高科技物理在生活中的应用

高科技物理在生活中
的应用
摘要：物理是一门历史悠久的自然学科，随着科技的发展，社会的进步，物理以渗入到人类生活的各个领域；在学习中，同学们要树立科学意识，历经观察思考实践创新等活动，逐步掌握科学的学习方法，训练科学的思维方式，为以后
的美好生活打下最坚实的基础。

物质世界隐藏着无穷的奥秘，人们曾经以为那是潘多拉匣子。

其实，里面充满着我们渴望的全部美丽与光明。

不断梦想所谓渴望美丽与光明，其实是追求更好的生存空间和更高的生存质量这种贪得无厌的追求，促使人类不断地梦想。

关键词：物理人类生活各个领域身边科学方法激光新型材料
1激光技术及应用
1．1高科技物理在军事领域的应用
激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。

物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。

那么激光是如何产生的呢？
众所周知，任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。

当处于低能级上的粒子（原子、分子或离子）吸收了适当频率外来能量（光）被激发而跃迁到相应的高能级上（受激吸收）后，总是力图跃迁到较低的能级去，同时将多余的能量以光子形式释放出来。

如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的（自发辐射），此时被释放的光即为普通的光（如电灯、霓虹灯等），其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。

但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来（受激辐射），被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致，这就意味着外来光得到了加强，我们称之为光放大。

显然，如果通过受激吸收，使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多（粒子数反转），这种光的放大现象就越明显，这时就有可能形成激光了。

激光的特性和特征。

激光之所以被誉为神奇的光，是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。

1.方向性好——普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内（图8-9），这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。

激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。

太阳光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。

这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。

激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

3.单色性好——光是一种电磁波。

光的颜色取决于它的波长。

普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。

太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。

而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。

如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。

由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。

基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。

那人类要怎么控制激光的产生并利用激光呢？那就是下面谈到的激光器。

各式各样的激光器. 在光源中，实现能级粒子数反转是实现光放大的前提，也就是产生激光的先决条件。

要实现粒子数反转，需借助外来光的力量，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到高能级上去，这个过程我们称之为“激励”。

我们通常所说的激光器，就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁，实现粒子数反转，然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。

激光器虽然多种多样，但使命都是通过激励和受激辐射而获得激光。

因此基本组成通常均由激活介质（即被激励后能产生粒子数反转的工作物质）、激励装置（即能使激活介质发生粒子数反转的能源，泵浦源）和光谐振腔（即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜）等三个部分组成。

经过30余年的发展，各国开发出实用的激光器已超过200种。

种类繁多，特点各异，用途也各不相同。

各种激光器主要是为了满足不同的应用目的。

如激光加工和某些军用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所谓强激光）。

有的希望脉冲的时间尽量缩短，以从事某些特快过程的研究。

有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布
以及要求波长可调等提出了很高的要求，从而使激光器的探索深度和应用广度得到前所未有的发展。

激光器的应用
军事领域的应用。

为了满足军事应用的需要，主要发展了以下5项激光技术：①激光测距技术。

它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。

20世纪60年代末，激光测距仪开始装备部队,现已研制生产出多种类型,大都采用钇铝石榴石激光器，测距精度为±5米左右。

由于它能迅速准确地测出目标距离，广泛用于侦察测量和武器火控系统。

②激光制导技术。

激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰，在精确制导武器中占有重要地位。

70年代初，美国研制的激光制导航空炸弹在越南战场首次使用。

80年代以来，激光制导导弹和激光制导炮弹的生产和装备数量也日渐增多。

③激光通信技术。

激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。

光纤通信已成为通信系统的发展重点。

机载、星载的激光通信系统和对潜艇的激光通信系统也在研究发展中。

④强激光技术。

用高功率激光器制成的战术激光武器，可使人眼致盲和使光电探测器失效。

利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。

用于致盲、防空等的战术激光武器，已接近实用阶段。

用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器，尚处于探索阶段。

⑤激光模拟训练技术。

用激光模拟器材进行军事训练和作战演习，不消耗弹药，训练安全，效果逼真。

现已研制生产了多种激光模拟训练系统，在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。

此外，激光核聚变研究取得了重要进展，激光分离同位素进入试生产阶段，激光引信、激光陀螺已得到实际应用。

激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面，对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用。

除了上面谈到的军事领域，当然还有诸多领域。

比如说激光在信息领域和全息技术领域的应用
激光在信息领域的应用半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项关键技术。

半导体激光器发出的激光不仅单色性和相干性好，而且光波频率比微波频率又高万倍，故以激光为传递信息的载体，用光纤做信息传递线路的光纤通信，不仅通信质量好、抗干扰能力强、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上万倍。

一根比头发丝还细的光纤，就可以同时传输上万路电话或成千路电视节目，从而使通信真正成为通向千家万户的网络新时代。

利用激光技术进行光存储，使信息的存储发生了革命性的飞跃。

激光技术使光存储容量大大增加。

一张计算机用的盘径为5英寸的CD-ROM，容量可达650兆比特。

此外，激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用。

2、激光在全息技术领域的应用. 光作为一种波动现象，表征它的物理量有波长（同颜色有关）、振幅（同光的强弱有关）和位相（表示波动起点同基准时间的关系）。

人们利用感光的照相方法，只能记录下波长和振幅，所以无论照得多么逼真，看照片和看真的景物总是不一样。

而激光具有高相干性，能获取干涉波空间包括相位在内的全部信息。

因此，采用激光进行全息摄影，被拍物体的全部信息都被记录在底片上，通过光的衍射，就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象。

时至今日，在全息照相的基础上，还进一步发展了全息干涉术、彩色全息及彩虹全息和周视全息等新的全息技术。

全息照相具有三维成像的特点，可重复记录，而且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象，其用途十分广泛。

可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科
学研究。

利用全息干涉术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。

全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业，用全息照相拍摄珍贵艺术品，不仅欣赏起来令人如临其境，而且为艺术品的修复提供了可靠而逼真的依据。

正在发展的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。

总之，激光作为高新技术，不仅只是一项技术，他的应用也不只是局限于军事领域，还广泛应用在人们的日常生活中。

激光技术及其应用你将给人类社会带来巨大的收益。

2．2气象武器
气象武器就是利用现代科学技术人工影响或控制风云、雨雪、寒暑等天气变化，造成利于己而不利于敌方的气象环境，已取得战争的胜利。

有人曾设想，利用太阳能紫外线和宇宙射线在敌对国制造山崩、雪崩、山洪和干旱等现象。

甚至还有人设想，用人工方法影响台风转向将其引向敌对国……
2.高科技物理在新型材料方面的应用
2.1纳米技术
纳米技术是一门在0.1~100纳米尺度空间内研究电子﹑原子和分子运动规律和特性的崭新高科技技术学科，他的最终目标是，人类按自己的意愿直接操纵单个原子﹑制造具有特定功能的产品。

目前，美国不仅已试制“蚂蚁雄兵”等纳米传感器，而且又提出了像纳米战场信息传感系统等许多全新的武器系统概念。

2.2无线电技术
无线电技术，是通过无线电波传递信号的技术。

其原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。

利用这一现象，可将信息加载于无线电波之上。

当电波通过空间传达到收信端，电流引起磁场的变化，会在导体中产生电流。

通过调节将信息从电流变化中提取出来，就达到信息传递的目的。

如：手机﹑收音机等。

5 最早的实用“半导体”是）/ 二极体。

一、在无线电收音机及电视机中，作为“讯号放大器”用。

二、近来发展，也用在「光电池」中。

三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。

6 光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就
是保护光纤。

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。

1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。

从此，开创了光纤通信领域的研究工作。

1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。

85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。

1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。

1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。

80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。

用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。

新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。

光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。

在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。

7 在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学科。

核电子学形成于50年代。

其内容包括：核科学、高能物理和核技术中有关核辐射（和粒子）探测的电子技术；核爆炸和外层空间的辐射对电子系统的效应和抗辐射的加固技术；核技术应用中所需的核电子技术。

核技术逐渐更多地从军事转向民用领域，因而对核电子学也提出了更广泛而深入的要求。

如在电子器件和电路的发展过程中，尤其是在半导体时代，核电子学对元件、器件和电路都有某些特殊要求，如高可靠性、高稳定性、辐射环境下的生存和应用等。

这些特殊要求是许多电子系统必需考虑的，因而也促进了电子工业的发展。

至于核能应用和航天电子设备的抗辐射加固，更需要抗辐射电子学作出贡献。

核信息获取和处理系统的实时性强、速度快和功能灵活，为其他领域提供了许多有用的经验。

例如，核电子学中的 CAMAC标准也在国防和工业上得到应用。

70年代以后，核医学诊断吸收了核电子学方法，使同位素扫描技术发展成γ照相机技术，又进而发展成断层照相技术。

2.2材料技术及应用
离日常生活最为贴近的比如：以量子理论为基础的半导体材料，二极管三极管和超导体材料。

二极管和三极管的发明是的现代电子产品性能越来越优良，体积越来越小。

新材料是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。

新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非多属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。

按材料的使用性能性能分，有结构材料和功能材料。

结构材料主要是利用材料
的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。

新材料在国防建设上作用重大。

例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上；航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现，
等等。

新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。

记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家，请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。

材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。

新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。

目前，新材料技术正朝着研制生产更小、更智能、多功能、环保型以及可定制的产品、元件等方向发展纳米材料20世纪90年代，全球逐步掀起了纳米材料研究热潮。

由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在磁、光、电敏感性方面呈现出常规材料不具备的许多特性，在许多领域有着广阔的应用前景。

专家预测，纳米材料的研究开发将是一次技术革命，进而将引起21世纪又一次产业革命。

日本三井物产公司曾在去年末宣布该公司将批量生产碳纳米管，从2002年4月开始建立年产量120吨的生产设备，9月份投入试生产，这是世界上首次批量生产低价纳米产品。

美国ibm公司的科研人员，在2001年4月，用碳纳米管制造出了第一批晶体管，这一利用电子的波性，而不是常规导线实现传递住处的技术突破，有可能导致更快更小的产品出现，并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。

在碳纳米管研究方兴未艾的同时，纳米事业的新秀－－“纳米带”又问世了。

在美国佐治亚理工学院工作的三位中国科学家2001年初利用高温气体固相法，在世界上首次合成了半导体化物纳米带状结构。

这是继发现多壁碳纳米管和合成单壁纳米管以来，一维纳米材料合成领域的又一大突破。

这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构，带宽为30～300mm，厚度为5～10nm，而长度可达几毫米，是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体准一维带状结构。

目前已经成功合成了氧化锡、氧化铟、氧化隔等材料纳米带。

由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题，具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能，因而能够更早地投入工业生产和商业开发。

超导材料超导材料在电动机、变压器和磁悬浮列车等领域有着巨大的市场，如用超导材料制造电机可增大极限输出量20倍，减轻重量90%。

超导材料的研制，关键在于提高材料的临界温度，若此问题得到解决，则会
使许多领域产生重大变化。

去年，科学家在超导材料上有不少新收获，相继发现了临界温度更训的新型超导材料，使人类朝着开发室温超导材料迈出了一大步。

在日本，有人发现二硼化镁可在－234℃成为超导体，这是迄今为止发现临界温度最高的金属化合物超导体。

由于二硼化镁的发现，使世界凝聚态物理学界为之振奋。

由于二硼化镁超导体易合成、易加工，很容易制成薄膜或线材，因而应用前景看好。

美国科学家在研制更具实用性超导材料方面取得了明显的进展，并开始进入实用阶段。

美国底物律的福瑞斯比电站在地下铺设了360多米的超导电缆，电缆中123kg重的导线是由含铋、锶、钙、铜的氧化物超导瓷制造的。

这是世界上首次实用的超导输电线路。

我国在高温超导产业化技术上也获得了重大突破，目前已有高温超导线材生产线投产。

据估计，到2010年超导产品可有1000亿美元的市场。

但应当指出的是，除超导材料以外，还有许多配套技术需要解决，同时还要继续研究开发高温超导体，如室温超导材料。

高性能结构材料高性能结构材料具有高温强度好、耐磨损、抗腐蚀等优点。

高温结构陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韧氧化锆陶瓷和纤维增强无机合成材料等。

如在内燃机中用陶瓷代替金属可减少燃料消耗30%，提高热效率50%。

高性能复合材料可以根据要求进行设计，能够使材料扬避短，当前的研究重点有：纤维增强塑料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。

高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料，每年的递增速度达到14%。

此外，美国科学家还发现了一种可和玻璃结合的化合物，这种硅烷化合物能够粘在磷酸盐玻璃表面，形成一个单一分子层和多分子层，从而可以保护玻璃表面，将腐蚀减少到最小程度，这一发现对提高玻璃的抗腐蚀性有重要意义。

随着科学技术的进步，开拓了新材料的范围，推动了新材料向更高、更新方向发展。

化学工业生产了大量的化工新材料，为新材料的发展提供技术支持。

同时，新材料的发展同样可以推动化学工业的科技进步、产业结构的变化。

高性能结构材料的开发、应用，使一些化工机械、设备的大型化、高效化、高参数化、多功能化有了物质基础，可以满足化工生产高技术的要求，使一些化工工艺的实现成为可能。

纳米材料在化学工业可广泛应用，是应用于多种化学传感器的最有前途的材料。

展望21世纪，新材料技术的飞速发展，必将为我们的生活带来更美好的明天。

3新能源技术
新能源技术是高技术的支柱，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等。

其中核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志，通过对核能、太阳能的开发利用，打破了以石油、煤炭为主体的传统能源观念，开创了能源的新时代。

3.1洁净煤技术
采用先进的燃烧和污染处理技术和高效清洁的煤炭利用途径（如煤的气化与液化），减少燃煤的污染物排放，提高煤炭利用率，已成为我国乃至全世界的一项重要的战略性任务。

3.2太阳能
太阳向宇宙空间辐射能量极大，而地球所接受的只是其中极其微小的一部分。

因地理位置以及季节和气候条件的不同，不同地点和在不同时间里所接受到的太阳能有所差异，地面所接受到的太阳能平均值大致是：北欧地区约为每天每一平方米2千瓦/小时，大部分沙漠地带和大部分热带地区以及阳光充足的干旱地区约为每平方米6千瓦/小时。

目前人类所利用的太阳能尚不及能源总消耗量的1%。

3.3地热能
据测算，在地球的大部分地区，从地表向下每深人100米温度就约升高3℃，地面下35公里处的温度约为1100℃一1300℃，地核的温度则更高达2000℃以上。

估计每年从地球内部传到地球表面的热量，约相当于燃烧370亿吨煤所释放的热量。

如果只计算地下热水和地下蒸汽的总热量，就是地球上全部煤炭所储藏的热量的1700万倍。

现在地热能主要用来发电，不过非电应用的途径也十分广阔。

世界_L 第一座利用地热发电的试验电站于1904年在意大利运行。

地热资源受到普遍重视是本世纪60年代以后的事。

目前世界上许多国家都在积极地研究地热资源的开发和利用。

地热能主要用来发电，地热发电的装机总容量已达数百万千瓦。

我国地热资源也比较丰富，高温地热资源主要分布在西藏、云南西部和台湾等地。

3.4核能。