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物理學(xué)畢業(yè)論文
摘要：論述了X射線的發(fā)現(xiàn)，不僅對醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大發(fā)現(xiàn)；半導(dǎo)體的發(fā)明，使微電子產(chǎn)業(yè)稱雄20世紀(jì)，并促進(jìn)信息技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)是計算機(jī)硬件的基礎(chǔ)；原子能理論的提出，使原子能逐步取代石化能源，給人類提供巨大的清潔能源；激光理論的提出及激光器的發(fā)明，使激光在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、通信、軍事上得到廣泛應(yīng)用；藍(lán)光LED的發(fā)明，將點亮整個21世紀(jì)。事實告訴我們，是物理學(xué)推動科技創(chuàng)新，由此得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉。昭示人們，高校作為培養(yǎng)人才的場所，理工科要重視大學(xué)物理課程。
關(guān)鍵詞：X射線；半導(dǎo)體；原子能；激光；藍(lán)光LED；科技創(chuàng)新；大學(xué)物理
1、引言
物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用以及最一般的運動規(guī)律的科學(xué)[1—3]，其內(nèi)容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)�？v觀物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)：其蘊含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識的形成，同時，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會帶動人類社會的科技創(chuàng)新和科技發(fā)展。正因如此，大學(xué)物理成為了高等學(xué)校理、工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程。按照教育部頒發(fā)的相關(guān)文件要求[4—5]，大學(xué)物理課程最低學(xué)時數(shù)為126學(xué)時，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時；大學(xué)物理實驗最低學(xué)時數(shù)為54學(xué)時，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時。然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴(yán)格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開設(shè)大學(xué)物理及其實驗課程。他們往往打著“寬口徑、應(yīng)用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗課程的學(xué)時，如今，大學(xué)物理及其實驗課程的總學(xué)時數(shù)實際僅為32—96學(xué)時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時）。試問這么少的課時怎么講豐富、深奧的大學(xué)物理？怎么能夠真正發(fā)揮出大學(xué)物理的作用？于是有的院、系要求只講力學(xué)，有的要求只講熱學(xué)，有的則要求只講電磁學(xué)，…面對這種情況，大學(xué)物理的授課教師在無奈狀態(tài)下講授大學(xué)物理。從《大學(xué)物理課程報告論壇》上獲悉，這不是個別學(xué)校的做法，在全國具有普遍性。殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可。這種以消減教學(xué)內(nèi)容為代價，解決課時不足的做法，就如同削足適履，是對教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現(xiàn)。本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，只論及物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對大學(xué)物理課程重要性的認(rèn)識。
2、物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉
且不說力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實現(xiàn)了機(jī)械化；且不說庫倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創(chuàng)立的電磁學(xué)的發(fā)展，以電動機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實現(xiàn)了電氣化。這兩次工業(yè)革命沒有發(fā)生在中國，使中國近代落后了。本文著重論述近代物理學(xué)的發(fā)展對科學(xué)技術(shù)的巨大推動作用，從而得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉。1895年，威廉倫琴（WilhelmR魻ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線，這種射線在電場、磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強(qiáng)，由于當(dāng)時不知道它是什么，故取名X射線。直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長為10—10m的數(shù)量級[6]。倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎，他發(fā)現(xiàn)的X射線開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，利用X光機(jī)探測骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測腸道梗塞。CT成像也是利用X射線成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現(xiàn)圖像，它可以清楚地展示被檢測部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確確定病變位置。當(dāng)今，各醫(yī)院都設(shè)置放射科，X射線在醫(yī)學(xué)上得到充分利用。X射線的發(fā)現(xiàn)不僅對醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。1913—1914年，威廉享利布拉格（willianHenrgBragg）和威廉勞侖斯布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1，2，3…）式中d為晶格常數(shù)，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長。布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)立了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)今，X射線衍射儀不僅在物理學(xué)研究，而且在化學(xué)、生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)、材料等學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數(shù)高等學(xué)校都有X射線衍射儀，它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的必備儀器。1907年，威廉湯姆孫（WThomson）發(fā)現(xiàn)電子，電子質(zhì)量me=9。11×10—31kg，電子荷電e=—1。602×10—19C。電子的荷電性引發(fā)了20世紀(jì)產(chǎn)生革命。1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導(dǎo)體材料時，發(fā)現(xiàn)Ge晶體具有放大作用，發(fā)明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發(fā)展。1958年，美國的工程師基爾比制成第一批集成電路。1971年，英特爾公司的霍夫把計算機(jī)的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個微處理器。80年代末，芯片上集成的元件數(shù)已突破1000萬大關(guān)。微電子技術(shù)改變了人類生活，微電子技術(shù)稱雄20世紀(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄。到各個工業(yè)區(qū)看看，發(fā)現(xiàn)電子廠比比皆是，這真是小小電子轉(zhuǎn)動了整個地球�。‰娮硬粌H具有荷電性，還具有荷磁性。
1925年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck—Goudsmit）提出自旋假說，每個電子都具有自旋角動量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個電子的磁矩為MSz=芎μB（μB為玻爾磁子）[7]。電子的荷磁性沉睡了半個多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾費爾（AlberFert）和彼得格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化呈顯著改變，其機(jī)理是相臨鐵磁層間通過非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場時電阻率大，當(dāng)外加磁場時，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對電子的散射弱，電阻率小。利用磁性控制電子的輸運，提出巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance，GMR），磁電阻MR定義MR=ρ（0）+ρ（H）ρ（0）×100%式中ρ（0）為零場下的電阻率，ρ（H）為加場下的電阻率[8]。GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強(qiáng)烈關(guān)注，1994年IBM公司依據(jù)巨磁電阻效應(yīng)原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻MR只有1%—2%，而新型讀出磁頭的MR約50%，將磁盤記錄密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現(xiàn)筆記本電腦、MP3等，GMR效應(yīng)在磁傳感器、數(shù)控機(jī)庫、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等方面得到廣泛應(yīng)用。阿爾貝？費爾和彼得？格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎。1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達(dá)105%，稱為龐磁電阻（Colossalmagnetoresistance，CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)科研人員的極大關(guān)注[10—12]。然而，CMR效應(yīng)還沒有得到實際應(yīng)用，原因是要實現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級的外磁場，問題出在CMR產(chǎn)生的物理機(jī)制還沒有真正弄清楚。1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個粒子來說，如果由于自身內(nèi)部的過程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)地減小�！碧岢鲋馁|(zhì)能關(guān)系式△E=△m莓C2式中△m。表示經(jīng)過反應(yīng)后粒子的總靜質(zhì)量的減小，△E表示核反應(yīng)釋放的能量。愛因斯坦又提出實現(xiàn)熱核反應(yīng)的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來驗證這個理論，不是不可能成功的。”按照愛因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)重原子核裂變。核裂變首先被用于戰(zhàn)爭，1945年8月6日和9日，美國對日本的廣島和長崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布無條件投降。后來原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發(fā)電站投入運行。2009年，美國有104座核電站，核電站發(fā)電量占本國發(fā)電總量的20%，法國有59臺機(jī)組，占80%；日本有55座核電站，占30%。截至2015年4月，我國運行的核電站有23座，在建核電站有26座，產(chǎn)能為21。4千兆瓦，核電站發(fā)電量占我國發(fā)電總量不足3%，所以我國提出大力發(fā)展核電，制定了到2020年核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到58千兆瓦的目標(biāo)。核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機(jī)。利用海水中的氘和氚發(fā)生核聚變可以產(chǎn)生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量。那時，能源危機(jī)徹底解除。
20世紀(jì)最杰出的成果是計算機(jī)，物理學(xué)是計算機(jī)硬件的基礎(chǔ)。從1946年計算機(jī)問世以來，經(jīng)歷了第一至第五代，計算機(jī)硬件中的電子元件隨著物理學(xué)的進(jìn)步，依次經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路；主存儲器用的是磁性材料，隨著物理學(xué)的進(jìn)步，磁性材料的性能越來越高，計算機(jī)的硬盤越來越小。近日在第十六屆全國磁學(xué)和磁性材料會議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強(qiáng)磁場中心、中科院物理所等，正在對斯格明子（skyrmions）進(jìn)行攻關(guān)，斯格明子具有拓?fù)浼{米磁結(jié)構(gòu)，將來的筆記本電腦的硬盤只有花生大小，ipod平板電腦的硬盤縮小到米粒大小。量子力學(xué)催生出隧道二極管，量子力學(xué)指導(dǎo)著研究電子器件大小的極限，光學(xué)纖維的發(fā)明為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)通道。
1916年，愛因斯坦提出光受激輻射原理，時隔44年，哥倫比亞大學(xué)的希奧多梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一臺激光器[14]。由于激光具有單色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特點，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應(yīng)用。激光在其他方面的應(yīng)用暫不展開論述，只談?wù)劶す饧庸ぜ夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。激光加工技術(shù)對材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術(shù)具有突出特點：不接觸加工工件，對工件無污染；光點小，能量集中；激光束容易聚焦、導(dǎo)向，便于自動化控制；安全可靠，不會對材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力；切割面光滑、無毛刺；切割面細(xì)小，割縫一般在0。1—0。2mm；適合大件產(chǎn)品的加工等。在汽車、飛機(jī)、微電子、鋼鐵等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。2014年，僅我國激光加工產(chǎn)業(yè)總收入約270億人民幣，其中激光加工設(shè)備銷售額達(dá)215億人民幣。
2014年，諾貝爾物理學(xué)獎授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學(xué)家，是因為他們發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），幫助人們以更節(jié)能的方式獲得白光光源。他們的突出貢獻(xiàn)在于，在三基色紅、綠、藍(lán)中，紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但制造藍(lán)光LED長期以來是個難題，他們?nèi)擞?0世紀(jì)90年代發(fā)明了藍(lán)光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來的LED燈用于照明使消費者感到舒適。這種LED燈耗能很低，耗能不到普通燈泡的1/20，全世界發(fā)的電40%用于照明，若把普通燈泡都換成LED燈，全世界每個節(jié)省的電能數(shù)字驚人！物理學(xué)研究給人類帶來不可估量的益處。2010年，英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈海姆（AndreGeim）和康斯坦丁諾沃肖洛夫（Kon—stantinNovoselov），因發(fā)明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學(xué)獎。目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。因此，石墨烯被普遍認(rèn)為會最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命[14]。2012年，法國科學(xué)家沙吉哈羅徹（SergeHaroche）與美國科學(xué)家大衛(wèi)溫蘭德（DavidJ。win—land），在“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統(tǒng)成為可能”。他們的突破性的方法，使得這一領(lǐng)域的研究朝著基于量子物理學(xué)而建造一種新型超快計算機(jī)邁出了第一步[16]。
2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實驗團(tuán)隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。早在2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實現(xiàn)量子化反�；魻栃�(yīng)的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導(dǎo)下開展實驗研究，從實驗上首次觀測到量子反�；魻栃�(yīng)。我們使用計算機(jī)的時候，會遇到計算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運動制定一個規(guī)則，電子自旋向上的在一個跑道上，自旋向下的在另一個跑道上，猶如在高速公路上，它們在各自的跑道上“一往無前”地前進(jìn)，不產(chǎn)生電子相互碰撞，不會產(chǎn)生熱能損耗。通過密度集成，將來計算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大。因此，這一科研成果的應(yīng)用前景十分廣闊[17]。物理學(xué)的每一個重大發(fā)現(xiàn)、重大發(fā)明，都會開辟一塊新天地，帶來產(chǎn)業(yè)革命，推動社會進(jìn)步，創(chuàng)造巨大物質(zhì)財富�？v觀科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史，可以看出物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉。
3、結(jié)語
論述了X射線，電子、半導(dǎo)體、原子能、激光、藍(lán)光LED等的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明對人類進(jìn)步的巨大推動作用，自然得出結(jié)論，物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉。打開國門看一看，美國的著名大學(xué)非常注重大學(xué)物理，加州理工大學(xué)所有一、二年級的公共物理課程總學(xué)時為540，英、法、德也在400—500學(xué)時[18]。國內(nèi)高校只有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理課程做到了與國際接軌，以他們的數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)為例，大一開設(shè)：力學(xué)與熱學(xué)80學(xué)時，大學(xué)物理—基礎(chǔ)實驗54學(xué)時；大二開設(shè)：電磁學(xué)80學(xué)時，光學(xué)與原子物理80學(xué)時，大學(xué)物理—綜合實驗54學(xué)時；大三開設(shè)：理論力學(xué)60學(xué)時，大學(xué)物理及實驗總計408學(xué)時。在大力倡導(dǎo)全民創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新的今天，高等學(xué)校理所應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)教學(xué)。各高校的理工科要按照教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會頒發(fā)的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程/實驗教學(xué)基本要求》給足大學(xué)物理課程及大學(xué)物理實驗課時。
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