机械领域的大科学装置

① 中国的发明有哪些

1、指南针：指南针是用以判别方位的一种简单仪器。前身是司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针(俗称吸铁石)。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的南极，利用这一性能可以辨别方向。

早在战国时期，中国先民已用天然磁石制成指示方向的司南之勺。三国魏时，马钧利用磁铁和差速齿轮制造了能指示方向的机械装置——指南车。宋代科学家沈括在其《梦溪笔谈》中记载了制作指向用的磁针的方法。

2、造纸术：蔡伦改进大约在3500多年前的商朝，中国就有了刻在龟甲和兽骨上的文字，称为甲骨文到了春秋时，用竹片和木片替代龟甲和兽骨，称为竹简和木牍。甲骨和简牍都很笨重，战国时思想家惠施喜欢读书，每次外出游学身后都跟着五辆装满竹简的大车，所以有学富五车的典故。

3、活字印刷术：它开始于隋朝的雕版印刷，经宋仁宗时的毕升发展、完善，产生了活字印刷，并由蒙古人传至了欧洲，所以后人称毕升为印刷术的始祖。中国的印刷术是人类近代文明的先导，为知识的广泛传播、交流创造了条件。

4、火药：火药作为人类掌握的第一类爆炸物，起源于中国古代的炼丹术。古代炼丹家们利用早在汉代就已掌握的金石药物硝、硫，经过长期的炼丹实践，至迟在唐宪宗元和三年（808）以前便已发明了火药 ，并在五代末北宋初用以造出纵火用的火药兵器。

经宋、元、明各代，火箭、火毬（火聤）、火铳等各种火器已达到成热的程度。火药的发明对世界科技的发展曾起重大作用，现代黑火药就是由中国古代火药发展而来的。

5、孔明灯：相传五代（公元907-960）时，有一名叫莘七娘的女子，随丈夫在福建打仗时，她曾用竹篾扎成方架，糊上纸，做成大灯，底盘上放置燃烧着的松脂，灯就靠热空气飞上天空，用作军事联络信号。这种松脂灯，在四川称孔明灯。相传这种灯笼的外形像诸葛亮戴的帽子，因而得名孔明灯。

② 达芬奇都发明了什么

列昂纳多·达·芬奇，意大利文艺复兴时期的一位画家,也是整个欧洲文艺复兴时期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃，学识渊博，多才多艺的美术家、雕塑家、建筑家、工程师、科学家、科学巨匠、文艺理论家、大哲学家、诗人、音乐家、和发明家。
1、 天文。达·芬奇对传统的“地球中心说”持否定的观点。他认为地球不是太阳系的中心，更不是宇宙的中心，而只是一颗绕太阳运转的行星，太阳本身是不运动的。达·芬奇还认为月亮自身并不发光，他只是反射太阳的光辉。他的这些观点的提出早于哥白尼“太阳中心说”。甚至在当时，达·芬奇就幻想利用太阳能了。
2、物理。达·芬奇重新发现了液体压力的概念，提出了连通器原理。他指出：在连通器内，同一液体的液面高度是相同的，不同液体的液面高度不同，液体的高度与密度成反比。他发现了惯性原理，后来为伽利略的实验所证明。他认为一个抛射体最初是沿倾斜的直线上升，在引力和冲力的混合作用下作曲线位移，最后冲力耗尽，在引力的作用下作垂直下落运动。他的这一发现使亚里士多德的落体学说产生了动摇。他发展了杠杆原理，除推导出作用力与臂长关系外，还算出了速度与臂长的关系。他指出了“永动机”作为能源的不可能性。达·芬奇还预示了物质的原子原理，形象生动的描述了原子能的威力：“那东西将从地底下爆起，……使人在无声的气息中突然死去，城堡也遭到彻底毁坏，看起来在空中似乎有破坏力。”
3、医学。达·芬奇在解剖学和生理学上也取得了巨大的成就，被认为是近代生理解剖学的始祖。他掌握了人体解剖知识，从解剖学入手，研究了生理学和医学。他最先采用蜡来表现人脑的内部结构，也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。他发现了血液的功能，认为血液对人体起着新陈代谢的作用。他说血液不断的改造全身，把养料带到身体需要的各个部分，再把体内废物带走。达·芬奇研究过心脏，他发现心脏有四个腔，并画出了心脏瓣膜。他认为老年人的死因之一是动脉硬化，而产生动脉硬化的原因是缺乏运动。后来，英国的威廉．哈维证实和发展了达·芬奇的这些生理学成果。
4、建筑。在建筑方面，达·芬奇表现出卓越的才华。他设计过桥梁、教堂、圆屋顶建筑和城市下水道。在城市街道设计中，他将车马道和人行道分开；设计城市建筑时，具体规定了房屋的高度和街道的宽度。米兰的护城河就是他设计和建造的。
5、水利工程。达·芬奇对水利学的研究比意大利的学者克斯铁列早一个世纪。为了排除泥沙，他作了疏通亚诺河的施工计划。他设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。由他经手建造的一些水库、水闸、拦水坝便利了农田灌溉，推动了农业生产的发展。有些水利设施至今仍在发挥作用。
6、军事和机械。达·芬奇的研究和发明还涉及到军事和机械方面，他发明了飞行机械、直升飞机、降落伞、机关枪、手榴弹、坦克车、潜水艇、双层船壳战舰、起重机等等。
7、地质学。达·芬奇根据高山上有海中动物化石的事实推断出地壳有过变动，指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明，这个思想与300年后赫顿在地质学方面的发现颇为近似。并且在麦哲伦环球航行之前，他就计算出地球的直径为7000余英里。
他还在数学领域和水利工程等方面作出了重大的贡献。 可以说，达·芬奇的研究涉及到自然科学的每一部门，他的思想和才能深入到人类知识的各个领域。他是世界上少有的全面发展的学者。但是，达·芬奇的大多数著作和手稿都没有发表，直到他逝世后多年才被世人所发现。科学史家丹皮尔这样评论达·芬奇，“如果他当初发表他的著作的话，科学本来一定会一下就跳到一百年以后的局面。”
8、他是直升机之祖
这位文艺复兴时期的天才早在莱特兄弟之前就有可能开创人类飞行的历史。
“如果他当初发表了他的著作的话，科学一定会一下就跳到一百年以后的局面。猜测这种情况对人类的学术与社会的进步，当然是毫无用处的，但是我们可以万无一失地说，如果真有这种情况发生的话，人类的学术和社会的演变一定都会大不相同，”科学史家丹皮尔津津乐道的这位科学巨人正是达·芬奇。
事实上，达·芬奇时代的人们也与前人一样，有着飞行的梦想。在佛罗伦萨呆了一段时间后，达·芬奇又来到米兰。1483至1486年期间，达·芬奇绘制了一幅飞行器草图。
在达·芬奇的设想中，这是一种依靠飞行员自身提供动力来驱动的飞行器。这位天才称自己的设计为“扑翼飞机”，达·芬奇让自己的飞机同时具备了推动力和提升力。
让我们姑且根据达·芬奇画的草图来还原出这架飞机。飞机的外形由木头、帆布等当时的材料制成，在飞行器两侧是一双膜状的翅膀，结构和形状酷似蝙蝠或翼龙，这双翅膀展翼可以达到11米。飞行员背负着这个巨大的飞行器，通过不停地踩动一个动力滑轮来驱动，而这个推动力又通过手摇曲轴得到放大，同时向提升装置提供动力。
设计出这款飞机时，达·芬奇心中一直有个理念：只要力量足够就可以飞行。看来，这位文艺复兴时期的天才早在莱特兄弟之前就有可能开创人类飞行的历史。事实上，这个最早的飞行器的机械设计十分完美，但是，由于人自身所提供的动力和飞行器本身的自重相比不成比例，是无法实际应用的。事实上，达·芬奇称自己的发明也是提供一个直升动力，而不是真正能工作的飞机。直到今天，人们还将达·芬奇的设计视为直升机的先祖。
9、他设计出初级机器人
更为奇妙的是，达·芬奇还设计了一套方法以做心脏修复手术。
达·芬奇曾自称自己没有受过书本教育，大自然才是他真正的老师。而认识自然，认识自己。这位文艺复兴时期的天才不遗余力地履行着。为了认识人类自身，达·芬奇亲自解剖了几十具尸体，对人体骨骼、肌肉、关节以及内脏器官进行了精确了解和绘制。
在多次解剖后，达·芬奇发现了血液对人体所起到的新陈代谢作用，血液把营养带到身体的各个部分，又把废物从各部分带走。在具体的解剖观察中，达·芬奇发现了心脏由4个腔组成并画出了心脏瓣膜图。
事实上，当年达·芬奇连人体循环系统工作机理的一点概念都没有。更为神奇的是，2005年，一名英国外科医生还利用达·芬奇设计的方法做心脏修复手术。不过，解剖学的研究在当时并没有给达·芬奇带来声誉，而是遭到了无数的诽谤。
不过，就是对人体的这种深入了解，达·芬奇在手稿中甚至绘制了西方文明世界的第一款人形机器人。
达·芬奇赋予了这个机器人以木头、皮革和金属的外壳。而如何让机器人动起来，才是让达·芬奇大伤脑筋的。在达·芬奇的构想中，他想到了用下部的齿轮作为驱动装置。由此通过两个机械杆的齿轮再与胸部的一个圆盘齿轮咬合，机器人的胳膊就可以挥舞，坐或者站立。更绝的是，再通过一个传动杆与头部相连，头部就可以转动甚至可以开合下颌。而一旦配备了自动鼓装置后，这个机器人甚至还可以发出声音。
原来，500多年前，就已经有了机器人的雏形。
10、点燃现代汽车发明灵感之火的正是这辆“达·芬奇汽车”。
达·芬奇长达7000多页的手稿(现存约5000多页)至今仍在影响科学研究，他就是一位现代世界的预言家，而他的手稿页被称为一部15世纪科学技术的真正网络全书。
很早，达·芬奇就对当时的四轮马车不满。在他的科学世界中，早就有了汽车的影子。事实上，点燃现代汽车发明灵感之火的正是这辆“达·芬奇汽车”。
既然是汽车就要考虑动力问题，达·芬奇在汽车中部安装了两根弹簧以解决这个问题。人力转动车的后轮使得各个齿轮相互咬合，弹簧绷紧就产生了力，再通过杠杆作用将力传递到轮子上。
那么怎么控制车速呢？达·芬奇也想到了。他在车身上安装了一个圆盘装置，圆盘表面设置了很多方形的木块，和每个轮子连接的铁杆另一端与圆盘相接，这就是用于控制车速的装置。圆盘扇放置的木块数量越多，与铁杆之间的摩擦就会越大，阻力也越大，轮子的运转速度越慢，行驶的距离越长。
当然，达·芬奇也想到了刹车装置。位于齿轮之间有一个木块，拉动绳索将木块卡在齿轮之间，车就可以停止。不过，这辆汽车不能载人，因为仅靠弹簧的动力根本无法行驶很长的距离。
同时，达·芬奇还将弹簧巧妙地运用在了钟表设计上。后来大型钟表采用的原理，就是出自达·芬奇的设想。只是在这个设想中，弹簧的弹力被物体的重力所代替，物体向下的重力通过众多齿轮咬合作用被均匀传递，钟表便得以保持匀速运动。
此外，挖河机、潜水机、起重机、照相机、加热机、温度计……达·芬奇曾有过无数的发明设计。而这些发明足足可以让我们的世界科学文明进程提前100年。
11、对机械世界痴迷不已
水下呼吸装置、拉动装置，发条传动装置、滚珠装置、反向螺旋、差动螺旋、纺织物扩张器……达·芬奇将他无数的奇思妙想呈现在世人面前。故事的开头不得不说起达·芬奇初到佛罗伦萨学画的经历。事实上，这段经历开启了艺术家达·芬奇的大门，也开启了科学家达·芬奇的大门。
1460年，达·芬奇随父亲来到佛罗伦萨，开始了他的学徒生涯，同时开始学画。学画的达·芬奇参与安装佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂穹顶灯塔上巨型铜球，由此接触并感受到了各式各样机械系统的神奇。
佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂是文艺复兴建筑的开端。达·芬奇在安装穹顶灯塔上巨型铜球时，亲眼目睹了三速提升机等机械装置的效率，深感其中的神奇。由此，布鲁内莱斯基的机械系统设计理念对达·芬奇产生了很大影响。当时一批“锡耶纳工程师”对达·芬奇的科学世界也产生了重要影响。
而锡耶纳的工程师们设计的一种外形像船的河道淤泥挖掘机，用来清除浅水狂口的沙砾和淤泥，还有一种能够提高装载量又加快行驶速度的桨叶船，这些锡耶纳工程师的发明，让达·芬奇对机械的魔力产生了巨大的兴趣。
从此，达·芬奇对机械世界痴迷不已。

③ 科学博览馆里经常展出的静电球，人一摸就变爆炸头的那个，到底是通过什么方式是那个大球球带上电的，

那个静电球应该叫做范德格拉夫起电机，又称范德格拉夫加速器，是一种用来产生静电高压的装置。范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压，现代的范德格拉夫起电机电势可达500万伏特。

我们可以站在绝缘的椅子上，用手按着起电机的球形金属罩。由于人的身体也可导电，所以当起电机启动时，电荷便传到我们的身体上。而因为头发上的电荷互相排斥，头发便竖立起来。

结构如图，空心金属圆球A放在绝缘圆柱 C 上，圆柱内B为由电动机带动上下运动的丝带（绝缘传送带），金属针尖 E 与数万伏的直流电源相接，电源另一端接地，由于针尖的放电作用，电荷将不断地被喷送到传送带B上。另一金属针尖F与导体球 A 的内表面相联。

当带电的传送带转动到针尖 F 附近时，由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到针尖 F 上，进而移至导体球A的外表面，使导体球A带电。随着传送带不断运转，A球上的电量越来越多，电势也不断增加。通常半径为1米的金属球可产生约 1 兆伏（对地）的高电压。

为了减少大气中的漏电，提高电压，减小体积，可将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐之中。

产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源，产生负极性电的则可用于高穿透性的 X 射线发生器中。

(3)机械领域的大科学装置扩展阅读：

范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压。在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。此外，这种起电机也可用来演示很多有趣的静电现象，如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使风车旋转等。

在日常生活中有很多静电的应用，像复印机、静电除尘器、静电喷漆。此外，认识静电使我们避免它可带来的危险，例如在运载易燃物品的车辆尾端系上接地铁链，把电荷传到地面，以免电火花引致火灾。同一道理，医院的手术室里，因为时常应用氧气和易燃的麻醉药物，所以地板通常是抗静电的，而所有机器亦需接地，以免火花引发爆炸。