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科学教育

物理学是自然科学和工程技术的基础

2018-06-27 11:50:53

  摘 要:现行高考改革中物理学变成了选考科目,很多科学家担忧这一改变会使我国整体科学研究受到冲击,因为物理学与众多学科有着较深的关联。本文讨论了物理学与天文学、化学、材料科学、生物学、核能工程、计算机技术、建筑学、通信技术之间的关系,证明物理学是这些自然科学和工程技术的基础,高中生应加大对物理学的重视。本文对高中生选择报考物理学科具有一定的指导意义。
  关键词:物理学;自然科学;工程技术
  随着我国高考制度改革的推进,学生可以根据自我兴趣和未来发展方向选择考试科目,学生学习自主性越来越高,极大地促进了我国整体教育水平的进步。但是在改革的初期,很多学生出于各种考虑没有选择报考物理学,这一现象引起了众多专家的担忧。各学科科学家认为物理学是其他学科的基础,放弃物理学将会直接影响到我国未来科学进步。由此,科学家们呼吁高中生不要放弃物理学,而应学好物理学为未来各行各业的发展打好基础。本文讨论了物理学与常见自然科学和工程技术的关系,证实物理学对侧重基础的自然科学和侧重应用的工程技术而言,既是基础奠定者又是发展推动者,支持科学家们对物理学是其他学科基础的观点,对未来高中生选择报考物理学具有一定的指导意义。
  1 物理学与自然科学的关系
  在所有的自然学科中,天文学与物理学的关系是最为密切的,很多时候天文和物理不分家。例如,对星体运动状态进行观测,找出其中隐藏的规律,并用理论加以解释,是天文学家和物理学家的共同任务。伽利略、牛顿、哥白尼等伟人,都是身兼物理学家与天文学家的双重身份。在天文学中,解释行星的运动需要依靠牛顿运动定律,解释恒星的能源问题需要使用质能方程,解释引力波需要利用相对论,这充分说明了物理学是研究天文学的重要基础,物理学和天文学是密不可分的。物理学的发展为天文学中的天文现象和天体运动规律等知识的研究提供了最基本的理论支持。
  物理学和化学之间也有着千丝万缕的联系,化学中原子分子之间存在离子键、共价键,而这些化学键的形成可以利用物理学理论解释。正负离子之间通过静电作用而形成了离子键,原子间通过共用电子对而形成的相互作用对应的是共价键。除了原子间的化学键,决定更为基础的电子分布的化学定理--构造定理实际上也是由物理学家尼尔斯波尔利用量子力学理论提出的。化学中最基础的部分均有物理学的贡献,物理学为化学提供了重要支撑。
  物理学与材料科学也有紧密的联系。现代材料科学的快速发展完全得益于物理学理论的支撑。例如当前热点材料--拓扑绝缘体的发现就是首先由物理理论给出了其存在的预言,再研究发现其存在及相应特性。2006年张首晟等人通过物理理论研究,预测HgTe/CdTe超晶格结构是二维拓扑绝缘体。一年之后Molenkamp等人证实了张首晟的预测。同年Kane预测Bi1-xSbx(0.07<x<0.22)是三维拓扑绝缘体。一年后hasan等人制备了相关材料并证明了该材料确实是三维拓扑绝缘体。2009年方忠、戴希和张首晟预测bi2se3,bi2te3以及sb2te3是拓扑绝缘体。同年hasan和cava合作证实了预言并且发现bi2se3具备未来自选电子学器件应用的可能。物理学作为材料科学的基础,引领、推动了材料科学的发展,丰富了材料科学的研究方向。[1]< p=""></x<0.22)是三维拓扑绝缘体。一年后hasan等人制备了相关材料并证明了该材料确实是三维拓扑绝缘体。2009年方忠、戴希和张首晟预测bi2se3,bi2te3以及sb2te3是拓扑绝缘体。同年hasan和cava合作证实了预言并且发现bi2se3具备未来自选电子学器件应用的可能。物理学作为材料科学的基础,引领、推动了材料科学的发展,丰富了材料科学的研究方向。[1]<>
  物理学还为生物学的发展奠定了基础,两者有着密切的联系,英文中物理学家(physicist)和医师(physician)有着相同的词根。物理学家伽利略在研究物理之前学习过医学,伽利略后期利用单摆测量过人的心率,还制作了第一个现代意义上的显微镜。显微镜的出现极大地促进了生物学的发展,而现代生物学更是将物理学原理应用到了极致,创造出多种显微镜,例如:偏光显微镜,电子显微镜,扫描隧道显微镜,原子力显微镜等。除了显微镜,诸如X射线技术等物理学技术也应用到生物学,正是借助X射线晶体衍射技术,人们发现了DNA的双螺旋结构,开启了遗传学高速发展的大门。可以说,生物学的每一步技术进步都离不开物理学的支撑。[2]
  2 物理学与工程技术的关系
  核能工程技术的发展完全得益于物理学。在物理学奠定基础之前,人类没有能力进行核能的实践,更无法从实践角度总结核能知识。物理学的发展为核能的发展建立了客观基础。爱因斯坦的著名论文《物体的惯性同他所包含的能量有关吗?》中提出了质能关系,这个方程点燃了核能的高速发展。之后又有多为物理学家推动了核能研究,卢瑟福提出了原子的核式模型,波尔完善了原子结构理论,查德威克发现了中子,海森堡和伊凡宁柯提出了原子核有质子和中子组成,居里夫妇利用人工方法制备出放射性同位素……这些物理学研究奠定了核能研究的基础,揭开了核能工程技术发展的时代。[3]
  对于在各个领域都有广为使用的计算机,它的发展与物理学紧密相连。第一代计算机源于电子管原件的发明。第二代计算机源于小巧可靠的晶体管。第三代计算机源于集成电路的问世。第四代计算机源于利用大规模集成电路的逻辑元件和存储器。可见,计算机每一次跨时代发展的背后都是物理学发展变革为基础的。[4]
  传统建筑工程技术也得益于物理学得到了快速发展。建筑学与光学有关。夏季太阳光透过6mm厚的窗玻璃时约有84%的能量进入室内,进而使室内温度剧增。利用物理学中光的干涉原理制备的金属性反射玻璃能够使大幅提升玻璃反射红外线的能力,大大降低了室内温度。建筑学与声学有关。要想使建筑物内音质符合需求,就要使用适当的吸声材料,而这些吸声材料的工作原理就是物理学中的亥姆霍兹共振原理。[5]
  现代通信技术的发展也离不开物理学。现代通信必须要用到激光器和光纤,激光器产生的激光来源于物质的受激辐射,相关物理概念是爱因斯坦于1917年提出的;光纤的创造更是利用了光学中全反射原理。正是有了现代通信技术,当代社会才能够通过互联网连接起来,当今信息传递速度才会与日俱增,极大地改变我们的生活。随着物理学的发展,未来通信技术会进一步跃升,现阶段我们可以预测未来借助量子力学理论,量子光纤通信会走入现实。量子密码、量子远程传态等新技术会像传统光通信改变世界一样改变整个人类的信息交流方式。物理学的发展决定了未来人类信息交流的方式。未来通信技术对人才的要求首先就是掌握物理学。[6]
  3 结语
  从常见的自然科学和工程技术的讨论中我们可以看出,物理学对其他同样侧重基础的自然科学和侧重应用的工程技术而言,既是基础奠定者又是发展推动者。未来各行业的优秀人才首先应该是掌握物理学的人才,未来国家科学技术的发展首先应该是物理学的发展。物理学如此重要,关系着每一个人的发展和国家的进步,值得我们更大的重视。高中生在学习时应该排除功利性的因素,努力学好物理学这门基础学科,为未来个人和社会的发展打下坚实的基础。
  参考文献
  [1]吕衍凤,陈曦,薛其坤.拓扑绝缘体简介[J].物理与工程,2012,(22):7.
  [2]郝柏林.物理學与生物学(上)[J].物理,2003,(4):213.
  [3]杜祥琬.浅谈现代物理学与工程技术[J].物理,2005,(7):480.
  [4]刘亚娟.浅谈物理学与计算机技术的关系[J].计算机与网络,2008,(21):1632.
  [5]张秀荣,王彤业.物理学在建筑工程中的应用[J].河北建筑工程学院学报,1996,(2):39.
  [6]戴峰,杨伯君.第六讲 物理与光纤通信[J].物理,2005,(06):450.


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