仪器科学与科技文明课件第6讲

1、 仪器科学与光电工程学院仪器科学与科技革命钱政qianzheng北京航空航天大学一、仪器科学与第一次科技革命二、仪器科学与第二次科技革命三、仪器科学与第三次科技革命仪器科学与第一次科技革命概述时间: 18世纪60年代19世纪40年代;标志:以珍妮纺纱机、蒸汽机的发明和应用为主要标志,机器大工作代替工场手工业,人类进入机器时代。18世纪前五十年,以牛顿力学为科学理论基础,以钟表机械工艺为技术基础,英国工场手工业勃兴。问题1:如何进一步提高工作机的效率?问题2:如何进一步提高工作机所需的动力?仪器科学与第一次科技革命标志性事件 1765年,珍妮纺纱机,揭开了科技革命的序幕 1807年,蒸汽为动力的

2、“克莱蒙号”试航成功1814年,史蒂芬孙发明蒸汽机车1784年,瓦特制成了改良的蒸汽机 ,人类社会由此进入“蒸汽时代”1796年,塞尼菲尔德发明平版印刷仪器科学与第一次科技革命技术源于科学 亚里士多德:自然厌恶真空。1601年,意大利物理学家包尔塔设计出蒸汽压力试验,利用蒸汽压力和冷凝产生的真空,通过管子将水提取上来。 托里拆利实验,1643年帕斯卡定律,1653年格里克的马德堡半球实验,1654年波义耳定律,1662年巴本蒸汽泵,1680年 希龙,前129年塞维利蒸汽机,1695年 纽可门蒸汽机,1705年 实现了用蒸汽推动活塞做往返直线运动,每分钟往返 16 次,每次可将45.5升水提高到

3、46.6米,被用于矿井的排水。 瓦特对纽可门蒸汽机的改进:使气缸与冷凝器分离提高热效率、利用齿轮和拉杆将直线往复运动变为连续的圆周运动。1783年,瓦特制成第一台蒸汽机,1784年投入使用,热效率大大提高,耗煤量只有纽可门蒸汽机的 1/3。之后又加以改进,1790年全部完成。瓦特还发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器(1788、压力计(1790、计数器、示功器、节流阀以及许多其他仪器。焦耳提出能量守恒与转化定律,发现了导体电阻、通过导体电流及其产生热能之间的关系,并测量了热功当量。和开尔文合作发展了温度的绝对尺度。卡诺的结论热机的最大热效率只和其高温热源和低温热源之间的温度差有关。W.汤

4、姆森(开尔文指出:从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响是不可能的。卡诺威廉.汤姆森焦耳测量热功当量 伽利略温度计,1592年 格里克的温度计1659年,伊斯梅尔博里奥第一个用水银做测温物质斐迪南温度计,1654年 华伦海特,1709年 摄尔修斯,1742年 托里拆利水银压力计1643年 波登管压力表,1847年瓦特压力表,1790年一、仪器科学与第一次科技革命二、仪器科学与第二次科技革命三、仪器科学与第三次科技革命仪器科学与第二次科技革命概述时间: 19世纪中叶20世纪初;标志:以电机的发明为起点,以电力的广泛应用为标志,推动了生产技术由机械化到电气化、自动化转变。同第一次科

5、技革命交织进行。化学、热学的最初成果哺育了蒸汽动力技术,而蒸汽机提高热效率的需要又推动了热力学发展,热力学成果再次诱发了内燃机的发明,并同电磁学、化学一起导致第二次科技革命的到来。转炉炼钢法平炉炼钢法甘油、无烟炸药 欧姆(1787-1854年测试欧姆定律的实验装置1827年发表用数学推导伽伐尼电路 伽伐尼青蛙实验伏特及伏特电堆 基尔霍夫(1824-1887年 基尔霍夫电压定律:在任何一个闭合回路中,各段电阻上的电压降的代数和等于电动势的代数和。 基尔霍夫电流定律:电路中任一个节点上,在任一时刻,流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。 1820年 电流的磁效应 1827年电磁自转机 1834

6、年实用电动机 1831年 电磁感应定律 1831年圆盘发电机 1837年交流发电机 赫兹(1857-1894年 物理学家证实了电磁波的存在 及发现了光电效应 电磁波实验装置 马可尼及 无线电通讯 ,1899 世界上第一个电台,1920 年贝尔德发明电视,1925年研制图像接收机,1906年 早期的电流表 早期的电压表转动线圈式电流表原理图安培:电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,创制出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。电力功率测试仪,1846年 1841年,韦伯发明了既可测量地磁强度又可测量电流强度的绝对电磁学单位的双线电流表;1853年发明了测量地磁强度垂直

7、分量的地磁感应器。 惠斯登电桥测电阻,1843年 传统万用表的表头 一、仪器科学与第一次科技革命二、仪器科学与第二次科技革命三、仪器科学与第三次科技革命仪器科学与第三次科技革命概述时间: 20世纪中叶;标志:以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志,变革了工业生产和人类生活的方式。主要特点:1科学技术在推动生产力方面的作用越来越重要;2科学和技术密切结合,相互促进;3科学技术各个领域之间相互渗透。 实物基准,1889年米原器和千克原器量子基准 溯源至基本物理量1960年,氪-86原子在2P10和5D5能级之间跃迁时,其辐射光在真空中的波长的1650763.73倍。1983

8、年,光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所行进路程的长度。 基于硅球中硅原子的数目(10-7基于瓦特天平的方案(4 10-8仪器科学与第三次科技革命量子计量 量子化霍尔电阻基准(10-9,世界第一正在开展量子质量基准的研究工作 微波背景辐射 中发现引力波2014年3月17 日 架设在南极的BICEP2望远镜 哈勃望远镜 超新星爆炸测量宇宙年龄 宇宙深处 蛟龙号深海潜水器设计7000米(可到99.8%的海床,已完成7062米试验。 日本:6527m ;美国:6553m (2015;俄罗斯:6000m ;法国:6000m 。具备深海探矿、高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功

9、能,能有效执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察。 综合采用了GPS 定位、水准测量、三角测量、电磁波测距、重力测量、雷达测地及大地水准面精化等技术。珠穆朗玛峰高度测量2005年5月22日W.F.Libby,碳14测年图坦卡蒙,2008年 仪器科学与第三次科技革命气象学发展南方雪灾,2008年 卡特里娜飓风,2005年 航天飞机A380 神舟号飞船 图AMS02年 2011年,“神州飞船” 和“天宫一号” 交会对接(中国-前苏联-美国 精确测量两个航天器的距离、相对速度、姿态等傅科和傅科摆实验(1851年 陀螺罗经(1908年 惯性导航导弹 1958年,美国“舡鱼”号潜艇之旅,21天,1500公里 与英国RAL 合作,建立原子干涉陀螺研究平台,着重考虑 系统的工程可用性。 第二代原子干涉陀螺研究平台与RAL 合作,参与 ESA 的HYPER 计划 原