它们是如何工作的

篇探索宇宙奥秘的“神器”

穿梭太空的航天飞机

V-2 火箭是怎样造访太空的？

世界颗人造地球卫星

“东方”1 号飞船与首次载人飞行

漫步太阳系的“旅行者”2 号探测器

“太空之眼”：哈勃太空望远镜

火星探测器如何在火星上探测？

推力超强的“土星”5 号火箭

“先驱者”11 号太空探测器

太空船是开在太空中的飞机吗？

美国的颗人造地球卫星“探险者”1 号

国际空间站是做什么用的？

第二章

能源的神奇转化和利用

化石燃料发电厂是如何发电的？

水力发电厂的工作原理

核电厂的能量是从哪里来的？

核聚变反应堆的工作原理是怎样的？

潮汐发电厂是怎样设计运行的？

怎样利用地热能？

发电机的原理是什么？

风力涡轮发电机是如何运转的？

如何进行煤矿开采？

燃料电池和电动机的原理是什么？

废物可以变成生物质能吗？

太阳能电池板如何化光热为电能？

原油是怎样开采出来的？

第三章让人体正常运转的“卫士”

人体的防卫系统是怎样保护我们的？

怎样通过人工呼吸来急救？

为什么超声波能用来检查身体？

X 光机是如何使身体“透明”的？

CAT 扫描如何能形成三维图像？

核磁共振扫描仪的工作原理是怎样的？

为什么矫正眼镜能矫正视力？

血液是如何循环的？

人造心脏是怎样延续生命的？

怎样利用克隆技术克隆生物？

第四章

各具神威的武器装备

机枪是如何发射子弹的？

夜视仪能够夜视的原理是什么？

防弹衣是怎样防弹的？

军用气垫船是水陆两用的吗？

潜艇为什么被称作“水下幽灵”？

为什么防毒面具能够过滤有毒物质？

电击枪是如何用来自卫防身的？

军队如何利用伪装来隐藏人员和装备？

F-35B 闪电战斗机是如何工作的？

鹞式战斗机是如何打击敌人的？

隐身轰炸机是怎样躲过雷达的？

怎样引爆手榴弹？

反人员是如何爆炸的？

“阿帕奇”直升机为何如此强大？

航空母舰为何叫作“海上移动城堡”？

喷火器是怎样喷出火焰的？

为什么核弹具有毁灭性的破坏力？

第五章

凝聚人类智慧的生产工具

钢铁是怎样炼成的？

液压系统为什么能够驱动液压机？

“生命之钳”各有什么功用？

滑移装载机分为哪些部分？

反铲装载机怎么那么牛？

造雪机造雪的秘密是什么？

怎样利用印刷术印刷报刊书籍？

冰块是怎样在制冰机中制成的？

激光器靠什么发射激光？

钻石是怎样形成并被切割的？

怎样把绝缘体变成半导体？

LED 是怎样做到高效节能的？

怎样制造大屏幕电视？

等离子显示器是如何成像的？

第六章

公共设施的“产品说明书”

油轮与其他轮船有什么不同？

深海潜水器是怎样工作的？

巨无霸空客A380 如何飞上天？

未来人们怎样环保出行？

消防车的各部分是如何工作的？

公交车是怎么运行的？

铰接式卡车如何确保货物安全？

自动扶梯是怎样向上移动的？

水塔是怎样解决用水紧张的？

摩天大楼是怎样设计建造的？

邮轮是怎么在海上行驶的？

抢修车是怎样及时抢修车辆的？

桥梁为什么能够转移压力？

垃圾填埋场如何处理垃圾？

腐化池是怎样处理废水的？

第七章

电子通信设备里的高科技

虚拟现实是怎么营造出来的？

手机是怎样传达信息的？

为什么雷达测速仪能检查超速驾驶？

利用IP 电话通话的原理是什么？

雷达应用的原理是什么？

为什么能通过远程输入来控制汽车？

卫星导航系统是怎样帮人找到路的？

摄像头是怎样进行监控的？

个人电脑的智能从何而来？

无线话筒的原理是什么？

浪涌电压保护器如何保护电器？

扫描仪为什么能扫描文件？

办公：打印机

电子计算器为何号称“运算专家”？

传真机为什么能远程传送文件？

第八章

“解剖”身边的生活娱乐设施

灭火器为什么能灭火？

热水器能将水烧热的原因是什么？

洗衣机为什么能又快又好地洗衣服？

缝纫机为什么能穿针引线？

真空吸尘器是怎么除灰尘的？

荧光灯为什么能发光？

来拆一拆我们的自行车

旅行摩托车为什么那么方便？

为什么人人都爱家庭轿车？

跑车为什么那么炫酷？

高性能滑翔机是怎么飞起来的？

四轮驱动越野车

结实耐用的小型货车

摩托艇是如何劈波斩浪的？

F1 赛车冲刺的秘密是什么？

家庭影院是如何制造影院效果的？

未来的节能建筑是怎样的？

怎样利用烤架烧烤食物？

怎样利用锁来保障安全？

水枪是如何向外喷水的？

为何溜溜球能够自动回到手中？

也许你并没有注意到，我们的生活里充满了各种“奇迹”——那些有趣的工具和奇妙的机器，那些常见的公共设施，以及身边的各类科技产品……正是因为它们，我们的生活才变得如此舒适美好。不信？那就来数数你每天都会与多少“不说话的朋友”碰头吧：一大早，你的手机就会以优美的铃声叫你起床；你用热水器里流出的热水洗了洗脸，驱散了清晨的疲倦；吃完早饭，你坐上公交车或者骑上自行车，向学校赶去；在学校里，你听着老师用电脑制作的PPT讲课，快乐地学习；课间休息了，你拿出音乐播放器听歌，放松疲惫的大脑；放学回家的路上，你发现美丽的风景，欣喜地用数码相机为它们拍了照；回到家，妈妈正在用吸尘器打扫房间；进到房间，你打开电脑开始做老师留的家庭作业，并给老师发了邮件；晚饭前，爸爸开着车，用卫星导航系统找到了去餐馆的路；晚上躺在床上，你梦见自己驾驶着宇宙飞船在广阔的太空中任意遨游……你看，大到卫星导航系统、虚拟现实网络这些巨无霸，小到吸尘器、音乐播放器这些小玩意；从我们日常生活离不开的各种电器，到社会发展必须的各类能源、信息系统，都是对我们至关重要的，都是我们生活里的组成部分。不过，你有没有想过，这些有用又有趣的“家伙们”是如何工作的呢？

《它们是如何工作的》这本书，就是要为你揭示生活中常见事物的运转秘密，告诉你它们的工作原理。本书不仅用通俗易懂的语言解答了那些常常藏在你心里的“为什么”和“怎么会”，还配上了很多形象又直观的图片，让你直接窥视世间万物的内部结构，非常简单明了。全书分为探索宇宙奥秘的“神器”、能源的神奇转化和利用、让人体正常运转的“卫士”、各具神威的武器装备、凝聚人类智慧的生产工具、公共设施的“产品说明书”、电子通信设备里的高科技、“解剖”身边的生活娱乐设施几大部分，分类图解，把你心里的诸多“为什么”变成“原来是这样啊”。

当然，这本书是不会刻板教条地讲述原理、灌输知识的，书中不仅有趣味性极浓的科学原理讲解，还穿插了一些科学趣闻、发明小故事；不仅有现代科学技术的解读，还有未来发展趋势的畅想；不仅有原理简单却不浅显的解释，还有实物内部部件解说；不仅有该类科技的由来，还有同类技术应用的链接……这样一本简单而不枯燥、全面而不艰涩的科普读物，带给你一种身临其境、趣味纷呈的感觉。

愿本书能带你直观感受科技奥秘，带你步入科学的殿堂，享受一场“科技盛宴”。

激光器靠什么发射激光？

激光器广泛应用于各种产品和技术。CD 播放机、牙钻、高速金属切割机和测量系统中，都装有激光器。

上面列举的所有设备都使用了激光器。那么，激光器究竟是什么？又是什么使得激光束不同于手电光束呢？

原子的基本知识

宇宙中自然生成的原子大概只有92 种。我们看到的所有物体都是由这92 种原子按照无限多的方式组合而成的。这些原子排列和组合的方式决定了它们形成的是一杯水、一块金属，还是一些从汽水里冒出的气泡。

原子处于永恒的运动中，它们不断地振动、移动和旋转。即使是构成坐椅的那些原子也处于不断的运动中。原子可以处于不同的激发状态。如果给原子提供大量的能量，它就会从基态能级上升为激发态能级。激发态能级的能级状态取决于通过热量、光或电的方式提供给原子的能量的多少。

简单的原子一般包含一个原子核，原子核中包含质子、中子以及由在轨道上运动的电子形成的电子云。我们不妨这样来想，在电子云中，电子绕着原子核在许多不同的轨道上转动。尽管现代科学不认为原子中的电子有各自单独的轨道，但如果我们把这些轨道想象成原子的不同能级，就能更好地理解原子了。换句话说就是，如果我们把原子加热，那些处于低能量轨道的电子可能就会跃迁至远离原子核的高能量轨道。

当电子跃迁至高能量轨道后，终还是要返回基态能级。当电子返回基态能级后，它就会以光子（光的粒子）的形式释放出能量。原子以光子形式释放能量的现象随处可见。举例来说，烤箱中的加热器会变成鲜艳的红色，这是因为热量激发原子释放出红色的光子，因此我们就会看到红色的光。当你观看电视画面时，你看到的其实是磷原子被高速运动的电子激发而发出的不同色彩的光。任何光源如荧光灯、汽灯、白炽灯，都是通过原子改变运动轨道、释放光子的方式发光的。

激光器与原子的关系

激光器是一种用来控制被激发原子释放光子的方式的器械。“激光器”一词在英文中是一种缩写, 概括性地指出了激光器的工作方式。

激光和普通光比如灯光或阳光截然不同。激光有以下几个特性。

☆ 激光是单色光。激光只有一种特定的波长（一种特定的颜色）。激光的波长取决于电子回落到能量较低的轨道时释放出的能量的多少。

☆ 激光是连续的。激光是“有组织的”，每个光子都与其他光子同步运动。也就是说，所有光子的波阵面都会同步发射。

☆ 激光的方向性好。激光的光束密实、强烈而且集中，而手电筒发出的光则向各个方向散射。因此，与激光相比，手电筒发出的光非常暗淡而且分散。

激光器产生激光的方式可以解释激光的这些特性。

尽管激光器的种类很多，但它们都具有一些共同的属性。在激光器中，产生激光的介质被“泵入”，使原子进入激发状态。通常，由极强的光束或电荷将产生激光的介质泵入，形成一个由激发状态的原子组成的原子群（这些原子都带有高能量的电子）。要使激光器高效工作，必须有这样一个处于激发状态的原子组成的大原子群。一般来说，原子的能级会被提升到高于基态能级2 级或3 级的能级状态。这样，就会提高粒子数反转的程度。粒子数反转比是指处于激发状态的电子数与处于基态能级的电子数之间的比率。

产生激光的介质被泵入后，它就包含了一个原子群，原子群中的一些电子处于激发能级。被激发的电子比处于基态的电子能量要高。电子吸收了部分能量达到激发状态，同时它又将这部分能量以光子（光能）的形式释放出来。释放出的光子波长（颜色）取决于光子被释放时电子的能量状态。两个同样的原子，如果电子所处的状态相同，就会释放出同样波长的光子。

激光的独特属性是由于受激辐射而形成的。在普通的手电筒中，不会发生受激辐射；在手电筒发出的光中，原子释放光子是随意而无序的。而在受激辐射中，光子的发射是有规律的。

对于一个由原子释放出的光子来说，它的波长取决于激发状态和基态之间的能量差。如果这个光子（含有一定的能量和位相）遇到另一个包含相同激发状态电子的原子，就会发生受激辐射。个光子激发第二个原子，发射出光子，光子的振动频率和方向与入射光子的频率和方向完全一致。

激光器的另一个特别之处是，在产生激光的介质两端各有一个镜子。具有特定波长和位相的光子在镜子上发生反射，因而会在产生激光的介质中间往复运动。在这一过程中，它们激发其他原子发射出光子。这样就会发生连带效应，很快就会出现许多具有相同波长和相的光子。激光器两端的镜子是半面涂银的，这就意味着这两个镜子只会反射一部分光，同时让另一些光通过。通过的光就是激光。

 

激光器的确令人惊叹，它可以将不可思议的巨大能量集中到一个光点上。下一次当你欣赏喜爱的CD，或者端详你朋友闪闪发光的订婚钻戒，或者去看牙医的时候，你一定会对这种用途广泛、性能卓著的技术有一个全新的理解和认识。

……