物理學(xué)畢業(yè)論文

　　摘要：論述了X射線(xiàn)的發(fā)現，不僅對醫學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀許多重大發(fā)現；半導體的發(fā)明，使微電子產(chǎn)業(yè)稱(chēng)雄20世紀，并促進(jìn)信息技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)是計算機硬件的基礎；原子能理論的提出，使原子能逐步取代石化能源，給人類(lèi)提供巨大的清潔能源；激光理論的提出及激光器的發(fā)明，使激光在工農業(yè)生產(chǎn)、醫療、通信、軍事上得到廣泛應用；藍光LED的發(fā)明，將點(diǎn)亮整個(gè)21世紀。事實(shí)告訴我們，是物理學(xué)推動(dòng)科技創(chuàng )新，由此得出結論：物理學(xué)是科技創(chuàng )新的源泉。昭示人們，高校作為培養人才的場(chǎng)所，理工科要重視大學(xué)物理課程。

　　關(guān)鍵詞：X射線(xiàn)；半導體；原子能；激光；藍光LED；科技創(chuàng )新；大學(xué)物理

　　1、引言

　　物理學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)世界最基本的結構、最普遍的相互作用以及最一般的運動(dòng)規律的科學(xué)[1—3]，其內容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎�？v觀(guān)物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現：其蘊含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養和知識的形成，同時(shí)，其每一次新的發(fā)現都會(huì )帶動(dòng)人類(lèi)社會(huì )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(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)基礎課程。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(shí)數為126學(xué)時(shí)，其中理科、師范類(lèi)非物理專(zhuān)業(yè)不少于144學(xué)時(shí)；大學(xué)物理實(shí)驗最低學(xué)時(shí)數為54學(xué)時(shí)，其中工科、師范類(lèi)非物理專(zhuān)業(yè)不少于64學(xué)時(shí)。然而調查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒(méi)有嚴格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開(kāi)設大學(xué)物理及其實(shí)驗課程。他們往往打著(zhù)“寬口徑、應用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗課程的學(xué)時(shí)，如今，大學(xué)物理及其實(shí)驗課程的總學(xué)時(shí)數實(shí)際僅為32—96學(xué)時(shí)，遠遠低于教育部要求的最低標準（180學(xué)時(shí)）。試問(wèn)這么少的課時(shí)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(wú)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(gè)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(gè)完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可。這種以消減教學(xué)內容為代價(jià)，解決課時(shí)不足的做法，就如同削足適履，是對教育規律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現。本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門(mén)基礎課，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識。

　　2、物理學(xué)是科技創(chuàng )新的源泉

　　且不說(shuō)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機為標志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實(shí)現了機械化；且不說(shuō)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(dòng)機為標志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實(shí)現了電氣化。這兩次工業(yè)革命沒(méi)有發(fā)生在中國，使中國近代落后了。本文著(zhù)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(dòng)作用，從而得出結論：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X射線(xiàn)，這種射線(xiàn)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉，穿透能力很強，由于當時(shí)不知道它是什么，故取名X射線(xiàn)。直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點(diǎn)陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長(cháng)為10—10m的數量級[6]。倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎，他發(fā)現的X射線(xiàn)開(kāi)創(chuàng )了醫學(xué)影像技術(shù)，利用X光機探測骨骼的病變，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(xiàn)成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現圖像，它可以清楚地展示被檢測部位的內部結構，可以準確確定病變位置。當今，各醫院都設置放射科，X射線(xiàn)在醫學(xué)上得到充分利用。X射線(xiàn)的發(fā)現不僅對醫學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀許多重大科學(xué)發(fā)現。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，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線(xiàn)波長(cháng)。布拉格父子提出使用X射線(xiàn)衍射研究晶體原子、分子結構，創(chuàng )立了X射線(xiàn)晶體結構分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎。當今，X射線(xiàn)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)科得到廣泛應用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數高等學(xué)校都有X射線(xiàn)衍射儀，它是研究物質(zhì)結構的必備儀器。1907年，威廉湯姆孫（WThomson）發(fā)現電子，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世紀產(chǎn)生革命。1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導體材料時(shí)，發(fā)現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(gè)微處理器。80年代末，芯片上集成的元件數已突破1000萬(wàn)大關(guān)。微電子技術(shù)改變了人類(lèi)生活，微電子技術(shù)稱(chēng)雄20世紀，進(jìn)入21世紀微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續稱(chēng)雄。到各個(gè)工業(yè)區看看，發(fā)現電子廠(chǎng)比比皆是，這真是小小電子轉動(dòng)了整個(gè)地球��！電子不僅具有荷電性，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(shuō)，每個(gè)電子都具有自旋角動(dòng)量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個(gè)數值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個(gè)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(gè)多世紀，直到1988年阿貝爾費爾（AlberFert）和彼得格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現在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(zhù)改變，其機理是相臨鐵磁層間通過(guò)非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場(chǎng)時(shí)電阻率大，當外加磁場(chǎng)時(shí)，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（giantmagnetoresistance，GMR），磁電阻MR定義MR=ρ（0）+ρ（H）ρ（0）×100%式中ρ（0）為零場(chǎng)下的電阻率，ρ（H）為加場(chǎng)下的電阻率[8]。GMR效應的發(fā)現引起科技界強烈關(guān)注，1994年IBM公司依據巨磁電阻效應原理，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(pán)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才出現筆記本電腦、MP3等，GMR效應在磁傳感器、數控機庫、非接觸開(kāi)關(guān)、旋轉編碼器等方面得到廣泛應用。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(guān)察到MR高達105%，稱(chēng)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(zhù)誘人的應用前景，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效應還沒(méi)有得到實(shí)際應用，原因是要實(shí)現大的MR需要特斯拉量級的外磁場(chǎng)，問(wèn)題出在CMR產(chǎn)生的物理機制還沒(méi)有真正弄清楚。1905年，愛(ài)因斯坦提出[13]：“就一個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，如果由于自身內部的過(guò)程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應地減小�！碧岢鲋�(zhù)名的質(zhì)能關(guān)系式△E=△m莓C2式中△m。表示經(jīng)過(guò)反應后粒子的總靜質(zhì)量的減小，△E表示核反應釋放的能量。愛(ài)因斯坦又提出實(shí)現熱核反應的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來(lái)驗證這個(gè)理論，不是不可能成功的�！卑凑諓�(ài)因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現重原子核裂變。核裂變首先被用于戰爭，1945年8月6日和9日，美國對日本的廣島和長(cháng)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(wú)條件投降。后來(lái)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年核電裝機總容量達到58千兆瓦的目標。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)生溫室效應的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機。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(lèi)提供取之不盡用之不竭的能量。那時(shí)，能源危機徹底解除。

　　20世紀最杰出的成果是計算機，物理學(xué)是計算機硬件的基礎。從1946年計算機問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了第一至第五代，計算機硬件中的電子元件隨著(zhù)物理學(xué)的進(jìn)步，依次經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路；主存儲器用的是磁性材料，隨著(zhù)物理學(xué)的進(jìn)步，磁性材料的性能越來(lái)越高，計算機的硬盤(pán)越來(lái)越小。近日在第十六屆全國磁學(xué)和磁性材料會(huì )議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強磁場(chǎng)中心、中科院物理所等，正在對斯格明子（skyrmions）進(jìn)行攻關(guān)，斯格明子具有拓撲納米磁結構，將來(lái)的筆記本電腦的硬盤(pán)只有花生大小，ipod平板電腦的硬盤(pán)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)指導著(zhù)研究電子器件大小的極限，光學(xué)纖維的發(fā)明為計算機網(wǎng)絡(luò )提供數據通道。

　　1916年，愛(ài)因斯坦提出光受激輻射原理，時(shí)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(diǎn)，在醫療、農業(yè)、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應用。激光在其他方面的應用暫不展開(kāi)論述，只談?wù)劶す饧庸ぜ夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應用。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(diǎn)：不接觸加工工件，對工件無(wú)污染；光點(diǎn)小，能量集中；激光束容易聚焦、導向，便于自動(dòng)化控制；安全可靠，不會(huì )對材料造成機械擠壓或機械應力；切割面光滑、無(wú)毛刺；切割面細小，割縫一般在0。1—0。2mm；適合大件產(chǎn)品的加工等。在汽車(chē)、飛機、微電子、鋼鐵等行業(yè)得到廣泛應用。2014年，僅我國激光加工產(chǎn)業(yè)總收入約270億人民幣，其中激光加工設備銷(xiāo)售額達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)明了藍色發(fā)光二極管（LED），幫助人們以更節能的方式獲得白光光源。他們的突出貢獻在于，在三基色紅、綠、藍中，紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但制造藍光LED長(cháng)期以來(lái)是個(gè)難題，他們三人于20世紀90年代發(fā)明了藍光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來(lái)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(gè)節省的電能數字驚人！物理學(xué)研究給人類(lèi)帶來(lái)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，當硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。因此，石墨烯被普遍認為會(huì )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)家大衛溫蘭德（DavidJ。win—land），在“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個(gè)量子系統成為可能”。他們的突破性的方法，使得這一領(lǐng)域的研究朝著(zhù)基于量子物理學(xué)而建造一種新型超快計算機邁出了第一步[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(shí)驗團隊從實(shí)驗上首次觀(guān)測到量子反�；魻栃�應。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撲絕緣體有可能是實(shí)現量子化反�；魻栃�應的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導下開(kāi)展實(shí)驗研究，從實(shí)驗上首次觀(guān)測到量子反�；魻栃�應。我們使用計算機的時(shí)候，會(huì )遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動(dòng)制定一個(gè)規則，電子自旋向上的在一個(gè)跑道上，自旋向下的在另一個(gè)跑道上，猶如在高速公路上，它們在各自的跑道上“一往無(wú)前”地前進(jìn)，不產(chǎn)生電子相互碰撞，不會(huì )產(chǎn)生熱能損耗。通過(guò)密度集成，將來(lái)計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成現在的iPad那么大。因此，這一科研成果的應用前景十分廣闊[17]。物理學(xué)的每一個(gè)重大發(fā)現、重大發(fā)明，都會(huì )開(kāi)辟一塊新天地，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)社會(huì )進(jìn)步，創(chuàng )造巨大物質(zhì)財富�？v觀(guān)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、結語(yǔ)

　　論述了X射線(xiàn)，電子、半導體、原子能、激光、藍光LED等的發(fā)現或發(fā)明對人類(lèi)進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用，自然得出結論，物理學(xué)是科技創(chuàng )新的源泉。打開(kāi)國門(mén)看一看，美國的著(zhù)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(shí)為540，英、法、德也在400—500學(xué)時(shí)[18]。國內高校只有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理課程做到了與國際接軌，以他們的數學(xué)與應用數學(xué)為例，大一開(kāi)設：力學(xué)與熱學(xué)80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—基礎實(shí)驗54學(xué)時(shí)；大二開(kāi)設：電磁學(xué)80學(xué)時(shí)，光學(xué)與原子物理80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—綜合實(shí)驗54學(xué)時(shí)；大三開(kāi)設：理論力學(xué)60學(xué)時(shí)，大學(xué)物理及實(shí)驗總計408學(xué)時(shí)。在大力倡導全民創(chuàng )業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng )新的今天，高等學(xué)校理所應當重視物理學(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(lèi)專(zhuān)業(yè)物理基礎課程教學(xué)指導委員會(huì )頒發(fā)的《非物理類(lèi)理工學(xué)科大學(xué)物理課程/實(shí)驗教學(xué)基本要求》給足大學(xué)物理課程及大學(xué)物理實(shí)驗課時(shí)。

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