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第3章 材料類發明(3)

唐朝末年,火藥已被用于軍事。據北宋史學家路振的《九國志》記載,904年,五代十國時(五代指后梁、后唐、后晉、后漢、后周,十國指吳、前蜀、吳越、楚、閩、南漢、荊南、后蜀、南唐、北漢)吳國的將領鄭璠率軍攻打豫章(今江西南昌),用飛火燒毀該城的龍沙門。這可能是有關用火藥攻城的最早記載了。

到了宋代,戰爭接連不斷,更是促進了火藥武器的加速發展。據《宋史·兵記》中記載:970年,兵部令史馮繼升創造了火箭法。這種方法是在箭桿的前端縛上火藥筒,點燃后利用火藥燃燒向后噴出氣體而產生的反作用力把箭簇射出,這是世界上最早的噴射火器。

火藥燃燒起來相當激烈,如果在密閉的容器內燃燒就會發生爆炸。由于火藥燃燒時會產生大量的氣體(氮氣、二氧化碳)和熱量,原來體積很小的固體火藥,一經燃燒體積就會突然膨脹,猛增至幾千倍,這樣就會使容器發生爆炸。這就是火藥的爆炸性能。利用火藥燃燒和爆炸的性能,人們制造出了各種各樣的火器。

北宋時期使用的火藥兵器都是利用黑火藥的燃燒爆炸原理而制造的。北宋末年,爆炸威力較大的火器也出現了,比如“霹靂炮”和“震天雷”。這類火器主要是用于守城或攻堅。1126年,宋朝將領李綱鎮守河南開封時,就曾用霹靂炮擊退了金兵的圍攻。

震天雷是一種是鐵殼類的爆炸性兵器。元兵攻打金國的南京(今河南開封),金兵守城時就曾使用了這種武器。《金史》中對震天雷有著這樣描述:“火藥發作,聲如雷震,熱力達半畝之上,人與牛皮皆碎并無跡,甲鐵皆透”。這樣描述可能有一點夸張,但卻說明了火藥的威力之大。

在8-9世紀時,硝由中國傳到了阿拉伯。當時的阿拉伯人稱它為“中國雪”,而波斯人稱它為“中國鹽”。

13世紀,火藥由商人經印度傳入阿拉伯國家,并由阿拉伯國家傳于希臘及歐洲。從此,歐洲人逐步地掌握了制造火藥及火藥兵器的技術。

對于火藥和火藥武器傳入歐洲,恩格斯這樣說道:“以前一直攻不破的貴族城堡的石墻抵不住市民的大炮,市民的子彈射穿了騎士的盔甲。貴族的統治跟身穿鎧甲的貴族騎兵同歸于盡了。隨著資本主義的發展,新的精銳的火炮在歐洲的工廠中制造出來,裝備著威力強大的艦隊,揚帆出航,去征服新的殖民地……”可見,火藥的發明為人類帶來的是福還是禍,最終還是要取決于它的使用者。

⊙奇跡探秘:

2.煉丹術是如何產生的?

煉丹術的產生,有其一定的社會背景。當封建社會發展到一定階段時,隨著生產力的逐漸提高,統治者對物質享受的要求也越來越多。帝王和貴族們產生了兩種奢望:一是希望自己能夠掌握更的錢財,以供它們享樂;二是希望可以長生不老,使他們的統治可以一勞永逸。

煉丹術由此應運而生,并分為兩大類:一種是煉制“仙丹”,以求長生;另一種是,點化金銀,希望能將普通金屬通過煉制轉化為金、銀等貴重金屬。

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【火藥的分類】

火藥是武器用以發射彈丸的能源,按用途的不同可分為發射藥、點火藥和固體推進劑。按火藥的成型工藝可分為:混合火藥、鑄造火藥和壓制火藥等。按它燃燒時的外部特征的不同可分為無煙藥與有煙藥。按照它揮發性的不同可分為易揮發性火藥和難揮發性火藥。按照火藥的結構還可分為均質火藥和異質火藥。因為結構的不同,它的工藝性質、燃燒性質和物理力學性能等均有顯著差別。

知識百科

【四大發明】

中國的四大古發明指的是指南針、造紙術、火藥和活字印刷術四種對世界具有很大影響的發明。四大發明是使中國成為四大文明古國的重要標志之一,推動了中國古代的政治、經濟、文化的發展,并且對世界文明的發展史也產生了非常大的影響。

5.玻璃

奇跡概覽

玻璃,在中國古代也被稱作琉璃,它是一種透明、不透氣的固體物質材料,且強度及硬度頗高。玻璃很難與其他物質反應,所以在我們的日常生活中,玻璃制品的用途十分廣泛,如遮風擋雨的門窗玻璃、交通工具中的擋風玻璃、觀察用的望遠鏡、顯微鏡,甚至孩子的玩具玻璃球等。可以說,我們的生活離不開玻璃制品。

⊙奇跡探秘:

1.玻璃在我們的生活中占有重要的位置,那么,最早的玻璃是如何出現的呢?

沒有人確切地知道玻璃是在何時、何地首先被制造出來的。只是,據考古記載,在公元前2600年左右,它出現于美索不達米亞(現今伊拉克)或埃及的早期文明中心地之一。

制造玻璃的技術,是埃及人和美索布達米亞人在公元前3400-公元前2500年發明的。究其起源,可能是他們在制陶中,從無意到有意地將天然堿與石英砂混合后焙燒,得到原始的粗制玻璃。那時的玻璃幾乎全都帶色,且不很透明。

2.中國最早的玻璃制品是什么時候發明的?

1965年,在我國河南出土了一件商代青釉印紋尊,尊口有深綠厚而透明的五塊玻璃釉。1975年,在寶雞茹家莊西周早、中期墓葬里出土了上千件琉璃管、珠等玻璃制品。

中國的玻璃發明要比埃及的晚,于商代(前1600-前1046)開始萌芽,最遲在西周(前1046-前771)開始燒制。而且我國玻璃的發明,應該和燒制陶瓷與冶煉青銅有關,制陶或制銅器的工藝師傅也就成了發明人。不過,我國早期的玻璃并不叫“玻璃”,古人稱它為璆琳、琉璃、璢璃、璧流離、藥玉、水精、罐子玉、玻瓈、料器等,到了清代才稱玻璃。

位于山東省中部博山縣內的顏神鎮,從元至清一直為我國玻璃的重要產地。在該地發現的元末明初的玻璃作坊遺址,是中國迄今為止發現的最早的玻璃作坊。

走近奇跡

玻璃最初是由火山噴出的酸性巖凝固而得來的。有人相信,從石器時代起,就已經開始使用天然的火山玻璃。

古羅馬普林尼(23或24一79)的《博物志》曾經記載,3000多年前,古代地中海沿岸民族腓尼基人,在海灘上用天然蘇打支鍋做飯。后來有人在無意中發現,天然蘇打和海灘上的石英砂經火燒后變成了玻璃。于是,腓尼基人就開始秘密大規模生產玻璃制品,并將制品賣到世界各地,發了一筆橫財。

而據考古記載,古埃及人約在公元前3700年前,就已經能制出玻璃裝飾品和簡單的玻璃器皿,但由于知識與技術的缺乏,當時只有有色玻璃。到了約公元前1000 年前,我國古代勞動人民才制造出無色的玻璃。

公元前200年,巴比倫人又發明了玻璃吹管制玻璃的方法,接著這個方法傳入了羅馬。大約在4世紀,羅馬人已經開始把玻璃應用在門窗上。

后來玻璃制造的技術繼續不斷發展,11世紀,德國發明出了制造平面玻璃的技術。他們先是把玻璃吹成球狀,然后造成圓筒型,在玻璃仍熱時切開、攤平。這種技術后來在13世紀的威尼斯得到了進一步改良。

12世紀的時候,世界上出現了商品玻璃,并開始成為工業材料。而在14世紀的時候,意大利的威尼斯成為了歐洲的玻璃制造中心,很多用玻璃做成的餐具、器皿等都是由威尼斯制作。到17世紀下半葉,意大利玻璃制造商通過在石英砂溶液中加入一定比例的鉛,由此發明了“人工水晶”又稱為“水晶玻璃”,這成為了玻璃發展史上的重要里程碑,同時也迎來了意大利玻璃的鼎盛時期。

盡管曾經有一段時間,意大利對自己的制造技術嚴格保密,但卻沒能阻擋玻璃制造技術的迅猛發展。1688年,制作大塊玻璃的工藝被發明了出來,從此,玻璃成了普通的物品。而1827年發明的玻璃壓印機器,更始拓寬了大規模生產廉價玻璃器具的道路。

后來,為了適應研制望遠鏡的需要,人們又制造出了光學玻璃。1873年,比利時首先制出平板玻璃。1906年,美國制出平板玻璃引上機。1920年,發明了可以在模具上加上雕刻的辦法,而且還可以使用不同顏色的玻璃,于是在1930年以后,大量生產的廉價玻璃器具逐漸出現。

我國也在西周時候開始制造玻璃。考古專家在西周的古墓中曾發現過玻璃管、玻璃珠等物品。南北朝以前,我國對以火燒成的玻璃質透明物為“琉璃”。不過,當時很多的“琉璃”嚴格上來說,并不屬于現代所說的玻璃。

隨著玻璃生產的工業化和規模化,各種用途和各種性能的玻璃相繼問世。現代,我們所使用的玻璃是由石英砂、純堿、長石及石灰石經高溫制成的。而玻璃也已成為日常生活、生產和科學技術領域的重要材料,被廣泛應用于建筑、日用、醫療、化學、電子、儀表、核工程等領域。

⊙奇跡探秘:

3.現在我們用的一些玻璃比如普通玻璃、強化玻璃,它們又是如何被制造出來的?

現在我們所用的大約90%的平面玻璃,都是由1950年皮爾金頓玻璃公司的阿士達·皮爾金頓爵士發明的“浮法玻璃”方法制成的。這種玻璃也叫“退火玻璃”,方法是把玻璃溶液倒進一缸溶解的錫內,玻璃浮上錫面后自然形成兩邊平滑的表面,慢慢冷卻及成長帶狀離開錫缸。之后按照各種標準厚度過火打磨,便成為接近完全平的玻璃。

這種玻璃是民用建筑的最好玻璃,但它有一個缺點,破裂時會成為大塊鋒利的碎片,會造成人員傷亡。因此,人們又發明出了強化玻璃。

強化玻璃是由退火玻璃經熱處理而成的。切割好的退火玻璃被放在滾筒桌上,推入超過退火溫度600℃的焗爐,然后經空氣迅速冷卻。玻璃表面被冷卻至退火溫度以下,快速硬化及收縮;而玻璃內部則在短時間內仍作流動。當玻璃內部收縮,會在表面造成壓應力,玻璃外部則成張應力。

強化玻璃在建筑上的用途很多,玻璃門、玻璃幕墻、負重的玻璃等都經常使用它。但是它也有缺點,如果其上出現任何損壞或裂痕,因為內部應力平衡作用,整塊玻璃都會碎成指甲大小沒有尖角的碎片,而且還有可能發生爆裂。與退火玻璃相比,強化玻璃的硬度也較低,容易被刮花。

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【玻璃的成分】

普通玻璃主要是非晶的二氧化硅(SiO2),就是石英或砂的化學成分。制造玻璃時一般會加入兩種材料碳酸鈉(蘇打粉)及碳酸鉀(鉀堿)來使硅降溫。而且通常還要加入適量的氧化鈣CaO,使玻璃不溶于水。

常見的玻璃通常也會加入其他成分,以達到不同的用途和效果。例如,看起來十分閃爍耀眼的水晶玻璃,是在玻璃內加入使玻璃折射指數增加的鉛;制造光學鏡頭的玻璃,可以加入鋇來增加玻璃的折射指數;至于高精密的光學鏡頭則是加入釷的氧化物,來大幅增加折射指數;倘若要玻璃吸收紅外線,可以加入鐵;而玻璃加入鈰則會吸收紫外線。

至于玻璃顏色的改變,則是因為其中加入了各種金屬和金屬氧化物。例如,適量的錳或硒可以產生淡紫色的玻璃,藍色的玻璃中含有少量的鈷,等等。

知識百科

【玻璃為什么是透明的】

在生活中,許多固體都不透明,但大多數氣體、液體都是透明的。因為,當一種物質呈固態時,分子間的排列通常都整齊有序,彼此的聯結也十分牢固。因此光波無法從中透過,照到這些物體上的光波會被反射、散射或吸收。而當物質為液態或氣態時,分子間的聯結強度沒那么高,分子也呈隨機狀態排列。部分光波就可以從縫隙或孔洞中穿過。物質中的分子排列越是無序,光線就越容易穿過。這就是光可以透過液體和氣體的最根本的原因。

組成任何物質的分子都是由許多原子結合在一起的,這些原子通常帶有很多電子。當光子與這些電子發生作用時,可能會發生以下情況:電子吸收光子的能量并將其轉化為其他形式(通常是轉化為熱能);電子吸收并保存光子的能量(這樣會引起發光現象,儲能時間較短時稱為熒光,儲能時間較長時稱為磷光);電子吸收光子的能量并將其沿入射方向發射回去(反射);電子不吸收光子的能量時,光子繼續沿其路徑傳播(透過)。

在玻璃的制造過程中,用作冷卻劑的材料可使玻璃的分子排列呈無序狀態,其所含電子不吸收可見光的光子能量。這就是玻璃透明的原因。

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