浅谈物理在计算机硬件中的体现

安阳工学院计算机科学与信息工程学院

浅谈物理在计算机中硬件的体现（论文）

班级：计科学院信息班

姓名：潘强

学号：201103020005

指导教师：李维新

2012年5月5日

浅谈物理在计算机硬件中的体现

摘要：随着社会的发展，计算机在人们生活与学习中显得日益重要，计算机已

经成为人们日常所需不可或缺的一部分，然而我们不能忽略它迅速发展的一个重要因素——物理学。物理在计算机中的各个方面均有体现，尤其是在硬件设施方面，比如显示器、音响、键盘等。本文将作相应论述。

关键词：计算机物理学硬件设施

正文：

计算机从其诞生之日就和物理密不可分，因此论述物理学在计算机的应用还需从计算机的诞生说起。

1946年, 世界上出现第一台计算机“ENAIC(Electronic Numerical Integrator and Computer)”, 它诞生于美国宾夕法尼亚大学。而物理学对这台计算机的诞生提供了大量的基础知识和物质准备，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有五百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度为每秒5000次。“ENAIC ”机的研制成功, 充分体现了十九世纪, 英国物理学家巴别奇所建立的未来计算机的思想和计算机的原理只因当时的物理学还来不及从器件上为未来的数字式电子计算机作为准备。所以说第一台计算机的发明, 在很大程度上是继承和发展了物理学家的思想和方法。值得庆幸的是第一台计算机的研制者竟是两位物理学家,莫克莱与埃克特前者是研究分子结构, 后者是研究各种测量间题, 他们在研究中需大量的计算和大批数据处理, 两人从共同的物理学计算问题出发进行合作, 终于出现了“ENAIC”机。继他们以后,不少的物理学家投身于计算机改进和更新换代的研制中。他们大部分精力都集中于元件器件的发明和更新。从计算机的发展史看, 大致上从元器件的更新, 标志当代计算机的发展里程碑。第一代为电子管元器件时代；第二代为晶体管器件时代, 第三代为小规模集成电路时代,第四代为大规模, 超大规模集成电路时代在这发展当中, 无不凝聚了他们的心血和汗水.而物理在计算机中的体现最明显的就是在硬件上，下面就关于计算机硬件的各个方面进行叙述。【1】

一、输出设备

（1）显示器

显示器是一种复杂的设备，其扩展性和可靠性也十分惊人，在这一方面，电子控制起了很大的作用，任何机械都会有磨损，唯有用电子元件才能延长寿命，甚至能适应数千小时的工作。电子枪是显像管的核心，它发出的电子束击中光敏材料（荧光屏），刺激荧光粉就能产生图像。实际上，电子枪和大体积、功率强劲的二极管没有什么区别，其原理也适用于电视机和示波器。【2】

目前应用最广泛的计算机显示器当属液晶显示器，下面具体说明：

1、液晶的物理特性：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混

乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面

板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

2、单色液晶显示器：从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的

LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。

液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。

在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

3、彩色液晶显示器：对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

（2）音响

音响的工作原理

振动器振动发声（振动音响）+纸质鼓膜喇叭发声。

传统（普通）音响与振动音响相结合的音响，既有振动音响的振动发声，又有传统音响的喇叭发声。

介质混合音响主要是结合了振动音响的振动发声技术原理和普通音响纸质鼓膜喇叭发声原理，将二者融合；其实介质共振混合音响还是很好理解的，介质共振就是通过振动介质发声，而混合则是结合了传统音响喇叭发声，总的来说就是传统普通音响和振动音响的结合体，音质清澈不说，重低音效果更是显著。

由以上可知物理学知识在计算机输出设备中如显示器、音响等方面的应用的重要。

二、输入设备

（1）键盘

键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成，通常有编码键盘和非编码键盘两种类型，IBM系列个人微型计算机的键盘属于非编码类型。微机键盘主要由单片机、译码器和键开关矩阵三大部分组成。其中单片机采用了INTEL8048单片微处理器控制，这是一个40引脚的芯片，内部集成了8位 CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM、8位的定时器／计数器等器件。由于键盘排列成矩阵格式，被按键的识别和行列位置扫描码的产生，是由键盘内部的单片机通过译码器来实现的。单片机在周期性扫描行、列的同时，读回扫描信号线结果，判断是否有键按下，并计算按键的位置以获得扫描码。当有键按下时，键盘分两次将位置扫描码发送到CPU，然后进行扫视，去查找按下的键，输出扫描位置码，通过查表转