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爱迪生与留声机 1876年，美国发明家爱迪生开始研究电话。那时的电话机，距离稍远就听不到声了。因此，爱迪生研究用电话线路的中途装置——中继器进行中转。 在进行电话中继器的研究实验中，爱迪生想在收话机的振动片上加上一枚钢针，用来把声音的振动变成波形，刻划在一种板上，以便将声音保留下来。爱迪生当时估计，如果钢针能顺利地刻出波形，就将钢针放在刻出的波纹上滑动，便能从收话机的振动片上发出声音。他日以继夜地研究这个问题，终于完成了一张设计图。 爱迪生的助手名叫科劳迪。爱迪生画好设计图后把科劳迪叫来，指示他按照设计图制造机器。科劳迪觉得奇怪，搞不清到底造的是干什么用的机器，很不摸底。 尽管科劳迪不了解爱迪生设计图的用意，但他还是很快制成了这台机器。在机器上有个金属圆筒，在木台上装有转动圆筒的手柄。摇动手柄时，圆筒一边旋转一边沿轴线向旁边移动。从外形上可以看出来，伸在圆筒上的曲臂装有一根针，针尖与圆筒表面接触，而在针的上面安装一个喇叭。在喇叭的端部装有金属薄膜，针就装在薄膜上。 科劳迪和研究人员一起来到爱迪生身边，询问爱迪生这台机器究竟是干什么用的。爱迪生若无其事地说：“这台机器是说话的。”大家以为爱迪在开玩笑，都笑了起来。 然而，这时的爱迪生却表情严肃，只见他一本正经地把一张锡箔绕在圆筒上，把喇叭上的针接触在锡箔上，然后边摇手柄边对着喇叭说话：“玛丽抱着羊羔，羊羔的毛像雪一样白……”原来，爱迪生在对着喇叭朗诵童话。 这时，声音的振动传到喇叭端部的金属薄膜上，使薄膜产生相应的振动，于是装在薄膜上的针就在锡箔的表面不断划出深浅不同的沟纹。 爱迪生朗诵完童话后，就把机器上的针放回原处，又摇动起手柄。于是，奇迹便出现了，机器用爱迪生的声音说起话来：“玛丽抱着羊羔，……”科劳迪和观看的人都非常惊奇，觉得爱迪生好像是在变戏法似的，并称这台机器为留声机。 爱迪生当然也非常兴奋，他把这台机器带到纽约的报社进行实验表演。报社的人们也很惊奇，并立即作了报道。这样，爱迪生发明留声机的消息很快便传遍世界各地。 实际上，爱迪生发明的留声机还很粗糙，有许多地方需要改进。例如，圆筒上贴的锡箔用过五六次之后，发出的声音就变小了，必须重新更换。 起初，人们对留声机还觉得挺新鲜，时间一长就不怎么感兴趣了。再加上那时爱迪生正忙于研究试验电灯，无暇顾及留声机，结果他辛辛苦苦发明的留声机，就这样被打入冷宫9年。 直到1887年，爱迪生又回过头来改进留声机。费了一番周折，总算制成了第二台机器。这台经过改进的机器，比第一台在性能上好多了。原来圆筒上贴的锡箔，已由坚硬的焊锡涂层所取代，而针已改用蓝宝石唱针。同时还将针尖磨成圆形，以防止针在锡管沟纹中滑动时不致于划伤沟纹。另外，手摇把也被淘汰了，采用电池带动的马达或发条转动。更引人注意的是，在录音的锡管上镀一层厚厚的金属膜，再把金属膜剥离下来作为铸型，就可以用来大量复制录有声波波纹的锡管。这些改进，使爱迪生发明的留声机已和后来的留声机很相近了。 就在爱迪生发明留声机的同时，还有一些人也在热心研究留声机。其中最著名的就是电话发明人贝尔。 贝尔发明了电话，法国政府授予他1万美元奖金。他有了这笔钱，就决定投资进行留声机的研究。 贝尔和化学家奇切斯特·贝尔以及制作乐器的名师廷特合作，从 1880年开始，积极研制留声机。他们认为，爱迪生的第一台留声机把声波刻在锡箔上，效果不好。因此，贝尔和他的伙伴们在声音的再生方面进行了苦心钻研，并在1885年制成了用锡管而不用锡箔的留声机。这在时间上比爱迪生的第二台留声机还早。可以说，锡管式留声机的发明人不是爱迪生而是贝尔及其合作伙伴。然而，贝尔的不足之处是，他们未像爱迪生那样考虑到录音锡管的复制问题。 值得提及的是，那时还有一个名叫贝利纳的德国人，也在研究留声机。他于1888年研制成留声机。这种留声机的唱针是按声波波纹左右滑动的，而爱迪生和贝尔的留声机唱针，是上下运动的，即声音随波纹的深浅而变化。 爱迪生虽然研制成复制用的金属膜，但是还存在不少问题。真正解决唱片复制问题的是贝利纳。他在机械巧匠约翰逊的帮助下，研制成功新的唱片复制方法。这就是利用硬质橡胶和紫胶树脂材料生产唱片。美国胜利留声机公司于1899年制成了这种唱片。 爱迪生不甘落后，他的公司和贝尔的公司携手建立了唱片公司，与贝利纳和其他留声机唱片公司进行竞争。他们很快就生产出了用石蜡制成的圆筒形唱盘。 当时的留声机价格昂贵，一般家庭买不起，因此许多餐厅等处设置了一种投入一枚硬币即可自动放两分钟音乐的自动唱机。 密纹唱片 本世纪30年代初，有个美国人叫彼得·戈德马克，是个钢琴手，又是个大提琴手，在音乐方面有很高的修养。 有一次，在音乐晚会上，他正在欣赏唱片放出的著名作曲家勃拉姆斯的曲子，完全被那动人心弦的旋律所陶醉，微闭双目，点头合着节拍……突然，留声机发出了“卡塔”一声，乐曲戛然而止。他像从梦中惊醒，睁大了眼睛，茫茫然不知所措。接着，他感慨地说：“这是在音乐演奏半截时发出的人们有史以来发明的最糟糕的声音。”这位颇有音乐天赋的演奏家继续发表感想： “有人赶紧跑过去换唱片，但是听众的情绪已经被破坏了。正是在此时此地我明白了自己必须制止这类事情再发生。”于是，他就着手去发明一种放音时间长而中途不更换的唱片。 当时，彼得正在为哥伦比亚广播公司研究彩色电视系统。因此，他只能利用业余时间来研制这种新唱片。尽管他是忙里偷闲，进行研究试验，但越忙他越是坚持不懈，从不知难而退。正如他的同事、诺贝尔奖金获得者丹尼斯·加伯所说：“彼得发明东西就像吃饭那样平常。他最愉快的事情，就是被某个思想纠缠上以后，摆弄他的线路直至凌晨3点。彼得常说， ‘发奋是发明之母，而坚韧是发明之父。’” 经过反复研究试验，他认为要使唱片的放音时间长，最好的办法是增加唱片的音槽密度，即采用密纹唱片。但是，当时的唱片多是使用酚醛树脂制成的，不适于印制更细密的音槽。 后来，彼得在哥伦比亚公司集中力量研究这种密纹唱片。他通过分析比较，选用聚氯乙烯树脂制作新唱片。由于这种新材料的性能好，加上彼得进行不断的改进，终于在1931年研制成功了密纹唱片。 与过去每分钟78转的普通唱片相比，密纹唱片转速为每分钟33.5转，纹道 （音槽）密度增至每英寸（2.54厘米）224至300道或更多。因此，一面唱片可以放音一个小时以上。密纹唱片不仅纹道密度大，转速慢，而旦纹道细，因而一张唱片的录音比普通唱片长6倍。 在第二次世界大战期间，美军为了向德军广播，曾下大力研究唱片，从而促使密纹唱片得到进一步发展。 幻灯机 17世纪中叶，欧洲一些国家的传教士在传教时，一边讲一边用画来表现上帝、天使和基督的故事，但当时只有画册，不能同时给许多人看。于是，就有人想发明一种机器来解决这个难题。 那时，有个德国传教士想利用凸透镜制造这种机器，把画面放映在墙上。因为早在1610年，意大利科学家伽利略就用透镜制成了望远镜，看到了月亮上的神奇景象。这位传教士就想，既然用透镜制成的望远镜能把远在天上的月亮看得清清楚楚，那么自然也能将图画放大了。在这种想法支持下，他就开始了研制试验工作。 他制作了一个方形木箱，在箱子前面开孔处装有圆筒，而圆筒上镶着凸透镜。在凸透镜的后面开有切槽，用来插入透明画片。由于画片上的图像是倒映在墙上，所以必须把画片倒插在槽内。在木箱内点着蜡烛，是照射画片用的光源。另外，在木箱上面还装有抽气烟筒，用来消除蜡烛点燃时产生的气体。这样，一个用来往墙上放映画片的机器就制成了，传教士自然是很高兴了，并准备在传教时试用。 研制成功机器的第二天晚上，信徒们很早就坐在漆黑的房间里，等待着传教士传教。听说传教时还要使用什么机器，来的人很多，屋子里坐得满满的。不多一会儿，传教士开始给信徒们讲话了，正在他讲基督的故事时，突然在墙壁上出现了基督的画面，信徒们异常惊奇，好像基督来到了他们中间。大家你看看我，我看看你，不知道是怎么回事儿。有的人就说，这是传教士使用的幻术魔法。于是，人们就把带有灯 （实际上是点的蜡烛）的箱形机器叫做“幻灯”，也有的称为“魔灯”。 这种幻灯机，最初是在传教士保密的情况下在传教中使用的，人们觉得它很新奇，并不知道为什么能映出画来。不久，一般人也知道了其中的奥秘，便开始将它用于普通讲课、讲演，有的还将它作为家庭玩具。不过，这时的幻灯机光源已从蜡烛变成煤油灯，不久变为汽灯，后来又改用电灯。这样，放映出的画面比以前明亮多了。但是，人们为了进一步提高画面亮度，又在光源的后面安装了凹面反射镜，将光线集聚起来，像探照灯的强光那样。在光源增大后，机箱的温度也随之升高，有发生火灾的危险。因此，又将木箱改为铁箱，还改进了冷却用的排气装置。 幻灯机开始用的是手工画的幻灯片。从 19世纪中叶起，随着照相术的发展，人们已能在玻璃板上照相制版。因此，使用照相版的幻灯机便随之流行起来。 测谎器的使用 从很早的时候起，人们为了辨别一个人讲的话是真还是假，就想出了一些特殊的办法。比如，阿拉伯半岛的贝督因人在判定两个说法互相矛盾的证人谁真谁假时，就让他们用舌头舔一块烧红的铁，并认为舌头被烧伤了的就是撒谎的人。在古代的英国，如果受审的人不能吞下用面包和乳酪做成的“试验片”，他就是有罪的。据说这种作法的根据是：撒谎的人会由于恐惧而产生一种特殊的生理反应，如喉部的肌肉收缩，因而吞东西困难；抑制唾液分泌，因而使口腔和舌头极为干燥等。人们认为，如果能准确地测出这些变化，不仅可以判明一个人是无辜的还是有罪的，而且还能估计出他讲的话有多少是事实，多少是谎话。 最早出现的科学测谎仪器是意大利犯罪学家朗布罗索在 1895年发明的。这种方法的依据是脉搏次数和血压的增加。1914年，贝努西对测谎方法作了进一步研究，他把嫌疑犯的呼吸次数当成有罪或无罪的另一个证据。3年之后，马斯顿利用心脏收缩的血压进行了研究。1921年，美国拉森用多种波动描记器来记录若干种人体反应。这种仪器利用血压、脉率和呼吸次数来测谎。1935年，芝加哥犯罪探测科学实验室的基勒，用一种多种波动描记器在法庭上进行了首次测试，结果发现有两个被告是有罪的。 测谎器的基本原理，是企图通过人们在犯罪和恐惧时产生的生理反应，如唾液分泌、心率、呼吸、体表温度这些在自主神经系统控制下的变化，来测定其感情的反应。被测的人可以通过手铐和称为呼吸描记器的软管子联到电流记录器上，也可以联到其他的灵敏装置上，通过这些装置把波动记录在由一台微型的同步电动机带动的记录纸上。最重要的是被测的人要背向仪器比较自然地坐着，以防止生物反馈。 晶体管的诞生 晶体管是在人们对半导体材料进行深入研究的基础上发明的。半导体材料是导电性介于金属和绝缘体之间的材料，一般是固体，比如锗和硅等。半导体中杂质的含量和外界条件 （如温度和光照）的改变会引起导电性能发生很大变化。半导体材料之间，或者半导体和某些金属材料之间相接触的地方，具有单向导电的性能，和二极电子管的性能相像。 1928年，有人提议用半导体材料制作和电子管功能差不多的晶体管。但一方面由于当时还缺少研究半导体电子特性的固体物理学知识；另一方面由于按温度、压力、化学组成等宏观概念产生的半导体材料在微观结构上是混乱的，没有规律，它的电子性能具有很大的偶然性，因此晶体管没有研制成功。 随着研究分子、原子和电子状态的固体物理学的发展，随着晶体生长理论和生长技术的发展，高纯度的晶体锗生产出来了，这就给晶体管的研制创造了条件。 美国贝尔研究所的巴丁、肖克利、布拉顿等人合作研制成功了晶体管。巴丁原是大学教授，担任贝尔研究所所长，研究半导体理论，1947年他提出关于结晶表面的理论。布拉顿是实验物理学家，他对半导体表面进行实验研究，发展了半导体单晶的精制、成长等有关技术。巴丁和布拉顿两人，一个是理论家，一个是实验大师。1948年他们合作研制成功第一个点接触型晶体管。肖克利从1936年开始进行关于固体物理学、金属学、电子学等基础理论研究。从1945年起在贝尔研究所从事半导体理论研究，1949年他提出了P—N结理论（关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的 P型和 N型两种导电类型区域的理论）。不久，贝尔研究所研制成功第一个结型晶体三级管。由于研制成功晶体管，他们三人获得1956年诺贝尔物理奖。 晶体管最初采用锗晶体做原料，后来由于硅的提纯和加工技术的发展，硅晶体比锗晶体的性能优越得多，因此硅晶体管取代了锗晶体管。晶体管具有小型、重量轻、性能可靠、省电等优点，到50年代末和60年代初，晶体管逐渐代替了电子管。 助听器 历史上最大的助听器，无疑是伦敦赖因公司于1819年为葡萄牙国王约翰六世研制的助听器。朝臣们跪着向空心扶手端部的狮子嘴巴说话，声音进入共鸣箱，再通过一根管子进入国王的耳中。现在已有小到五分之一英两重的助听器。 最初，人们把手握成杯状置于耳后以增大对声音的接收面积，就像狗竖起耳朵一样。动物角也许是最早的助听器。后来，在椅子和椅子之间安上管子来传送声音，防止其消散。维多利亚女王时代的人们曾生产出各种假茶壶和假花瓶，其中有一定的积水面积，以便通过管子把讲的话传给耳聋的客人。但是，耳聋的人希望有能够戴的助听器。于是发明家为聋子发明了助听帽、助听手杖和安在胡子下面的接收器，所有这些助听器都有管子通向耳朵。他们还为耳聋的妻子制出羽毛助听帽，将接收器伪装成冕状头饰、扇子和可收口的女用网格拎包。对于那些不那么害羞的人来说，还有雕花的银助听器。另外的一种办法是用牙咬着的弧形扇，扇子收集的声音通过扇骨传进耳中。 当贝尔努力发明一种助听器时，他发明了电话，促进了科学的发展。电话的原理可用来研制助听器。炭精传声器将声音变成电压，电压被放大，然后再转变成声音。但是电池是个麻烦问题。1923年，马可尼公司研制出了电子管控制的助听器，它是装在一个重16磅的盖子里的。在本世纪30年代，电子管的小型化，使电子助听器可以做得像盒式照相机那么大，重4磅。这样大的助听器能戴吗？还大了一点。 宣称研制出了第一个重两磅半，真正能戴的电子助听器的人，是埃德温·史蒂文斯，他在1935年研制成功了声音放大器。 发明电视机 19世纪中叶，贝尔已经发明了电话。几十年后，电话已在世界上普及。好幻想的人又联想：“既能把声音传到远方，能不能把图像传到远处呢？” 那还是在1873年，有一位叫史密斯的电气工程师，在工作中发现了一个怪现象。他看到不导电的“硒”遇见阳光能像电池一样产生出电来！当遮住射向硒的光线时，电也没有了。当时，人们只知道电池和发电机才能发电，可谁也没看到过光能发电！ 史密斯在报纸上发表了这一重大发现，引起了一些敏感的科学家的注意。其中有一位叫肯阿里的美国工程师在两块金属板中间夹上硒做成一个特殊装置。将它放在阳光下，果然从金属板上得到微弱电流，作用简直跟当时已普及的电池一样。于是肯阿里称它们为“光电池”，它能把光变成电。不过这电流太小了，一时还派不上什么用场。 光电池在强光照射下产生强电流，在弱光照射下产生弱电流。多么像贝尔发明的能随声音的大小而使电流变化的电话啊！于是肯阿里联想到：既然电话能传送声音，光电池能不能传送图画呢？ 我们如把报纸上的照片放在显微镜下观察，可以发现图画是由无数黑白相间的点排列而成，有些地方稀一些，有些地方密一些。所以一张黑白照片，实际上可看成黑点和白点的组合，构成不同的明暗和色调。我们可以把图像分解成许多小单元，这些小单元被称为“像素”，每个像素发出的光强弱不一。 肯阿里把报上发表的照片用黑白小点组成图；同时又把许多硒的小颗粒密集地排列在一块板上，另外还做了一个用小灯泡密集排列的装置。每个小点和小灯之间一个对着一个用电线连接起来。他设想：黑白小点组成的图放在硒板前用灯光照射，由于硒对光的感应，黑点的地方接受的光比较弱，与之相连的硒粒发出弱的电流；而白点的地方则发出强的电流，这样硒粒产生的强弱电流通过电线传到装置上的各个小灯。他认为一幅由明暗灯光组成的图画就会出现。 设计原理是对的，但实际上根本实现不了。硒产生的电流那么小，又怎能使电灯发光呢？再说一张底片分割成无数小部分，又要一对对地用几万根甚至更多的导线联接起来，在技术上也做不到。 10年后，波兰人尼布可也用类似想法做着新的实验。他把密布小孔的网板，在景物前旋转，使光从小孔中通过，当光射到硒粒上，随着光的强弱而产生不同大小的电流，这电流随着电线传到远处，使在远处连接的许多小灯发光。尼布可用同样的一个布满极密小孔的网板以同样的速度在发光的小灯泡前旋转。小灯泡发出的光通过网板小孔射到白纸上，一幅和发送部分一样的图和景或许就被放映出来。 尼布可连续干了3年，终因光电池产生的电流太弱而遭到失败。难道传播活动图像就真不能实现吗？ 1912年，德国人耶斯塔和盖特发明了“光电管”。光电管能根据光的强度转换成不同强度的电流信号，比之于光电池，光电管的效能大多了。而后，美国的福雷斯特发明了三极管，三极管能把微弱信号放大许多倍。这样原来因电流太弱而不可能实现的传送活动图画的目标有了实现的可能。 科学研究工作就如搭积木一样。你垒一块，我垒一块，就这样一幢美丽的大厦在他们的共同努力下，一天高似一天…… 首先使电视发送和接收成为现实的是一个英国人——贝德。 贝德于1888年生于苏格兰。从小就有着丰富的想象力，成年后是一个出色的工程师。当时很多著名的科学家都在为发送和接收图像作着努力，但谁也没成功。贝德也投入了这场试图传播图像的比赛中。贝德想：既然无线电波能够实现远距离发送和接收，那么发送图像也应该是可能的。 贝德的设想是将一束光照射到照片上，并移动光束照遍照片的各个部位并反射到硒板上。那么硒板上的感光便会随着图像的明暗变化而产生各种强度不同的电流。这一过程称为图像的“扫描”。然后电流便被输送给发射机，由发射机用无线电波发射出去。再由接收机接收，并把电波转换成明暗不同的图像。但这样的图像是静止的，而电视需要的却是活动图像。那么怎样才能得到活动图像呢？我们知道电影实际上也是一幅一幅的静止的图像，但是一张紧接一张，速度极快使人感觉不到图像之间有任何间隔，因而看到的是一个活动的完整画面。电视也采用了这一方法，但要复杂得多。没有实验经费，只好从废物堆里觅来种种代用品。失败接踵而来，长期的饥饿劳累，使他贫病交加。为了给他的发明寻找经济上的支持人，他想通过报纸宣传他的发明。然而当时的报纸业老板，既听不懂贝德的理论，又嫌他穿得如此破旧，将他视为疯子。在几次拒绝了贝德的请求之后，干脆吩咐门卫，不准这个“疯子”进门。 百折不挠的贝德并没放弃自己的理想，他在自己的卧室中坚持着试验。他克服了许多难以想象的困难，连续经过几年的努力，终于获得了成功。 1925年10月2日，贝德在室内安了个新装置，他拨动电钮，一下子图像清晰地显现出来了！他兴奋得一跃而起，冲进楼下商店拉来一个小伙计，几分钟后，“魔镜”里见到了小伙的脸——这是电视播送的第一张脸。 1931年，贝德在大剧院进行公开电视试验。他选择了转播赛马比赛。这也是电视历史上首次的“实况转播”吧！ 赛马是当时英国人最喜爱的娱乐活动。当人们在距赛马场23公里的伦敦大剧场里亲眼看到赛马场上的精彩表演时，都情绪激昂地站立起来。连续不断的鼓掌使贝德一次又一次地向观众鞠躬致谢。电视发送和接收成功了。 贝德创造的电视在今天看来显得有点原始，放映出的图像模糊不清。原因是贝德采用了机械扫描方式。 1929年，俄国的罗辛教授提出利用阴极射线管的电子扫描方式。用阴极射线射出的电子光束在荧光屏上“描绘”画面。电子枪发射一束聚焦了的极细的电子束依一定顺序一行行地依次打在屏上，我们看到的电视就是电于扫描高速地重复不断地进行所产生的结果。 从原理到实施又要克服许多技术上的困难，这一任务又落在移居美国的俄国博士兹窝利金身上。他开始在美国西屋电器公司实验室工作。1928年他发明制造了用于传送电视影像的光电管——光电摄像管。他和另一发明电视显像管的美国工程师范斯瓦斯合作，实现了以电子扫描方式的电视发送和传播。 1935年，为了公开试验兹窝利金博士的电视研究，在美国最高建筑物纽约帝国大厦设立了电视台。 1936年，电视台成功地把电视节目送到70公里以外的地方。后因为第二次世界大战，试验中断。直到战后的1946年，美国人罗斯·威玛发明了高灵敏度的摄像管，日本人八木教授又解决了家用电视机的接收天线的问题，一些发达国家相继建立超短波转播站，终于使电视迅速普及开来。 今日电视技术的发展日新月异，人们根据不同需要制出各式各样的电视。商店里供应的电视机琳琅满目，有的屏幕大到54英寸、有的却只有一本连环画那么大小，可供旅游时随身携带，还有可像画一样悬挂在墙上的薄电视…… 在车站、广场、体育场所中则矗立起“顶天立地”的超大屏幕电视；却也有小到可带在手腕上的手表型超微型电视机。 现代新电视视角都很大，你从屏前哪个角度都能看清楚画面。 还制出了可同时播放六个小画面、一个大画面的电视。你觉着哪个精彩，只需一按电钮，在屏幕上就能映出你喜爱的那个频道画面。真是美不胜收啊！ 电视不仅丰富了人们的文化生活，而且广泛用于数学、工业生产、军事国防等各个方面。电视已经成为人们生活中不可缺少的一部分。 |
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