物理学的发展与最新科技发展的辩证关系

    当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。这些前沿科技与现代物理学的发展密切相关。

本专题的学习要特别注重如下几点：

1．物质世界的时间和空间尺度的比较，物理学的研究对象与研究方法。

2．物理学与化学，生物学，地理学等基础自然科学间的联系。

3．物理学与相关科技及现代高新技术间的联系等。

21世纪的高新技术  21世纪世界高新科技的重点，主要包括信息技术，生物工程与新材料等领域，它们是20世纪已经萌发，但远未成熟的前沿技术，通过21世纪的纵深开拓，将会趋于成熟，可以达到今天人们难以置信的程度，造福于未来的人们，就像19世纪人们认为“上天揽月”是一种梦境或神话而在20世纪就变成现实一样。可以预见，以基因工程、细胞工程为标志的生物技术将成为21世纪技术的核心；以光电子技术、人工智能为标志的信息技术将成为21世纪技术的前导；以超导材料、人工定向设计材料为标志的新材料技术将成为21世纪技术的基础；以核聚变能、太阳能为标志的新能源技术将成为21世纪技术的支柱；以航天飞机、永久太空站为标志的空间技术将成为21世纪技术的外向延伸；以深海采掘、海水利用为标志的海洋技术将成为21世纪技术的内向拓展。

物理学与材料科学技术现代高科技中的新材料主要分为超导材料，纳米材料，硅材料，无机稀有非金属材料和网络硬件材料等等，在材料科学技术的发展中，物理学起着至关重要的作用。材料研究的一个重要方面是从物理角度出发，研究材料的物理性质，说明材料的结构和性能的关系，如X光技术、电子探针、核磁共振、电子显微镜、粒子加速器、激光的研究与超导的应用等等。

物理学与信息科学技术人类科学技术知识近来的30年所获的总量大约等于过去2000年的总和，今天运用的科学技术知识可能只是2050年所拥有知识的1％。20世纪已经发挥出巨大渗透和强大先导作用的信息科学技术，在21世纪将继续大放异彩，将人类社会带入信息时代。

物理学在信息科学技术的发展中起着决定性的作用，从近代信息技术时期开始，电磁学的诞生，电磁理论的建立引起了电报、电话、广播、电视等信息传播手段的出现，而计算机的出现更促进了信息处理技术的进步，可以说信息技术的每一次重大更新都与物理学密切相关。物理学与信息技术的关系主要体现在信息的获取（压力传感器、光敏传感器等传感技术和遥感、遥测技术）、信息的传输（卫星通信、数字通信和光纤通信）和信息的处理（计算机技术）等三个方面。

物理学与空间技术物理学与人类探索宇宙、奔向太空紧密相关。16～17世纪，哥白尼的“日心说”，把人类从神学的枷锁中解放出来，牛顿的“万有引力定律”揭示了宇宙万物间相互作用的规律，把“天上”与“人间”和谐地统一起来；19世纪中叶开始，以测定天体亮度和分析天体光谱为起点的天体物理学的诞生，之后量子论、相对论、原子核物理和高能物理的创立，使人们可以科学地研究从基本粒子。元素起源、宇宙中分子的形成和生命起源，到行星、恒星以至整个宇宙的起源和演化；20世纪50年代以来，人造卫星的上天、载人航天器的发射、人类登月的成功，物理学及其相关技术的发展，把人类的航天活动不断推向新的高潮。

物理学与生命科学物理学是生命科学的基础，物理技术和物理原理在生命科学中的应用不断推动生命科学向前发展。20世纪领头的科学是物理科学。21世纪领头的科学将是生命科学。因为生物工程跟人类社会更紧密地息息相关，而且同产业的命运紧紧联系在一起。极限技术、环保技术及纳米技术等将明显成为21世纪研究向极限状态的奥秘推进。

物理新技术给生命科学提供有力的观测研究工具，显微镜的发明和应用对生命科学的影响便是一例，血压计和体温计发明也是的用物理原理解释生命规律的必然结果。生命科学中蕴藏着丰富的物理知识，试看人体的哪个系统里没有可用物理解释的现象呢？生命运动中渗透许许多多的物理原理，对听觉和视觉的研究的成就代表着生物物理学这一学科的建立。现代物理学也深深影响着生命科学的发展，量子力学的建立，一些物理学家很快把它应用于解释有机体的突变和细胞染色的力学问题。

物理学与环境科学技术人类目前面临的环境问题大多涉及到多个不同的学科，与物理学科关系甚紧的环境问题主要有大气污染（包括酸雨、温室效应。臭氧层破坏等）、噪声污染、电磁污染、放射性污染、光污染和太空垃圾污染等等。物理学技术的发展，使人类进一步认识自然，掌握自然规律，合理利用资源，控制污染，治理环境。

例题1  21世纪新科技领域中，纳米技术正日益受到各国科学家的关注，回答下列问题：

（l）纳米技术指在      水平上制造机械装置，目前这一技术尚处于幼年期，纳米是      单位，1nm等于      m，纳米科学与技术是研究结构尺寸在1至100urn范围内材料的性质和应用。

（2）纳米科技是跨世纪新科技，将激光束的宽度聚焦到纳米级范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把尚令人类无奈的癌症、遗传疾病彻底根除。这是利用了激光的     

A  单色性    B  方向性    C  高能量    D  粒子性

（3）纳米技术专家已经制造出直径只有0.076mm的电动机和只有分子那么大但却有运动臂的机械装置，说明纳米技术对人类生产和生活的主要作用。

【阐释】（l）纳米技术指在原子和分子水平上制造机械装置，纳米是长度单位，1纳米（um）等于10^－9m。

（2）将激光束的宽度聚焦到纳米级范围内，可修复人体已损坏器官，对DNA分子进行超微型基因修复，这是利用了激光的高能量（亮度高）和方向性好的两个特性。选B和C。

（3）利用纳米制造纳米机器，如用来清除动脉中脂肪的自推进微型外科手术刀舰队，有用来清理环境废物的自复制型纳米机器人等。纳米蚀刻机器将制造出更小的电阻器和电容器，使电子产品进一步微型化。纳米机器甚至可以用废料制造我们想要的任何物品或材料，从而增进人们的健康，清洁环境，甚至能根除地球上的饥饿和各种短缺。

【参考答案】见解析部分。

【点评】本题把高中理科知识与纳米技术及激光等高新技术综合起来，有利于拓展学生的知识面，培养学生理论联系实际的能力。