1、教学设计第四节物理学人类文明进步的阶梯整体设计本节主要介绍物理学的发展和其他领域学科之间的联系和促进，展示物理学对现代技术和人类文明发展的推动作用.本节以物理学成果展示、科学精神、信息化能力等多层面展开，同时渗透物理学肩负着“探索自然、驱动技术、拯救生命”的历史使命，今后我们应当拓宽物理教育的视野和背景，以适应学习化社会的发展.教学重点1.物理学的进展是人类思维观念进步的阶梯.2.展示物理学成果和方法对其他学科的发展产生的影响，体现物理学的博大和精深.教学难点1.物理学的进展是人类思维观念进步的阶梯.2.展示物理学成果和方法对其他学科的发展产生的影响，体现物理学的博大和精深.教学方法讨论式、探
2、究式课时安排1课时三维目标知识与技能1.了解物理学与自然科学其他领域的关系，知道物理学的研究成果和研究方法对自然科学的影响和促进作用.2.了解物理学对现代科学技术发展的推动，体会物理学的巨大影响和作用.3.了解物理学对人类社会文明发展的推动，体验物理学对人类社会生活的影响.过程与方法1.举例说明物理学的研究成果和方法对自然科学其他领域的影响和作用，体会物理学对自然科学发展所起的重要作用.2.列举物理学理论转化为高新技术成果的具体实例，体会物理学对科学技术的推动.3.收集科学技术推动社会发展的具体实例，关注科技发展对人类社会的影响.4.通过讨论与交流，使学生深刻体会科学技术应与人类和谐发展，使学
3、生明确在探索自然界的运动规律的同时，应遵循客观规律，使科学技术与社会发展相一致.情感态度与价值观1.通过了解人类借助自然科学认识，改造世界，创造美好生活的“事迹”，激发学生对前人的敬仰，对科学的兴趣和对理想的憧憬.2.通过呈现物理学推动人类文明的进步，使学生更深刻感受物理学的价值，促进学生情感的迁移和人性的完善，进而无限地热爱“物理世界”.3.促进学生关注物理知识与技术的发展，使学生感受物理知识对现代生活的影响，从而引发他们的学习热情，利用所学知识和技能开创自己的未来.4.通过学生收集相关信息、例证，培养学生获取和评价信息的能力、组织信息的能力、交流和表达信息的能力、应用计算机处理信息的能力.
4、教学过程导入新课师在初中，大家已经学习了一些物理知识和科学方法.作为即将跨入高二的你们，如果要你站在新的高度概要阐述一下物理学研究哪些问题，它与其他科学和技术的关系，以及它对人类文明所起的作用，你的评价如何？生物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和基本规律.物理学还研究它们的内部结构，在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用，以及它们运动和转化的规律.因此，说物理学是“万物之理”的学问并不为过.物理学的发展，促进了技术的进步，引发了一次又一次的产业革命.现代物理学更是成为了高新科技的基础，对人类文明的进步和发展都起了巨大的推动作用.师物理学是一门自然科学，它起始于伽利略和牛顿的年
5、代.经过三个多世纪的发展，它已经成为了有众多分支的、令人尊敬和热爱的基础科学.同时，物理学也是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学.由于自然界并不自动地展现其背后的本质、规律和内在联系，所以物理学又是极富洞察力和想象力的科学.在物理学研究中形成的基本概念和理论、基本实验方法和精密测试技术，已经越来越广泛地应用于其他学科，进而极大地丰富了人类对物质世界的认识，极大地推动了科学技术创新和革命，极大地促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步.推进新课一、物理学与自然科学人类文明进步的基石师在物理学的基础性研究过程中，形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实验手段和精密测试方法，已成为其他
6、许多学科的重要组成部分，并产生了良好的效果.这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学甚至经济学都是如此.1997年诺贝尔经济学奖授予的项目，是一个对全球金融产生巨大影响的期权定价模型BlackCcholes公式.该公式的主要创建人F.S.Black的学历背景如下：1959年毕业于哈佛大学物理系，1964年获该校数学应用系博士，1971年任芝加哥大学经济系教授.当前出身理科的跻身经济学界的大有人在.19世纪末20世纪初，相对论和量子论的确定是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地质学等学科的理论也都发生了革命性的突破，并形成了一些交叉学科，如：物理化学、生物
7、物理、地球物理等等.当前科学中最活跃、最引人注目的课题，如生命科学、宇宙起源、材料科学等等，都与物理学的研究成果和研究方法密切相关.下面请各小组展示已收集的关于物理学与自然科学相联系的成果展示.生1生命科学与物理学的紧密关系是不言而喻的，生命科学的重大进展离不开物理学的基础.20世纪最伟大的发现之一脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础.1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构.医院里最先进的设备往往也是物理学刚刚发展的技术，例如 X光机，B超，CT（计算机X射线断层扫描成像技术），
8、核磁共振扫描仪，检测的精度越来越高.最近又有正电子成像技术；软X射线直接观察组织切片技术等.生220世纪90年代发展起来的纳米技术，可以使人们按自己的需要去设计并重新排列原子或原子团，使其具有人们希望的特性.这使人类在材料科学的研究中，迈出了极其重要的一步.纳米(nanometer):长度单位的一种，1 nm=10-9 m，即十亿分之一米.大约相当于头发粗细的八万分之一.“nanometer”源自拉丁文，意思是“矮小”.纳米的确微乎其微，然而纳米构建的世界却是神奇而宏大的.21世纪，信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术是科学技术发展的主流.人们普遍认为，纳米技术是信息和生命科学技术能够进一
9、步发展的共同基础.纳米技术所带动的技术革命及其对人类的影响，远远超过电子技术.纳米技术：于细微之处显神奇，纳米技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律.由于纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地.纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备.几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同
10、于大块物体的性质，这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”.“超分子”的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化.当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去.通俗来说，纳米材料一方面可以被当作一种“超分子”，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种非常小的“宏观物质”，以至于表现出前所未有的特性.同时， 许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对生命科学的理解.对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合他们，是当今纳米科学技术的主要问
11、题之一.当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农业等方面.生3高温超导技术:当温度低于超导转变点时，超导体具有完全变磁性，下方的超导体如同一块和上方的永磁体同极相对的磁铁一样，使永磁体片漂浮起来.20世纪80年代，高温超导的研究取得了重大的突破，为超导的实际应用开辟了道路.1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98 时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林昂尼斯称之为超导态.卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺
12、贝尔奖.这一发现引起了世界范围内的震动.在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”.超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应.导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中产生较大的电流，从而产生超强磁场.1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去.对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁感线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”. 后来人们还做过这样一个实
13、验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动.迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性.为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2 K提高到23.22 K（0K=-273 ）.1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30 K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2 K，87年1月升至43 K，不久又升至46 K和53 K，2月15日发现了98 K超导体，很快又发现了14 下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大
14、突破，使超导技术走向大规模应用.超导材料和超导技术有着广阔的应用前景.超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船.由于这些交通工具将在无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能.超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的.超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段.利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮. 超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体.超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最
15、大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用.随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现.现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一.生4激光技术:20世纪60年代，激光器诞生.激光物理的进展为激光在制造业、医疗技术和国防工业中的应用打开了大门.（1）神奇的激光在一般人的心目中，太阳光可能是世界上亮度最强的光.但是，到了20世纪中叶，科学家们却发现了一种比太阳表面亮度高出100亿倍的光，它就是激光.要弄清激光，首先得从物质的原子结构谈起.原子是由带正电荷的原子核和带负电的电子
16、组成.电子绕原子核做高速运动，犹如八大行星绕着太阳运转一样.电子排列是分层的，内层电子能量低，外层电子能量高，如果施加外力，使内层的电子跳到外层，而外层的电子再跳回内层，就会发射出灯光般的光束来.激光发光的基本原理就是电子跳跃而发射的光.1960年，美国科学家梅曼首先用红宝石作材料，制成了世界上第一台激光器，获得了6 943 的红光，开创了激光技术的先河.如今形形色色的激光器如雨后春笋般出现，据统计，已有数百种之多.种类繁多的激光器，它们都由三个主要部分组成：第一部分称工作物质，它是保证受激而产生激光的物质；第二部分称泵浦手段，这是不断给产生激光的物质补充能量；第三部分是振荡腔，通过腔的振荡不
17、断放大，从而保证激光输出.人们给激光冠上神奇的称谓，那是因为它有独特的本领：方向性强、颜色纯、能量大等.因而，它的用途十分广泛.激光用来加工机械，削铁如泥，任何金属在激光面前都会迎刃而解；激光用于通讯，携带信息量惊人，用于电话，可使几十亿部电话同时通话；用于电视，可传播上千万套节目；用于印刷，分辨率达每英寸9 000个点，调制速率可达几十兆赫；用于计算机，比电子开关快1 000倍. 尤其值得一提的是，激光还可以用来制造武器.比如，激光枪号称20世纪的无声枪，可使对方士兵双目失明；再如激光炮，它能量大、命中率高，可轻易击毁敌方坦克、飞机、导弹，甚至卫星.美国在白沙导弹试验场，用功率最大的默兰克尔
18、激光炮对赫赫有名的大力神式导弹发射，不到2 s，大力神导弹就折戟沉沙.激光炮的速度达到惊人地步，到达3105 km/s.激光的发现能为人类造福，但也能给人类带来灾难.科学家的任务是，用其利，去其害，造福于子孙后代.（2）飞秒激光激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用.近年来，科学家研究发现了一种更为奇特的光飞秒激光，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段.它在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大.科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用.激光的历史还不到40年，是目前人类观察发现微观世界、揭示超快运动过程的重要手段.而且众多科学技术的研究因此获得了突破性发
19、展.飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10-15 s，也就是 s，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍.飞秒激光的这些特性是如何实现的呢？高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器.在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲.展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开.放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量.压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲.飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常
20、重要的基本属性.飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程.基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用.特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线.高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景.高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，
21、实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏.利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩.高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火，从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径 .生6天文学从观察、研究天体的机械运动深入到探索天体的本质，由此产生了标志着天文学新的发展水平的天体物理学，使人类进入了认识宇宙的新阶段.在人类文明的初期，人们认为大地是一个大扁盘，物理学的发展使人类对大地乃至宇宙的认识发生了翻天覆地的变化.从“天圆地方”到“地心说”；从“地心说”到“日心说”；从太阳系到河外星系；从静态的宇宙到膨胀的宇
22、宙；从“盘古开天地”到“大爆炸”的宇宙演化论等多方面的认识提高和发展，标志着人们对于宇宙的认识逐步加深.我国对宇宙的探索也取得了一定的成就，特别是在通讯卫星和载人飞船等技术领域处于世界先进行列.21世纪国防现代化的概念非常广泛，包括核子武器的小型化，纯聚变核武器的发展以及核武器的防护；高新技术武器的发展，如军用航天技术（含弹道导弹、军用卫星、导弹防御）、精确制导武器（雷达制导、红外制导、激光制导、巡航导弹）、隐身和反隐身对抗（雷达波隐身、红外隐身、声波隐身）等；新概念武器，如强激光武器、高功率微波武器、电磁炮、等离子体武器、粒子束武器、反物质武器等.姜子牙司马法：“国虽大，好战必亡；天下虽安，
23、忘战必危.”这也激励着我们青少年一代应该更加努力地学习，掌握更多的先进技术为国争光.二、物理学与现代技术人类文明进步的推动力师物理学的发展，促进了技术的进步，引发了一次又一次的产业革命.现代物理学更是成为高新科技的基础.其中它与我们的生活也息息相关.生118世纪中叶，蒸汽机的改进和广泛应用得益于热学的研究.蒸汽机的广泛使用，促进了手工生产向机械化大生产的转变，并使陆上和海上较大规模的长途运输成为可能，这大大推动了社会的发展.生219世纪后半叶，在电磁学研究的基础上发展起来的电力工业，给生产和生活带来深刻的影响，使人类进入电器时代.生320世纪70年代，微观物理方面的重大突破开创了微电子专业，从
24、而触发了第三次产业革命.世界开始进入以电子计算机应用为特征的信息时代.生420世纪初相对论和量子力学的建立，是物理学史上一场惊天动地的革命.由此诞生的近代物理学以雷霆万钧之势将世界带入高科技时代.组成物质的微粒服从量子规律，因此，半导体芯片等产业离不开量子力学的理论支撑.可以说，没有量子力学就没有现代技术，也就没有现代化的生活.21世纪初微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流；随着IC设计与工艺水平的不断提高，系统集成芯片将成为发展的重点，并且微电子技术与其他学科的结合将会产生新的技术和新的产业增长点.三、物理学的未来19世纪下半叶，以经典力学、热力学、统计物理和电磁场理论为
25、主要内容的物理学，几乎能解释当时已知的各种物理现象.因此，当20世纪第一个春天来临之际，久负盛名的英国物理学家，被英王授予“开尔文勋爵”的威廉汤姆孙在新春献词演说中，踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就行了.”但话音刚落，他的预言就被一个接一个的重大发现所粉碎.从下表可以看出，在20世纪，物理学捷报频传，重大发现此起彼伏，从来没有停止过.20世纪物理学重大发现列举年代重大发现和与物理学相关的重大技术进步19001909阴极射线，黑体辐射理论，狭义相对论，光电效应19101929晶体的X射线衍射理论及实验，超导现象，广义相对论，威尔逊云室19201939量
26、子力学，康普顿效应，晶体电子衍射19301949发现中子、正电子和宇宙射线，产生人工放射元素，核磁共振理论19401959半导体及晶体管，发现介子，穆斯堡尔效应19501969激光器，超导体的隧道效应，宇宙微波背景辐射19601979发现J/粒子和轻子，弱电统一理论，非线形物理19701989发现W1和Z0粒子,扫描隧道显微镜，高温超导材料，超弦与大统一理论19801999介观物理理论及器件，发现C60及其家属，纳米材料与纳米结构那么，21世纪又会是怎样呢？还会有重大的发现吗？著名法国物理学家、诺贝尔获得者德布罗意在物理学的未来一文中说：“我们的知识越是发展，自然界就越是以其多种表现证明它拥有
27、无穷的财富；甚至在很先进的科学领域，如物理学，我们也没有理由认为我们已经耗尽了自然财富，或者认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富.”事实正是这样，当前许多困扰物理学的难题.例如，在物质结构理论中，认为“夸克”构成了质子、中子等强子，但是，夸克为什么不能单独存在？寻找传递强相互作用的胶子的实验能否得出预期的结果？如果将量子力学和广义相对论结合起来，怎样解释宇宙的起源和演化？此外，自然界中最常见的运动状态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介于两者之间，但为解释这类现象的混沌理论还远未成熟所有这些都有待人们去探索.综观世界科学技术发展史，许多科学家的重要发现和发明，都是产生于风华
28、正茂、思想最敏捷的青年时期.这是一条普遍性的规律.哥白尼提出日心说时是38岁；牛顿和莱布尼茨发明微积分时分别是22岁和28岁；爱迪生发明留声机时是29岁，发明电灯时是31岁；贝尔发明电话时是29岁；居里夫人发现镭、钸、钍三种元素的放射性时是31岁；爱因斯坦提出狭义相对论时是26岁，提出广义相对论时是37岁；李政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒定律时分别为30岁和34岁；沃森和克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型时分别是25岁和37岁尽管年轻人的知识不如老年人丰富，但却很少保守思想，最具创新精神.虽然多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是，不论从事什么职业，高中物理学习中树立的创新精神会使
29、你终身受益.“江山代有人才出，各领风骚数百年.”同学们，努力吧！科学技术直接或间接改善生活的几个事例.科学技术的发展对我们的生活水平、生活方式、文化教育等方面的影响是极为深刻的.从日常的衣食住行中，处处可以感受到科学技术给我们生活带来的变化.各种合成纤维大大丰富了人们的衣着面料；农业的增产提供了丰富的食品，改善了人民的食品结构；至于汽车、飞机的发明和普及带给人们交通的方便、快捷；医学的进步提高了人民的健康水平，延长了平均寿命；教育的普及提高了人民的文化水平；电灯、电话、家用电器的普及大大方便了我们的生活这样的例子不胜枚举.科学技术恶化生活的几个事例.当前我们面临的许多问题，如温室效应、物种的灭
30、绝、臭氧层的破坏、核战争、大气污染、能源危机等，这些问题都是与科技相互关联的，需要我们给予足够的重视.例如，20世纪20年代以来，随着工业的发展，特别是石油、天然气、化学工业的增长，汽车的普及，造成了前所未有的环境污染问题.20世纪60年代以前著名的“八大公害”中，至少一半发生在1950年前.它们是：（1）“马斯河谷事件”.1930年12月，比利时马斯河谷工业区由于空气中二氧化硫浓度过高，致使六十多人死亡；（2）“多诺拉烟雾事件”.1948年发生于美国宾夕法尼亚州多诺拉镇.因二氧化硫及其氧化作用与大气中的尘粒结合，形成致害毒素，致使5 500人染病，17人死亡.（3）“洛杉矶光化学烟雾事件”.
31、40年代初发生于美国洛杉矶市.由于汽车排放的废气在日光作用下形成毒雾，刺激人的感官而造成危害.（4）“水倨病事件”.19351956年发生于日本熊本县水倨市.由于含甲基汞废水污染水体，使鱼类中毒，人食了毒鱼引起中枢神经疾患而致残、致死.造成上述环境问题并非是科学技术本身的罪过，这是资产阶级为追求利润而不惜牺牲环境，或是政府对环境污染缺乏立法和疏于管理所致.环境的恶化唤醒了人们的环保意识，引起了公众的愤怒和抗议，从而成为战后发达国家环保运动兴起的直接原因.总之，科学技术的飞速发展一方面为创造人类的幸福提供了前所未有的能力，另一方面也使人类掌握了可以毁灭地球上一切生命的能力.如果人类能把科学技术进
32、步的成果全部应用于和平和发展事业，那么，未来世界的前景将是十分美好的.课堂小结物理学的进展是人类思维进步的阶梯；物理学的成果和方法对其他学科的发展产生影响，体现了物理学的博大和精深.板书设计第四节物理学人类文明进步的阶梯物理学与自然科学人类文明进步的基石物理学与现代技术人类文明进步的推动力物理学与生命科学、材料学、原子核物理、天文学、化学、地学、医学、农业科学甚至经济学等都有着紧密的联系.18世纪中叶：蒸汽机的改进和广泛使用19世纪后半叶：电器时代20世纪70年代：微电子发展的信息时代20世纪初：建立相对论和量子力学21世纪：芯片等高新工艺的发展备课资料1.经典物理学的盛世(17世纪至19世纪
33、末)第一次综合(统一)是17世纪牛顿力学构成的体系.可以说，这是物理学第一次伟大的综合.牛顿力学实际上是将天上的行星运动与地上的苹果下坠概括到一个规律里面去了，建立了经典力学.至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据是另一回事，但它说明了人们对于形象思维的偏爱.牛顿实际上建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律.运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律；万有引力是一种特定的物体之间存在的基本相互作用力.牛顿将两个定律结合起来运用，因为行星的运动或者地球上的抛体运动都离不开万有引力的影响.牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时，也发展了数学.他也是微积分的发明人.他用微积
34、分来解决力学问题，由运动定律得出来的运动方程，可以用数学方法把它具体解出来.这体现了牛顿力学的威力，它具有解决具体问题的能力.假如你要计算行星运动的轨道，基本上可以按照牛顿所给出来的物理规律，加上用数学方法解运动方程就行了.根据现在轨道上的行星位置，倒推千百年前或预计千百年后它们的位置都是轻而易举的，从而开拓了天体力学这一学科.海王星的发现史就充分显示了这一点.人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的要求，问题在哪里呢？结果认为牛顿定律正确无误，而是在天王星轨道外面还有一颗星，对它造成影响，并估计出这个星球的位置.果然在预计的位置附近发现了这颗星，命名为海王星.这表示牛顿定律是很成功的.到19世纪
35、，经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律.重新表述的有拉格朗日(Lagrange)方程组、哈密顿(Hamilton)方程组.这些重新表述形式不一，实质并没有改变.在不改变实质的条件下，用新的、更简洁的形式来表述牛顿定律，这是一个方面.另一个方面，就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中去，就出现了弹性力学、流体力学等.在这一方面,20世纪有更大的发展，特别是流体力学、空气动力学和航空技术的发展密切相关,而气动力学的发展又和喷气技术密切相关，进而牛顿力学还构成了航天技术的理论基础.因此我们说牛顿定律到现在为止还是非常重要的，牛顿定律还是大学课程中不可缺少的一个组成部分.当然，其表述方
36、法应随时代发展而有所不同.读者如果有兴趣，不妨去翻一翻牛顿当年的表述.牛顿关于力学研究的成果，写在一本叫自然哲学的数学原理(简称原理)的巨著中.只要稍微翻一下这本书，就会发现它非常难懂.牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定律中把行星运动的轨道推出来的.我们现在学理论力学时，行星运动的椭圆轨道问题是不太难的，解微分方程就可以求出来.但牛顿在原理里，没有用他的微积分，更没有用解微分方程的方法，他纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的.现代科学家就不一定能看懂他这一套东西.举个例子来说，费曼(R.Feyman)有名的理论物理学家，他写过一本书，他说他自己对现代数学比牛顿强得多，但对17世纪牛顿当时
37、熟悉的几何学他就不一定能全部掌握.他花了好些时间，想用牛顿的思路把椭圆轨道全部证出来，结果，中间还是有些环节证不出来，最后他不得已调整了一下方法，没有完全依照牛顿的证法，但基本上还是用几何方法把这个问题证明出来了.科学理论的表达是随时代变化的.现在来看，牛顿运动定律的关键问题，譬如行星运动是椭圆轨道，现在应有可能在普通物理中讲了，因为简单的微分方程已经可以用计算机求解了.由于计算机的发展，也许今后在普通物理中讲牛顿定律时，就可以在课堂上把行星运动椭圆轨道的一些基本概念说清楚了.在这里也可以说，教学问题与现代科技发展是息息相关的.第二次综合是麦克斯韦的电磁学.大家都知道，最初是库仑定律，用以表达
38、电荷与电荷间的相互作用力，也表达磁极与磁极之间的相互作用力.然后电与磁之间的关联被发现了：奥斯特的电流磁效应，安培发现的电流与电流之间相互作用的规律，然后是法拉第的电磁感应定律，这样电与磁就连通成为一体了.最后，19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一的电磁场理论.电磁定律与力学规律有一个很大的不同.力学考虑的相互作用，特别是万有引力相互作用，根据牛顿的设想，是超距的相互作用，没有力的传递问题(当然用现代观点看，引力也应该有传递问题).现在从粒子的超距作用改成电磁场的相互作用，这在观点上有很大变化，重点从粒子转移到场.麦克斯韦考虑电磁场的相互作用导致电磁波，电场与磁场不断相互作用造成电磁波的传播，后来
39、赫兹在实验室中证实电磁波的发射.另外，电磁波不但包括无线电波，实际上包括很宽的频谱，很重要的一部分就是光波.光学在过去是与电磁学完全分开发展的，到了麦克斯韦的电磁理论出来以后，光学也变成了电磁学的一个分支了，在这里，电学、磁学、光学得到了统一.这在技术上有重要意义，发电机、电动机几乎都是建立在电磁感应的基础上的，电磁波的传播导致现代的无线电技术.电磁学直到现在，在技术上还是起主导作用的一门学科，故在基础物理学中电磁学始终保持它的重要地位.第三次综合是从热学开始的，涉及到宏观与微观两个层次.根据热学研究总结出热力学的两大基本规律：第一定律，即能量守恒定律；第二定律，即熵恒增律.但科学家不满足于单
40、纯在宏观层次上来描述，还想追根问底，企图从分子和原子的微观层次上来阐明物理规律.气体分子动力学便应运而生，用以阐述气体物态方程、气体导热性与粘滞性等物性参量的微观基础.进一步就是玻尔兹曼与吉布斯所发展的经典统计力学.热力学与统计物理的发展，促使物理学家接触到具体的物性问题，加强了物理学与化学的联系，建立了物理化学这一门交叉学科.2.原子物理的开发和利用20世纪30年代，原子物理学发展迅速.1932年中子的发现开辟了核物理学的新纪元.皮埃尔居里夫妇的女婿和女儿约里奥居里夫妇用钚（Po）的粒子轰击铝，人工制造出放射性同位素.人工放射性的发现赋予原子核构造理论以新的意义.1934年10月，意大利物理
41、学家昂利克费米（19011954）发现用中子轰击重元素铀，可造成铀的核裂变，产生新的“超铀元素”；同时，发现慢中子效应所产生的人工放射性更强.1938年，奥地利女科学家丽莎梅特内（18781968）和德国科学家奥托哈恩（18791968）、弗里茨施特拉斯曼（1902？）继续费米的试验，进一步论证了核裂变的链式反应.同时，科学家们还发现铀235原子的核裂变比天然铀核裂变所获得的能量还要大.至此，欧洲科学家已经找到了人工获得原子能的途径.获得原子能的理论准备虽然是在欧洲完成的，但在技术上获得和利用原子能却是在美国首先实现的.20世纪30年代，法西斯主义猖獗，战争阴云密布.法西斯实施的种族主义和文化
42、专制政策迫使许多欧洲科学家，特别是欧洲犹太人科学家流亡国外.1933年，爱因斯坦举家赴美；1938年，费米也因妻子有犹太血统而携全家赴美.丽莎梅特内则流亡瑞典.据统计，仅德奥两国就约有2 000名科学家流亡国外，其中大部分来到美国.当时，英国的科技力量虽属世界一流，但由于财政困难，致使许多科研工作难以进行.美国遂利用这一点，通过1940年美、英、加在北美建立原子工业的协议，美国吸收了75名英国优秀的科学家为其原子能计划工作.总之，战前欧洲大批优秀科学家移居美国，这是世界科技中心从欧洲转移到美国的一个重要原因.来到美国的科学家出于反法西斯的正义感和科学家的责任心而积极工作.当他们得知纳粹德国正在
43、加紧进行链式反应的研究后，为了赶在德国前面造出原子弹，爱因斯坦在许多科学家的倡议和支持下，于1939年8月2日致函罗斯福总统，说：“我预料到在不久的将来，铀元素会成为一种重要的新能源.这一情况的某一些方面似乎需要加以密切注意，如有必要，政府方面还应迅速行动.”美国政府接受了他的建议，于1941年12月6日，即日本偷袭珍珠港的前一天，通过了一项大量拨款制造原子武器的决议.1942年9月，成立了由三名军政官员和两名科学家组成的军事政策委员会，领导制造原子武器的工程计划，代号为“曼哈顿工程区”.1942年12月2日，在费米领导下，芝加哥大学建立了世界上第一座核反应堆，并成功地进行了人工控制的核链式反
44、应.1943年，在加利福尼亚大学理论物理学教授奥本海默（19041967）领导下，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立了一个大规模的实验室.1945年7月16日，在该州的一片荒漠上成功地爆炸了世界上第一颗原子弹.这是一颗铀弹，其威力相当于2万吨TNT炸药，在半径1 600 m范围内的一切动植物全部死亡.这时，法西斯德国已经崩溃，日本的投降也已成定局，军事上使用原子弹已没有必要，然而，美国政府为了战后争夺世界霸权，不顾当初参加研制原子弹的科学家们的多次上书反对，于1945年8月6日和9日向日本广岛和长崎分别投掷了一枚铀弹和钚（Pu）弹，造成20多万居民伤亡.原子弹的爆炸是20世纪最伟大的科学成就之一，
45、从此，人类获得了一个又一个重要的新能源.它本应该给人类带来更多的光明和幸福，然而，不幸的是，它却被超级大国用作争霸世界的武器.3.电子技术的发展电子技术是在19世纪末电磁理论研究取得丰硕成果的基础上发展起来的.19世纪末，对电磁波发射和接收技术的深入研究，导致了无线电电子技术的兴起.进入20世纪后，发展更为迅速，并且时代赋予我们的要求将更高“技术与资本”并举；“合作与创新”并进.1906年，美国的德福雷斯特（18731961）发明了三极电子管，这是电子学发展史上的一个重要里程碑.从此，无线电通信可以达到更远的距离.随着无线电技术的迅速发展，电子工业开始形成.1920年，美国在匹茨堡建立起世界上
46、第一个广播电台，到30年代，已在全世界普遍建立.1921年，美国无线电有限公司成立，标志着美国电子工业的形成.由于欧美电台实现了联网，从而形成了世界性的广播体系.继电磁波传送声音成功之后，科学家们进而根据光电效应原理研究活动图像的传送.1923年，俄国出生的美国发明家兹沃里金研制成功电视显像管.30年代，出现了两种电视装置，一种是机械扫描装置，另一种是全电子电视.英国发明家贝尔德（18881946）成功地进行了传送活动图像的实验.1929年，英国广播公司开始试播电视.1936年11月2日，BBC电台每天播出两小时的电视节目，但由于机械扫描的速度有限，得不到清晰的图像，科学家们遂又加紧进行电子扫描的研究.1933年，兹沃里金发明了电子摄像装置，研制出更为先进的摄像管，进一步促进了现代电视技术的发展.30年代末，英美还同时进行彩色电视的研究.美国于1941年开始正式进行电视广播.第二次世界大战期间，电子设备厂转为生产军需品，直至1946年才恢复固定的电视节目，此后电视进入实用和普及阶段.