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第3章 开阔孩子视野的科技发现故事

大自然的规律是客观存在的,事物的内在联系是有章可循的。一旦掌握了它们的规律、发现了它们的内在联系,就可以认识它们、征服它们。正因为发现了许多事物的内在规律,我们人类才真正成为地球的主人;也正因为还有许多规律没有被发现,世界依然存在许多未解之谜。看到以下故事,我们就会知道科学家们是怎样“发现”科学奥秘的,从而锻炼一副善于“发现”的眼睛。

【比糖还甜的物质】

一天晚上,俄国化学家法利德别尔格从实验室回到家里吃晚餐。他叉起一块牛排,往嘴里塞去。突然,他停止了嚼动,略带诧异地问妻子:“娜塔莎,今天你在炸牛排里放了糖?”“没有啊,从来没有听说过有往牛排中加糖的。不过,”妻子也奇怪地说,“今天的菜肴是有点不大对头,你尝尝看,这色拉也带有甜味。”

晚餐后,法利德别尔格仍在想这个奇怪的甜牛排和甜色拉。出于科学家的习惯,他要把原因找出来。在检查完厨房用品后,他把疑虑的目光盯向了餐具,他舔了舔盘子的边缘,略有所思,再舔了舔自己的手,然后,马上抽出口袋里的那枝铅笔,也用舌头舔了一下。

“问题出在铅笔上,出在铅笔上!”法利德别尔格发疯的大声嚷了起来,“娜塔莎,你瞧,凡是我用手接触过的餐具都带有甜味,而这甜味都来源于我用它写过字的铅笔。可以肯定,铅笔上的甜味是在实验室里沾上的。看来,实验室里一定有一种奇怪的特别甜的物质,我要去查个究竟。”

法利德别尔格风风火火赶到实验室,点上煤气灯后,逐件逐件地仔细检查实验用过的器皿。终于,他发现甜味来自一种叫邻磺酰苯酰亚胺钠的化学物质。

这个偶然的发现给法利德别尔格开辟了一条通向新的发明的道路。从此,他集中全部精力,一心去研究这个煤焦油中提取出来的物质。终于,一种特别甜的白色结晶体出来了。他把它叫做“糖精”,并测出它比蔗糖要甜500倍。时间是1879年。

到了1886年,法利德别尔格迁居德国,并在那里建立了世界上第一个从煤焦油中提炼糖精的工厂。糖精就此开始进入了人们的生活之中。

故事启示

遇到不能解答的问题,束之高阁或不闻不问,是一种懒惰和平庸的表现。所有发明或发现的成功故事告诉我们:不要对你发现的新事物置之不理,或一笑了之;抓住不放,或许这是上天有意把发明创造的机会赐与你呢!错过了,你就永远错过了。想一想,我们在生活中没有被错过的东西或机会?

【让疼痛消失的人】

我们知道,患者在开刀做手术之前,是需要打麻药的,这样才能在不感觉疼痛的条件下,顺利接受手术。然而,在人类没有发明有效的麻药以前,医生给病人做外科手术,往往都是把病人牢牢地绑住,使病人不能乱动。手术时行时,那痛彻骨髓的疼痛,往往让患者痛不欲生,惨叫不止。有的医生就想:怎样才能解除患者的疼痛呢?为此,诸如手术前将病人有病的肢体浸在冰水里,等到冻麻木了再开刀;或让病人喝些毒酒,待其沉醉时再手术等方法被提了出来。

在中国的东汉末年,名医华佗发明了麻沸散,在手本之前给病人服下,使病人昏迷后再进行手术。这虽是人类最早使用的麻药,但效果却不理想,仍然疼痛难忍。于是关羽刮骨疗毒时,宁可忍着巨痛也不用麻沸散。

人类完全有效地征服疼痛的时代,是在19世纪中期乙醚的发现和使用之后。那么,乙醚是怎样被发现的呢?

原来,美国有一位牙医,名叫威廉·莫顿。莫顿在给患者拔牙时,为了减轻患者的痛苦,想了很多办法,效果依然不是太理想。后来,一个偶然的机会,他发现患者在闻了乙醚气味之后,就不会感到疼痛了。于是,他每次拔牙时,都用一块浸了乙醚的手帕盖在患者的鼻子上,结果,还真的不感觉疼痛了,这让拔牙的人颇感意外,找他拔牙的人也络绎不绝。

莫顿为这个意外的发现而欣喜不已。为了保住这一“专利”,他耍了个心眼儿,就是把乙醚加进了香料,在使用的时候,别人就难以分辨出他用的到底是什么东西,也搞不清他的配方了。

莫顿拔牙不疼的消息,引起了社会的关注。当时有个医学团体组织,规定医生行医要光明正大,不准用骗术骗人。按照医学伦理学的要求,如果莫顿不公开他的秘密配方,那就是“骗术”,就停止他行医的权力。为此,莫顿只好向同行们公布了他的秘方,人们这才知道乙醚有如此巨大的作用。

经过许多医生的多次试验,证明乙醚的确可以用于多种外科手术。一天,莫顿在医院里举行了首次外科麻醉手术表演。当病人按莫顿的要求深呼几下,吸入麻醉气体后,主刀医生便割下了患者颈部的血管瘤。整个手术持续了30分钟,病人全然不觉疼痛,在场的人无不拍手称奇。从此以后,乙醚麻醉法便走向世界一直使用到今天。

1868年,年仅48岁的莫顿去世了。波士顿的市民们在他的纪念碑上刻着这样的文字:他是吸入性麻醉开刀法的创始人。由于他的发明,使开刀的疼痛从这个世界上消失……

故事启示

疼痛是让人很痛苦的事,特别是需要用刀子,把肌肉划开,对病人进行医治的时候,那割肌之痛更是让人难以忍受。几千年来,人类在征服疼痛的道路上,艰难地向前迈进。幸亏莫顿为我们找到了征服疼痛的良药。如今,患者在接受手术前,不需要用鼻子呼吸乙醚了,麻药对人体的副作用也越来越小。但我们还是要感谢莫顿的发现,他的功劳会记载在人类的医学史册上。

【不尚空谈的发现者】

青霉素的发现者叫弗莱明,他出生在苏格兰。25岁时,从医学院毕业,从事医学研究工作。

1928年,弗莱明在伦敦大学讲授细菌学原理时,无意中发现霉菌有杀菌作用,这种霉菌在显微镜下看来像刷子,所以弗莱明便叫它为“盘尼西林”。从此,他便对盘尼西林作系统的研究,以便找到杀菌的原理。

弗莱明是不善空谈,只会实干的学者,因而一直不被人重视。最初,他在伦敦一家医院实验室工作时,人们都当面叫他小弗莱,背后则嘲笑他是“苏格兰老古董”。一次,实验室主任主持例行业务讨论会。实验室其他工作人员轮番发言,口若悬河,卖弄才华,只有弗莱明一直沉默不语。主任点名问他:“小弗莱,关于这次实验工作,你的看法呢?”

“做。”小弗莱只说了一个字。他的意思是说,与其这样不着边际地夸夸其谈,不如立即进行实验。

下午五点钟时,主任又问他:“小弗莱,你现在有什么建议要说吗?”

“茶。”原来,喝茶的时间到了。

这一天,他在实验室里就只说了这两个字。

此后,弗莱明像往日那样细心地观察培养葡萄球细菌的玻璃罐。这天,他在观察葡萄球菌时,发现作为培养细菌用的琼脂上长着一簇簇绿色霉菌,这种现象可以说毫不足怪。因为许多细菌专家的实验室内经常发生外来微生物的污染,一般就一倒了事。可是,弗莱明却异常细心,他经过仔细观察,发现霉菌的周围竟没有葡萄球菌,而玻璃器皿里的葡萄球菌也消失了。这个偶然的发现,深深吸引了他。他就设法培养那种霉菌,把培养液过滤了一下,滴入长满葡萄球菌的玻璃器皿里,几小时后葡萄球菌全部死亡;又把过滤液稀释到800倍,效果仍然很好。

弗莱明把他发现的这一特殊物质命名为青霉素。如今,这个发现让数不清的人类从死神手里捡回了生命。

故事启示

为什么夸夸其谈的人,难以取得成就呢?因为空谈的,重视的是嘴上功夫,看重的是表面文章,在乎的是身边人的评价和虚假的荣誉,在实干方面就显得不足;而那些重实干轻言谈的人,看重的是工作,喜欢的是动脑子,追求的是实效,轻视的是浪费时间。只要实干,就没有达不到的目的。你说是吗?

【意外中的发现】

夫琅和费出生在德国一个贫穷人家,11岁就做了一个光学师傅的学徒,住在一间破屋子里。几年后,他所住的房子突然倒塌了,里面的房客均被压死,只有夫琅和费一人幸免于难。看到他落泊的样子,一位好心人给了他18块金币。夫琅和费便用了这些钱,买了书籍和光学仪器。经过刻苦学习和钻研,他终于成为一名能干的光学匠。

19岁,夫琅和费到一家制造玻璃和光学仪器的工厂工作。几年后,为了改进天文望远镜上的物镜,夫琅和费开始从事棱镜和折光方面的研究工作。

1814年,夫琅和费在重复做分解太阳光的实验时,在一间小黑屋子的窗板上开了一条狭缝,让太阳光通过这条缝射入屋子里,成为一条扁扁的光束。光束经过三棱镜后变成了宽大的扇形,落到对面的白墙上,成为从红到紫的光带。夫琅和费原本想找到一种只发一个颜色的光的光源,却意外地发现了太阳光谱中的一些重要现象。

实验中,他发现太阳光谱中有许多条暗黑的谱线。经过仔细的统计,黑线共有567条。为了研究方便,他采用A、B、C、D……等字母来代替其中一些较粗的谱线。这些暗黑的谱线是怎么形成的呢?这个问题不仅夫琅和费完全不能解释,当时的许多物理学家也无法解释。

直到1859年,德国著名化学家本生和物理学家克希霍夫才揭开了这些暗黑谱线之谜。

故事启示

我们知道,太阳光是由七种主颜色的光线和其他许多谱线组成的,这个发现有助于我们认识光线的作用,如今广泛用于医疗领域的X光线等,都是在这个认识的基础上开发出来的。然而,在认识光谱之前,前辈科学家们进行了不懈地研究和探索,才一步一步地走进真相。有时,这个认识过程是非常偶然的,但这个偶然也浸透了人们的无数心血。我们在对他们的劳动成果表示敬意的同时,更要向他们学习,继续探索前人未曾发现的科学奥秘。

【透过现象发现本质】

维生素是生物的生长和代谢所必需的微量有机物。目前世界上发现的维生素已经有20多种。维生素最早是由荷兰医师爱克曼发现的。

1893年,荷兰医师爱克曼住在爪哇。当时,爪哇正在流行一种可怕的疾病——脚气病。这种病严重损害了以吃大米为主的中国、日本等等国的国民健康。爱克曼决心研制一种药物来治疗这种病。但他给患者用了许多药物,都未能见效。最后,受母鸡的启发,他才找到了治疗的方法。

原来,这一天,爱克曼走过鸡窝,发现有的鸡也有这种病。经过仔细观察,才找到它们发病的原因是吃了脚气病人吃剩下的白米饭。经过实验,爱克曼发现,只要在白米里稍加一点糖,病就会很快好了。他终于找到了治脚气病的良方。

那么,米糖里究竟含有什么物质呢?这个问题由波兰的科学家封克解答了。封克在1912年从米糖中分解出一种药用物质。他把这种物质叫维他命,即维生素。

故事启示

透过现象看本质,这是一项了不起的技能。因为一种现象的产生往往是复杂的,迷雾重重,头绪万千,如果不是细致观察、认真分析、刻苦研究,就很难作为。而且要想破解难题,往往不是一蹴而就的,是一个反复和漫长的过程。这尤其考验我们的毅力和斗志。但你别无选择,科学就是这样子的。

【奇怪的光】

X光透视是由德国科学家伦琴在一次实验中偶然发现并深研得到的。

1895年12月22日,伦琴正在做一个试验,当时,他正用一个嵌有两个金属电极的放电管做阴极射线试验。在试验中,他偶然发现当放电管一开始工作时,放在临近实验台上的涂青亚铂钡纸屏就出现荧光。他把纸屏移到离放电管2米远的地方,结果放电管一工作,纸屏仍有荧光。伦琴十分惊讶,并决定进一步去研究。他用一层黑色的厚纸板遮住放电管,结果荧光仍出现在纸屏上。伦琴非常高兴,继续做试验,发现这束奇怪的光可穿透纸板、衣服、甚至厚厚的书本。他又大胆地将手放在电管前,结果手的骨骼影像清晰地显映在荧屏上,伦琴兴奋至极,他发现了一种新射线。这种射线肉眼看不见,但穿透力很强。这种新射线没有名字,因为数学上常用X表示未知数,所以伦琴就叫它X射线,人们也称其为伦琴射线。

后来,伦琴又做了进一步研究,创立了一门新科学——放射学。随着科学的发展,放射学应用在医学上,即X光透视,直至今天,仍造福于人类。

故事启示

敢于实验、大胆探索,是伦琴发现X光线的原因。但伦琴并没有满足于此,他按着这个发现研究下去,又创立了一门新的学科。科学是无止境的,发明创造也是无止境的。

【最伟大的数学发现】

黄全分割被喻为是人类在数学上最伟大的发现之一。古往今来,0.618这个数字一直被后人视为科学和美学的金科玉律。如今,黄全分割定律已广泛应用于日常生活,渗透到社会的各个角落,影响着人类生活的方方面面。

希腊的毕达哥拉斯和他的学派在数学上有很多创造,著名的黄金分割就是他在公元前6世纪发现的。一天,毕达哥拉斯从一家铁匠铺路过,被铺子中那有节奏唧叮叮当当的打铁声所吸引,便站在那里仔细聆听,似乎这声音中隐匿着什么秘密。他走进作坊,拿出尺子量了一下铁锤和铁砧的尺寸,发现它们之间存在着一种十分和谐的关系。

回到家里,毕达哥拉斯拿出一根线,想将它分为两段。怎样分才最好呢?经过反复比较,他最后确定按照1:0.618的比例截断最优美。后来,德国的美学家泽辛把这一比例称为黄金分割律。

这个规律的意思,这其实是一个数字的比例关系,即把一条线分为两部分,此时长段与短段之比恰恰等于整条线与长段之比,其数值比为1.618:1或1:0.618,也就是说长段的平方等于全长与短段的乘积。0.618,以严格的比例性、艺术性、和谐性,蕴藏着丰富的美学价值。

为什么人们对这样的比例,会本能地感到美的存在?其实这与人类的演化和人体正常发育密切相关。据研究,从猿到人的进化过程中,骨骼方面以头骨和腿骨变化最大,躯体外形由于近似黄金而矩形变化最小,人体结梅中有许多比例关系接近0,618,从而使人体美在几十万年的历史积淀中固定下来。人类最熟悉自己,势必将人体美作为最高的审美标准,由物及人,由人及物,推而广之,凡是与人体相似的物体就喜欢它,就觉得美。于是黄金分割律作为一种重要形式美法则,成为世代相传的审美经典规律,至今不衰!

故事启示

黄金分割法则,广泛体现生活和艺术中。黄金分割率能够给画面带来美感,令人愉悦。在很多艺术品以及大自然中都能找到它。希腊雅典的帕撒神农庙就是一个很好的例子,达芬奇的《维特鲁威人》符合这一法则,《蒙娜丽莎》的脸也符合这一法则,《最后的晚餐》同样也应用了这个比例布局。这个比例布局,有时是艺术家们不自觉遵守的,因为只有按照这个法则,艺术才能得上精致。当这个法则被发现后,遵守这个法则就成为自觉行动了。

【洗澡池里的灵感】

一天,希腊科学家阿基米德在众日睽睽之下光着身子从澡堂里飞奔而出,欢呼雀跃,周围的人都不知究竟发生了什么事使他忘乎所以。

原来,国王命令金银匠做了一顶纯金的王冠。新王冠做得很精巧,国王也很高兴。可是国王并不信任工匠,为了检验工匠是否在黄金中掺进了廉价的金属,国王决定让阿基米德在不损坏王冠的情况下辨别出皇冠的质地。

接到任务,阿基米德好几天都想不出什么好主意,他废寝忘食,近乎痴迷。有人劝他去洗个澡,放松放松。当他坐到满满一盆水里去时,从盆边溢出去的水引起了他的注意,他脑子里灵光一闪,猛地从澡盆里跳出,来不及穿上衣服就狂奔回家。

他在家里做好了试验,然后米到国王面前,把盛满水的一个大盆放在一只大盘子里,又叫国王拿出一块与皇冠同重的0.75千克的黄金和两只大小一样的杯子。然后,阿基米德将王冠放在盆子皇,水溢出来后将溢出的水都装进一只杯子里。然后用同样的方法把0.75千克黄金溢出来的水装进另一只杯子里。最后他拿着两只杯子走到国王面前,说道:“陛下,请您比较一下,这两只杯子里的水一样多吗?”

国王一眼就看到一只多一只少。于是阿基米德肯定地说:“王冠里一定掺了银或者其他的金属,它不是纯金的。”原来,阿基米德利用了物质的密度、体积和重量的相互关系,同一物质的密度是固定的,即重量与体积之比是一个确定的数。这样的话,如果王冠是纯金的,它所排出的水应该与0.75千克纯金所排出的水的体积一样,如果不一样,那么王冠皇肯定掺了某他金属。

阿基米德辨别王冠的故事仅是一个传说,但他研究物体所受浮力的规律并发现了浮力定律却是千真万确的。他把密度不同的物体放入水中后发现:密度和水相同的物体完全浸入水中,但不会沉人水底,密度大于水的物质一直下沉至容器底部,密度小于水的物体总是浮在水面上。阿基米德分别采用了密度不同的物体——木块、蜡块、右块、铁块、铜块、金块等放入水中反复做试验,所得的结果是完拿一致的:它们的重量都和所排开的水的重量相等。

阿基米德意识到这是一个普遍规律。于是,他把研究结果写进了《论浮力》的著作中。在书中,他明确地表述了浮力定律,并用严密的逻辑推理对浮力进行了证明。他指出:浸在液体中的物体受到向上的浮力,浮力的木小等于它所排开液体的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于它所排开液体的重量。这就是著名的浮力定律。这了纪念这位伟大的科学家,人们把浮力定律命名为阿基米德定律。

故事启示

浮力定律是客观存在的,是一种自然科学现象。在没有发现它前,人们还解决不了许多科学难题;一旦发现了这个定律,就可以为我所用,如怎样计算轮船的承载力等。发现一个定律,有许多因素,但也有必然因素,就是坚持不懈的思考和追求。也许,大自然中还有许多规律未被我们去认知,这可能是许多自然现象无法破解的原因。令人欣慰的是,我们的身边还有许多像阿基米德这样痴迷科技的人,希望你也能加入进去哦。

【为什么有时煞不住车】

惯性定律也叫牛顿第一定律,它的建立具有深刘的哲学意义。它告诉人们惯性是所有物体具有的本性,打破了地上运动和宇宙空间运动的人为界限,统一了宏观与微观的运动,并提出了处理任何运动的单一模式。惯性定律是第二、第三定律的基础,它的发现为经典力学体系奠定了坚实的基础。人们掌握了惯性定律,就可以利用它为生产生活服务。哲学家和科学家亚里士多德。他主张从经验出发研究事物,十分重视通过观察总结事物的规律。对于物体运动规律,他从马拉车车就运动,马停止拉车车就不再动的现象出发,总结出物体运动必须有一个力来维持的理论。他的理论在16世纪之前一直占统治地位,直到16世纪末期,意大利物理学家伽利略对此学说发起了挑战。

伽利略的高明之处在于把观察、实验、理性思维和数学结合在一起探讨物理问题,寻找物理学运动规律。为了寻找物体运动的规律,伽利略设计了一个斜面实验。

伽利略将两个光滑斜面相连,然后让球从一个斜面上以一定的高度滚下。他发现,无论如何改变另一斜面的坡度,小球都会不管实际路程的长短,而沿着斜面上升到与下落等高的地方。在此基础上,天才的伽利略对此作出了天才的设想:如果第二个斜面是无限延伸而绝无摩擦的水平面,则小球将会永远向前运动。他进一步推理得出结论:物体运动并不需要力来维持。最终,他把这个发现概括为“只要除去使物体加速和减速的外部原因,运动物体必将严格地保持它一旦获得的速度”。

尽管历史上已有许多人对惯性运动作了种种描述或设想,但像伽利略这样经过严格的推理得出明确的结论还是第一次。伽利略这一发现在惯性定律的建立上取得了突破性的进展,但是,伽利略所指的水平面实际上是以地球为中心的球面,因而这个认识还是不完全的。

最终的惯性定律是由牛顿完成和精确的。1687年,英国伟大的数学家和物理学家伊萨克·牛顿在总结前人工作的基础上,写了名为《自然哲学的数学原理》的光辉著作,建立了经典力学体系。作为经典力学的坚实基础,惯性定律在100年后被继承和完善了,他提出了著名的三大运动定律,促进了近代科学研究的发展。

牛顿三大定律中的第一定律就是惯性定律。牛顿指出物体的质量越大,惯性也越大,质量是物体惯性大小的量度。定律内容表述为:一切物体总保持匀速直线运动状态和静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。

故事启示

物理学的建立和发展,极大地改善了人类的生活状态,创造了许多人间奇迹。例如:汽车为什么会前进?火箭为什么能上天?正因为许多规律的被发现,才使人类发明创造了许多物体。人类的生活是无境的,追求也是无止境的。在一些未发现的自然规律露出真实面目之后,我们人类还会创造新的奇迹。

【苹果落地的启示】

牛顿是万有定律的发现者是。他于1687年发表了《自然哲学的数学原理》,他发现的万有引力定律也在这部著作中得到了系统而深刻的论证,为物理理论中已经确立的定律、新假说、实验观测等,提供了一个极好的范例。

关于万有引力的发现还有一个有趣的传说:一次,牛顿正在花园里小坐。这时,一个苹果从树上掉了下来……虽然这件曾发生过无数次的事再平常不过,但却引起了这位巨人的沉思:究竟什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢?牛顿思索着,终于,他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。

在《自然哲学的数学原理》中,牛顿提出了一个思想实验,设想有一个小星球很靠近地球,以至几乎触及到地球上最高的山顶,那么使它保持轨道运动的向心力当然就等于它在山顶处所受的重力。这时如果小星球突然失去了运动,它就如同山顶处的物体一样以相同的速度下落。如果它所受的向心力并不是重力,那么它就将在这两种力的作用下以更大的速度下落,这是同我们的经验不符合的。可见重物的重力和星球的向心力必然是出于同一个原因。

紧接着,牛顿根据惠更斯的向心力公式和开普勒的三个定律推导了平方反比关系。牛顿还反过来证明了若物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系,则物体轨道呈圆锥曲线——椭圆、抛物线或双曲线。在原理中,牛顿同磁力作用相类比,得出这些指向物体的力应与这些物体的性质和量有关,从而把质量引进了万有引力定律。

牛顿把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去,并进一步得出所有物体之间万有引力都在起作用的结论。这个引力同相互吸引的物体质量成正比,同它们之间的距离的平方成正比。牛顿根据这个定律建立了天体力学的严密的数学理论,从而把天体的运动纳人到根据地面上的实验得出的力学原理之中,这是人类认识史上的一个重大的飞跃。

故事启示

在科学史上,牛顿对万有引力定律的发现可以说功绩巨大。而在他之前科学家,如胡克、哈雷等,实际上也在这方面作出了非常重要的贡献,但与牛顿相比,他们的观点和研究方法总是存在某些缺陷,最终与跨时代的科学发现失之交臂。而牛顿通过苹果落地的启示,结合前人的研究成果,把万有定律推向了真理的一边,成为这一成果的最后赢家。可见,任何发现都不是凭空得到的,既有自己的辛勤劳动,也有前人打牢的基础。

【闪电也是电吗】

1745年,荷兰莱顿大学的教授马森布洛克和他的朋友库诺伊斯做了一个试验。他们先用摩擦机产生电,再用金属丝把电引人玻璃瓶内,可以看见闪电的火花。他们一同设想:能不能将电储存起来呢?

他们将瓶内灌满水,接通导线,再继续摇动摩擦机,却看不见几个火花。这时库诺伊斯像是要把电捞出来一样,一只手端起瓶子,另一只手到水瓶里去探索,突然他觉得右臂一阵麻胀,猛然将手缩回来。马森布洛克由此得到启发,将玻璃瓶贴了锡箔制成了能储存电的瓶子,由于马森布洛克是荷兰莱顿人,所以人们将它称为“莱顿瓶”。

一直从事大气电理论研究的富兰克林听说了这个实验,颇受启发。他将天上经常打死人畜的闪光的雷电与地下的电联想到了一起。两种电到底是不是一回事呢?为自己提出这个课题时,富兰克林已经整整40岁了。

1749年,富兰克林在大量实验的基础上证明了闪电是一种电力性质,闪电和电火花具有同样的特性,都是瞬时的,都是相似的光和声,都能燃着物体、熔解金属、流过导体、具有集中于物体尖端等特点。1752年,他用著名的风筝实验,证实了自己的观点:闪电就是一种放电现象。

这年7月的一天,终于盼来了费城一个大雷雨的天气,富兰克林带着儿子选了一块广阔的草地,按照设定引“天电”的方案,将一只特制的风筝徐徐放到阴雨密布的天空。突然,一道闪电劈开云层,在天空划了一个“之”字,接着嘎嘣一声脆雷,那如铜钱般的雨点就瓢洒盆泼般地倾了下来。富兰克林让儿子威廉拉紧风筝线站到草地旁边的一所房子屋檐下,这样,靠近手的一节线就不会因淋湿雨导电。

这一切都是精心设计好的,风筝是绸子制的,不怕雨淋,线是麻绳很结实,靠手的一节又换成绸带,不导电,麻绳与绸带间用金属线挂一把铜钥匙。

富兰克林站在屋檐下紧张地注视着西边的天空,只见电光一道道闪过,雷声一声更比一声响亮。期盼的现象终于出现了:麻绳上的细纤维一根一根都直竖起来,这说明风筝线上已有电了。富兰克林小心翼翼地将带来的莱顿瓶接在钥匙上,使莱顿瓶充电。然后,他又使莱顿瓶放电。从而证明了聚集在瓶内的电是来自空中的闪电。瓶里的电也有火花,可以点燃酒精灯,可以用它做各种电气实验。天电、地电果然是一样的!

以后,许多科学家又重复了富兰克林的实验,以确证对闪电的认识。经过长期的研究,科学家们逐步揭示了雷电的本质:云层之间,或云层与地面之间,云与空气之间的电位差增大到一定程度时,就会发生猛烈的放电现象,随之产生震耳欲聋的雷鸣。

故事启示

自古以来,雷电打死人畜和引起火灾的事故年年有发生。在没有发现雷电规律之前,人们简单地视之为天庭发怒或对人类的惩罚,除此之外,再也没有合理的解释。但是,科学是严肃的,也是尊重事实的。一旦真相大白,人们再也不会惧怕雷电了,不仅懂得如何预防雷电,还可以利用雷电为自己服务。雷电是危险的自然现象,我们有充分的理由对它的研究者们报以由衷的敬意。

【挤奶姑娘的免疫力】

我国古代把天花称为“痘”,我们的祖先早在1000多年前就掌握了对付天花的土办法——种痘。这种方法是用天花病人身上的干痂研成的、含有天花病毒的粉末吹人人体,使之染上轻度天花,这样,人体就对天花产生了免疫力,一般都不会再得这种疾病了。然而,种痘的方法并不安全,轻的会留下大块疤痕,重的会导致死亡。

英国的乡间医生琴纳是一位责任心很强的医生,他发誓一定要寻找一种更安全有效的办法根治可怕的天花。

一次,他在养牛场发现了一个奇怪的现象:挤奶姑娘竟没有一个死于天花或变成麻脸,聪明的琴纳一下联想到中国的种痘法:种过痘的人,不会再得天花。由此推论,挤奶的姑娘也许是得了牛天花,而对天花有了免疫力。为了弄清原因,琴纳此后多次在牛棚内观察,他发现,挤奶姑娘确实会染上牛天花。不过得了牛天花,只是出现手指间长水疮、低烧、局部淋巴腺肿大等症状,过不了多久就会痊愈。至此,琴纳可以初步断定:人得了牛天花之后,就不会染上天花。

1788年开始,琴纳又连续进行了8年的观察和实验,对人得牛天花后的症状等做了深入研究。由此,他得出结论:种牛痘可以预防天花。1796年5月21日,琴纳第一次在人身上种牛痘。接种的是一位叫菲普斯的8岁男孩。琴纳找到了一个刚感染了牛天花的女孩,从她身上取了一些痘疮的疤浆种在菲普斯的左臂上。头3天,菲普斯感到稍微有点不舒服,可很快就恢复了正常,只是种牛痘的地方留下一个淡淡的疤痕。6周后,琴纳给菲普斯种上人类天花的“浆”。此后,菲普斯没有出现任何病症,说明种牛痘的方法是有效的,也是完全可行的。

1797年,琴纳在成功地种牛痘1000多例的基础上,将自己的成果写成论文送到皇家学会。可当时的医学界权威对此抱怀疑态度,甚至连著名哲学家康德也提出不同看法,他担心种牛痘的人会出现牛的粗野特性。琴纳受到了科学界的围攻……

然而,科学是不可战胜的。此后,种牛痘法在世界各地传开,天花恶魔终于被人类征服了。20世纪70年代,世界卫生组织别出心裁地设立1000美元的悬赏,称此后首先鉴定出一例天花患者的人,就可以获得这笔奖金。可喜的是,这笔奖金至今无人问津,说明天花确确实实已经在人间销声匿迹了。

故事启示

对于一个科学办法的寻找和对一个科学常识的发现,决不是像在人群中发现一个熟人那么简单。因为没有现成的知识,有些探求无异于大海捞针;又因为有些探求充满了生命危险,极大地限制了人们的手脚。但是,仍然有许多科学家依靠自己的智慧,排除各种风险,加上不断地追求,终于发现了科学真理,捅破了蒙在人们眼里的那层“窗户纸”,让过去的不解之谜成为现在的常识。

【老鼠为什么会闷死】

1775年,英国著名的化学家布拉克在一个钟罩内,放进燃烧着的木炭,而燃烧一阵子后,木炭就熄灭了。布拉克认为木炭在钟罩内燃烧可以生成“固定空气”(即二氧化碳)。当布拉克用氢氧化钾溶液吸收了二氧化碳后,钟罩内仍有一定剩余气体留下来。这种神秘的气体到底有何性质,他无法回答。

为了寻求答案,布拉克要求他的得意门生卢瑟福继续研究这个问题。17年后,卢瑟福用动物重做这个实验。当他把老鼠放进密闭钟罩内时,老鼠会被闷死。老鼠闷死后,罩内气体的体积缩小了十分之一。如果将密闭器皿内的气体用碱液去吸收,发现气体的体积又继续失去十分之一。可是,一个奇怪的现象吸引了卢瑟福,在这老鼠也无法生活的气体里,居然可以点燃蜡烛,烛光烬灭以后,如果往容器内投入少许磷,磷又可继续燃烧……

卢瑟福的实验使他明确了这样两个问题:一是人们很难从空气中把氧气全部除净。二是这种剩余的气体既不助燃,也无助于呼吸。它不能维持动物的生命,并具有灭水作用。这种气体在水和氢氧化钾溶液中也不溶解。卢瑟福把这种气体称为“油气”或“毒气”。很遗憾,由于燃素学说的影响,卢瑟福犯了一个极大的错误。他不承认“油气”是空气的一种成分。因此,尽管他发现了氮气的存在,但却无法摆脱传统观念的束缚,对气体的性质做科学的阐释,在距离真理只有一步远的地方卢瑟福停了下来。

法国科学家拉瓦锡摆脱了传统错误理论“燃素说”的束缚,以实验为根据,作了科学的分析和判断,并指出燃烧其实是物质跟空气里的氧气发生了反应。1777年,拉瓦锡将组成空气的两种气体的混合物分别命名,一种是能助燃,有助于呼吸的气体——氧气;另一种是不助燃、不能维持生命的气体——氮气。

故事启示

大气的成分,是以氮气为主的,还有氧气、氢气等等,构成了气体世界。这已经是一个常识,家喻户晓。然而,在发现这个组合成分,在没有了解各种气体的性质之前,人类对大气的认识还是十分模糊的,因而造成了许多误解。只有在大气成分被发现和认识之后,我们才会依据它们的性质和作用,加以利用。然而,在这个过程中,科学家们真是历经千辛万苦,他们都是值得我们学习和敬重的前辈。

【燃烧是怎么回事】

燃烧是研究着火,熄火和燃烧机理的学科。燃烧是指燃料与氧化剂发生强烈化学反应,并伴有发发热的现象。燃烧不单纯是化学反应,而是反应、流动、传热和传质并存、相互作用的综合现象。

远古时代,火的使用使人类从野蛮状态走向文明。10世纪以前,人们认为物质燃烧取决于一种特殊的“燃素”。近代以来,关于燃烧现象的本质众说纷纭,白17世纪下半叶至18世纪中叶,在欧洲比较流行的是德国化学家施塔尔提出的燃素说。

燃素说解释燃烧现象时,认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程,它虽然解释了某些燃烧现象,但是仍然是一种有严重错误和重大困难的理论。其主要错误是把灰说成是单质,却又把金属说成化合物,并把金属的燃烧过程说成是分解反应。而它最大的困难是,如果确有燃素这种物质存在,它就应具有重址,然而,金属经煅烧释放燃素后重量不但没有减少,反而增加。直到18世纪下半叶,燃烧问题依然是深奥难解的。

法国化学家拉瓦锡决心找到一种更为科学和合理的方法来解释它。他全身心地投人到燃烧现象的研究之中,拉瓦锡收集了著名科学家海尔蒙特、波义耳、斯塔尔等人对这一问题的研究成果,夜以继日地揣摩、思考。

经过两个多月的不懈努力,他发现燃烧金属增重的原因是金属吸收了空气。于是他将这一段的研究结果密封起来,放入科学院的保险柜中。因为他在没有实验证明时,不愿意让别人看到他的结论。接着,他在四年的时间里,连续进行无数次燃烧和气体方面的实验。他用金属锡、铅和水银做实验,再用非金属硫磺、磷做实验,还用有机物做实验,逐渐把注意力集中在空气中有哪些助燃气体能够与钨结合使其增重上,并开始了深人细致的研究。

1774年10月,受英国著名化学家普里斯特利的实验研究的启示,拉瓦锡又重复了普里斯特利的加热实验,认识到汞灰分解出来的是氧气。于是,他又用制得的气体逆向重新和汞作用,结果又生成了汞灰。拉瓦锡恍然大悟,原来燃烧就是可燃物质与氧气结合生成氧化物的过程。

1777年9月5日,拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》,系统地阐述了燃烧的氧化学说,将燃素说倒立的化学正立过来。这本书后来被翻泽成多国语言,逐渐扫清了燃素说的影响。科学的氧化燃烧理沦的提出和建立,实践了一场深刻的化学革命,确立了科学的近代化学。

故事启示

如今,我们都知道,燃烧就是燃料和大气中的氧气发现化学反应的过程。在认识这个真理之前,人类对燃烧的认识却经历了不平凡的历程,由认识错误到接近真理,许多科学家为此付出了心血,他们经过不断试验,终于得出科学的结论。科学的结论一旦建立,我们就可能了解燃烧的性质,懂得合理利用燃烧,保护环境和大气里的氧气了。

【谁是氢气的发现者】

早在16世纪,瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生;17世纪时,比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特曾偶然接触过这种气体,但没有把它离析、收集起来。尽管波义耳偶然收集过这种气体,但并未进行研究。他们只知道它可燃,此外就很少了解。1700年,法国药剂师勒梅里在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。最早把氢气收集起来,并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪什。因此,在化学元素发现史上氢气的发现者目前公认的是卡文迪许。

1766年,卡文迪许用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得一种被他命名为“易燃空气”的气体(实际就是氢气),他用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来,进行研究。他发现这种气体与空气混合后点燃会发生爆炸,与氧气化合后会生成水。不仅如此,卡文迪许还发现该气体不溶于水和碱液,与各种不同类型的酸作用时,所产生的量都是固定的,酸的种类、浓度都影响不了它。这样特殊的性质与其他已知气体都不相同,以此推论这该是一种新的元素。

但是由于卡文迪许是一个虔诚的燃素说信徒,按照他的理解:这种气体燃烧起来这么猛烈,一定富含燃素;硫磺燃烧后成为硫酸,那么硫酸中是没有燃素的;而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他错误地认为这种气体是从金属中分解出来的,而不是来自酸中。由于氢气的密度很小,卡文迪许曾一度把它当成梦寐以求的燃素。这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万等的赞同。其他许多燃素论者也因此而欢欣鼓舞。由于充满氢气的气球在空气中会徐徐上升,这种现象在当时曾被一些燃素学说的信奉者们当成他们论证燃素具有负重量的重要根据。但好景不长,科学态度严谨的卡文迪许通过一系列的实验终于弄清了空气浮力问题,而且证明了氢气是有重量的,只是密度比空气小得多而已,不能作为燃素存在的证明。

1782年,法国化学家拉瓦锡在建立正确的燃烧理论的基础上,用红热的枪筒分解了水蒸气,他明确地提出:水不是元素而是氢和氧的化合物。这个正确的结论纠正了2000多年来把水当做元素的错误概念。此后的1787年,他把过去称做“易燃空气”的这种气体命名为“氢”,意思是“产生水的物质”,并确认它是一种元素。

故事启示

氢气是世界上最轻的气体,它的密度非常小,只有空气的1/14。虽然在18世纪末以前,有不少人做过制取氢气的实验,但对氢气的发现和研究做出过很大贡献的,还是英国科学家卡文迪许。氢气的发现很重要,如果没有这个发现,那么后来的氢气球就不会上天,氢弹也不会爆炸。

【凡士林的故事】

1859年,只有20岁的美国药剂师切斯博罗,有一次去参观宾州新发现的油田。在参观当中,他发现石油工人们非常讨厌杆腊,因为它常常影响工作进度。工人们告诉他说,杆腊是油井抽杆上的蜡垢,是一种毫无用处的废物,工人们必须经常清除这种废物,才能使抽油杆有效地工作。

切斯博罗当时就想,杆腊是和石油一起生成的矿物质,不会没有用途。于是便进一步问,这东西难道真的一点儿用处也没有吗?工人们告诉他杆腊对钻井或许是一无是处,但用它来治疗烫伤和割伤倒还有点用。切斯博罗听了喜出望外,马上收集了一些杆腊的样品带了回去。

他回去后,就开始研究净化这些渣滓的方法,经过反复试验,他终于从这些石油渣滓中提炼出一种油脂,并把它净化成半透明的膏状物。这些膏状物有什么用呢?因为他是个药剂师,自然往医药方面考虑。

有一次,他的手腕碰伤了,找来一盒药膏准备敷伤。可他打开药盒时,发现药膏变质了,上面有绿色的霉点。他向卖药的药房主管询问,主管说药膏是用动物油和植物油调制的,时间长了就要腐败。切斯博罗听了心中豁然开朗。

切斯博罗弄来了一些药物,开始用他的油膏做调制药膏的实验。第一个试用的就是自己。为了完善这项发明,他还不只一次地把自己割伤、刮伤、烫伤,看看这种药膏对不同伤口的作用如何。经过一些改进,效果也都不错。

1870年,他完成了全部研究工作,建立了第一座制造这种油膏的工厂,并把油膏定名为“凡士林”。

故事启示

有些科学发现,虽属偶然,却是碰上了有心人的缘故。看似偶然,其实有它的必然性。你看,同样面对一些自然现象,有的人熟视无睹,有的人一眼就想到了其中的奥妙!为什么呢?这无疑也与其从事的职业或爱好有关。

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