1、物理学在高新技术中的应用（结课论文）1一、引言 2二、物理学在高新技术中的应用 21、物理学在生物医学中的应用 22、物理学在能源方面的应用 33、物理学在信息电子技术中的应用 34、物理学在航天航空中的应用 45、我国现代物理农业工程技术的应用 5三、小结 52物理在高新技术中的应用一、引言现代社会已经进入知识经济的时代，而知识经济是高新技术经济、高文化经济、高智力经济，是区别于以前的以传统工业为产业支柱、以稀缺自然资源为主要依托的新型经济。在知识经济时代里，高新技术的创新对一个国家乃至一个民族来说，是关系其兴衰成败的关键问题，是一个民族乃至一个国家的生命力。物理学是一门基础科学，它研究的是
2、物质运动的基本规律。物理学又分为力学、热学、电磁学、光学和原子物理学等各个部分。由于物理学研究的规律具有很大的基本性与普遍性，所以它的基本概念和基本定律是自然科学的很多领域和工程技术的基础。物理学作为严格的、定量的自然科学的带头学科，一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。它与数学、天文学、化学和生物学之间有密切的联系，它们之间相互作用，促进了物理学及其它学科的发展。长期以来在自然科学领域中,物理学一直是一门起着主导作用的学科。近代物理学的几次突破性进展对人类社会生产力的发展起到了巨大的推动作用,证明了邓小平同志提出的“科学技术是第一生产力”这一英明论断的正确性。展望二十一世纪,物理学正孕
3、育着令人振奋的进展,并将引起新的产业革命。二、物理学在高新技术中的应用物理学在人类探索生活的各个方面都有着广泛的应用，在本文中只是做以下几个方面的介绍。1、物理学在生物医学中的应用物理学在生物学发展中的贡献体现在两个方面：一是为生命科学提供现代化的实验手段，如电子显微镜、X 射线衍射、核磁共振、扫描隧道显微镜等；二是为生命科学提供理论概念和方法。从 19 世纪起，生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作，提出了基因假设。在本世纪 40 年代，物理学家薛定谔对生命的基本问题感兴趣，提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点。40 年代，英国剑桥大学的卡文迪什实验室开展了对肌红蛋白的 X 射线结构分析
4、，经过长期的努力终于确定了 DNA（脱氧核糖核酸）的晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是 20 世纪生物科学的最重大突破。分子生物学已经构成了生命科学的前沿领域，生物物理学显然也是大有可为的。超 声 波 是 指 振 动 频 率 大 于 20000Hz 以 上 的 ， 其 每 秒 的 振 动 次 数 （ 频 率 ）甚 高 ， 超 出 了 人 耳 听 觉 的 上 限 （ 20000Hz） ， 人 们 将 这 种 听 不 见 的 声 波 叫做 超 声 波 。 超 声 和 可 闻 声 本 质 上 是 一 致 的 ， 它 们 的 共 同 点 都 是 一 种 机 械 振 动 ，通 常 以 纵 波 的 方
5、式 在 弹 性 介 质 内 会 传 播 ， 是 一 种 能 量 的 传 播 形 式 ， 其 不 同 点是 超 声 波 频 率 高 ， 波 长 短 ， 在 一 定 距 离 内 沿 直 线 传 播 具 有 良 好 的 束 射 性 和 方向 性 。超声波在传播过程中一般要发生折射、反射以及多普勒效应等现象，超声波在介质中传播时，发生声能衰减。因此超声通过一些实质性器官 ，会发生形态及强度各异的反射。由于人体组织器官的生理、病理及解剖情况不同 对超声波的反射、折射和吸收衰减也各不相同。超声诊断就是根据这些反射信号的3多少、强弱、分布规律来判断各种疾病。超声在医学的各个领域都有应用 ，并取得飞速发展 ，
6、从而产生了超声医学这一分支学科。自从 20 世纪 50 年代开始，分子生物学的思想和方法才被迅速地确认为新材料生长、发现和结晶方面的指导思想。由于大部分的生物反应都是发生在材料的界面和表面上，生物学家将表面科学引入生物学，对推动生物医学材料的发展起到了决定性的作用。生物医学材料和器件在解救人类生命方面的能力，以及巨大的商业价值强烈地刺激了许许多多的研究通道。低温等离子体技术在生长生物医学材料和制备生物医学器件方面具有独特的优点和潜力。 2、物理学在能源方面的应用能源的获取和利用是工业生产的头等大事，20 世纪物理学的一项重大贡献就在于核能的利用，这可以说是由基础研究生长出来的一项全新的技术。1
7、905年爱因斯坦质能关系式的提出，确立了核能利用的理论基础。物理学家 1932 年发现中子，1939 年发现在中子引起铀核裂变时可释放能量，同时有更多的中子发射，于是提出利用“链式反应”来获得原子能的概念。40 年代，根据重核裂变能量释放的原理，建立了原子反应堆，使核裂变能的利用成为现实。50 年代，根据轻核在聚变时能量释放的原理，设计了受控聚变反应堆。聚变能不仅丰富，而且安全清洁。可控热核聚变能的研究将为解决 21 世纪的能源问题开辟道路。在能源和动力方面，可以无损耗地传输电流的超导体的广泛应用，也可能导致一场革命。1911 年荷兰物理学家昂尼斯（Onners）发现纯的水银样品在 4.2K附
8、近电阻突然消失，接着又发现其它一些金属也有这样的现象，这一发现开辟了一个崭新的超导物理领域。1957 年 BCS 理论进一步揭示超导电性的微观机理，1962 年约瑟夫森效应的发现又将超导的应用扩展到量子电子学领域。在液氦温区（1K5。2K）工作的常规超导体所绕成的线圈已在加速器、磁流体发电装置及大型实验设备中用来产生强磁场，可以节约大量电能；在发电机和电动机上应用超导体，已经制成接近实用规模的试验性样机。由于这些成功的应用，再加上超导储能、超导输电和悬浮列车等的应用，可以看到高温超导体具有广阔的应用前景。自从 1987 年美籍华裔物理学家朱经武和中国科学院赵忠贤等人发现液氮温区（63K80K）
9、的高温超导体问世以来，超导材料的实用化已取得较大进展，它在大电流技术中的应用前景是最激动人心的。3、物理学在信息电子技术中的应用信息技术在现代工业中的地位日趋重要，计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。如果说第一次工业革命是动力或能量的革命，那么第二次工业革命就是信息或负熵的革命。人类迈向信息时代，面对着内容繁杂、数量庞大、形式多样的日趋增值的信息，迫切要求信息的处理、存储、传输等技术从原来依赖于“电”的行为，转向于“光”的行为，从而促进了“光子学”和“光电子学”的兴起。光电子技术最杰出的成果是在光通信、光全息、光计算等方面。光通信于 60 年代开始提出，70 年代得到
10、迅速发展，它具有容量大、抗干扰强、保密性高、传输距离长的特点。光通信以激光为光源，以光导纤维为传输介质，比电通信容量大 10 亿倍。一根头发丝细的光纤可传输几万路电话和几千路电视，20 根光纤组成的光缆每天通话可达 7。6 万人次，光通信开辟了高效、廉价、轻便的通信新途径。以光盘为代表的信息存储技术具有存储量大、时间长、易操作、保密性好、低成本的优点，光盘存储量4是一般磁存储量的 1000 倍。新一代的光计算机的研究与开发已成为国际高科技竞争的又一热点。21 世纪，人类将从工业时代进入信息时代。激光是 20 世纪 60 年代初出现的一门新兴科学技术。1917 年爱因斯坦提出了受激辐射概念，指出
11、受激辐射产生的光子具有频率、相、偏振态以及传播方向都相同的特点，而且受激辐射的光获得了光的放大。他又指出实现光放大的主要条件是使高能态的原子数大于低能态的原子数，形成粒子数的反转分布，从而为激光的诞生奠定了理论基础。50 年代在电气工程师和物理学家研究无线电微波波段问题时产生了量子电子学。1958 年汤斯等人提出把量子放大技术用于毫米波、红外以及可见光波段的可能性，从而建立起激光的概念。1960 年美国梅曼研制成世界上第一台激光器。经过 30 年的努力，激光器件已发展到相当高的水平：激光输出波长几乎覆盖了从 X 射线到毫米波段，脉冲输出功率达 1019W/cm2，最短光脉冲达 610-15s
12、等。激光成功地渗透到近代科学技术的各个领域。利用激光高亮度、单色性好、方向性好、相干性好的特点，在材料加工、精密测量、通信、医疗、全息照相、产品检测、同位素分离、激光武器、受控热核聚变等方面都获得了广泛的应用。电子技术是在电子学的基础上发展起来的。1906 年，第一支三极电子管的出现，是电子技术的开端。1948 年物理学家发明了半导体晶体管，这是物理学家认识和掌握了半导体中电子运动规律并成功地加以利用的结果，这一发明开拓了电子技术的新时代。50 年代末发明了集成电路，而后集成电路向微型化方向发展。1967 年产生了大规模集成电路，1977 年超大规模集成电路诞生。从1950 年至 1980 年
13、的 30 年中，依靠物理知识的深化和工艺技术的进步，使晶体管的图形尺寸（线宽）缩小了 1000 倍。今天的超大规模集成电路芯片上，在一根头发丝粗细的横截面积上，可以制备 40 个左右的晶体管。微电子技术的迅速发展使得信息处理能力和电子计算机容量不断增长。40 年代建成的第一台大型电子计算机，自重达 30t，耗电 200kW，占地面积 150m2，运算速度为每秒几千次，而在今天一台笔记本电脑的性能完全可以超过它。面对超大规模电路中图形尺寸不断缩小的事实，人们已看到，半导体器件基础上的微电子技术已接近它的物理上和技术上的极限。要求物理学家从微结构物理的研究中，制造出新的能满足更高信息处理能力要求的
14、器件，使微电子技术得到进一步发展。4、物理学在航天航空中的应用冷原子和玻色爱因斯坦凝聚是当代物理学中最活跃的领域之一，它为探索宏观尺度上物质的量子性质提供了独一无二的介质。该领域的研究可以加深人们对基本物理规律的理解，同时具有重要的应用前景。此外，高准确度的时间频率标准是精密测量和探索研究基本物理问题的关键和基础，在应用技术上均占有是十分重要的地位。微波原子钟与光钟在空间物理有着广泛的应用前景，它不仅可以改进卫星定位导航系统，而且在深空跟踪和星座定位等深空科学上有着不可替代的作用。微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体
15、物理的研究。在基础研究方面，微重力环境为研究新力学体系内的运动规律提供了极好的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面力驱动的流动，失重条件下的多相流和沸腾传热等。空间材料科学曾是微重力科学中耗资最大的领域，材料科学各分支领域的学者都希望在空间微重力环境中去研究凝固过程的机理和制备高质量的材科。5空间微重力环境是制备、研究多元均匀块体材料的最佳场所，其主要特征就是消除了因重力而产生的沉降、浮力对流和静压力梯度。由于浮力减弱，密度分层效应的消失，可以使不同密度的介质均匀地混合。由于空间微重力环境中静压力梯度几乎趋于零，而能提供更加均匀的热力学状态。这种条件更有利于研究物质的热力学本质和
16、流体力学本质，探索、研制新型的材料和发现材料的新功能。深入开展空间科学实验是进行载人航天（含载人空间站）的需要，是我国基础物理、流体物理、燃烧、材料科学以及生物技术等学科发展的需求，是促进人类健康（如生物技术、基础生物学等）与提高人类生活质量的需求。将高薪的物理技术应用到航空航天当中，将会促进我国航空航天事业的快速发展。5、我国现代物理农业工程技术的应用现代物理农业工程技术包含的内容很多，目前我国在声、光、电、磁和核技术应用方面都用实践，但应用量和应用面积较大的还是植物声波助长促生技术、种子磁化技术、电子杀虫技术等几项。对植物施加特定频率的声波，提高植物活细胞内电子流的运动速度，促进各种营养元
17、素的吸收、传输和转化，增强植物的光合作用和吸收能力，促进早熟、提高产量和品质。 声波助长仪能在植物生长过程中，增强光合作用，增大植物的呼吸强度，加快茎、叶等营养器官的生化反应过程，促进生长，提高营养物质制造量，加快果实或营养体的形成过程，提高产量。能使叶类蔬菜增产 30% ，黄瓜、西红柿等果类蔬菜和樱桃、草莓等水果增产 25% 。玉米等大田作物增产 20% 。 品质提高。声波助长仪在增强植物光合作用的同时，也增加了酶的合成，从而促进了蛋白质、糖等有机物质的合成，达到提高植物品质的效果。实验证明，西红柿、草莓的甜度都有较大提高，含糖量增加 20% 以上。声波助长仪帮助植物促进呼吸作用，加强能量转
18、变的速度，促进物质吸收和运转能力，使植物表现出旺盛的生长速度，达到早熟的功效。玉米可早熟 7 10 天。声波助长仪对植物发出的谐振波，能促进植物在生长进入旺盛期时，呼吸能力增高，从而保持细胞内较高的氧化水平，对病菌分泌的毒素有破坏作用。呼吸还能提供能量和中间产物，有利于植物形成某些隔离区（如木栓隔离层） ，阻止病斑扩大。 当敏感害虫遇到声波助长仪产生的谐振波，会产生厌恶感或恐惧感，影响正常进食，使其难以生存，不能繁育或者主动离开，从而达到驱逐敏感实验证明对蚜虫、红蜘蛛等顽固害虫有十分显著的效果。 对种子进行磁化处理，可激发种子内部酶的活性，提高吸收水、肥的能力，提高种子的发芽率和作物的新陈代谢
19、，增强抗病虫害能力，促进作物生长，提高产量，是一项很有价值的农业增产技术。利用害虫的趋光性特点，诱杀害虫，实现物理灭杀，防治虫害。综合情况表明，采用现代物理农业工程技术，使用方便，安全可靠，无毒无污染，绿色环保，可生产绿色、无公害农产品，有效改善农产品品质。可促进作物生长发育，增强作物的抗病能力，减少病虫害的发生，促进作物早熟，产量提高，产品品质提升，并提前上市，增产效果显著，增加了农民的收入。可提升农产品安全生产水平，促进农业产业升级，提高农产品在国内外市场的6竞争力，促进农业的发展；也是实现生态农业，促进农业可持续发展的重要生产模式之一。三、小结物理学的发展，促进了科学技术的进步。现代物理
20、学更成为高新技术的基础。可以说物理学的发展，促进了各个领域科学技术的进步。使人类的生产和生活发生了翻天覆地的变化。物理学的发展引发了一次又一次的产业革命，推动着社会和人类文明的发展。可以说社会的每一次大的进步都与物理学的发展紧密相连。18 世纪中叶，在热学发展的基础上发明并改进了蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，促成了手工业向机械化的大生产的转变，并使陆上和海上的大规模的长途运输成为可能。大大推动了社会的发展。古人云：一日千里。火车、飞机的使用使每一个地球人实现了“一日千里”甚至日行万里的梦想。蒸汽机的使用是第一次产业革命。1840 年，法拉弟发现了电磁感应现象，并逐渐形成了完整的电磁场理论。在此基础上发展起来的电力工业，使人类进入电气化的时代，给人类的生产和生活带来翻天覆地的变化。大家想想现在使用的电灯、电话、电视、微机等一切的电力设施就能体会了。这是第二次产业革命。20 世纪 70 年代，微观物理方面取得重大突破，开创了微电子工业，使世界开始进入了以电子计算机应用为特征的信息时代。这是第三次产业革命。可以说社会的每一次巨大的进步都是在物理学发展的基础上完成的。没有物理学的发展就没有人类社会和文明的巨大进步。
