chap.9 现代技术概论

自然科学概论

Chap. 9 技术科学§9.1 信息技术

§9.2 材料技术 §9.3 能源技术§9.4 空间技术 §9.5 海洋技术 §9.6 激光技术

自然科学概论科学是技术的理论基础，技术是科学的实

际应用。人类在不同的时代有不同的科学知识，不同的技术水平。进入20世纪以后，物理学发

生了革命，产生了相对论和量子力学。人类对自然界的认识由宏观物体的低速运动推进到微 观世界和高速运动的领域。物理学的飞跃促进 了各门科学的迅速发展，也引发了现代的技术 革命。

自然科学概论所谓高新技术，是指在这次技术革命中涌现出 来的、以科学的新成就为基础、对经济和社会 有重大影响的新兴技术。 高新技术是一个庞大 的技术群，主要包括信息技术、材料高新技术 是高知识、高效益的技术，对于经济的发展和 社会的进步具有重大的影响，因此也是衡量一 个国家的综合国力和发展水平的主要标志。

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§9.1 信息技术信息技术是关于信息的摄取、传输、处理 和应用的技术。信息技术是不断发展的，古代、 近代、现代的信息技术是大不相同的。自20世 纪60年代开始，由于微电子技术、电子计算机 技术的发展，使得信息的摄取、传递、加工、 存储等方面发生了重大的变化，逐步形成了现 代的信息技术。

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一、微电子技术1. 什么是微电子技术

微电子技术是微型的电子元件和电路的研 制、生产、集成的技术，是现代信息技术的基 础，也是电子计算机的核心技术。在微电子技 术中，最主要的是集成电路技术。正是由于集 成电路技术的不断发展，才形成了一门新兴的 微电子技术。

自然科学概论与传统的电子技术不同，微电子技术不但能使 电子设备和系统微型化，而且使电子设备和系 统的设计、工艺、封装等各方面发生了巨大的 变革。它把各种离散的元件组合在一个硅基片

中，构成一个系统，使得设计、工艺和使用的单位不再是元件，而是整个系统。

自然科学概论微电子技术是从晶体管开始的。1947年，美 国电话电报公司的科学家制成了第一支晶体 管，开始了晶体管代替电子管的时代，标志 着微电子技术的诞生。1958年，制成了第一 块集成电路，微电子产业便发展起来了。随 后，现代通信、网络等产业相继兴起，人类 社会便进入了信息时代。所以说，微电子技 术是现代信息社会的基石。

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2. 集成电路的发展 集成电路在十几年的发展中经历了小规模、

大规模、超大规模的集成时代，集成的数量越来越多，从最初的几十个增到几十亿个。集成

电路使得元件、线

路到整个系统成为一体化，于是电子设备的性能提高、价格降低、体积缩

小、能耗减少、迅速普及，改变了整个社会的生产和生活方式。

自然科学概论集成电路使用的原料主要是硅，现在的半 导体器件有95%是用硅制成的。硅材料有几大 优点；一是成本低廉，硅占地壳重量的27%, 取材极为方便。二是硅制的器件性能稳定，受 温度的影响小。三是硅的机械强度高，结晶性 好，提纯制取较为简易。因此，硅是制造集成

电路的优良材料。

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3.集成电路的应用 集成电路被成功地应用在计算机中。电子 计算机能成为信息科技的核心，很重要的一点 是使用了集成电路。在各行各业中，传统的技 术经过微电子改造就可以面目一新，效益大增。 例如工厂中各种数控设备的应用，使得加工水 平和管理水平得到了大幅度的提高。现在，微 电子芯片已经成为工业、农业、军事和家具的 细胞。

自然科学概论集成电路对国民经济的贡献远远高于其他类

的产品，不仅超过小汽车和彩电，而且超过计算机的贡献。几十年来，全球的集成电路产业

的产值以13%的年增长率持续上升，没有哪一个产业能与它匹敌。因此各国都在努力发展集成

电路技术，争取在国际竞争中占有一席之地。随着微电子技术的发展和微型计算机的应 用，信息技术达到了极其广泛的普及。人类进 入了一个崭新的信息时代。

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二、计算机技术1. 什么是计算机

计算机是由电子元件和系统软件组成的自 动化机器。现代的电子计算机不仅能完成算术 运算和逻辑操作，而且能进行数据处理、符号 处理、图形处理、文字处理和逻辑推理，用途 极为广泛。目前，计算机几乎运用到了所有的 行业和领域。

自然科学概论2. 计算机的诞生和发展

世界上的第一台电子计算机是1946年由美 国的宾夕法尼亚大学制成的。它的功率是150 千瓦，重量是30吨，运算速度是每秒钟5000次， 使用了18000多个电子管。它的诞生，在科学 技术史上具有划时代的意义。 计算机的发展已经有了四代的历史。第一 代是电子管计算机(1946—1956),第二代是 晶体管计算机(1956—1963),第三代是小规 模集成计算机(1964—1971),第四代是大规

自然科学概论 模集成计算机。第五代或许是光计算机、化学计算机、生物计算机、量子计算机、智能计算

机等，现在还难以预料。不过有一点是确定无疑的：新的里程碑就在前面。关于未来的计算 机，可以设想有这样一些特点：具有高性能微 处理器、具有网络计算机环境，具有图形和多 媒体技术

,具有标准通用的软件平台，具有自 然友好的人机界面，具有逻辑推理能力。

自然科学概论世界上第一台计算机“ENIAC”

冯.诺依曼

自然科学概论电子计算机是一种代替脑力劳动的机器。它的 运算速度快，处理的数据量大，远远超过人的 大脑。它也能模拟人的一部分智能活动，从事 一些创造性的活动。电子计算机的出现使人类 社会信息处理方式发生了根本性变化，改变了 现代社会的发展进程。因此，20世纪的技术革 命的核心技术是电子计算机。计算机的出现带 动了一大批高新技术的发展，把人类引入了信 息时代。

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三、通信技术1. 数据通信 电子计算机与通信技术相结合，产生了一 种新的通信方式——数据通信。数据通信是把 数据的传输和处理集为一体，实现数字信息的 接收、存储、处理和传输，并且对信息流加以 控制、校对和管理的一种通信方式。把计算机 与通信线路、通信设备结合起来，可以实现人 与计算机、计算机与计算机之间的通信，从而 极大地扩展了计算机的应用范围，提高了计算

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机的利用率，使得各个用户实现计算机的软件 资源和数据资源的共享。 数据通信的通信网可以作为专用数据网和 公共数据网。专用网的使用始于20世纪70年代 之前，公用网则是70年代以后发展起来的。公 用通信网一般采用分组交换和电路交换两种方 式；分组交换能提高电路的利用率，更灵活地 满足实时数据通信的要求。在通信发达的国家， 用户只要用一台袖珍电脑和国际直播电话线相 连，就可以与全球任何地方进行数据信息的交 换。

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2. 光纤通信 现代的第二种通信是光纤通信。光纤通信是 利用激光作为信息的载波，用光导纤维作为载 体的通信。1960年，激光技术问世，经过几年 的研究、发明了光纤这种光的传播媒介。光纤 是一根双层通信的石英玻璃丝，中心的一根玻 璃丝称为纤芯，光折射率较低，外层玻璃叫做 包层，光的折射率较高。由于纤芯与包层的折 射率有差别，光线便在纤芯与包层之间发生全 反射，于是光线被封闭在纤芯中通过全发射向 前传播。

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