高二歷史：《改變世界的高新科技》練習題及答案2
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與無人航天器相比，載人飛船因有人直接參與航天活動而在技術上有一些特殊的問題。①環境控制:乘員生活和工作的艙段在結構上要求嚴格密封,艙內需要采取環境控制措施。環境控制的主要作用是調節艙內和航天服內的溫度、濕度和壓力，吸收人體新陳代謝的產物(例如呼出的二氧化碳，代謝作用產生的熱量和水蒸氣等)，控制艙內環境中含有的少量有害物質和臭氣，提供航天員所需的氧氣量、通風量、用水并處理廢物。②應急救生：載人飛船的救生裝置有彈射座椅、救生塔、分離座艙和載人機動裝置等在航天器各個飛行階段采用各種不同的應急救生手段：上升段采用彈射座椅或救生塔;返回段采用彈射座椅或分離座艙;軌道上營救時，由另一載人飛船靠近出故障的飛船，并與之對接，把乘員營救出來，或航天員乘坐載人機動裝置飛到另一載人飛船上去。③人工控制：由人參與操縱和控制飛船，可提高系統的可靠性，處理預料不到的應急情況，為此載人飛船都設有手動控制裝置。因自動系統失靈而靠手動方式返回地面已有實例。此外，為便于航天員工作，載人飛船上還設有儀表照明、目視觀測和話音通信等設備。④安全返回：為確保乘員安全返回，除靠熱防護層和座艙溫度控制外，載人飛船或返回艙在返回過程中的制動過載，必須限制在人的耐受范圍內，同時還要求較高的落點精度,以便及時發現。⑤高可靠性:為了保證高可靠性，載人飛船的各系統和設備均要進行可靠性設計，關鍵部件采用備份系統(雙備份或三備份)，飛船須在嚴格的環境條件下進行地面測試和模擬飛行試驗，以排除隱患。飛船的設計還要保證航天員在必要時能夠維修和置換有故障的設備。
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13.答案略
【能力測試】
1.閱讀下列材料：
材料一：人類第一臺電子計算機的誕生
1946年2月15日，世界上第一臺通用電子數字計算機“埃尼阿克”(ENIAC)宣告研制成功。“埃尼阿克”的成功，是計算機發展史上的一座紀念碑，是人類在發展計算技術的歷程中，到達的一個新的起點。“埃尼阿克”計算機的最初設計方案，是由36歲的美國工程師莫奇利于1943年提出的，計算機的主要任務是分析炮彈軌道。美國軍械部撥款支持研制工作，并建立一個專門研究小組，由莫奇利負責。總工程師由年僅24歲的埃克特擔任，組員格爾斯坦是位數學家，另外還有邏輯學家勃克斯。“埃尼阿克”共使用了18000個電子管，另加1500個繼電器以及其它器件，其總體積約90立方米，重達30噸，占地170平方米，需要用一間30多米長的大房間才能存放，是個地地道道的龐然大物。
這臺耗電量為140千瓦的計算機，運算速度為每秒5000次加法，或者400次乘法，比機械式的繼電器計算機快1000倍。當“埃尼阿克”公開展出時，一條炮彈的軌道用20秒鐘就算出來，比炮彈本身的飛行速度還快。埃尼阿克的存儲器是電子裝置，而不是靠轉動的“鼓”。它能夠在一天內完成幾千萬次乘法，大約相當于一個人用臺式計算機操作40年的工作量。它是按照十進制，而不是按照二進制來操作。但其中也用少量以二進制方式工作的電子管，因此機器在工作中不得不把十進制轉換為二進制，而在數據輸入、輸出時再變回十進制。
“埃尼阿克”最初是為了進行彈道計算而設計的專用計算機。但后來通過改變插入控制板里接線方式來解決各種不同的問題，而成為一臺通用機。它的一種改型機曾用于氫彈的研制。“埃尼阿克”程序采用外部插入式，每當進行軟件中心一項新的計算時，都要重新連接線路。有時幾分鐘或幾十分鐘的計算，要花幾小時或1-2天的時間進行線路連接準備，這是一個致命的弱點。它的另一個弱點是存儲量太小。
1996年2月15日，在“埃尼阿克”問世50周年之際，美國副總統戈爾在賓夕法尼亞大學舉行的隆重紀念儀式上，再次按動了這臺已沉睡了40年的龐大電子計算機的啟動電鈕。戈爾在向當年參加“埃尼阿克”的研制、如今仍健在科學家發表講話：“我謹向當年研制這臺計算機的先驅者們表示祝賀。”埃尼阿克上的兩排燈以準確的節閃爍到46，標志著它于1946年問世，然后又閃爍到96，標志計算機時代開始以來的50年。
——摘自互聯網
材料二：第二代電子計算機于20世紀50年代中斯問世，以晶體管代替電子管，并增加浮點運算
第二代電子計算機是用晶體管制造的計算機。在20世紀50年代之前，計算機都采用電子管作元件。電子管元件有許多明顯的缺點。例如，在運行時產生的熱量太多，可靠性較差，運算速度不快，價格昂貴，體積龐大，這些都使計算機發展受到限制。于是，晶體管開始被用來作計算機的元件。晶體管不僅能實現電子管的功能，又具有尺寸小，重量輕，壽命長，效率高，發熱少，功耗低等優點。使用了晶體管以后，電子線路的結構大大改觀，制造高速電子計算機的設想也就更容易實現了。
1954年，美國貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的計算機，取名“催迪克”(TRADIC)，裝有800個晶體管。1955年，美國在阿塔拉斯洲際導彈上裝備了以晶體管為主要元件的小型計算機。10年以后，在美國生產的同一型號的導彈中，由于改用集成電路元件，重量只有原來的1/100，體積與功耗減少到原來的1/300。
1958年，美國的IBM公司制成了第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501型。由于第二代計算機采用晶體管邏輯元件，及快速磁芯存儲器，計算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，主存儲器的存儲量，從幾千提高到10萬以上。1959年，IBM公司又生產出全部晶體管化的電子計算機IBM 7090。1958~1964年，晶體管電子計算機經歷了大范圍的發展過程。從印刷電路板到單元電路和隨機存儲器，從運算理論到程序設計語言，不斷的革新使晶體管電子計算機日臻完善。1961年，世界上最大的晶體管電子計算機ATLAS安裝完畢。1964年，中國制成了第一臺全晶體管電子計算機441—B型。
第一代電子計算機使用的是“定點運算制”，參與運算的絕對值必須小于1;而第二代電子計算機則增加了浮點運算，使數據的絕對值可達到2的幾十次方或幾百次方，使電子計算機的計算能力實現了一次飛躍。同時，用晶體管取代了電子管使第二代電子計算機的體積大大減小，壽命延長，價格降低，為電子計算機的廣泛應用創造了條件。
——摘自互聯網
材料三1964年4月IBM360系統問世。它成為使用集成電路的第三代電子計算機的著名代表。
第三代電子計算機是使用了集成電路的計算機。1958年，世界上第一個集成電路誕生時，只包括一個晶體管，兩個電阻和一個電阻—電容網絡。后來集成電路工藝日趨完善，集成電路所包含的元件數量以每1~2年翻一番的速度增長著。發展到70年代初期，大部分電路元件都已經以集成電路的形式出現。甚至，在想法拇指甲那樣大的約1平方厘米的芯片上，就可以集成上百萬個電子元件。因為它看起來只是一塊小小的硅片，因此人們常把它稱為芯片。與晶體管相比，集成電路的體積更小，功耗更低，而可靠性更高，造價更低廉，因此得到迅速發展。
1964年4月7日，美國IBM公司同時在14個國家，全美63個城市宣告，世界上第一個采用集成電路的通用計算機系列IBM 360系統研制成功，該系列有大，中，小，型計算機，共6個型號，它兼顧了科學計算和事務處理兩方面的應用，各種機器全都相互兼容，適用于各方面的用戶，具有全方位的特點，正如羅盤有360度刻度一樣，所以取名為360。它的研制開發經費高達50億美元，是研制第一顆原子彈的曼哈頓計劃的2.5倍。
IBM 360系統是最早使用集成電路元件的通用計算機系列，它開創了民用計算機使用集成電路的先例，計算機從此進入了集成電路時代。IBM 360成為第三代計算機的里程碑。
隨著半導體集成技術的快速發展，美國開始研究軍用大規模集成電路計算機。1967年，美國無線電有限公司制成了領航用的機載計算機LIMAC，其邏輯部件采用雙極性大規模集成電路，緩沖存儲器用MOS大規模集成電路。1969年，美國自動化公司制成計算機D—200，采用了MOS場效應晶體管大規模集成電路，中央處理器由24塊大規模集成電路做成;得克薩斯儀器公司也制成機載大規模集成電路計算機。軍用機載大規模集成電路試驗的成功，為過渡到民用大規模集成電路通用機積累了豐富的經驗。1971年，IBM公司開始生產IBM 370系列機，它采用大規模集成電路做存儲器，小規模集成電路做邏輯元件，被稱為“第三代半電子計算機”，與IBM 360一樣著名。
材料四：使用超大規模集成電路的第四代計算機
進入20世紀60年代后，微電子技術發展迅猛。在1967年和1977年，分別出現了大規模集成電路和超大規模集成電路，并立即在電子計算機上得到了應用。由大規模和超大規模集成電路組裝成的計算機，就被稱為第四代電子計算機。
美國ILLIAC-IV計算機，是第一臺全面使用大規模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計算機，它標志著計算機的發展已到了第四代。1975年，美國阿姆爾公司研制成470V/6型計算機，隨后日本富士通公司生產出M-190機，是比較有代表性的第四代計算機。英國曼徹斯特大學1968年開始研制第四代機。1974年研制成功DAP系列機。1973年，德國西門子公司，法國國際信息公司與荷蘭飛利浦公司聯合成立了統一數據公司，研制出Unidata 7710系列機。
材料五：第五代電子計算機被稱為“智能計算機”
第五代電子計算機是智能電子計算機，它是一種有知識，會學習，能推理的計算機，具有能理解自然語言，聲音，文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學習到的知識，進行思維，聯想，推理，并得出結論，能解決復雜問題，具有匯集，記憶，檢索有關知識的能力。智能計算機突破了傳統的諾伊曼式機器的概念，舍棄了二進制結構，把許多處理機并聯起來，并行處理信息，速度大大提高。它的智能化人機接口使人們不必編寫程序，只需發出命令或提出要求，電腦就會完成推理和判斷，并且給出解釋。1988年，世界上召開了第五代電腦國際會議。1991年，美國加州理工學院推出了一種大容量并行處理系統，用528臺處理器并行進行工作，其運算速度可達到每秒320億次浮點運算。
材料六：模仿人類大腦功能的神經計算機已經開發成功，它標志著電子計算機的發展進入第六代
第六代電子計算機是模仿人的大腦判斷能力和適應能力，并具有可并行處理多種數據功能的神經網絡計算機。與以邏輯處理為主的第五代計算機不同，它本身可以判斷對象的性質與狀態，并能采取相應的行動，而且它可同時并行處理實時變化的大量數據，并引出結論。以往的信息處理系統只能處理條理清晰，經絡分明的數據。而人的大腦卻具有能處理支離破碎，含糊不清信息的靈活性，第六代電子計算機將類似人腦的智慧和靈活性。(圖)電子計算機的發展已經進入了第六代，這種發展可能僅僅是剛起步，前途沒有止境
人腦有140億神經元及10億多神經鍵，每個神經元都與數千個神經元交叉相聯，它的作用都相當于一臺微型電腦。人腦總體運行速度相當于每秒1000萬億次的電腦功能。用許多微處理機模仿人腦的神經元結構，采用大量的并行分布式網絡就構成了神經電腦。神經電腦除有許多處理器外，還有類似神經的節點，每個節點與許多點相連。若把每一步運算分配給每臺微處理器，它們同時運算，其信息處理速度和智能會大大提高。
神經電子計算機的信息不是存在存儲器中，而是存儲在神經元之間的聯絡網中。若有節點斷裂，電腦仍有重建資料的能力，它還具有聯想記憶，視覺和聲音識別能力。日本科學家已開發出神經電子計算機的大規模集成電路芯片，在1.5厘米正方的硅片上可設備400個神經元和40000個神經鍵，這種芯片能實現每秒2億次的運算速度。1990年，日本理光公司宣布研制出一種具有學習功能的大規模集成電路“神經LST”。這是依照人腦的神經細胞研制成功的一種芯片。它利用生物的神經信息傳送方式，在一塊芯片上載有一個神經元，然后把所有芯片連接起來，形成神經網絡。它處理信息的速度為每秒90億次。富士通研究所開發的神經電子計算機，每秒更新數據速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經網絡聲音識別系統，能夠識別出任何人的聲音，正確率達99.8%。美國研究出左腦和右腦兩個神經塊連接而成的神經電子計算機。右腦為經驗功能部分，有1萬多個神經元，適于圖像識別：左腦為識別功能部分，含有100萬個神經元，用于存儲單詞和語法規則�，F在，紐約，邁阿密和倫敦的飛機場已經用神經電腦來檢查爆炸物，每小時可查600—700件行李，檢出率為95%，誤差率為2%。神經電子計算機將會廣泛應用于各領域。它能識別文字，符號，圖形，語言以及聲納和雷達收到的信號，判讀支票，對市場進行估計，分析新產品，進行醫學診斷，控制智能機器人，實現汽車和飛行器的自動駕駛，發展，識別軍事目標，進行智能決策和智能指揮等。
材料七：對光計算機的研制已取得進展，它比普通電子計算機快1000倍
光計算機是利用光作為載體進行信息處理的計算機。1990年，美國的貝爾實驗室推出了一臺由激光器，透鏡，反射鏡等組成的計算機。這就是光計算機的雛形。隨后，英，法，比，德，意等國的70多名科學家研制成功了一臺光計算機，其運算速度比普通的電子計算機快1000倍。光計算機又叫光腦。電腦是靠電荷在線路中的流動來處理信息的，而光腦則是靠激光束進入由反射鏡和透鏡組成的陣列中來對信息進行處理的。與電腦相似之處是，光腦也靠產生一系列邏輯操作來處理和解決問題。計算機的功率取決于其組成部件的運行速度和排列密度，光在這兩個方面都很理想。光子的速度即光速，為每秒30萬千米，是宇宙中最快的速度。激光束對信息的處理速度可達現有半導體硅器件的1000倍。光子不像電子那樣需要在導線中傳播，即使在光線相交時，它們之間也不會相互影響，并且在不滿足干涉的條件下也互不干擾。光束的這種互不干擾的特性，使得光腦能夠在極小的空間內開辟很多平行的信息通道，密度大得驚人。一塊截面為5分硬幣大小的棱鏡，其通過能力超過全球現有全部電話電纜的許多倍。貝爾實驗室研制成功的光學轉換器，在字母O中可以裝入2000個信息通道。因此科學家們早就設想使用光子了。
材料八：開發中的DNA電腦
科學家研究發現，脫氧核糖核酸(DNA)有一種特性，能夠攜帶生物體各種細胞擁有的大量基因物質。數學家，生物學家，化學家以及計算機專家從中得到啟迪，正在合作研制未來的液體DNA電腦。這種DNA電腦的工作原理是以瞬間發生的化學反應為基礎，通過和酶的相互作用，將反應過程進行分子編碼，對問題以新的DNA編碼形式加以解答。
和普通的電腦相比，DNA電腦的優點首先是體積小，但存儲的信息量卻超過現代世界上所有的電腦。它用于存儲信息的空間僅為普通計算機的幾兆分之一。其信息可存儲在數以兆計的DNA鏈中，一升的DNA溶液可包含信息量高達10。其次，這種電腦運算速度極快。據估計，一臺DNA電腦只需幾天時間，就可以完成迄今為止所有計算機曾經進行過的運算。第三是最大限量的減少能耗，DNA電腦的能耗，僅為普通電腦的十億分之一。1995年，科學家首次報道用“編程”DNA鏈解數學難題取得突破。
DNA計算機的功能之所以強大，就在于每個鏈本身就是一個微型處理器。科學家能夠把10億億個鏈安排在1000克的水里，而每個鏈各干各的事情。它們各自進行計算。這意味著，DAN計算機能同時“試用”巨大數量的可能的解決方案。與此形成對照的是，電子計算機對每個解決方案必須自始至終進行計算，直到試用下一個方案為止。
所以，電子計算機和DNA計算機是截然不同的。電子計算機一小時能進行許多次運算，但是一次只能進行一次運算，而DNA計算機進行一次運算需要大約一小時，但是一次能進行10億億次運算。
人腦的功能介于兩者之間：一小時進行大約10萬次運算，一次進行大約1萬億次運算。DNA計算機把二進制數翻譯成遺傳密碼的片段，每個片段就是著名的雙螺旋的一個鏈�？茖W家們希望把一切可能模式的DNA分解出來，并把它放在試管里。然后，他們將制造互補數字鏈�；パa數字鏈不會解決某一個方程式，但是將會從一個解決方案中把互補數字鏈提取出來。
材料九：利用蛋白質的開關特性開發出生物計算機
生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。由于半導體硅芯片電路密集引起的散熱問題難以解決，科學家便投入了生物計算機的研究與開發。生物電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關速度來決定的。科學家發現，蛋白質有開關特性，用蛋白質分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計算機稱為蛋白質電腦，或稱為生物電腦。已經研制出利用蛋白質團來制造的開關裝置有：合成蛋白芯片，遺傳生成芯片，紅血素芯片等。
用蛋白質制造的電腦芯片，在1平方毫米的面積上即可容納數億個電路。因為它的一個存儲點只有一個分子大小，所以它的存儲量可以達到普通電腦的10億倍。由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一，而且運轉速度更快，只有10-11秒，大大超過人腦的思維速度。生物電腦元件的密度比大腦神經元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。
生物芯片傳遞信息時阻抗小，耗能低，且具有生物的特點，具有自我組織自我修復的功能。它可以與人體及人及結合起來，聽從人腦指揮，從人體中吸收營養。把生物電腦植入人的腦內，可以使盲人復明，使人腦的記憶力成千萬倍地提高;若是植入血管中，則可以監視人體內的化學變化，使人的體質增強，使殘疾人重新站立起來。
美國的科技人員已研究出可以用于生物電腦的分子電路。它由有機物質的分子組成，由分子導線組成的顯微電路，只有現代計算機電路的千分之一大小。
材料十：研究中的量子計算機
1996年初，美國的科學家說，他們發現在某種條件下，光子能夠發生相互作用，這個發現能夠被用來制造新的信息處理器件，從而導致世界上性能最好的超級計算機的出現。
加利福尼亞理工學院的物理學家已經證明，個體光子通常不相互作用，但是當它們與光學諧振腔內的原子聚在一起時，它們相互之間會產生強烈影響。光子的這種相互作用，能用于改進利用量子力學效應的信息處理器件的性能。這些器件轉而能形成建造“量子計算機”的基礎，量子計算機的性能能夠超過基于常規技術的任何處理器件的性能。量子計算于1994提躍居科學前沿，當時研究人員發現了在量子計算機上分解大數因子的一種數學技術。這種數學技術意味著，在理論上，量子計算機的性能能夠超過任何可以想象的標準計算機。
量子計算機潛在的用途將涉及人類生活的每一個方面，從工業生產線到公司的辦公室，從軍用裝備到學生課桌，從國家安全到自動柜員機�？茖W家們在實驗中已經證明，光子和光學諧振腔內的原子之間的相互作用，能為建造光學量子邏輯門奠定基礎。
——以上材料均摘自互聯網
請回答：(1)依據材料一至六，并可查閱相關資料，了解至今已經開發成功的六代計算機的性能及特點。
(2)依據材料七至十，查閱相關資料，談談你對計算發展前景的展望與設想。
2.答案略。
(責任編輯：李江濤)
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