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物理与应用

（行管11-2，王伟，111201140220）

摘要：物理学作为作为自然科学的代表，对世界的的发展和进步发挥着无与伦比的作用，每次物理学的重大突破，都给人类带来巨大的历史进步。随着然科学的发展，物理投入应用的时间也在逐渐加快，为人类造福，推动世界发展。

关键词：物理 应用 发展

物理学是一门基础科学，它研究的是物质运动的基本规律。不同的运动形式具有不同的运动规律，因而要用不同的研究方法处理，基于此，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。按照物理学的历史发展又可以分为经典物理与近代物理两部分。近代物理是相对于经典物理而言的，泛指以相对论和量子论为基础的20世纪物理学。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。

物理学是现代技术革命的先导。一般说来，物理学与技术的关系存在两种基本模式：其一是由于生产实践的需要而创建了技术，例如18世纪至19世纪蒸汽机等热机技术，然后提高到理论上来，建立了热力学，再反馈到技术中去，促进技术的进一步发展；其二是先在实验室中揭示了基本规律，建立比较完整的理论，然后再在生产中发展成为一种全新的技术。19世纪电磁学的发展，提供了第二种模式的范例。在法拉第发现电磁感应和麦克斯韦确立了电磁场方程组的基础上，产生了今日的发电机、电动机、电报、电视、雷达，创建了现代的电力工程与无线电技术。正如美籍华裔物理学家李政道所说：“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。在当今世界中，第二种模式的重要性更为显著，物理学已成为现代高技术发展的先导与基础学科。反过来，高技术发展对物理学提出了新的要求，同时也提供了先进的研究条件与手段。所谓高技术指的是那些对社会经济发展起极大推动作用的当代尖端技术。下面就物理学的基础研究在当前最引人注目的高技术，即核能技术、超导技术、信息技术、激光技术、电子技术中所起的突出作用，作一概略的介绍。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。1905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发现纯的水银样品在4.2K附近电阻突然消失，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（1K～5.2K）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（63K～80K）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。

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6×10-15s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器件，使微电子技术得到进一步发展。

总之，物理的发展与应用给人类带来了极大的进步。

参考文献：1 牛顿《经典力学》亥姆霍兹《论力的守恒》沈惠川《时间、动力学和混沌》法拉第《电学实验研究》爱因斯坦《论动体的电动力学》