，还有绝对运动，即相对于绝对空间的运动。而爱因斯坦认为：“既然没有任何东西，能够证明绝对空间和绝对时间的存在，那么，它们就是不存在的。”

在狭义相对论中，爱因斯坦提出了两个基本原理：

一、光的速度是不变的。

二、当物体运动的速度接近或达到光速时，相对该物体来说，时间将减慢。即所谓狭义相对论原理。

爱因斯坦又根据狭义相对论原理，推导出了物体的质量也与运动密切相关，运动速度增加，质量也随之增加，并得出了质能关系式：E=mc2，即物体转化为能量时，能量的总值相当于它的质量与光速的平方的乘积，从而揭示了原子内部蕴藏着巨大能量的秘密！

对于相对论原理，爱因斯坦自己曾经做过简明扼要的说明：“要点是这样的：早先人们认为，假如由于某种奇迹，一切有形体的事物突然一下子消失了，那么空间和时间仍会留下来。照相对论来说，空间和时间是和一切事物一起消失的。”

时间、长度和质量是力学研究中的3个基本量。在牛顿的力学中，它们是绝对的、不变的。但在相对论中，它们却又变成了和测量者所在的坐标系有关的量。

此外，在牛顿的力学中，质量和能量二者分明，互不相关，各自守恒。而在相对论中，牛顿的守恒定律就变成了质能守恒定律，即E=mc2。

于是，空间和时间统一起来了，物质和运动统一起来了，质量和能量统一起来了。这是一场真正的物理科学的革命！

卡文迪许由治疗痛风病到证明生物电

1731年卡文迪许生于法国一个贵族家庭。富足的生活对他的科学研究非常有利。他建造了卡文迪许实验室，测定了物质的电容；设计了卡文迪许扭秤，验证了万有引力定律；成为第一个测量地球的人。在化学方面也取得了伟大成就，著有《人造气体》一文，解释了一些气体的特性。其中，证明生物电的存在是由治疗痛风病引起的。

1758年的一天，忙了一整天的卡文迪许独自待在书房里，他拿起一本书翻阅起来。书的内容是关于古罗马时代科学文化的，书中记载了2000多年前风行一时的用大黑鱼治病的方法。看到这里，卡文迪许觉得非常奇怪：为什么当病人的腿触到大黑鱼时，会有发麻的感觉呢？

卡文迪许知道人体只有碰到电时，才会产生发麻的感觉。这两者有联系吗？这时，他心里忽然闪过一个念头：难道这大黑鱼身上带电？想到这里，卡文迪许兴奋起来。可是，他转念一想，要是大黑鱼本身带电，那它自己受得了吗？再说，还从未听说过动物能带电呀！

于是，卡文迪许设法弄到了这种大黑鱼，把它埋在潮湿的沙滩里。然后，他在这条鱼上面接上一个莱顿瓶。果然，莱顿瓶冒出了火花！卡文迪许大为惊讶：“这么说，大黑鱼身上的确带电！”就这样，卡文迪许第一个用科学的方法证明了生物电的存在。

从观察水壶到发明蒸汽机的瓦特

1736年1月19日，伟大的发明家瓦特出生在英国苏格兰的格林诺克村，父亲是个技艺高超的造船装配工人。母亲是一个很有教养的人。瓦特自幼身体瘦弱，加上家里很穷，所以他没有上学。在家里，妈妈天天都教他学习语文和数学。他十分爱问问题，有时大人们对他问的问题也束手无策。

瓦特一天天长大了，他问的问题也越来越多了。一天，爸爸、妈妈带他到祖母家做客。在祖母家，瓦特发现了烧开的水壶，壶盖被水蒸气掀得“啪啪”直响，不停地往上跳动。瓦特想：“为什么水开了壶盖就跳动呢？是什么东西在推动它吗？”瓦特问奶奶，奶奶也答不上来，他只好自己琢磨了。

回家后，瓦特便开始寻找壶盖跳动的原因。一连几天，他都坐在炉子旁仔细观察。在水快开的时候，他赶紧打开壶盖，看见一串串水泡从水底直往上冒，到了水面立刻破裂变成水蒸气，跑出水壶。如果盖上壶盖，水蒸气要跳出来就只有掀开壶盖才行。

“哦！我明白了，是水蒸气在推动壶盖。水蒸气是个大力士，这么重的壶盖，它也能掀起来。要是用一个大锅来烧水，产生的蒸气肯定能推动很重的东西。”

瓦特通过这几天的观察，他把自己的想法告诉了家人，父母听了，都夸他爱观察，爱动脑筋。瓦特长大后，通过观察和思考发明了很多机器，是英国伟大的发明家。

攻克天花的琴纳

1749年，琴纳出生于英国格洛斯特郡伯克利牧区的一个牧师家庭。5岁时，父亲去世了，5岁的琴纳跟母亲搬到在伯克利教区当牧师的哥哥家居住。

琴纳13岁时，哥哥把他送到颇有名气的外科医生卢德洛的诊所成为一名小学徒。卢德洛的诊所是一个既陌生又新鲜的新天地，琴纳很快就适应了这里的一切。

一天，他随卢德洛出诊。他们看到一个病人满身流脓，在床上奄奄一息，快要死了。老师摇摇头，拉着琴纳离开了那儿。在路上，老师告诉琴纳，病人得的是无法医治的天花。

“难道天花就不可能战胜吗？”这个疑问萦绕在琴纳的脑海中，使他彻夜难眠。

时光飞逝，眨眼间，琴纳已经是个18岁的小伙子了。他以出色的才华深受卢德洛老师的喜爱。为了进一步培养他，老师把他推荐到大名鼎鼎的名医亨特那里去学习。亨特治学严谨，医术超群，在医学界有极高的声誉。琴纳认真地跟老师学习解剖学和医学理论。

不久，他便成为老师手下的得意门生，经常随老师出诊。

两年后，琴纳学习期满，他告别了老师，回到家乡伯克利村开了一家诊所。琴纳以自己精湛的医术成为当地有名的医生。

从此，琴纳在医学道路上不断探索，而攻克天花成了他的奋斗目标。经过多年的努力和实践，1788年，他的论文《接种牛痘的原因和效果》发表了，这在世界医学界引起了震动，使天花成为可以医治的疾病。

诺贝尔由意外伤手到发明胶炸药

诺贝尔是瑞典化学家、发明家和炸药的发明者。

有一天，诺贝尔在实验室工作时，手被割伤了，他赶快找来一块胶棉放在伤口上，继续做实验。

胶棉只是一种类似于当今人们使用的创伤膏，是一个医科学生美纳尔发现的，也正是这种胶棉，使诺贝尔产生了灵感。

到了晚上，诺贝尔的手指疼得很厉害，怎么也睡不着觉。忍不住疼痛的他只好洗净伤口，重新放了一些胶棉包好了，这回似乎轻了一些，不那么疼了。

诺贝尔回到床上暗自思忖：“这是什么原因呢？肯定是有什么东西透过棉胶，侵入伤口里了。啊，对了，白天我摸过硝酸，没错，肯定是硝酸有透过棉胶的能力。”

想到这，诺贝尔就急匆匆下楼，钻进了实验室里。他想试一下把硝酸甘油和硝酸纤维素混合在一起能产生什么现象。这两种都是能完全溶解的爆炸物质，肯定会产生威力强大的爆炸。

诺贝尔把棉胶沾上硝酸甘油，用各种不同的比例配方互相混合。结果发现产生了一种类似果冻软硬的胶质物质。

接下来，诺贝尔分别用棉纤维和其他纤维作了不同程度的硝酸实验，做成高低不同的硝化度的硝酸纤维素，再与不同比例的硝化甘油混合，这样他共制成了250种以上的混合物，再分别对其性质优劣、作用强弱进行测试。

通过反复实验，诺贝尔得出了最好的方法，制成了最理想的炸药，取名为胶炸药。胶炸药的研制生产，更好的发挥了作用，方便了隧道、矿山的开通，为人类发展作出了贡献。

潘琴由加热黑色沉淀物到发明染料

潘琴是英国著名化学家，从小就对化学产生了浓厚的兴趣。有一天，潘琴的老师霍夫曼沉思自语：能否用煤焦油化学药品来合成奎宁？奎宁是抗疟疾药品，如果合成成功，必将使欧洲国家摆脱依赖遥远的热带国家供应奎宁的局面。

老师的想法使潘琴觉得很有意义，便在家开始做实验，但他失败了。当时还没有人知道奎宁的结构，即使知道，凭当时仅知的几种合成方法要制出奎宁来也十分困难。

18岁那年，潘琴大二了。暑假时，他想利用这段时间做一些研究。于是，教授斯托曼尔推荐他试试奎宁的化学合成。

潘琴知道已经有人在研究治疗疟疾用的奎宁了。“到目前为止还没有人取得成功，你可以试一试呀。”斯托曼尔教授笑着拍了拍潘琴的肩头。

潘琴点点头，开始忙开了。一次次的试验，一次次的失败。眼看假期一天天地过去了，潘琴的实验还是一无所获。

有一次，潘琴将重铬酸钾加入从煤焦油里提炼出的苯胺里，结果还是失败了。潘琴气急之下，正准备将试管扔了。突然，他发现试管底部有一些奇怪的黑色沉淀物。潘琴正打算把这团沉淀物倒掉，忽然心生一念：给沉淀物加热，看它是否还原。他点燃酒精灯，仔细观察沉淀物的变化，结果惊奇地发现，黑色的沉淀物渐渐地变成紫色的液体。

这颜色太美丽了！潘琴马上想到这东西或许可以作为染料。他把一些紫色液体涂在白纸上，白纸立刻变成了紫色。他又将紫色液体涂在几种丝织品上，效果非常理想。他看到了这种紫色液体的应用前景。

当时的染料都是天然颜料，来源不广，价格昂贵，而且只有很少的染料可以牢固地附着在织物上。而他的染料的主要原料苯胺，是从煤焦油中提取的，来源充足，效果也很好。

潘琴把他的紫色化合物样品寄给苏格兰的一家染坊。复信是令人振奋的，说经它染的丝非常漂亮，而且永不褪色，还问这种染料是否容易制取。

潘琴满怀信心地作出了决定，他将这种染料的制作方法申请了专利，父亲和哥哥鼎力支持他。1857年，潘琴一家办了一座染料工厂，经过6个月的不懈努力，终于生产出了紫色染料，工艺技术也不断提高。

1861年，潘琴在英国化学会上作报告，介绍煤焦油在工业上的用途。报告结束后，著名科学家法拉第向他表示祝贺，称赞他在制取紫色染料方面的成就，潘琴却谦虚地说：“这没有什么，我是偶然碰到的。”

查理斯由老鼠引起的发明

19世纪中叶的英国伦敦马路窄小，人流如潮，遇到马车通过，整条道路便被堵得水泄不通。

伦敦政府部门对这种交通状况忧心忡忡，但又束手无策。无奈之下，他们决定广泛征集改善交通状况的良策。这个时候，一位名叫查理斯的法官向政府提出了修建地下铁道的建议。

查理斯每年不知要处理多少起因车辆拥挤引起的纠纷，对伦敦的交通拥挤深有体会。他认为用火车最理想，载人多，速度又快。但是，火车在城市里怎么跑呢？查理斯又陷入了深思。他不愿就此罢休，力求寻找突破点。

就在查理斯冥思苦想的时候，机遇来到了他的面前。在他打扫家里的卫生时，注意到墙角边有一个老鼠洞口，一直通到墙外，查理斯没有忽视这个现象，他的脑海中忽然迸发出一串智慧的火花：火车无法在地上行驶，但可以转入地下行驶啊！

查理斯经过缜密的分析，认为“让火车入地”完全可行。

1843年，查理斯向政府提交了这个提议。经过马拉松式的论证，政府部门组织了大约900名工人，开始修建地下铁道。

地下铁道建成后，在居民中掀起一股热潮。许多居民出于好奇心，争先恐后地乘坐地铁。不过，最初的地铁乘坐起来并不舒适，因此这股热潮一过，几乎就无人问津了。

1896年，在匈牙利首都布达佩斯，诞生了世界上第一辆电动地铁列车。它没有污染，行驶速度快，深受人们的欢迎。此后，电动地铁列车相继出现在世界各大城市，成为人们主要的交通工具之一，一直沿用到今天。

发明无线电通信的少年

1874年，马可尼出生在意大利的波洛尼亚。他家比较富裕，马可尼从小受到很好的教育，在中学学习时成绩优秀。1889年，年仅15岁的马可尼便以优异的成绩考入了波洛尼亚大学。

有一次，马可尼在电学实验室上课，里奇教授正在向他的学生们演示一个当时轰动了物理学界的最新实验。试验中，里奇教授说电磁波的速度和光速一样快，这句话引起了正在听课的马可尼的注意，电磁波的这个特征激起他的一种想象。

马可尼认为既然电磁波可以不用导线就传到远方，而且和光一样快，如果我们把这种电磁波变成编排好的信号发射出去，然后在另一端用检波器把它接收下来，不是就可以变成无线电报了吗？这样就可以用它来进行一种无线电通信了。

这个新奇的想法立即受到里奇教授的重视。在里奇教授的帮助和鼓励下，马可尼到处搜集资料，在家里的小阁楼上做实验。为使实验早日成功，他常常废寝忘食。

一天晚上，马可尼把妈妈请到小阁楼上，然后开始调节自己的仪器。只见他轻轻用手按动一下电钮，这时楼下的客厅里传出一阵有节奏的铃声。妈妈以为有客人来了，便急忙下楼。

马可尼拉住妈妈，笑着说：“妈妈，没有客人来，这是我发出的无线电讯号，我的无线电发报成功啦！”

这次通讯虽然只传了10多米远，可这是—个伟大的起点。妈妈奖励给马可尼1000里拉，鼓励他继续做实验。不久，马可尼发明的无线电通信从室内扩大到室外，从几十米向百米，再到几千米。无线电通信终于在全世界发展起来了。

发明电话的贝尔

世界上第一部电话机的发明者贝尔生于英国苏格兰的爱丁堡，他的父亲和祖父都是研究声学的学者。他的父亲甚至试图教聋哑人说话。由于家庭环境的影响，贝尔从小就十分同情聋哑人，并且对语音产生了浓厚的兴趣。

17岁时，贝尔进入爱丁堡大学学习，他选择了语音作为自己的专业。毕业后，去聋哑学校做了一名教师。这期间，他和父亲一起，致力于研究如何使聋哑人说话。这一对父子的高尚行为，得到了当地民众的称赞。

有一次，贝尔在做聋哑人用的“可视语言”实验时，发现了一个有趣的现象：在电流流通和截止时，螺旋线圈会发出噪声。

“电可以发出声音！”贝尔兴奋地脱口而去。

思维敏捷的贝尔马上想到，如果能够使电流强度变化模拟人在讲话时的声波变化，那么电流不仅能像电报机那样传输信号，还能输送人发出的声音，那么人类就可以用电来传声了。

贝尔越想越激动。从此，他开始搜集资料，并进行研究试验，终于在1875年试验成功了。两年后，世界上第一部电话机诞生了，贝尔也因此名扬世界。而那部电话机至今仍存放在美国的历史博物馆里。

发明飞机的莱特兄弟

莱特一家住在美国俄亥俄州的奇蒙，家里有两个男孩，一个名叫韦伯，另一个叫奥维尔，他们就是后来被称为飞机发明家的“莱特兄弟”。

儿童时代，莱特兄弟就特别喜欢各种机械玩具。父亲给他们买的机械玩具，他们玩的有滋有味，还把它们拆开，看看玩具的内部结构。渐渐地兄弟两个在玩的同时对当时常见玩具的结构、原理都了如指掌。附近的小伙伴有什么玩具坏了，也总是找他们修理，他们成了小有名气的“小工程师”。

有一次，父亲给儿子买回了一个像风车的玩具，叫飞螺旋。在一根竹竿上贴着4个卡片，竿上有一个带橡皮筋的弓子。只要把橡皮筋绕在竹竿上，然后松开手，飞螺旋就会飞起来，他们对这个玩具很感兴趣。

“为什么螺旋会飞起来呢？”兄弟俩问父亲。但父亲也答不上来。

此后，飞螺旋的飞翔之谜便成了他们最大的疑问。他们立志要揭开这个谜，要像飞螺旋一样在空中飞。莱特兄弟非常渴望飞行，他们常常躺在草地上看天上翱翔展翅的雄鹰，他们羡慕鹰能在天上飞行，多么自由！多么神气！

不知不觉莱特兄弟长大了。他们一边工作一边搜集有关书籍和资料，了解有关飞行的一切技术和历史资料。

1900年，莱特兄弟有计划地开始实现“飞翔蓝天”的计划。他们于1909年发明了飞机，为20世纪初航空事业的突飞猛进作出了巨大贡献。

弗莱明由失误发现青霉素

千百年来，人类跟细菌作着生死的斗争，细菌正吞噬着无数人的生命。到了20世纪，人们虽然发明了磺胺类药物，但对于凶险的细菌感染，还是束手无策。人们盼望着发明一种高效的药物，能够战胜各种细菌，让感染细菌的病人转危为安。

1928年9月，弗莱明开始研究葡萄球菌。当时的研究条件很落后，实验室设在一间破屋子内，潮湿闷热，充满着灰尘。他在做葡萄球菌平皿培养时需要多次开启平皿盖，所以培养物很容易受到污染。

一天清晨，弗莱明像往常一样，来到实验室。他发现昨天培养的那些葡萄球菌的器皿少了几个。今天还想拿它来实验呢，这些实验对象哪儿去啦？

弗莱明的助手不好意思地告诉他：“那些葡萄球菌被杂菌感染了，已经没法实验，只好放在一边，等会儿洗器皿的时候，一定会很好处理的。”说着助手取出已经收在柜里的器皿，想立即把里边的废液倒掉。

“且慢，”弗莱明突然灵机一动，“我正要寻找能杀灭葡萄球菌的药物，是什么杂菌破坏了它呢？”他仔细观察了一下报废的器皿，只见葡萄球菌的培养液基上，长出了一团青色的霉菌菌花，在菌花的周围，原先繁殖葡萄球菌的区域出现了一圈空白。弗莱明连忙把它制成玻片，放到显微镜下观察。

弗莱明只看了一眼，立刻发觉，培养基里原来繁殖得很多的葡萄球菌，居然都已经被消灭。他估计，是那些青色的霉菌在自身繁殖过程中分泌出一种液体，而这种分泌物杀死了与人类为敌千百年的葡萄球菌。

弗莱明十分兴奋，他放下了手里的其他一切实验，开始培养那些青色的霉菌。然后，把这些霉菌的分泌物滴进其他病菌的培养器皿中。结果与他偶然发现的现象相同，那些病菌一一被杀灭了。弗莱明终于发现了杀灭病菌最强大的武器，他把这种有无限希望的分泌物称作“青霉素”。

弗莱明培养了这种霉菌，并在其周围培植各种没类型的细菌。有些细菌长得不错，有的长到和霉菌达到一定距离时，就不再向前发展了。很明显，青霉素对有些病菌有影响，而对另一些则没有影响，他还在人体上进行青霉素治疗，也收到了良好的效果。

弗莱明发现青霉素后，好多人劝他赶快去申请专利。有了专利权，他便可以占有巨大的财富，这也是对他不懈努力的回报。可是，弗莱明却不这样认为，他说：“个人和家属的财富跟千百万人的幸福和生命怎能相比？我只不过在一个偶然的机遇中发现了青霉素。发现是一回事，用它造福人类又是另一回事。况且，把青霉分泌物中含量极少的有效成分提炼出来并不是我的长处，这工作需要经过许许多多人的共同努力。”

弗莱明毅然在1929年6月英国皇家《实验病理季刊》上公开了自己的发现，并申明希望有人能继续这项研究，制造出能造福人类的临床应用药用“青霉素”来。

第二次世界大战爆发后，新的抗菌物质的发现对医治伤员有着极为重要的意义。英国病理学家弗罗里和德国化学家钱恩进行了分离青霉素的工作并获得成功，继而创造生产了大量生产青霉素的新方法，于1944年正式生产，并得到了广泛应用。

1945年，弗莱明、弗罗里和钱恩共同荣获了诺贝尔奖。

舍勒从研究“黑苦土”到发现氧

卡尔·舍勒，瑞典著名的化学家，为生活所迫，舍勒13岁时就去哥德堡一家大药店当了学徒。

舍勒在向药店主人包赫学习实际操作技术时，还精心钻研当时最有名的化学家的著作。这样，他很快就能够独立思考，甚至发现包赫先生的错误。

一天，包赫先生嘱咐舍勒：“在取用药品时，千万不能让液体的‘盐精’跟那种特殊的‘黑苦土’药混合，否则两种药都会失效。”舍勒听到后答应了一声，可心里面却在想：“为什么会失效呢？”

晚上，舍勒偷偷来到实验室，想用实验证明包赫先生说的话。可是，当他从两个注明是“黑苦土”的器皿里各取出一份跟“盐精”混合时，却发现其中一份根本没发生变化。

舍勒研究了大半个夜晚，终于发现了包赫先生的错误所在：这位资深的药剂师把石墨和另一种外貌相似的黑色矿石都叫做“黑苦土”，而“石墨”跟“盐精”混合是不会发生变化的。

之后，舍勒把“黑苦土”和盐酸混合在一起加热，只见从混合物中冒出一阵刺鼻的气味，这种气体略呈绿色，他便称这种气体为“氯气”。这时候“黑苦土”已经变成了白色的物体。

后来人们在发现金属锰之后，才知道“黑苦土”原来是二氧化锰，白色的物体是氯化锰。

舍勒又把“黑苦土”和更强的酸硫酸混合再加热，结果冒出的是一种无色的气体。这种气体很活泼，能使火燃烧得更旺。于是舍勒把这种气体收集在猪尿泡里，以便日后继续研究。

在以后的研究中，舍勒惊奇地发现：加热硝酸镁、碳酸银或碳酸汞时，都会泄出同样特点的无色气体，而且这种气体在空气中也大量存在，是万物赖以生存的“活命气体”。得出这个结果后，舍勒正式把这种气体命名为“氧”，并在1777年出版了一本关于氧气的专著《论人与空气》。

费米由石蜡带来的诺贝尔物理学奖

1901年恩里科·费米生于意大利。他的一生主要从事理论物理、原子及核物理学、中子物理学的研究。

1934年10月，费米和同事们对某些金属进行人工放射性试验。他们把中子源放入银质圆筒内，再把圆筒放在一个铅盒里，发现了一个奇特现象：把银圆筒放在铅盒的中央和一角，它的放射性的强弱是不相同的。

面对这种奇特现象，同事们疑惑不解，有人甚至怀疑是因统计的错误和测量的不精确造成的。但费米不同意这种看法，他敏锐地意识到这种现象的科学价值。听了同事们的议论，他平静地说：“这也许是一项重要的发现，让我们多做一些各种情况的试验。”

经过几天的试验，费米和同事们又发现了新的奇特现象：把中子源放到圆筒外面，在筒和源之间插上一块铅板，圆筒的放射性竟然也增强了。

这是怎么回事呢？费米还没找到答案。他想铅是一种重物质，石蜡是一种轻物质，何不用石蜡来试验一下呢？

10月22日上午，费米和同事们找来一大块石蜡，在上面掏个洞，把中子源放入洞内去辐照银圆筒，然后再用盖革计数器测量它的放射性。结果，计数器发疯似的“喀、喀”响起来。石蜡竟把银的人工放射性一下子提高了上百倍。

中午，费米躺在床上，上午实验的每个细节一幕幕呈现在眼前。他思考着如何解释石蜡奇特作用的理论。他想，石蜡含有大量的氢，氢核是质子，它的质量和中子几乎相同，当中子源被封在石蜡块里时，中子到达银原子核前，便会同石蜡中的质子相碰，碰一次便会失去一部分能量，正如一个台球在击中另一个台球时，速度会慢下来一样。一个中子从石蜡中出来以前，会连续同许多质子相碰而减速，从而变为慢中子。正是这种慢中子，将比快中子有更多的机会被银原子俘获。

费米再也躺不住了，他爬起来，快速来到实验室，向同事们讲述了自己的新想法，最后，他推测说：“如果我的想法是对的，那么，任何含氢成分大的其他物质，比如水，也应该具有同石蜡相似的效果。”

水是不缺的，实验室后面花园里有个金鱼喷水池。他们说做就做，从实验室把中子源和银圆筒搬了出来，都放在喷水池的水下。开动计数器后，水真的把银的人工放射性增强许多倍，费米的设想得到了实验证实。

正是这次不寻常的实验及以后的一系列实验，使费米在中子轰击方面取得了引人注目的成绩，1938年，他因此荣获诺贝尔物理学奖。

邓录普由橡胶水管想到自行车轮胎

自行车刚刚诞生时，车轮上并没有轮胎，只有一层橡皮。这种自行车骑起来像骑马一样，颠簸得厉害。如果路况不佳，摔倒是常有的事。因此，当时的自行车被称为“震骨器”。但仍被广大年轻人所喜爱。

有一次，邓录普的儿子——小邓录普所在的学校要举行一次自行车比赛，小邓录普也打算参加这次比赛。在分析了其他参赛同学的实力后，认为自己在实力上并没有明显的优势。就想让自行车的性能更好些。于是，他对自行车的轮子、踩板都做了一些改动，可这并没有改善自行车的多少性能。比赛的日子一天天在逼近，小邓录普急得茶不思，饭不想。

有一天，邓录普送走了一位病人后，便来到花园，拿起橡胶水管一盆一盆地浇水，浇着浇着，他忽然想到：“橡胶水管有弹性，如果将这做成一个圆环，往里面打足气，套在自行车车轮上，自行车一定会跑得更快。”

想到这，邓录普急忙测量了车轮的周长，截下一段橡胶水管。然后用胶将两端接头接牢，又往橡胶管里打足气，封上打气孔，最后将它绑在轮子上。小邓录普见了，迫不及待地抢过这辆刚改进的自行车，骑了一圈。

小邓录普对父亲的改进特别满意，这时他的自行车骑起来既省力又舒服！邓录普自己也试骑了一圈。果然，效果立竿见影，就这样小邓录普赢了这次比赛。而很快，附近的自行车都装上了充气轮胎。精明的自行车制造商也纷纷改进了工序。充气轮胎得到了推广。

发现X射线的伦琴

伦琴（1845～1923）生于德国的吕内堡。1869年，他在苏黎世大学获得哲学博士学位。在以后的19年里，他在一些大学任教，逐渐取得了著名科学家的声望。1888年，他被任命为维尔茨学物理学教授和物理研究所所长。就是在这里，伦琴取得了非凡的成就，成为X射线发明者。

1888年，威廉·伦琴当上了维尔茨堡大学的校长。这个头衔使伦琴感到烦恼，他觉得自己本质上只是一位学者，只熟悉实验室，只想去探寻大自然的奥秘。他的天职是丰富人类的知识宝库，而不是在行政事务里荒废光阴。于是，威廉把一切恼人的事务都委派给自己的副手，让校务委员会去决定一切，请他们在必要的时候才找自己，完成校长名义上必须完成的任务——在文件上签上自己的姓名，而把属于自己的时间全都用到了科学研究上。他觉得只有这样，才恢复了自我，生活也更加有意义。

1895年11月8日，这时的德国，天气已经很冷了，伦琴在实验室泡了一整天，研究的是阴极射线。为了使射线集中向一个方向集射，他在发射管外包了一张黑色的硬纸筒，这样，除了一个方向，其他方向不会有射线溢出。

回家的路上，伦琴突然记不得自己是不是关上了电源。灯关了，电源不切断，发射管便会损坏。这种马马虎虎的事已发生过好多次，他宁愿再回实验室一趟，也不愿自己宝贵的实验设备出毛病。

打开实验室大门，伦琴立即看到，阴极发射管附近有微光。好险，幸亏自己决定回来，否则又得申请更换设备了。他正要去切断电源，突然发觉那微光不正常，他已经能辨别室内部位，那种荧绿色的微光不仅不在安放发射管的地方，而且光色也不对。

伦琴打开电灯，看到发光体居然是仪器旁边桌上的一块纸屏，纸屏上，伦琴曾镀过发光晶体，这种晶体在高能粒子流的放射下，会发出荧绿的光。

哪来的高能射线流？阴极射线管四周套着黑色硬纸板圈，它根本不可能射向纸屏。为了把这莫明其妙的情况弄个水落石出，伦琴决定留在实验室。

伦琴没有切断电源，只是把灯关了，纸屏上的微光又出现了。接着，他把电源切断，阴极发射管停止工作，那团荧光立即消失。看来，阴极发射管居然还发射一种人的肉眼无法感知的、能够穿透黑色硬纸板的射线束。

此时，伦琴猛然想起那一包无人拆动却毫无道理曝光的感光片，不正是放在与纸屏同一张桌子上的吗？那时还以为是感光片的问题，但现在看来，作怪的是同一种射线，一种伦琴从未知道的射线。伦琴开始意识到，一次偶然的疏忽，让他站到了一种新的物理现象发现的大门口。

伦琴在实验室一连住了十几天，测试这种射线的特征。穿透力是测试的重点，他找来种种能隔开射线穿透的材料，把感光片贴在它们后面，照射后拿去冲洗。金箔、银箔、铁片、木板，都一一试过，这些材料都挡不住未知射线的穿透。

最后一次，伦琴取来一块小铅板，它没能完全遮没感光片，他只得用手扶住它。谁知底片冲洗出来以后，伦琴又意外地发现，底片上铅板部分没被感光，而自己那只手，也在底片上留下了痕迹，留下的是自己手的骨骼图像。结论已经有了：神秘的射线不能穿透铅板，也不能穿透人的骨骼，因为骨骼主要是由钙构成的，射线穿不透钙质。

伦琴立即举行了实验结果报告会，到会的科学家里，最激动的当数大学里的医学专家。他们从伦琴的实验结果里找到了一种强有力的科学手段。凭借伦琴的射线，医学家可以穿透人的皮肉看到骨骼的真相，确定与骨骼有关的病情。而以前，他们只能凭经验，或者动手术切开皮肉才能看到真相。医生们建议，把这种新发现的射线称作“伦琴射线”，但伦琴当场表示：新射线的许多性质还不清楚，还要对射线作进一步的性质测试，因此他决定把射线称作“X”射线。

马可尼的伟大发明

在1895年，21岁的马可尼发明了第一个用电磁波传递信号的无线电报，但传送的距离还不算远。当时，有些数学家认为，利用电磁波进行通信时，由于地球曲率的影响，只能局限于160～320千米的距离。但马可尼不同意这种看法，他经过认真研究，于1901年终于设法突破了地球表面弯曲的影响，实现了远距离的电报通信。他的方法是在英格兰西南部建了一个发报站，在相距3000千米的北美洲纽芬兰岛建造了一个收报站。马可尼把地空系统的天线装在了一个风筝上，1901年12月12日，他收听到了从大西洋彼岸的英国西南部传来的“嘀嘀嗒嗒”的电报声。马可尼用电火花式发报机进行的这项实验取得了成功，又一次在全世界引起轰动。马可尼的这次成功实验，成为随后进一步发展起来的无线电通信和无线电广播事业蓬勃发展的新的起点。

1902年，马可尼发明了磁性检波器，使传送的信号更加逼真。这一年，他还发现由于某些无线电波靠大气上层反射传播，所以有时夜间的传播条件比白天更为有利。这样就可以进一步提高无线电电报通信的效率。1904年，马可尼建立了一个为英国和美国之间提供无线电新闻服务的通信处。几年后又开放了一个为公众服务的新闻通信处。1908年在美国纽约用无线电还转播了一个音乐会。

由于马可尼在远距离电报通信中，使用了德国科学家布劳恩的一些发明成果和新的技术，因此，在1909年，马可尼与布劳恩一起荣获了诺贝尔物理学奖。

1911年，马可尼接收到近10000千米之外发出的电磁波信号。之后，他又对无线电发射和接收设备进行了不断的改进，使地球上相隔遥远的两地都可以相互通信了，许多进行远距离通信的电台都纷纷建立了起来。马可尼亲眼目睹了无线电报通信的迅速发展。

马可尼的研究成果，不仅为远距离电报通信奠定了基础，而且在远距离无线电通信的几乎所有的领域中，他都有开创性的工作。

这位为人类无线电通信事业做出突出贡献的伟大的科学家。于1937年7月20日在意大利的首都罗马去世，享年63岁。意大利政府为他举行了隆重的国葬，全世界所有电台都停播2分钟，纪念这位首先应用电磁波为人类服务的伟大的发明家——马可尼。

云雾与诺贝尔奖

1894年秋天，英国物理学家威尔逊在苏格兰一个山上度假。山顶上经常云雾缠绕、变幻万千，游客们都被这迷人的景色所陶醉，威尔逊却突发奇想，要在实验室里制造云雾。

回到实验室，威尔逊研究归纳了产生云雾的条件：一个条件是空气中的水蒸气必须处于过饱和状态，否则水蒸气不会凝结成小水珠；另一个条件是空气中要有一些“凝结核心”，通常，空气中的尘埃起凝结核心的作用，这些微小颗粒上面经常聚集了一些电荷，这些电荷会将过饱和水蒸气凝结成小水珠，无数直径很小的小水珠悬浮在空气中，构成了云雾的雾滴。

作为物理学家的威尔逊，除了弄清楚云雾的生成条件外，还在想能否利用这个发现来研究物理现象呢？19世纪末，人类正在进入原子时代，微观世界的新发现接二连三地问世。然而，像原子这样的微观粒子极其微小，人眼是看不见的。有什么办法能把微观粒子的运动显现出来？威尔逊想到了云雾，在一只干净的瓶子里（即里面没有任何凝结核心）形成过饱和蒸气，这时如果有一个带电的微观粒子闯了进去，那么在其周围会凝结成一个雾滴，随着粒子的运动，在其运动轨迹上，就有一连串雾滴组成为一条径迹，这样，就把人眼看不见的微观粒子的运动轨迹，变成了人眼能看见的由一连串雾滴组成的径迹。威尔逊发明的这个装置叫“云室”，他因这项发明而荣获1927年的诺贝尔物理学奖。

会跳的木塞

当你打开热水瓶的木塞，倒了一杯开水，然后又把木塞盖上去的时候，常常会发生这样的事情，木塞像有弹簧似的，会自动地跳出来；而且你掀得越紧，它跳得越高，真像和你开玩笑一样。

是谁在捣蛋呢？原来是空气。

当你把木塞盖上去的时候，一股冷空气也钻进了瓶里，它到瓶里一受热，体积就要膨胀，由于瓶塞盖紧了，不让它自由膨胀，它就用力去顶木塞。你把木塞盖得越紧，瓶内气体的体积压得越小，因此它的压力也就越大，这样，木塞就跳得越高了。

如果你在盖木塞的时候，先把木塞放在瓶口，留出一点缝隙，把水瓶轻轻晃动一下，让水汽微微出来，再把木塞盖紧，就不会跳出来了。

夫琅和费线之谜

1814年，德国年轻望远镜制造家夫琅和费在制造高质量透镜时，需要确定玻璃的折射特性，研究了大量太阳光谱。他发现在七彩斑斓的太阳光谱中有一条条暗线，共计574条，其中最突出的几条他用A、B、C、D……H、I等9个字母来标记。后人为了纪念他的功绩，把太阳光谱中的这几百条暗线称为“夫琅和费线”。

太阳光谱中为什么会有夫琅和费线？夫琅和费线标志着什么？这成了天文学上的一个谜。

1859年，德国物理学家基尔霍夫在研究太阳光谱时，把灼烧着食盐的火焰放在太阳光束经过的路途上，再让太阳光束进入光谱仪。他原以为太阳光中也有食盐发出的那种黄色光，再加上食盐火焰发出的黄色光，在光谱仪上看到的应该是更强的黄色光，结果却适得其反，在应该出现亮线的地方却出现了暗线，并且，暗线的位置恰恰与太阳光谱中原有的两条暗线D1、D2相重合。这个现象意味着，如果亮线表示发射，暗线就表示吸收。

由此，基尔霍夫想到了太阳光谱中的几百条夫琅和费线，它应该是由太阳外层大气中包含的多种物质的吸收所造成的。例如，既然在太阳光谱的暗线D1、D2中有钠的黄色特征线，那么，由此可以推断，太阳大气中必定含有钠元素。

夫琅和费暗线之谜解开了。从此开创了天体物理的新纪元。在此之前，人们通过望远镜只能观察天体的外部面貌，而无法研究天体的内在结构（例如某天体是由哪些元素构成的），因为你无法亲自到这些天体上去看个究竟。有了天体光谱的研究后，天体的构成之谜就逐一解开了。目前，已对上千条太阳光谱中的暗线作了认证，在太阳上找到了67种地球上有的元素。同时，天体物理学家研究了其他的恒星光谱，大大丰富了人类对宇宙的认识。

追赶时空距离的“哈勃”

“明月几时有，把酒问青天……”千百年来，人类遥望星空，苦苦追寻着宇宙万物的变化规律。望远镜的出现，大大地开拓了人类的视野，使我们可以通过它去观察宇宙。但是，由于在地面，望远镜受到大气层的遮挡和乌云、迷雾、雨雪、昼夜等条件的限制，使得从地面上观测星云像“从湖底去看飞鸟”，十分困难。随着航天技术的发展，科学家决定把望远镜搬上天空，搬到大气层以外去，让它无遮无挡一览无余地观测宇宙。1990年4月24日，随着“发现”号航天飞机的又一次升空，这个伟大的设想终于实现了。从此，地球有了一个值得骄傲的“太空巨眼”。

这个“太空巨眼”叫“哈勃”，它以美国天文学家埃德温·P·哈勃命名，以纪念这位天文学家在20世纪前半期对星系天文学和宇宙结构组成方面所作出的杰出贡献。“哈勃”是人类有史以来最大、最精密、结构复杂、设备先进的太空望远镜。它运行于距地面613公里高的轨道上，每97.3分钟绕地球一周。它全长13.1米，宽4.7米，重约12吨，其镜筒直径4.28米，主镜直径2.4米，副镜0.3米，装有先进的成像系统、计算机处理系统、中心消光圈、主镜消光圈、控制操纵系统、图像发送系统以及由两个长11.8米、宽2.3米、能提供2.4千瓦功率的太阳能电池板，两部与地面通信的抛物面天线等。除此之外，它还附带有宽视场行星照相机、暗弱天体照相机、暗弱天体摄谱仪，高分辨率摄谱仪、高速光度计、精密制导遥感器等8台科学仪器设备。按照设计，它将使人类观测宇宙的视野扩大350倍，可看到宇宙中140亿光年处发出的光。它能观察到29等星，即相当于可看到500公里以外一支蜡烛的光。它能够单个地观测星群中的任一颗星，能研究和确定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年龄、距离标度，能分析河外星系，确定星系间的距离，能对行星、黑洞、类星体和太阳系进行研究，并画出宇宙图和太阳系内各行星的气象图。它能观测的光谱范围之广，所提供的图像清晰度之高以及观测时间之长是任何一台望远镜所不可比拟的。美国为了研制这台世界第一号的天文望远镜，耗资21亿美元，用了近13年时间，花费了巨大的人力财力。

那么“哈勃”到底是什么样子呢？

它的工作原理是这样的：来自太空中被观测目标的光线首先进入主镜，然后反射到副镜上，再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔达到主镜的焦面上形成高质量的图像，最后由各种科学仪器进行精密处理，把最终处理数据通过中继卫星系统发回地面。

然而，“哈勃”的研制及使用过程并非科学家原先设计的那样一帆风顺。中国有句老话叫“好事多磨”，用它来形容“哈勃”或许再恰当不过了，从它诞生的那一天起，便成了个“多灾多难”的不幸者：这台空前巨大先进的天文观测设备于1985年研制成功，按设计要在1986年发射，但由于“挑战者”号航天飞机爆炸，使它上天计划一推再推，一直到1990年4月24日才由“发现”号航天飞机发射升空。上天后，接连不断地出现问题。首先是两个与地面通信的天线不按计划转动，地面工程师费了很大的劲儿才通过遥控使之就位。接着，它又不断地晃动，原因是当它从地球阴影中飞出来进入强烈的阳光下时，温度很高的阳光打在“哈勃”那冰冷的太阳能板上时，使之产生了微弱的蠕动，从而引起整个望远镜缓慢晃动。科学家费了九牛二虎之力总算把问题解决了，然而新的问题又出现了：为了使“哈勃”能准确地对准观测目标，科学家花了8年心血为它编了一个“向导星表”，但由于一位电脑控制程序员的工作疏忽而忘记更改数据，结果使“哈勃”所观测的目标角度总比实际角度偏左。在用了很长时间，不断地进行软件调整使之逐步修正过来之后，一个更致命的问题让所有科学家目瞪口呆。他们发现，“哈勃”所观测的图像一直有一个“模糊圈”，经过一段时间的调查，原因终于查明了：原来，在镜片的加工过程中，一块模板被装偏了1.3毫米，把边缘部分多磨去了0.002毫米。这一误差造成了主镜面几何球形像差，使从光轴上一点发出的光不能汇聚在同一像点上。这个从1978年开始粗磨，精磨到1981年才完成，用了400万个工时，使用了全美精度最高的模具的镜片，却由于操作者的失误成了“近视眼”，并且在完成后到上天的长达8年的时间里居然没有人认真核查修正，实在令人遗憾。

为了修复这台“巨眼”，美国国家航空和航天局（NASA）又花费巨资，制订了一套修整计划。1993年12月2日，7名宇航员乘“奋进”号航天飞机腾空而去，执行太空行走维修“哈勃”的重任。5日，2名宇航员经过8小时的太空行走，成功地抓回了“哈勃”太空望远镜；6日，另2名宇航员又进行了第2次太空行走，用6个半小时，成功地更换了太阳能电池板；7日，宇航员在第3次太空行走中，为“哈勃”换上了新的宽视场行星相机。新相机自身具有校正像差的功能，可使图像清晰度提高10倍；8日凌晨，2名宇航员进行了第4次太空行走，完成了这次太空修复的主要工程，给“哈勃”戴上了一付“眼镜”——“光学太空望远镜偏差校正仪”（这付“眼镜”，或许是世界上最贵的眼镜，它耗费了2-3亿美元）；9日，宇航员进行了第5次太空行走，成功地把“哈勃”送回了轨道。至此，修复工程圆满完成。

“哈勃”在带病出征的几年中，为人类发回了大量珍贵的照片资料，取得了许多成果。修复后的“哈勃”是否能像科学家所希望的那样，帮助人类解开重大的宇宙之谜，追寻宇宙起源，找到宇宙究竟是有限的还是无限的等问题的答案呢？这些还需要时间来回答。

高空中的意外发现

1901年，英国的几位物理学家发现，在附近没有放置放射性物质的情况下，放在实验室里的几台带电的验电器，时间稍长自己也能够偷偷地把电荷放掉。最初，他们以为这是仪器的绝缘出了问题，没有在意。后来发觉，无论怎样改善仪器的绝缘性能，也消除不了这种漏电现象。这使他们感到惊诧。为了查清验电器漏电的原因，他们把验电器装在密封的铅盒子里屏蔽起来，以减少外界对它的影响和干扰。但仍未能得到根本的消除。这时，他们敏锐地认识到，验电器的漏电，一定是有某种穿透性很强的射线，穿过室内引起空气电离造成的。此后多方面的观测发现，不仅仅是在实验室内，而且靠近地面的整个大气层都处于微弱的电离状态之中，这表明，引起空气电离的射线是无所不在的。当时，对这种射线的来源有一种解释，认为它是由散布在地壳中的微量的天然放射性元素发射出来的。这种说法对不对呢？

这个问题引起了瑞士物理学家高凯耳的深思。他想，如果这种说法正确的话，那么，这种来自地壳内的射线的强度，就应当随着离开地面高度的增加而减弱，而在射线达不到的高度上，空气就应当不再是电离的——可以设想，带到这样高度以上的高空中的验电器，将会完全停止放电。为了证实这一点，1909年，他带着验电器亲自去高空做了一次实验，气球在一千米的高度内升高时，高凯耳看到验电器放电的速度逐渐减慢下来了，不过还不是预料中的完全停止了放电的那种情况。气球继续在上升，两千米、三千米……气球越升越高，可是验电器呢？不仅一直没有停下放电的“步伐”，放电速度反而越来越快了！

高凯耳这次实验的结果是如此令人不解和出乎意料，致使有关这次实验的报导，受到同行们的怀疑。为了弄清事实的真相，许多科学家决心重复高凯耳的实验。从1911～1919年近十年的时间内，奥地利物理学家赫斯和德国物理学家科尔霍斯特等人，先后用气球升到更高的空中进行了探测实验。结果发现，气球升得越高，空气电离越厉害，比如，在5000米的高空，空气的电离量比地面大两倍，而在9200米的高空，空气的电离量竟比地面大十倍！

这几位科学家在高空中进行的实地观测表明，引起空气电离的射线决不会来自地下，而只能来源于“天外”。进一步的观测还表明，这种天外飞来的射线，与太阳、月亮、行星或天河的位置无关，而是发源于整个宇宙空间。因此，科学家就称它为宇宙射线。

幽灵粒子

幽灵粒子，是指中微子。中微子很神秘，一个小小的粒子，居然能穿过地球。从太阳出发的中微子，只要8分钟就可以到达地球。1000亿个中微子与地球相遇，几乎全部都能顺利地穿越地球，再次进入茫茫的宇宙之中，只有1个中微子可能与地球上的原子发生作用。

说它神秘，还因科学家猜想，宇宙中的中微子，像一个幽灵在飘荡，怎么也捉不到它。本世纪初，在研究放射物质的时候，人们注意到，原子核放出一个电子（或正电子）的时候，会带走一些能量。可是，仔细地算一算，损失的能量比电子带走的能量大，有部分能量丢失了。就像钱包里的钱丢失了一部分，是被小偷窃走了，能量丢失，也是一宗失窃案。

丢失能量，不论是怎么丢失，丢在哪里，在物理学家看来，都是严重的大事，令人头疼。物理学中有一条重要定律，即能量守恒。按照这条定律，能量是不会丢失的，如果证实是丢失，是亏损，那么能量守恒定律就靠不住了，不少的物理学理论就会垮掉。

事关重大，一定要侦破失窃案，查明能量是怎么丢失的，是哪个小偷窃走的。

1931年，奥地利物理学家泡利出来说话了，说是放射物质的放射线β中，不仅有电子，同时还有一种我们尚不认识的粒子，这是个未露面的“小偷”，就是它带走了丢失的能量。大物理学家费米十分欣赏泡利的观点，还给这种未露面的粒子取了个正式名字：中微子——中性的微小粒子。

在当年，科学家发现的基本粒子非常少，对中微子的理论，大多不相信，甚至认为，这只是找个理由来维护能量守恒定律，保住物理理论大厦。至于那个“小偷”，犹如幽灵，是抓不到的。

捕捉中微子的工作，比设想的要困难得多。中微子是中性粒子，不带电，不参与电磁作用，不惹是生非；它的运动速度很快，接近光速，穿透力强，来无踪去无影。从假设存在中微子，直到捕捉到手，共用了25年的时间。

首先是中国科学家王淦昌写论文，提出了《探测中微子的建议》，设想了一个探测方法。这是1942年，王淦昌很年轻，风华正茂。他的建议，为一位美国科学家接受。通过实验证实了丢失的能量的确是被中微子带走了。

经过漫长的搜寻过程，1956年，美国科学家柯文和莱因斯宣布，他们捉到了中微子。他们做了一个很大的探测器，埋在一个核反应堆的地下，埋得很深，经过相当长的时间，测到了从核反应堆中放出来的中微子束。

十几年以后，人们才捕捉到从宇宙空间射来的中微子，科学家做了一个直径6米的大桶，埋在一个很深的金矿中，构成一架“中微子望远镜”，也捕捉到了中微子。

神秘的中微子终于露面了，然而，科学家仍然没有完全看清它的真面目，留下了一些新的难以破解的谜。

在探测中微子的时候，科学家的第一个感觉是数量不够，总是比预期数量少，而且“漏网”的数量很大，为什么不能全部捕捉到呢？

再一个重大问题是：中微子的质量问题。质量，静止质量是粒子的重要性质，确定其他各种粒子的质量，没有什么困难，顺顺当当地解决了，唯有中微子的质量怎么也定不下来。在科学界，有种种不同认识，还有种种相互矛盾的观测记录。中微子，仍然保留着神秘的色彩。

有人说，中微子的质量是零，因为没有质量，中微子才能在真空中以光速运动。这是根据美籍华裔科学家杨振宁和李政道的理论进行分析，得出来的结论。

当然，也有怀疑的人，说这个问题要通过实际观测来确定。在前苏联和美国都有科学家在进行脚踏实地的测定，同时宣布说，已经测到了中微子的质量，并把数据列举了出来，好像已经找到可靠的证据。过了几年，由别人来重复他们的实验，数据又变了，好像应该是零。实测结果并不确定，依然定不下来。

1987年，天文学家观测到空间有一颗超新星爆炸，爆炸以后必然会抛出大量中微子，总有一部分中微子从宇宙空间闯到地球上来，科学家们纷纷启动仪器进行观测。观测结果千差万别，有的说中微子是有质量的；有的说质量非常小，几乎没有；有的则明确地说，质量为零。

中微子，微小，渺小。它那么轻，轻得没有质量，却留给人们一连串谜。科学家们非常重视这些谜，不仅物理学家关心，天文学家也关心。

宇宙间的各个星系，往往聚集成星系团，这是因为各星系之间存在着强大的引力。如果没有强大的引力，就不会聚集成团，而会走向分离，越离越远。

这个强大的引力从哪儿来？大家都认为来自星系的质量。可是，仔细计算一下，问题又来了：星系的总质量不足以提供那么强大的引力，最多只能提供20%，短缺的质量达到80%。

从哪儿去寻找那些短缺的质量呢？

从宇宙中密度极大的中微子身上去寻找，只要中微子有质量，就可以弥补那些短缺的质量。

这些想法正确吗？不敢说。中微子原来像个幽灵，难以寻觅；现在捕捉到手，却又那么神秘，留下了一连串谜。

轮船的“刹车”

汽车、火车有“刹车”，自行车有“刹车”，连飞机也有“刹车”（滑行轮上有“刹车”，有的在尾部还能放出减速伞），唯独轮船没有听说有“刹车”。

其实轮船的“刹车”有三种，一是抛锚，当轮船靠码头或在航行途中发生紧急情况需要停止前进时，就可以通过抛锚来达到目的。二是它的主机可以开倒车，利用倒车的反向速度来抵消因惯性而保持的正向速度。三是逆水行舟，利用水流的速度抵消轮船的速度。

如果你多次乘过轮船，就会发现一个有趣的现象，每当轮船要靠岸的时候，总是设法把船头顶着流水，利用逆向水流的减速作用，慢慢地向码头斜渡，然后再平稳地靠岸。尤其是在大江大河里顺流而下的船只，当它们快要到达港口码头时，都会先绕一个大圈子，使船逆水行驶以后，才慢慢地靠岸。船靠码头时为什么要“逆水行舟”呢？从相对运动的角度来看是不难理解的。因为顺流靠岸时，船对岸的速度等于船速加水速；而逆流靠岸时，船对岸的速度等于船速减水速。显然，前者要比后者大得多。既然目的是要使船停下来，究竟是大的速度容易变零？还是小的速度容易变为零？当然是后者。

在船靠岸的实际操作中，上述三种方法往往结合在一起运用：先是“逆水行舟”，继而“倒车行驶”，最后“抛锚泊岸”。

赫兹的试验

1864年，在麦克斯韦用数学式证明了电磁场理论之后，在科学家中看法并不统一。支持派认为，麦克斯韦的数学证明十分严密，结论是可信的；反对派认为，虽然数学上严密，但没有事实上的证明，电磁波的真实性还不能相信。双方进行着激烈的争论，但遗憾的是谁也没有充分的理由来驳倒对方。

就在这种情况下，支持派中的一些年轻人，决定通过实验的方法来获得电磁波，这当然是一个十分困难的问题。

当时在德国波恩大学任物理学教授的赫兹，认真阅读了麦克斯韦关于研究电磁波的书，并于1887年着手于对电磁波进一步深入研究。他大胆地设想：如果想办法撞激电火花，使它周围产生电振动，这种电振动肯定会向四面八方传播，那么，可不可以在火花周围捕获一些振动，再用来撞激别的火花呢？赫兹带着这个问题，开始了企图通过实验的方法获得电磁波的研究工作。

赫兹的实验其实很简单。他利用一个与感应线圈连接着的没有闭合的电路作为振动器，这个电路中包括了两根金属放电杆，每根金属杆的一端安上一个金属球，作为放电器，再将装在莱顿瓶中的电进行放电，则在两个金属球之间就激起了火花。这时就能发现在10米远的地方开路金属环两个金属球之间，也出现了火花的闪现。也就是说：如果使莱顿瓶放电，则突然增大的电流就像蛇一样来回振动起来，这就说明有变化的电磁场向四周传播，电磁波弥漫在了整个空间，进而引发在较远处的开路金属环两个金属球之间产生了火花。这样，赫兹终于在1887年通过实验的方法，成功地捕捉到了电磁波，从而证明了麦克斯韦预言电磁波存在的正确性。赫兹于1888年发表了他的实验结果，当时他还很年轻，只有31岁。

在这之后，赫兹又用实验的方法证明了电磁波与光有同样的特性；电磁波的传播速度等于光速；电磁波能跟光一样，遇到金属板可以反射。由此说明了光也是电磁波的事实。赫兹还测出了自己实验中获得的电磁波的波长为9.6米。

赫兹实验有着非常重要的意义，它从根本上证明了法拉第预感和麦克斯韦理论都是正确的。但可惜的是在赫兹发表他的实验成果的1888年，法拉第已经去世21年，麦克斯韦也去世9年了，他们都未能看到赫兹实验成功的这光辉的一幕，但历史将永远铭记他们。

赫兹实验的成功，开创了人类对电磁波应用的新时代。遗憾的是，赫兹对电磁波的应用不感兴趣。有人曾经多次问他：“是否将您的发现用于电信呢？”赫兹总是回答说：“我认为这不太可能。”

1894年，年仅37岁的伟大的实验物理学家赫兹，与世长辞了。他没有能看到电磁波用于无线电通信，更没有能看到电磁波的广泛应用和对人类社会的发展带来的巨大影响。

太空饮食店

随着宇航事业的发展，在太空中开设饭店已不是遥远的事了。不过，在太空中吃喝可不是一件简单的事。

首先，太空面包不能像地球面包那样大，然后一片一片切开来吃。因为切面包时总有面包屑，在太空失重世界里，那些面包屑在空气中四处飘浮，被人吸进气管，就会酿成大祸。因此，太空面包必须做成像糖果那么大小以便让顾客一口一只地囫囵吞“包”。

在太空当然也可以用刀叉吃牛排，不过要注意两点：牛排、蔬菜之类的食品必须事先加工好，并拌上胶汁调料，使它们能粘在刀叉和勺子上，不然，这些大块食品也很容易“满天飞”；刀叉等餐具不用时，不能随意放在桌子上，否则它们会飘浮在空中，一经碰撞，这些金属物会像子弹一样飞出去，损坏室内的仪器、仪表，所以，“太空餐桌”上都备有一些小磁铁，餐具不用时就用小磁铁把它们吸附在餐桌上。

在太空中喝酒不可能像地面上那样，把酒从酒瓶倒入酒杯，因为硬的玻璃酒瓶在太空中是倒不出酒来的，而且即使有酒从酒瓶中溢出，也成了雨滴一样的小水珠，飘向四面八方。因此，“太空酒瓶”必须是软包装的，还必须一小节一小节地彼此隔开。饮酒时剪开软管的头部，把软管放入嘴里，再用手捏住球状的盛酒器，用力挤就能让酒进入自己的嘴中。

石块投水之后

在一次科学会议上，有人向伽莫夫博士、原子弹之父奥本海默和诺贝尔奖金获得者布洛赫这三位大物理学家提出一个问题：一只装着石块的船浮在游泳池中，船上有一人将石块抛入水中，池中水面的高度将发生怎样的变化？三位大物理学家由于没有仔细考虑，结果都作出了错误的回答。

这个问题初看很简单，其实却是复杂的。石块被投入水中后，石块将侵占原来被水所占据的空间而使池中水面上升；但船却因载重减小而向上浮起，从而使池中水面下降，这里既有使水面上升的因素，又有使水面下降的因素，因此，对这个问题不作仔细的分析就不能得到正确的答案。

当石块在船上时：船、人、石受到的总浮力=船、人、石所受的重力

当石块投入水中后：船、人、石受到的总浮力=船与人所受的重力+与石块同体积的水所受的重力

因为石块所受的重力比同体积的水所受的重力大，所以当石块投入水中后，船、人、石受到的总浮力小于石块在船上的总浮力。我们都知道，浸在流体中的物体受到向上的浮力，其大小等于物体所排开流体所受的重力，这就是阿基米德定律，现将它应用到我们的问题中来。总浮力较小，被排开的水的体积就较小，池中水面就较低。所以我们的结论是：船上的人把石块投入水中后，池中水面的高度将降低。

水枪与水炮

说来你也许不相信，一股细细的高压水流能射穿12毫米厚的钢板，恰似具有和炮弹一样大的威力。这是一种叫“水炮”的高压发生器射出的高压水细射流，它的直径只有1.5毫米，但速度高达7000米/秒！这样的高速是怎样产生的？

这种水炮采用电、液压或压缩空气作动力，先将水炮中的活塞向喷嘴的另一端移动，使气体压缩。积蓄能量，然后突然松开活塞，由于气体的膨胀，使活塞迅速冲向喷嘴，在极短的瞬间里，将封闭的水推挤出去。如果释放的时间是蓄能时间的1%，就能获得100倍的瞬时功率。用于切割时它所产生的压强高达几百兆帕。

如果只需要几十兆帕的高压水细射流，这只要用一种叫柱塞泵的“水枪”就行了。电动机通过曲柄、连杆和十字头，使一只柱塞在泵内往复运动，挤压泵内的水，产生高压水，其原理与打气筒打气一样。如果高压水从一只直径很小的喷嘴里射出来，就成了一股高压水细射流。用这种柱塞泵能产生压强为200兆帕以下的高压。

船吸现象

1912年秋天，“奥林匹克”号正在大海上航行，在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米远处，有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号正在向前疾驶，两艘船似乎在比赛，彼此靠得较近，平行着驶向前方。忽然，正在疾驶中的“豪克”号好像被大船吸引似的，一点也不服从舵手的操纵，竟一头向“奥林匹克”号撞去。最后，“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上，撞出个大洞，酿成一件重大海难事故。

我们知道，根据流体力学的伯努利原理，流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。用这个原理来审视这次事故，就不难找出事故的原因了。原来，当两艘船平行着向前航行时，在两艘船中间的水比外侧的水流得快，中间水对两船内侧的压强，也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是，在外侧水的压力作用下，两船渐渐靠近，最后相撞。又由于“豪克”号较小，在同样大小压力的作用下，它向两船中间靠拢时速度要快得多，因此，造成了“豪克”号撞击“奥林匹克”号的事故。现在航海上把这种现象称为“船吸现象”。

鉴于这类海难事故不断发生，而且轮船和军舰越造越大，一旦发生撞船事故，它们的危害性也越大，因此，世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定，它们包括两船同向行驶时，彼此必须保持多大的间隔，在通过狭窄地段时，小船与大船彼此应作怎样的规避，等等。

龙井茶叶的奥秘

盛产龙井茶的杭州，流传着这么一句话：“龙井茶叶，虎跑水。”意思是龙井茶叶最好用烧开后的虎跑泉的泉水来泡，才能喝出美味来。其中的奥妙在于，虎跑泉水中的矿物质里含有多种微量元素，对人体健康有利。其实，不仅是虎跑泉水如此，其他名泉的泉水也都有此效应。

虎跑泉水还有另一个显而易见的特点：在装满泉水的茶杯里，投进一粒小石子后，它的水面会高出茶杯口，但却不溢出来。有人说这就是虎跑泉与众不同之处。其实，这一“特点”是众多泉水（如济南趵突泉、无锡惠山泉等）的“共同点”，它是由这些泉水中富含矿物质造成的。

纯水在一定的温度下具有一定的表面张力。例如，室温（20℃）下纯水的表面张力为7.275×10-4牛/厘米，到60℃时，水的表面张力减小为6.618×10-4牛/厘米，到沸点（100℃）时更减小为5.855×10-4牛/厘米。当水里含有杂质时，有的杂质能使水的表面张力减小，例如肥皂或有机物；有的杂质能使水的表面张力增大，例如矿物质。一般的泉水里都富含矿物质，所以泉水的表面张力比纯水要大得多，它使得泉水表面的分子相互吸引，紧紧地挤紧在一起。这就是泉水能满过杯口而不溢出的原因。

裂缝里的学问

1954年，英国两架“彗星”号喷气客机，先后因增压舱突然破裂而在地中海上空爆炸坠毁。起先，人们认为是材料强度不够而造成断裂，于是利用高强度合金钢来制造关键零部件。但是，事与愿违，断裂破坏有增无减。此事引起工程技术界的高度重视，在深入研究中发现，原来高强度材料中也存在着一些极小的裂纹和缺陷，正是这些裂纹和缺陷的扩展，才产生了断裂破坏。在此基础上诞生了一门崭新的科学——断裂力学。

传统的材料力学认为材料是均匀的、连续的、向同性的。而断裂力学却认为任何材料都是不连续的、不均匀的、有缺陷的，因为材料中不可避免地会存在一些裂纹和缺陷。它们是那样微小，即使用高精度的无损探伤仪也难以测出来。但正是这些潜伏的缺陷和裂纹，在一定的使用条件下会造成重大的断裂事故。

造成断裂的影响因素是多方面的，主要有以下几种：（1）疲劳断裂。在交变载荷的来回作用下，加速了材料中裂纹的扩展，最终导致材料断裂。这是一种很常见的断裂现象。例如，要弄断一根铅丝，只要把它来回弯折几次，很快就会在弯折的地方断裂。这就是疲劳断裂，来回弯折的力叫“交变载荷”。（2）冷脆断裂。金属材料对温度的变化很敏感，在正常温度下的韧性材料，处于低温环境时往往会变脆，当温度下降到某个临界值时，材料的微小裂纹就会以极快的速度扩展（高达1000米/秒），最后导致材料断裂。（3）氢脆断裂。钛合金和高强度合金钢等材料在使用中往往要接触腐蚀介质，因此，在它们的表面会发生电化学反应并产生微量的氢，这些氢原子能渗透到金属结构中去；而且材料中哪里的应力最大，氢原子就往哪里跑，并聚集在那里，使该部位的应力变得更大，当聚集的氢原子达到一定数量时，在它们聚集处就会发生突然的脆性断裂。

倒立的人

世界上只有苍蝇、蚊子等昆虫可以停留在天花板上，连鸟也不能倒抓在天花板上。可是，魔术师却能借助于力学装置成为“人蝇”，倒吸在天花板上行走。

在剧场的天花板上挂着一块7.5米长的木板，木板朝下的一面漆着油漆并打蜡上光，目的是使表面光洁平整，让吸盘可以牢牢吸在上面。表演开始时，一位小姐坐在紧挨木板上头的秋千上，脚上穿着一双像溜冰鞋那样的高帮靴子。只见她在秋千上做一个倒立动作，用脚蹬住那块木板。然后双手放开秋千，嗨！她居然头朝下，身体挂在木板上了。一开始，她以很小的步子倒退着走，接着又往回返程，也是倒着走。几个来回一走，博得满堂喝彩。

这个魔术成功的关键在那双靴子上，原来这双靴子的鞋底里装有气动装置，每只气动装置所产生吸力足以支持两倍于表演者体重的重物。因此，当魔术师在天花板上行走时，即使只有一只脚与木板接触，它也足以把她牢牢吸在上面。当然，靴子里还有一套紧固装置，可以把表演者的双脚牢牢缚在靴子里，为了预防万一，天花板下设有一张安全网。

真假子弹

世界著名的魔术师托里尼，每次演出的压轴戏总是“退尔枪”。由他儿子扮演瑞士民族英雄威廉·退尔的儿子，将一只苹果放在他口中，用嘴咬住。托里尼请一位观众拿起一把手枪，在众目睽睽之下将一颗子弹推上镗，随后让他对准苹果开枪。“乒”的一声，子弹在烟雾中飞出，只见小托里尼安然无恙，而子弹却留在苹果中。

人们从力学角度去思考，怎么也无法解释快速飞驰的子弹会被一只苹果挡住。其实这个魔术的窍门在子弹上。总共有3颗子弹，2颗是真的，1颗是假的。起初，观众拿的是一颗真子弹，当托里尼把它推上镗时换成了假子弹。这颗子弹看上去和真的一模一样，只是一受到压力就会粉碎。因此，一开枪它就马上散成无数细粒，像灰尘一样四处飞扬，观众看来还以为是子弹射出后的火药烟尘。当然，苹果中的子弹是事先埋藏在里面的真子弹。它当然与托里尼向观众出示的那颗真子弹一模一样。

这个魔术的关键是制造假子弹，它既要在外形上与真子弹一模一样，又必须在枪击的压力下碎成粉末。有一位魔术师为节约成本，表演时用的子弹在“肥皂弹”的外面滚拌上石墨粉。可是，有一天晚上演出时，“肥皂弹”出了事故。它没有粉碎，结果打在表演者的脸上，使他受了重伤。原因在于那颗“肥皂弹”因放置时间较长，肥皂本身凝固了，结果射出以后没有粉碎。

高高的自来水塔

扭开水龙头，自来水就哗哗地流出来了。

自来水是从哪里来的呢？你一定会想到深埋在地下的水管。但要追寻水源，那就得循着自来水管，到自来水厂里去看看。原来，那些埋在地下的水管，都是和自来水厂里一座座高高的水塔连接在一起的。

那么，这些水塔又有什么用呢？我们不妨举一个小小的例子。浇花的时候，如果你把水壶稍微侧一点，流出来的水流又细又慢；要是将水壶侧得厉害些，喷出的水流就又粗又急。这是什么原因呢？原来，水越深，压强就越大。水的深度每增加10米，压强就会增加大约1个标准大气压。让水壶侧过来，就是让水面相对于喷嘴的深度加大，水的压强也会跟着变大，水流喷出来时就又粗又急。

我们再来看看高高的水塔。如果一个水塔的高度为10米，另一个水塔的高度只有5米，那么高10米的那个水塔塔底的水流压强，比高5米的那个水塔塔底的水流压强大40千帕左右。倘若两个塔底的出水口大小一样，它们同时开放，压强大的自然比压强小的出水急。因为自来水要供应地势高低不等的各处用户，如果没有足够的压强，地势高处的用户就会得不到水，所以水塔一般都造得很高。

在现代化的大、中城市，由于水网范围宽，管路阻力大，光靠水塔来产生压强是不够的，还得借助于很多加压水泵。

头顶飞坛

大家都知道，一块小石头从高处落下，就可能打破头。那么一个杂技演员，为什么能用头顶住从高处落下的坛子，而不会受到伤害呢？

原来，当我们要接住一个从上面落下来的物体时，不但要受到物体本身的重力作用，还要承受一个缓冲力的作用。这个冲力的大小不是固定不变的，它跟物体的轻重和冲过来的速度有关，还与我们使它停止的快慢有关。物体重、速度大和停得快，都会使冲力加大。如果我们有办法使它慢慢地停下来，就能减小这种冲力。

你可以试一下。把一串钥匙向上抛到3～5米，等它落下来时，把手心摊平不动，任凭钥匙掉在手上，手心会感到很痛。如果我们密切注视着下落的钥匙，当钥匙快掉到手上时，手也顺势向下移动一小段距离，使钥匙慢慢地停在手中，手心就不感到怎么痛了。可见，用后一种办法去接钥匙，钥匙对手心的冲力小。我们称这种作用为缓冲作用。

现在再来看一看杂技演员是怎样表演顶坛的。

杂技演员表演顶坛时所用的坛子通常不过10多千克，要是把它顶在头上不动，也不算什么新鲜事儿，几乎人人做得到。如果把坛子抛上去，等它落下来再用头去接，一般人是难以承受的。

如果你仔细观察，会发现杂技演员在用头接坛的时候，他并不是站立着不动的，而总是先叉开两腿立好马步姿势，当坛落下刚刚碰到头顶时，他就立刻随着坛的下落向下蹲，这就和你用向下移动手的办法去接钥匙一样，头上受到的冲力就不会很大。如果坛从1米高落下，并使停止运动的时间延长到2秒左右，头上受到的冲力不过200牛顿。经过长期训练的人，完全能够承受这样大小的力。

可是，一般没有经过训练的人，仅懂得了道理，决不能冒冒失去地去试一试，那是很危险的！

泥地难骑车

在软软的泥地上骑自行车时，自行车的两个轮胎就像是漏了气似的，蹬起来特别费力。这是什么缘故呢？

想想看，你在雪地里或是在泥沼地里走路时，不也是感到很难起步吗？这是因为脚踏在雪地里或泥沼地里的时候，人的体重就压在脚底那么大的一块面积上，这时候，脚对地面产生了一个较大的压力。因为雪或泥沼地的弹性系数和弹性限度都非常小，也就是说，在不太大的压强的作用下，就会发生较大的形变，而且不能自己恢复原来形状，所以脚就陷进了软软的雪或泥里了。这样，当你再想起步时，就不得不把脚抬得比平时走路时高才行。因此就感到比较吃力了。

在泥地里骑自行车也是这样，由于车轮对地的压强，使泥地被压出一条深沟。这样，车要前进，首先必须要把自行车的轮子从沟里抬起来。而且泥地越软，车轮陷得越深，深沟对车轮前进的阻碍越大，使自行车前进所需要的推力也越大。所有这些因素都要求人对自行车的踏脚施加更大的作用力。因此，在泥地上骑自行车特别费力。

青鱼哪去了

从前，曾经发生过这样一件事：一个商人在荷兰向渔民买进5000吨青鱼，装上船从荷兰运往靠近赤道的索马里首都摩加迪沙。到了那里，用弹簧秤一称，青鱼竟一下少了三十多吨。奇怪，到哪里去了呢？被偷是不可能的，因为轮船沿途并没有靠过岸。装卸中的损耗也不可能有这样大。大家议论纷纷，谁也没法揭开这一秘密。

直到后来，才真相大白。鱼既没有被偷，也不是装卸造成的损耗，而是地球自转和地球引力开的玩笑。

原来，一个物体的重量，就是物体所受的重力，是由地球对物体的吸引所造成的。但地球不停地转动，会产生一种惯性离心力。因此物体所受重力的大小，等于地心引力和惯性离心力的合力。又因为地球是个稍扁的椭球体，越近赤道，地面与地心的距离越远，地心引力也就小一点。所以，物体的实际重力，应当是地心引力减去惯性离心力在垂直方向的分量。5000吨重的青鱼，从地球中纬度的荷兰运到赤道附近的索马里，重量必然逐渐减小，难怪过秤时就短少了三十多吨。

如果登山运动员从珠穆朗玛峰采集到一块岩石标本，把它送到北京时，它会变得重一点；要是请宇航员把它带到地球引力所达不到的太空，它又会变得没有重量了。它们的道理也一样。但是，不论物体的重量怎样变化，它们的质量却是不变的。我们还应注意，物体重量的变化，只有用弹簧秤才能称量出来，借用天平或杆秤是看不出来的。

膨胀的饺子

如果你是北方人，你一定喜欢吃饺子，那么，有几个关于饺子的问题你回答得出来吗？

为什么生饺子刚倒进锅里去的时候要沉下去？这是第一个问题。

为什么饺子煮熟以后会浮起来，并且只有浮起来的饺子才是煮熟了的？这是第二个问题。

为什么饺子冷了以后，又要重新沉入锅底？这是第三个问题。你想想看，怎样回答？

生饺子倒下锅以后，它的比重比水大，所以都沉下去了。但是煮熟以后，为什么又会浮起来呢？

原来，随着炉子的加热，锅中的水和饺子都慢慢地热起来了。我们知道热的物体是要膨胀的，饺子也不例外。饺馅和饺皮吸饱了热水以后，渐渐胀起来，体积自然就增大了许多。这一点，你一定很清楚，熟饺子确是胀得鼓鼓的，比生饺子大得多。饺子的重量并没有增加，当体积增大以后，单位体积的重量就减小了。等到饺子煮熟，饺馅和饺皮都充分膨胀以后，它的比重就变得比水的比重还小，所以就浮起来了。吃浮起来的饺子，当然不会有夹生的了。

饺子煮熟浮起来以后，当它稍冷的时候为什么又沉下去了呢？原来膨胀快的东西，也一定收缩得快。当水冷下来以后，饺子又收缩得快。收缩以后的饺子，单位体积的重量又增加了，它的比重又变得比水大了，所以又沉入锅底了。

南方人爱吃汤团、馄饨，煮汤团、馄饨同煮饺子的情况是一样的，道理也是一样的。

请看，就在饺子沉浮这样一个小事情中，也有这么多的科学道理。

转个不停的溜溜球

溜溜球是很有趣的健身玩具。玩溜溜球时，用手抓住绕在溜溜球短轴上的绳子的一端，把球向下扔出去，球随着缠绕它的绳子一圈圈松开，转了起来。当绳子全部拉直时，溜溜球又会转上来，并使绳子沿相反方向缠绕在短轴上，直至又回到手上。再次将球扔出去，球又会转回来，如此往复，乐在其中。

为什么溜溜球能自动返回手中呢？这里有个重要的力学知识，就是物体的动能和势能可以互相转换。当球在手中时，一边转动一边向下运动，并在重力的作用下，越转越快；动能不断增大，同时，溜溜球随着位置的不断下降，势能不断减小，这时，溜溜球的势能转变成了动能。待到溜溜球转到最低点时，溜溜球的动能最大，势能最小，这时，溜溜球转动得最快。到达最低点后，溜溜球又会沿着绳子向上转，将绳子沿原来的相反方向缠绕在短轴上。随着溜溜球的上升，它的转动速度越来越慢，这时，溜溜球的动能又不断转换成势能，直到转至最高处停止转动，溜溜球的动能为零，势能却是最大。

根据机械能守恒定律，在没有外力或外力做功等于零时，物体的机械能总和不变。这样溜溜球应该回到原来的位置上。但是，在溜溜球转上转下的运动中，由于空气的阻力和绳子与短轴之间的摩擦力，会损失掉一部分能量，如果不补充能量，溜溜球将上升回不到原先的高度。所以，在玩溜溜球时要有一定的技巧，不断地给溜溜球补充一些能量。怎样补充能量呢？在溜溜球转到最低点，绳子将要开始向上缠绕的一瞬间，用手将绳子往上提一下，使溜溜球的转速更快些，增加一点动能。这样，溜溜球就能上下转个不停。

猫的惊人本领

猫有一个十分惊人的本领：从高处跌下时，不仅不会摔死，还能稳稳地落地。它的绝技就是空中翻身。你看，猫刚跌下时，还是背脊朝下、四脚朝天，可就在它落地的一刹那，已经变成背向上、脚朝下了，再加上它那双有着厚厚肉垫的爪子和富有弹性的腰腿，当然就能稳稳地在地面“安全着陆”了。

早在19世纪末，就有一位物理学家对猫的空中翻身绝技产生了兴趣，他通过高速摄影拍下了猫的整个下落过程，发现猫在下落时仅用1/8秒就翻过身来了。我们知道，如果没有外力作用，原来不转动的物体是不会转动的。猫在开始下落时没有转动，在下落过程中又不受外力作用，它应该一直保持原来的姿势着地。那么，猫是怎样在空中完成翻身动作的呢？于是，有人把这完全归功于猫尾巴的功能。认为猫在下落过程中，快速地向一个方向甩动尾巴，由于力学中的角动量守恒原理，猫的身体就会朝另一个方向翻转。但是，通过计算人们发现，如果猫的空中翻身仅仅依靠尾巴的甩动，那猫的尾巴在1/8秒内至少要转上几十圈才行，这岂不是与飞机的螺旋桨一样了？

于是，一些物理学家又忙碌起来，他们又是摄影又是录像，并且从理论上提出模型，用电脑进行计算。得出的结论是：猫在落下的过程中，是通过它的脊柱依次向各个方向弯曲来实施转体。图中我们可以看到，当双手握住猫的四肢，将手松开时，猫的角动量等于零。猫在下落的过程中，尽管受到重力的作用，由于重力作用在质心上，因此外力矩为零，所以，猫在下落过程中的任一时刻，都要保持角动量等于零。当猫从高处落下时，猫会本能地旋转身体，这时，猫的尾巴伸展并且朝着相反方向甩动，以保持猫的总角动量为零。由于猫的脊柱比较灵活，它在旋转身体的时候，还可巧妙地使身体和四肢收缩、伸展，调节整个身体的质量分布，保持角动量为零，以达到转身的目的。

在体操和跳水比赛中，运动员要在腾空后短短几秒钟内，完成各种空翻加转体的高难度动作。虽然这些动作比猫翻身复杂得多，可道理却是大同小异。航天员在太空航行时，由于处于失重状态，身体会飘浮在空中。也必须学习猫空中翻身的绝技，用同样的办法来完成前进、后退、转身等一系列动作。

不沉的滑水运动员

看到滑水运动员在水面上乘风破浪快速滑行时，你有没有想过，为什么滑水运动员站在滑板上不会沉下去呢？

原因就在这块小小的滑板上。你看，滑水运动员在滑水时，总是身体向后倾斜，双脚向前用力蹬滑板，使滑板和水面有一个夹角。当前面的游艇通过牵绳拖着运动员时，运动员受到一个水平向前的牵引力。同时，运动员站在滑板上，并用力向前蹬滑板，运动员就通过滑板对水面施加了一个斜向下的力，而且，游艇对运动员的牵引力越大，运动员对水面施加的这个力也越大。因为水不易被压缩，根据作用力与反作用力的原理，水面就会通过滑板反过来对运动员产生一个斜向上的反作用力，正是这个反作用力支撑着运动员不会下沉。当然，这个反作用力在水平方向的分力又会成为运动员向前滑行的阻力，但是，游艇的牵引力可以用来克服这部分阻力。

因此，滑水运动员只要依靠技巧，控制好脚下滑板的倾斜角度，就能在水面上快速滑行了。

飞上蓝天的风筝

在风和日丽的时候，许多人都喜欢到郊外或公园去放风筝。当五彩缤纷、造型各异的风筝在蓝天上翱翔，人与大自然融为了一体，这对放风筝和看风筝的人来说，都是一种美的享受。

那么，风筝为什么能飞上蓝天呢？如果你留心观察就会发现，风筝总是迎风而飞，而且风筝的“身体”总是斜向下的，这就是风筝能飞上天的关键。首先，风筝总是迎着风飞，风吹在风筝上，就会对风筝产生一个压力，而且这个压力垂直于风筝的面。因为风筝的面是斜向下，所以迎面吹来的风对它的压力是斜向上的。风筝的分量很轻，空气的这种向上的压力足以把风筝送上蓝天。在风很小的时候，放风筝的人常常牵着风筝线迎风奔跑，或站在原地不断地拉动风筝线，利用勒线来调整风筝面向下倾斜的角度，这都是为了增大空气对风筝的向上压力，使风筝飞得更高。

风筝有大有小，形状也是各种各样的，它的下边往往还加了一些纸条或穗做成的尾巴。从物理学角度来说，这是为了使风筝的重心向下移，可以提高风筝的平衡性能，使它飞得更加平稳些。

无需方向盘的火车

天空中的飞机，海洋中的轮船，它们转弯时靠的是舵。陆地上奔驰的汽车、无轨电车，它们转弯时，靠的是方向盘。但是在铁轨上高速行驶的火车，既没有舵，又没有方向盘，为什么也能顺利地转弯呢？

我们知道，有轨电车也没有方向盘，它是循着铁轨的弯道而转弯的。看过有轨电车的转弯，就能帮助我们理解火车转弯的道理。有时骑自行车的人，一不小心，把轮子嵌在有轨电车的轨道里，他的轮子就循着轨道前进，再也不听“驾驶员”的操纵。当失去平衡，车子就倒了下来。这就是轨道能控制车轮的道理。

火车的轮子与其他车轮不同，它的最外面一圈叫“轮箍”。“轮箍”上有一圈高出部分叫做“轮缘”，火车上车轮的“轮缘”始终是嵌在两道平行钢轨内侧的。当火车行至弯道时，因离心作用，使弯道外侧车轮的轮箍紧贴钢轨，这时，外侧钢轨给轮缘一种侧压力，即向心力，迫使车轮循着钢轨行走。我们再仔细地看一看火车的轮箍，就会发现在轮箍与钢轨的接触面上，是有斜度的，靠外侧倾斜1/10，内侧倾斜1/20；这样在同一轮子上，就形成了一部分是“大轮”，另一部分是“小轮”。当火车进入弯道时，由于车轮紧靠弯道外侧，就形成了“大轮”走弯道外侧钢轨，“小轮”走弯道内侧钢轨。正如一列横队转弯时，外圈的人步子走得大一点，内圈的人步子走得小一点，就能同时整齐地转过弯来。正因为火车车轮的“轮箍”有个斜度，所以能使同一车轴的两只车轮顺利地通过弯道。

在直道上，两侧车轮都正压在钢轨上，加上火车的重心低，火车高速运动时，就能使车轮的中心和钢轨的中心保持一致。

我们再看看火车头的车轮，为什么有的做得很大，有的做得很小呢？由于这些轮子的作用不同，大小也就不一样。最前面的一对或两对较小的轮子，叫“导轮”，顾名思义，就是说这一两对轮子是起引导作用的。中间几对大轮子，叫“动轮”。后面较小的轮子，叫“从轮”（也有不用“从轮”的火车）。“导轮”和“从轮”都设有转向架，它可以不受车架的限制而自由转向。当机车在直线上运行时，转向架的中心线与主车架的中心线一致。在弯道上行驶时，因车轮靠向弯道内侧，转向架就带着中心盘转向弯道内侧，这时转向架的中心线与车架不在一直线上，就可利用复原装置将主车架前端导向内侧，使机车沿着曲线转向，待通过弯道后，又利用复原装置的复原力，使转向架恢复中心位置。因此火车不论是在直道上或弯道上，都能既快又稳地高速前进。

荷叶上滚动的水珠

你曾注意过这样的事情吗？夏天，荷叶上溅了水滴，水滴会变成一颗颗晶莹透亮的小水珠，小水珠在荷叶上滚来滚去，就像盘子里滚动着的珍珠一样。

荷叶上的水滴为什么会变成滴溜滚圆的小水珠呢？原来，水滴表面分子受到内部分子的吸引力，产生了向内部运动的趋势。这样一来，水滴的表面就会尽可能地缩小。缩小到什么程度呢？我们知道，水滴的体积大小不变，只有在成为球体的时候，它的表面才是最小。所以，小水滴就变成球体的小水珠了。

我们再来看看小朋友爱吹的肥皂泡。肥皂泡里包着空气，肥皂泡的里外两个液面也要不断收缩，直到把里面的空气压得不能再小了，它才不再收缩。这时候，肥皂泡就变成一个滴溜滚圆的小球。液体表面的分子，由于受到内部分子的吸引，而使液体表面缩小的这种趋势，会使该液体表面相邻的部分产生相互吸引，这种相互吸引在物理学上被称为表面张力。我们可以通过一个简单的实验，来看看这种表面张力。

用一个铁丝的框框，上面系一根不是绷得很紧的细棉线，把它放在肥皂水里蘸一下，铁丝框上就会有一层薄薄的绷得很紧的肥皂膜。试着将棉线一侧的薄膜用针刺破，另一侧的薄膜就会立刻缩小，棉线因为失去了一侧薄膜产生的表面张力，而在另一侧薄膜的表面张力作用下，呈现弯曲的弧形。

任何液体的表面都存在着表面张力，在这种表面张力的作用下，液体表面就好像蒙上一层绷紧的膜。夏天，水面上常有许多小虫自由自在地跑来跑去，就是依靠水面上绷紧的这层水膜。

静电杀手

摩擦能产生静电，一般情况下，这种静电是不至于置人死地的。但是，在某些特殊环境里，静电产生的火花却会酿成惨剧。

1979年年底，西北某工厂为清除试验车间地面上的油垢，用60千克汽油浸木屑，洒在地面上进行清扫。十几位女工蹲在地上擦地板，其中有位女工穿着涤纶衣服。当她擦到一根金属管附近时，她的身体突然对金属管放电，所产生的电火花引起了汽油与空气中氧的混合气体爆炸起火，最后酿成一场大火。在场工作的十几个人非死即伤，而穿涤纶衣服的那位女工死得最惨。为什么会酿成这场惨剧？原来，那位女工在擦地板时，身上的涤纶衣服因人的动作而摩擦带电，人身上带有高压静电，靠近金属管子时就容易放电。加上洒在地面的汽油很容易挥发，汽油蒸气的浓度很大，与空气中的氧气一混合就生成了易爆的混合气体。

这场惨剧告诉我们，在那种易燃、易爆的环境中工作的人，特别要注意静电会引起的灾害。其中最主要的是防止衣服因摩擦而产生静电。

纵火犯是谁

1989年8月12日9时55分，青岛市海港黄岛油库的几万立方米的5号油罐爆炸起火，并又引爆了旁边的4号油罐，接着1号、2号、3号油罐相继起火爆裂，600吨原油泄流入海。大火足足烧了104小时，14名消防官兵、5名油库职工在灭火中献出了生命。大火烧掉了3.6万吨原油，油库区变为一片废墟，直接损失达四五千万元。谁是纵火犯？

据事后消防专家调查，5号罐虽然装了避雷针，但是，罐内钢筋和金属构件连接不好，造成避雷针接地不完善。我们知道，避雷针分三部分：接闪器（即一根金属杆，它指向天空将雷电接引下来），引下线和接地装置。这三个环节必须质量可靠，紧密结合，如果有一个环节不合适，就可能“引狼入室”。避雷针实际上是“引雷针”，它把闪电引到自己身上，通过引下线和接地装置引入地下。但是，闪电的电流很大，会产生一系列物理效应。因此，制造和安装避雷针时只要出现小的失误，都有可能造成大的灾祸。调查指出，黄岛油罐顶部铺设的防雷均压屏蔽网的结点与接地的角铁之间未焊牢而只是用螺丝压紧。网与接地角铁的连接点的电阻为0.116欧，大大超过了规定的安全值0.03欧。因此，当油罐上空的落地雷被避雷针引下来时，由强大的闪电电流在极短时间内迅速变化引起非常强烈的电磁感应，使因混凝土剥落而外露的钢筋产生电火花，从而点燃了罐内油蒸汽与空气混合的易爆气体，最后，炸毁油罐并燃起了大火。

由此可见，避雷针的接地是十分重要的。接地接得好，就将引下来的闪电送入地下；接地接得不好，就将引下的闪电送到保护物内部，很容易引起电火花并造成大事故。

鱼群回游

纯水是不导电的，可是水中一旦有了盐分，就变成电解质，电流就可以通了，而且盐越多，水的导电性越好，海水是含有高盐分的溶液，由于海水在流动，地球又是一个大磁场，这很像一根导线在磁场中运动，不就产生感应电流了吗？确是如此，海洋中确实有一个天然运动着的电流。海洋电流的发现，解开了不少自然之谜，鱼群回游就是其中之一。

过去认为鱼群的回游主要是海水的温度以及海流的作用。实验表明，有些鱼类对温度并不敏感，但对电性非常敏感。例如，巴伦支海中所观察到的鲱鱼，只要存在每千米0.5～1的电位差，它们就会向高电位方向游动。据在巴伦支海的大港摩尔曼斯克的统计，它的沿岸捕鱼量与近海里的天然电流的电位差变化密切相关，在海洋电流的电位差显著增大然后又保持在较高值的日子里，鱼的捕获量显著增加，因为鱼向着高电位方向游过来，然后就待在这较高值的地方不走了。

另外，根据连续20多年的统计，在里海、黑海、亚速海，鲱鱼的捕获量每隔11年有一个从大到小变化的周期，这个周期与太阳黑子的爆发周期正好吻合。根据天文学家的解释，太阳黑子爆发会引发地球的磁暴，而磁暴的出现会使海洋中感应更大的电流，从而把鲱鱼吸引过来，使得鱼的捕获量大增。

交流电大战直流电

电灯是爱迪生发明的，不过，那时候的电灯是用直流电作为电源的。直流电照明系统是直接将电流从发电机输向客户，不再从客户流回发电机。而这种输电方式只能把电压局限在250伏之内，超过这一标准就会烧毁电灯的灯丝，危及用户安全。同时，由于受到升高电压的限制，长途输电就会造成巨大浪费。直流供电系统的这一缺点，在早期的供电系统中不是特别重要，因为当时的电厂就建在人口密集地区。后来，随着用电的普及，那些远离发电厂的、居住在人口稀疏地区的用户也要求供电，于是，直流供电系统无法远距离供电的缺点逐渐暴露出来。相比之下，当时还不普及的交流电供电方式，在这方面显示出它巨大的优越性。因为交流电的电压通过变压器很容易升高，这有利于远距离输电。然后，在输入用户或工厂之前，再利用变压器把电压降下来，以适应用户的安全要求。

交流电发电机是由爱迪生的竞争对手南斯拉夫发明家特斯拉发明的。这种发电机简单、灵巧。而特斯拉早先发明的变压器又能解决长途输电中的电压升降问题，再加上特斯拉又得到美国工业家威斯汀豪斯的支持，因此，交流电供电系统的发展势头强劲。由于有人用交流电把马路上的小狗小猫这些小动物电死，一座监狱的牢头又用交流电通到电椅上把一名杀人犯处死，所以在许多人心目中，交流电一度成了死神的同义词。

但是，交流电一方所受的挫折只是暂时的，在其后几年里它逐步占领了市场。特别是1895年，威斯汀豪斯公司在尼亚加拉大瀑布上建立了交流电的发电站，这在当时是一项了不起的成就，从而使交流电供电系统取得了决定性胜利。

神秘的太空电波

1928年，大学刚毕业的詹斯基来到贝尔电话实验室工作。当时，贝尔电话公司刚安装了横跨大西洋的短波无线电通信线路。詹斯基的任务就是研究短波通信中的各项干扰因素。当时对30米波长以上的无线电波已有了较细致的研究，而对1.5～15米波长范围内的短波则还没有作过系统研究。为了进行这项研究，詹斯基建造了专门的天线和接收器，接收器的工作波长是14.6米。在研究过程中，他发现一种来源不明但带有“咝咝”声的天电，并发现它的方向似乎同太阳相关。

本来，詹斯基的工作可以到此为止，因为影响通信的主要干扰都已查明，而这种咝咝声的天电对实际的无线电通信又几乎没有什么影响，通信工程师又何必去为它操心呢？但是，詹斯基没有放过这微弱的电波，他继续积累资料，发现它并不完全同太阳运动相一致，而是每天都要提前4分钟。詹斯基曾向一位好朋友学过一些天文学的基础知识，他知道恒星时的周期比太阳时要短4分钟，因此，詹斯基认识到，咝咝的噪声可能是来自太阳系外的某个恒星，它是随恒星时而改变的。经过一年的监测，詹斯基终于断定太阳系外的某些恒星能发射无线电波。他同时给出了这个固定无线电源在太空中的坐标，指出它与银河系中心相近。

詹斯基的发现是天文学史上的一次大革命，过去人类认识宇宙主要是通过可见光这个“窗口”，但是对于那些不发可见光的“暗天体”就没法认识了。现在，无线电波段（又叫射电）的“窗口”被打开了，它给人类带来那些只发射无线电波的天体的丰富信息，大大加深了人类对宇宙的认识。

拖“辫子”的电动机

在地壳与大气层的电离层之间，竟存在着有30万伏电位差的大气电场，这大气电场电位虽然很高，但由于空气的电导很小，产生的电流非常微小。

大气电场虽然早被发现，但一直无法利用。人们发现了一种能长久保持带电状态的物质——驻极体以后，有人利用它的开缝效应制成一种新型电动机。这种电动机需要高电压（几千伏以上）和低电流（几毫安、甚至几微安）的电源才能工作，而大气电场恰好具备这些特色。于是一台既不用直流电，又不用交流电的特殊电动机在美国西弗吉尼亚大学问世了，它被称为“大气电场电动机”。

这台电动机拖着两根长长的“辫子”，一根与该大学一幢11层的大楼上的天线相接，另一根与地线相接。这样可以从大气电场那里获得上千伏的电压和1微安的电流，电动机每分钟可转几百次。大气电场电动机由三个圆盘组成，上、下两个圆盘用铝箔和云母胶合而成，并在铝箔中间开一道细缝，细缝的两边作为电极；中间的圆盘由两块半圆形的驻极体拼合而成，两块驻极体的极性相反。当人们在细缝两边的电极分别加上不同极性的电压时，中间的驻极体就会受到一个与两个电极平行的作用力，于是转动起来。电机的转轴是一根有机玻璃棒，两端用宝石轴承支持着。

目前，大气电场电动机的最大功率已超过100瓦，但如用作动力装置尚有一定距离。如果将来能设计出一种能获得较大电流的天线，使更大功率的大气电场电动机转动，那么，人类就能从大气电场这个天然发电厂里取得廉价电力了。

地磁风暴

1956年2月23日中午，中央人民广播电台的短波广播节目正常播出，中国数以万计的听众正在不同地区听得入神时，突然播音中断了，一直过了36分钟才恢复正常。经过反复检查，广播电台的发射机工作正常，当然全国各地的收音机也不可能同时出毛病，那么，问题出在哪里？无独有偶，英国海军部与其在格陵兰海面演习的潜艇的无线电通信联系也在同一时间中断，当时他们怀疑潜艇失事沉没了。这一连串事故为什么会在同一时间发生？天文学家告诉人们，他们在此时间内观测到太阳上发生了一次大爆炸，它引起的磁暴（地磁风暴）影响到地球上的无线电通信。

地球像一个巨大的磁铁，它的四周存在着一个地磁场。地磁场有三个要素构成：磁场强度（水平强度和垂直强度）、磁偏角和磁倾角。磁暴往往是突然出现的，各地的地磁要素突然改变它的数值，其变化幅度可以进行到几安/米，并且继续发生急剧的、不规则的变化。在1959年7月14日～15日上海余山地磁台记录到的一次磁暴，从曲线上可看出这次磁暴地磁场水平强度的变化近1安/米。这种地磁强度的剧烈的变化会引起地球电离层的不稳定，而短波通信的信号能传播到全球，就是靠电离层对无线电波的反射和折射。因此，电离层不稳定，严重时会造成短波通信的中断。

产生磁暴的原因和太阳活动有关。每当太阳活动剧烈时，就会出现一些黑子。根据记载分析，太阳黑子出现和增多时，地磁活动也达到最大值并产生磁暴。进一步的观测发现，太阳黑子爆发时会向外辐射大量带电粒子流，正是这些“不速之客”扰乱了地球磁场，引起磁暴。