第一篇：前沿物理
材料物理前沿2009-10-12 09:26 材料物理前言包括很多内容,这里主要说下纳米材料.从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝１００厘米，１厘米＝１００００微米，１微米＝１０００纳米，１纳米＝１０埃），即１００纳米以下。因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米金属材料是２０世纪８０年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。
纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。
就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。
一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。
纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。
纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。
纳米材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
纳米粉末： 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
纳米纤维： 指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。
纳米膜： 纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
纳米块体： 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
纳米材料的用途
很广，主要用途有：
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。
环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
纳米材料的主要应用领域
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它 们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性.因此纳米微粒在磁性材料、电 子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前 景.现将纳米材料的主要应用领域归纳如下.陶瓷增韧 纳米微粒颗粒小,比表面大并有高的扩散速率,因而用纳米粉体进行烧结,致密化的
速度快,还可以降低烧结温度,目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋 斗目标,在实验室已获得一些结果从应用的角度发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米 粉体的成本,在制备纳米粉体的工艺上倒了保证纳米粉的工艺上除了保证纳米粉体的质量 ,做到尺寸和分布可控,无团聚,能控制颗粒的形状,还要求生产量大,这将为发展新型 纳米陶瓷奠定良好的基础.近两年来,科学工作者为了扩大纳米粉体在陶瓷改性中的应用 ,提出了纳米添加使常规陶瓷综合性能得到改善的想法.1994年11月至1995年3月,美国在 加州先后召开了纳米材料应用的商业会议在会上具体讨论了如何应用纳米粉体对现有的陶 瓷进行改性,在这方面许多国家进行了比较系统的工作,取得了一些具有商业价值的研究 成果,西欧、美国、日本正在做中间生产的转化工作.例如,把纳米Al2O3粉体加入粗晶粉 体中提高氧化铝的致密度和和耐热疲劳性能;英国把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合在实 验室已获得高韧性的陶瓷材料,烧结温度可降低100℃;日本正在试验用纳米氧化铝与亚微 米的二氧化硅合成制成莫来石,这可能是一种非常好的电子封装材料,目标是提高致密度、韧性和热导性;德国Jiilich将纳米碳化硅(小于20%)掺人粗晶a-碳化硅粉体中,当掺和量为20%时,这种粉体制成的块体的断裂韧性提高了25%.我国科 技工作者已成功地用多种方法制备了纳米陶瓷粉体材料,其中氧化锆、碳化硅、氧化铝、氧化铁、氧化硅、氮化硅都已完成了实验室的工作,制备工艺稳定,生产量大,已为规模 生产提供了良好的条件.近一年来利用我国自己制备的纳米粉体材料添加到常规陶瓷中取 得了引起企业界注意的科研成果.氧化铝的基板材料是微电子工业重要的材料之一,长期 以来我国的基板材料基本靠国外进口.最近用流延法初步制备了添加纳米氧化铝的基板材 料,光洁度大大提高,冷热疲劳、断裂韧性提高将近1倍,热导系数比常规氧化铝的基板材 料提高了20%,显微组织均匀.纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中,观察到强度和 韧性均提高50%以上.在高性能纳米陶瓷研究方面, 我国科技工作者取得了很好的成杲,例如,由纳米陶瓷研制结果观察到纳米级ZrO2陶瓷的 烧结温度比常规的微米级ZrO2陶瓷烧结温度降低4000C.磁性材料
1、巨磁电阻材料
磁性金属和合金一般都有磁电阻现象,所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象 ,人们把这种现象称为磁电阻.所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减
小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍.巨磁电阻效应是近10年来 发现的新现象.1986年德国的Cdnberg教授首先在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间藕合
.1988年法国巴黎大学的肯特教授研究组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应,这 在国际上引起了很大的反响.20世纪90年代,人们在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Al,Fe/Au,Co/C u,Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应,由于巨磁阻多层膜 在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景,美国、日本和西欧都对发展巨磁电 阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量.1992年美国率先报道了Co-Ag,Co-Cu颗粒 膜中存在巨磁电阻效应,这种颗粒膜是采用双靶共溅射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基体上镶 嵌纳米级的铁磁的Co颗粒.这种人工复合体系具有各向同性的特点.颗粒膜中的巨磁电阻 效应目前以Co-Ag体系为最高,在液氮温度可达55%,室温可达20%,而目前实用的磁性合 金仅为2%~3%,但颗粒膜的饱和磁场较高,降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标.颗粒膜制备工艺比较简单,成本比较低,一旦在降低饱和?? 懦∩嫌兴 黄平嬖谧藕艽蟮那绷ΑW罱贔eNiAg颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场 约为32KA/m,这个指标已和具有实用化的多层膜比较接近,从而为颗粒膜在低磁场中应用 展现了一线曙光.我国科技工作者在颗粒膜巨磁阻研究方面也取得了进展,在颗粒膜的研 究中发现了磁电阻与磁场线性度甚佳的配方与热处理条件,为发展新型的磁敏感元件提供 了实验上的依据.在巨磁电阻效应被发现后的第六年,1994年,IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头 ,将磁盘记录密度一下子提高了17倍,达5Gbit/in2,最近报道为11Gbit/in2,从而在与 光盘竞争中磁盘重新处于领先地位.由于巨磁电阻效应大,易使器件小型化,廉价化,除 读出磁头外同样可应用于测量位移,角度等传感器中,可广泛地应用于数控机床,汽车测 速,非接触开关,旋转编码器中,与光电等传感器相比,它具有功耗小,可靠性高,体积 小,能工作于恶劣的工作条件等优点.利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻 值的特点,可以制成随机存储器(MRAM),其优点是在无电源的情况下可继续保留信息.1995年报道自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级,256Mbit的MRAM芯片亦已设计成
功,成为可与半导体随机存储器(DRAM,SEUM)相竞争的新型内存储器,此外,利用自旋
极化效应的自旋晶体管设想亦被提出来了.鉴于巨磁电阻效应重要的基础研究意义和重大 的应用前景,对巨磁电阻效应作出重大开拓工作的弗特教授等人曾获二次世界级大奖.巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器.随着纳米电子 学的飞速发展,电子元件的微型化和高度集成化,要求测量系统也要微型化.21世纪超导 量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中主要角色.其中以巨磁电阻效应为基础,设计超微磁场传感器要求能探测10-2T至10-6T的磁通密度.如此低的磁通密度在过去是没有办法测量的,特别是在超微系统测量如此弱的磁通密度 时十分困难的,纳米结构的巨磁电阻器件经过定标可能完成上述目标.瑞士苏黎土高工在 实验室研制成功了纳米尺寸的巨磁电阻丝,他们在具有纳米孔洞的聚碳酸脂的衬底上通过 交替蒸发Cu和Co并用电子束进行轰击,在同心聚碳酸脂多层薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充 形成几微米长的纳米丝,其巨磁电阻值达到15%,这样的巨磁电阻阵列体系饱和磁场很低 ,可以用来探测10-11T的磁通密度.由上述可见,巨磁阻较有广阔的应用情景.2.新型的磁性液体和磁记录材料.1963年,美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂,把它包覆在超细 的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m),并高度弥散于煤油(基液)中,从而形成一种稳定的胶体 体系.在磁场作用下,磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动,因此,好 像整个液体具有磁性,于是,取名为磁性液体.生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要 足够小,在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用,能在基液中作无规则的热运动.例如对 铁氧体类型的微颗粒,大致尺寸为l0nm,对金属微颗粒,通常大于6nm.在这样小的尺寸下 ,强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能,而呈现没有磁滞现象的超顺磁状态 ,其磁化曲线是可逆的.为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团,产生 沉积,每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂),高分子 的链要足够长,以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力.此外,链的一端应和磁性颗粒产生 化学吸附,另一端应和基液亲和,分散于基液中.由于基液不同,可生成不同性能、不同 应用领域的磁性液体,如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等.磁性液体的主要特点是在磁场作用下可以被磁化,可以在磁场作用下运动,但同时它 又是液体,具有液体的流动性.在静磁场作用下,磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有 序排列的团链簇,从而使得液体变为各向异性的介质.当光波、声波在其中传播时(如同在 各向异性的晶体中传播一样),会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波 传播速度与衰减的各向异性.此外,磁性液体在静磁场作用下,介电性质亦会呈现各向异 性.这些有别于通常液体的奇异性质,为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础.(1)磁性液体的国内外发展概况
磁性液体自20世纪60年代初问世以来,引起了世界各国的重视与兴趣.1977年在意大
利召开了第一次有关磁性液体国际会议,之后,每隔3年召开1次,至今已召开了5次国际会 议,发表论文与专利逾千篇.美国、日本、英国、苏联等国均有磁性液体专业工厂生产.目前,国内外正积极研制金属型的磁性液体,其中磁性颗粒为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等 金属、合金及其氮化物,其饱和磁化强度比铁氧体型约高3倍以上.我国从20世纪70年代以来,南京大学、西南应用磁学研究所、东北工学院、哈尔滨化 工所、北京理工大学、北京钢铁研究院等单位相继开展了这一领域的研制工作,并有产品 可提供市场.如南京大学已试制成水基、短基、二酶基、硅油基等多种类型的磁性液体.但目前国内还未广泛地了解此类新型磁性材料的特性,也未开拓该材料在众多领域的应用 ,与国外相比,我们的差距是相当大的.(2)磁性液体的主要应用
利用磁性液体可以被磁控的特性,人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状 的磁场分布,从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环,且没有磨损 ,可以做到长寿命的动态密封.这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一.此外,在电子 计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘,在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘 密封.在精密仪器的转动部分,如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封,大功率激光器件的 转动部件,甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法.此外,单晶炉提拉部位、真空 加热炉等有关部件的密封等,磁性液体是较为理想动态密封方式之一.新的润滑剂.通常润滑剂易损耗、易污染环境.磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10单位,因此,不会损坏轴承,而基液亦可用润滑油,只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑 油约束在所需的部位.增进扬声器功率.在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体,由于液体的导热系数比空气高 5~6倍,从而使得在相同条件下功率可以增加1倍.磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大,通常根据扬声器的结构,选用合适 粘滞性的磁性液体,可使扬声器具有较佳的频响曲线.作阻尼器件.磁性液体具有一定的粘滞性,利用此特性可以阻尼掉不希望的系统中所 产生的振荡模式.例如,步进电机是用来将电脉冲转换为精确的机械运动,其特点是迅速 地被加速与减速,因此,常导致系统呈振荡状态.为了消除振荡而变为平滑的运动,仅需 将少量磁性液体注入磁极的间隙中,在磁场作用下磁性液体自然地定位于转动部位.应用比重不同进行矿物分离.磁性液体被磁化后相当于增加磁压力,以致在磁性液体 中的物体将会浮起,好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大.利用此原理可以设计 出磁性液体比重计,磁性液体对不同比重的物体进行比重分离,控制合适的磁场强度可以 使低于某密度值的物体上浮,高于此密度的物体下沉,原则上可以用于矿物分离.例如, 使高密度的金与低密度的砂石分离,亦可用于城市废料中金属与非金属的分离.磁性液体还有其他许多用途,如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体 发电机、医疗中的造影剂等等,不再一一例举,今后还可开拓出更多的用途.用作磁记录材料.近年来各种信息量飞速增加,需要记录的信息量也不断增加,要求
记录材料高性能化,特别是记录高密度化.高记录密度的记录材料与超微粒有密切的关系.例如,要求每1cm2可记录1000万条以上信息,那么,一条信息要求被记录在1~10mm2中, 至少具有300阶段分层次的记录,在1~10mm2中至少必须要有300个记录单位.若以超微粒作 记录单元,使记录密度大大提高.磁性纳米微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材 料可以提高信噪比,改善图像质量.作为磁记录单位的磁性粒子的大小必须满足以下要求 :颗粒的长度应远小于记录波长;粒子的宽度(如可能,长度也包括在内)应该远小于记录 深度;一个单位的记录体积中,就尽可能有更多的磁性粒子.磁性纳米微粒除了上述应用外,还可作光快门、光调节器(改变外磁场,控制透光量)、激光磁艾滋病毒检测仪等仪器仪表,抗癌药物磁性载体,细胞磁分离介质材料,复印机 墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等.3.纳米微晶软磁材料 非晶材料通常采用熔融
第二篇：前沿物理讲座听后感
前沿物理讲座听后感
——从历史上三次产业革命看物理学与社会进步
（物理与机电工程学院 应用物理）
前言：物理学是一门探究一切物质的组成及其运动发展规律，同时揭示它们之间的联系和各种物理运动之间的关系的博大精深的学问。物理学是研究物质性质、运动规律及其相互作用的学科。物理学是自然科学的基础学科．又是一门带头学科。物理学是古老的科学，又是一门不断发展的科学。它向着研究物质世界的深度和广度进军，探索着物质世界及其运动的奥秘。物理学的进展密切关系着农业、工业等的发展，也同人类文明的进步息息相关。物理学是技术革命的先寻，已经为人类文明作出了巨大贡献。从电话的发明到当代互联网络实现的实时通信，从蒸汽机车的制造成功到磁悬浮列车的投入运行，从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟等等，这些无不体现着物理学对人类文明与社会进步的贡献。
物理学对科学技术和生产力的发展起着最直接地推动作用，几次工业革命便是最好的验证。其都是由于物理学深刻地揭示了自然规律，构成了认识自然、改造自然的巨大力量，为科技发展提供了方法和技能。物理学正是通过推动着科学技术和生产力的发展，进而推动社会文明不断前进。近一个世纪以来，物理学又有了崭新的进展，带来相应的新技术革命。
一、蒸汽机的发明和牛顿力学的建立，导致了第一次工业革命
17世纪，牛顿完成了划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》，其奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展起了极大的推动作用。牛顿力学的建立使人类对自然界的认识跨进了划时代的新世界。经典物理学的思想方法、定量规律及实验基础，使科学技术的发展摆脱了当时多少还带有经验式的、工匠式的、思辨色彩的落后状态，加快了科学技术的发展步伐，为第一次工业革命大规模发明和使用机械打下了基础。世纪中期的英国资产阶级革命，推翻了英国的封建专制制度，建立了资产阶级和土地贵族联盟为基础的君主立宪制度，从而成为世界上第一个确立资产阶级政治统治的国家。资产阶级利用国家政权加速推行发展资本主义的政策和措施。英国通过圈地运动，聚集了大量劳动力，同时也扩大了英国的国内市场，以及多年的海外贸易和殖民扩张。但渐渐地，英国的资本主义生产大发展，采矿业，航海业甚至战争等的规模扩大都遇到了一定的困难。相同的是，它们都涉到动力机问题。从17世纪初已经有很多人着手这方面的工作，但都没取得重大进展。直到1698年，英国的赛维利（Thomas Savery,1650~1715）才研制成功实用的蒸汽水泵。1705年，英国的纽可门（Thomas Newcoman,1663~1729），发明了第一台蒸汽推动活塞工作的抽水机。瓦特（James Watt,1736~1819）对蒸汽机的改革
取得了历史性的突破。1765年，他把蒸汽的冷凝过程安排在汽缸外进行，实现了汽缸的恒温。这是对原始蒸汽机的关键改革。蒸汽机的研制是以力学和热学为基础的。那时，对温度计、量热学（比热、潜热）、热传导及热的本质的研究等都取得了重大发展。瓦特在改革蒸汽机的过程中，就得到布莱克（J.Black,1728~1799）的理论指导。因此，科恩（M.H.Cohen）指出：“我们的制造厂不再被交给无知的工作者；相反，在他们中的大多数人中，有非常有知识的人，有受到良好教育的物理学家们，为了促进有用技艺的进步，我们必须指望他们”。
蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过。它成功解决了工业化发展中的动力问题，成为大工业普遍应用的发动机，它提供了治理和利用热能、为机械供给推动力的手段，结束了人类对畜力、风力和水力的由来已久的依赖。蒸汽机在火车机车和轮船上的应用，不仅大幅提高了货运速度和数量，降低了成本，更在时间、空间和商品化的概念上引起了一场革命，极大地扩大了世界贸易版图。
蒸汽技术革命引起了社会的全面变革，带来了社会生产力的极大飞跃，使产业结构发生了巨大变化，机械制造业和加工业取代了农牧业而成为产业结构中核心支柱产业。
牛顿力学和蒸汽机的发明，使人类进入了机械化时代。
二、电磁理论的发现和建立, 使人类进入了电气化时代
第二次工业革命发生在十九世纪下半叶，它以电磁理论的建立和发展，电气技术开发和应用为基础，极大促进了社会生产力的发展，引起了社会经济结构和生产结构的巨大变革。同时，电磁场理论的发展拓展了科学研究领域，带动了一些新兴学科和相关交叉学科的发展。
在第一次工业革命时期，许多技术发明都来源于工匠的实践经验，科学和技术尚未真正结合。1870年以后，所有工业都受到科学的影响。科学与技术未能真正结合使得社会经济发展受到很大障碍，生产力的发着迫切要求科学与技术真正结合，要求自然科学突破性进展并迅速转化为技术。
历史上第一个对电磁现象进行系统研究的是英国的吉尔伯特，但其研究停留于现象层面。此后一百多年，电和磁的研究非常缓慢。18 世纪，美国的富兰克林证明了电的同一性，还定义了正负电荷，提出了电荷守恒定律。法国科学家库仑借助扭秤实验得到了静电作用的平方反比定律。1820年，丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应，首次得出了电磁统一的思想。不久，法国的安培提出了电流相互作用的安培定律，为电动力学的创立作了开创性的工作。后来，英国的法拉弟通过10年的努力，终于在1831年发现了电磁感应现象，并在实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了重要的理论基础和实验基
础。麦克斯韦于1873年建立了经典电磁理论方程组——麦克斯韦方程组。其中，麦克斯韦提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，预言了电磁波的存在，算出了电磁波的传播速度，从理论上证明了光是一种电磁波。电磁理论发展到了一个辉煌的时期。10年后，德国的赫兹在实验室实现了电磁波的发送和接收规律，还证明了电磁波的一系列光学性质，为麦克斯韦理论的确立给出了权威性的证明。这样就实现了物理学的第三次大综合即电、磁、光的综合。
电磁感应现象的发现奠定了电力工业最重要的基础；对电磁波运动规律的研究也是电讯技术发展所不可缺少的。19世纪80年代，欧洲各国的物理学家相继发明了交流发电机、变压器、交流感应电动机和输电系统。这些研究和发明, 为建造大容量电机，获得强大电力提供了技术上的可能性；实验室里成功的技术开发，引发了电力技术的广泛应用，导致第二次工业革命。在电力革命的过程中，电磁场理论规定着革命的方向，指导着电力系统技术体系的建立。事实再一次证实了科学包括物理学对生产力发展的先导作用。科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点，把人类带入了电气时代。生产力的迅猛发展改变着社会结构和世界形势，资产阶级掌握了先进的生产力，实力日益壮大，开始确立对世界的统治。企业的规模也越来越大，生产和资本的集中促成了垄断组织的形成。
事实再一次证实了科学包括物理学对生产力发展的先导作用。
三、量子理论与信息技术革命
信息革命始于20世纪40年代，以计算机问世为标志，目前方兴未艾。从1904年发明二极管起，到1946年世界上第一台电子管计算机研制成功止，是信息技术史上的“电子管时期”。1947年随着半导体晶体管问世，信息技术史进入了“晶体管时期”。此后，集成电路的发明，打破了电路与元件分离的传统观念，使电子设备微形化。经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展。而计算机就是由这些物理元件组成的信息处理工具。
电子和信息技术具有物理基础。首先是1925年~1926年量子力学的建立。1926年费米—狄拉克统计法的提出，得知固体中的电子服从泡利原理。1927年Bloch理论的建立，得知理想晶格中无电子散射。1928年Sommerfeld提出能带的猜想。1929年Peiels提出禁带、空穴的猜想；Wlson和Bloch从理论上解释了导体、绝缘体和半导体的性质和区别；Mott和Jones用电子轰击、X射线发射和吸收等方法验证了能带理论；Bethe提出费米面的概念；Landau提出费米面可测量。1947年Bardeen，Shockley，Brattain发明晶体管。1957年Pippard测量了第一个费米面(铜的)；而后，剑桥学派建立费米面编目。1962年制成集成
电路（IC）。70年代中后期，制成大规模集成电路（LIC）；制成超大规模集成电路（VLIC）；集成度以每10年一千倍的速度增长;巨型机的向量运算超过每秒亿次；微机进入家庭。80年代以后智能计算机、光学计算机和量子计算机的研制取得一定成果，巨型机的运算速度已达数万亿次；网络时代随即到来，新物理技术，如光纤的应用，掀起了信息技术革命的又一次高潮。
第三次工业科技革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。它以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。正是从这个意义上讲，第三次科技革命是迄今为止人类历史上规模最大、影响最为深远的一次科技革命，是人类文明史上不容忽视的一个重大事件。
四、总结
历史上的三次产业革命使得我们整个世界发生了翻天覆地的变化，社会进步，生活方便，经济腾飞，政治完善等等，都是它的硕果，这三次产业革命所带来的影响是不可估量的。
当今时代，物理学前沿领域的重大成就又将会引领着人类文明进入一片新天地，物理学的不断进步必将对社会的发展和人类生活的改善产生不可估量的影响。
致谢：由衷的谢谢老师对我们的细心授课，让我们获益良多！
第三篇：观物理前沿讲座有感
观物理前沿讲座有感
到了大四了，他家都在忙碌的准备考研或者准备找工作的同时，学院的老师连续几周为我们开了物理前沿专题讲座的报告，以及后来我自己又在网上看了一些关于物理前沿的视频报告。老师们绘声绘色的给我们讲解了从古至今物理学家们对粒子和宇宙的探寻的发展过程，介绍了未来物理界即将探寻的问题，阐述了基础研究的重要性和急需得到国家政府支持的原因。从这些课程中，我感慨万千、受益匪浅。
从古至今，科学家们一直致力于研究寻找宇宙中最基本的粒子，和寻找反物质粒子组成的宇宙。
由经典物理带来了蒸汽机、照相术、电子工程、收音机、电视、飞机，原子物理和量子物理引发了新材料，半导体和超导体、晶体管及其激光、计算机等，以及同位素技术和核能的应用。
我们经常听到这样的问题：你这个基础研究有什么用？如果我们回答没有，下一个问题就是：能得诺贝尔奖吗？如果回答还是否定的，下一个问题就是：既没有实际用途，又不能得诺贝尔奖，这个基础研究有什么用？
这种急功近利的思想实际上普遍存在于各级领导、平民百姓、知识分子、科研管理人员甚至一些科学家的心里，虽然有时候他们不一定说出来。
我们也经常听到一种说法，科学家不能只在象牙塔内自由探索，要与国家与社会需求相结合，为什么什么作贡献。
这种要求自然有其合理成分，但如果大家都这么做，就显然有问题。这句话还隐含两层对基础研究的误解：其一，基础科学研究就是自由探索；其二，有实际用途的科研才是国家需求，基础科学不是。
什么是基础科学研究？其目的到底是什么？如果不咬文嚼字，用我自己的话来讲，那就是发现与研究自然界的各种基本规律、收集相关知识、建立完整知识体系的（学术）活动。其目的很简单，就是更好地了解自然、理解自然，最终使人类能利用自然。从这个意义上说，基础科学研究本身就是最大的国家需求。
试想，一个大国，且不说有创造性的贡献，如果不能全盘掌握人类已知的所有知识及其体系，这个国家能有前途与未来吗？带过学生的都知道，要让学生掌握前沿知识、方法，必须让他做一项科研，题目本身有时并不重要，过程更重要。
基础研究有时也这样，有些研究听起来匪夷所思，但实际上科学家通过该过程走在本学科的前沿。说不定哪一天，国家就会大大需要。
每个学科都有其自身的规律、目标、方法、传统等等，外界不应怀疑与干预，要把选题的自由留给科学家自己，不能因选题似乎无稽而否定基础科学研究的重要。
国家对基础科学研究的目标应该是全面发展，建立完整的学科体系。各学科的目标是达到本学科的国际最好水平。因此，基础研究既有科学家个人的自由探索，也可以是有组织、有计划、有目的、有规划的活动。以此衡量，学科建设与学术能力是基础科学研究最重要的指标。
对于下一个世纪的挑战，正负的决定在这一过程中是重要的
一个国家在基础科学方面的投资在国民经济总产值所占的比例是一个国家致力这个方面努力的一个标志，如果没有基础研究和教育方面的投资，发展经济适用主义途径不可能长期维持下去，基础研究的原始动力是人类的好奇心，人们渴求学习新事物和了解自然现象。
基础研究是新技术和工业发展的原动力，因此，基础研究应该得到支持。从国家需求来说，我们的基础科学研究必须学科完整，全面均衡发展，缺一不可。不可因一时的兴旺而不顾一切地支持，也不可因一时的不时髦而不予支持，或任其自生自灭。重点只能是短期的，全面才是永久的。
在在很多老师的演讲中，我了解到了从古至今物理学的飞速发展所取得的惊人成就，也对物理科学家所从事的物理工作和物理界致力于研究的学术问题有了一定的了解，并且深刻的了解到国家发展基础科学的重要性，并希望通过我们现在大学生的倡导和学习为此做出一些努力！
第四篇：物理前沿讨论课感想
物理前沿讨论课小感想薛燕博 200911141966
（一）有趣的物理学
物理前沿讨论课第一课上，冯世平老师向大家展示了一个妙趣横生的物理学，例如隐身技术、超导材料、磁悬浮列车等等。和大家探讨了物理学在日常生活和科技前沿方面的广泛应用与巨大潜力。这堂课确实给人很深的触动。
记得在初二刚接触物理这门学科的时候，就觉得这门学科充满了乐趣，它和生活的联系是如此之紧密，课本上学的知识都是我们日常生活中十分常见的东西和现象，不同的是我们通过物理课堂知道了其中的一些原理并可以用所学的东西解释生活中的现象，这让人觉得十分兴奋，更有好多简单有趣的物理实验，让我们通过自己动手掌握知识。可以说初中的物理课是我最爱学习的一门课。
到了高中，随着物理学习的深入，已经不再是一些简单的感性的对物理现象的认知了，有了很多理论上的计算与推导，不过这反而让人觉得更有收获，能将很多东西定量的计算出来，让人感受到了物理理论的博大精深，在学习过程中也能充分体验到理性思维的魅力。总之对物理的兴趣始终不减，也正是因此，在选择大学专业的时候，我毫不犹豫的选择了物理学专业，想继续更深入的了解物理知识，也有志于终身和物理打交道。
初到大学，依旧对即将到来的物理学习充满了期待。不过接下来的的几周课程，却给了我当头一棒，物理学似乎没有以前的那样有趣了，最大的问题是运算特别繁琐，同样的一个问题，大学好像是把简单的东西弄的更复杂了（后来知道实际上是更具普遍性了），尤其是在没有高等数学基础的情况下，算那些物理问题更是无从下手。第一学期下来，几乎有点浑浑噩噩，似乎也没闲着，但有点麻木了，对物理更是谈不上什么兴趣。第二学期，开了一门普物实验课，可和中学的那种近乎是娱乐活动的实验课大不相同了，实验操作复杂不说，数据处理更是一个极大地挑战。似乎我长久来对物理兴趣在不到一年的时间里已经消耗殆尽了。
还好这学期的前沿讨论课确实给我了很多触动，通过老师们对物理前沿的介绍让人觉得眼前忽然明亮起来，不再是那么茫茫不知所措。虽然老师讲的大多数东西我们都还难以理解很深，但透过老师的讲解我们看到了物理的前景与其中的乐趣。那些物理推导计算或许繁琐，但正是因为那些繁琐的计算之后往往能得出惊人的发现，那些式子可能蕴藏着或许可以改变世界的伟大能量。从研究宇宙的起源，到解决人类所面临的资源环境问题，物理工作者的身影无处不在，他们所关心的并不是一个个公式与实验，而是在寻求人类从哪来又到哪去的终极答案。这样看来，我们所学习的物理学是那样的有意义。
冯老师的讲座，也让人明白了物理发现并不是科学家的专利。只要你留心生活，热爱思考，指不定也能做出自己的贡献。就想坦桑尼亚的中学三年级学生盘姆巴发现热水比冷水结冰更快，最终这个效应被命名为盘姆巴效应。
在将近一年的学习中，我似乎又能渐渐地找回差点失去的对物理学的兴趣了。而此刻自己对物理的理解也不在单纯的停留在有趣好玩的层面上，学好物理更是一种责任，既然选择了这个领域，就该当一直努力下去。
（二）初识相对论
爱因斯坦的相对论可谓家喻户晓，我也在很小的时候就听过爱因斯坦其人其事，可真正接触相对论理论却是在上大学以后《力学》课里的。
初次学习相对论，确实给人极大地冲击，觉得自己所熟悉的时空观被彻底的颠覆了，从中学就知道空间具有相对性，相对论告诉我们时间也是相对的，也就是说在一处观察同时发生的一件事在另一处观察就可能不是同时发生的了。这确实让人觉得难以置信，但透过洛伦兹变换的推导，我们知道了这却是无可争辩的事实。所以在那段时间人总是心存疑惑，但一时半会又难以想的很明白，只是在按书上的结论做一些计算而已。不过相对论深邃的内涵还是时刻吸引着我，我觉得随着时间的推移与学习的深入，这个问题总有一天能理解的更到位的。
这学期的前沿课上，刘文彪老师和马永革老师都向我们介绍了相对论的有关知识。马老师比较系统的介绍了相对论的发展过程，我觉得通过了解前人走过的探寻足迹，我对相对论的理解又加深了一步，最起码觉得它不再那么神秘莫测，而是一个甚至堪称明显的事实。
相对论从无到有确实经历了一个漫长的过程。牛顿力学的建立为物理学科的发展做出了划时代的贡献，甚至改变了人们长久来对自然的认识，从此人们知道了自然界中的现象都是有规律支配着的（而不是上帝），而人们是可以探知期中的规律的。牛顿力学最基本的运动规律都是建立在绝对空间和绝对时间基础上的，也就是说两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系，两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。这种观点和我们日常生活经验十分相符，似乎是没有什么课疑问的。可是到了十九世纪末随着电磁理论的发展，人们就发现了其中所存在某些矛盾，电磁波是以光速传播的，但那是相对与什么而言呢？为了解释这个事实，科学家们试图引入“以太”的概念，认为空间中存在静止的“以太”，电磁波在“以太”中传播，通过光行差实验科学家们发现“以太”是相对于太阳静止的，可是迈克尔逊莫雷的实验又与此结论矛盾。相对性原理的提出，又和通过实验所验证的光速不变性产生了不可调和的矛盾。在二十世纪初，整个物理学陷入了巨大的矛盾之中，也预示着大变革即将到来。经过反复的推理之后爱因斯坦创造性的提出了狭义相对，他觉得要使相对性原理和光速不变性得以共存，就必须摒弃经典力学的绝对时空观，一旦抛开这个人们多年来相信不疑的观念，一切就变得明了起来，时间不是绝对的了，物理学的新时代宣告来临。广义相对论也在随后被爱因斯坦提出，二十世纪中期，爱因斯坦的相对论原理也接收住了时间的考验。
虽然我们当今的物理学已经取得了巨大的成就，但科学家也不得不面对一个事实，就是当今已经比较成熟且经过实践验证的两大理论——广义相对论和量子力学存在着难以调和得矛盾，而人们始终相信这个世界时受一个终极理论所约束的，这个理论可以解决自然界中的所有问题，也就是说这两个理论至少有一个是不完善甚至是错误的，如何寻找一个统一的理论，正是物理界当今乃至以后相当长一段时间的努力方向。
（三）前景广阔的超导材料
中科院物理所的靳常青老师给我们介绍了现在超导材料的研究进展。通过这节课，我们知道了高温超导的广阔前景。
自从1911年荷兰物理学家昂尼斯发现超导现象以来，超导以其神奇的物理特性，例如零电阻、抗磁性等就吸引着无数物理工作者的目光。因为如果有一天人们能找到在室温下呈现超导特性的物质，毫无疑问，将会对这个社会产生革命性地影响。想想现在那些因为电力传输而损耗掉的电能，那些发热的发动机，还有此时手中滚烫的笔记本，很容易想起如果高温超导在生活中得以应用，对我们来说意味着什么。这也只是超导一个性能的应用，超导的抗磁性在磁悬浮列车上面更是十分有价值。利用超导的磁悬浮列车不仅节约能源，甚至不用担心列车会滑出轨道，依靠磁性就可以将列车悬浮并束缚于轨道之上。我曾在物理楼演示实验室观看过超导小火车的演示实验，在液氮的冷却下火车呈现出超导特性，只需轻轻一推，火车便可以在圆形轨道上平稳运行很长时间，如果有一天这种技术能 运用在我们日常的交通之中，人们一定会为他的高效节能，舒适平稳而惊异。
超导材料虽然具有这么广阔的应用前景，但寻找超导材料却不是一件容易的事。超导材料的研究从1911年超导现象被发现到1986年75年期间，超导材料的临界温度才从4.22k提高到23.2k。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。很快，超导温度被提高到了100K以上。这对超导的研究来说是个跨越式的进步，因为只要超导温度超过77K，在实验室就可以用液氮来作为冷却材料，比起之前的液氢，实验成本大为降低，这也在很大程度上推动了超导的研究工作。
超导材料的研究过程也给了我们很大的启示。在1986年以前，人们总是习惯性的在导体中寻找高温超导材料，认为只有导体在温度降低到一定程度时才会体现出超导特性。可是这种思路却使人们在75年间仅仅将超导温度提高了19K，直到1986年有人发现金属氧化物在更高的温度下可以呈现超导特性才极大地开阔了人们的视野，在这种思路的指引下人们很快在超导研究方面取得了突破式的成果。这就说明在搞科学研究时要能尽量摆脱一些直观感受的影响，敢于挣脱已有知识的束缚，才能取得创造性的成就。
翻开人类的近代文明史，几乎每一项重要的物理学进步都会带来人类社会的一场变革。牛顿力学的建立解放了人们的思维，带动了一系列的科技进步，从而引发了工业革命，使人类进入蒸汽时代；电磁理论的建立使人类步入了更加高效的电气时代；微电子技术的进步是人类进入了信息时代„„我们有理由相信，超导技术的发展也有这样的潜力改变我们这个时代！
（四）隐身技术遐想
冯世平老师教和张向东老师在做前沿讲座的时候都提到过一个很吸引眼球的课题，那就是隐身技术。人类的科技水平发展到现在这个阶段，几乎实现了人类在古代所有的幻想，比如登月，千里眼，顺风耳等等，可人类早就幻想的隐身能力，却还没有一个成熟的技术使其成为现实。
《西游记》里的孙悟空就具有隐身的能力，闯入妖怪洞府时，他可以使自己隐身起来，就像空气一样，完全不被人所察觉；美国科幻电影《透明人》也幻想了一种可以使人完全隐身药剂，注射体内后就可以使人完全“消失”不见；各种各样的电脑游戏里也为主人公加上了隐身能力。这些现象都体现了长久以来对隐身技术的追求与兴趣。
当今的隐身技术已经取得了巨大的发展，例如在军事方面大家耳熟能详的F-22隐形战斗机、B-2隐形轰炸机等都采用了隐身技术，不过这些隐身技术并不是可以使一个真真切切的物体彻底隐身不可见，而只能使这个物体难以被雷达所探测到，在雷达屏幕上“隐身”，所以又叫“低可探测技术”。不过就是这种不是真正意义上的隐身技术，就能够使其拥有者在军事上取得巨大的技术优势，如果有朝一日真能实现完全隐身，那样的军事技术真不知道对人类意味着什么。咱们暂且不论隐身技术在军事上的应用可能给人类带来的麻烦，就从人类与生俱来的好奇心来说，对隐身的追求是不可能停止的，何况这种技术对人类来说也未必是弊大于利。
现在的隐身技术虽然无法在可见光的波段实现隐身，即对我们的肉眼隐身，但对未来隐身技术的发展，却给明了前进的方向。例如隐形战机就是利用其雷达发射面积小，且表面涂层可以吸收电磁波，从而减少雷达接受的反射波达到隐身的目的。同理，要实现真正意义上的隐身，就要消除自然光照射到物体表面反射进入人眼的光线，而达到这一代点绝非易事。
张向东老师向我们介绍的光子晶体就显示了在隐身技术方面所具有的潜力。利用光子晶体的负折射现象，可以使光线发生特殊的折射，如果将该种材料用在物体表面，就可以使照射的物表面的光线由于折射而绕过物体继续向前传播，这样人眼就无法察觉到物体的存在，不过现在的技术还只能在非可见光的波长范围内应用，要在可见光的范围内使用才能达到真正的隐身。
这还只是研究隐身技术所面临的一个难题，还有一个巨大的问题是如果要制作隐身衣的话很难解决的。因为光路是可逆的，当光线绕过人传播时，处在隐身衣内部的人也就接收不到任何光线，这就是说身着隐身衣的人不但别人看不见他，他也同样看不见别人。除非把人的眼睛留出来，不过这样的话当人身着隐身衣的时候，就会被看见两个眼睛悬浮在空中，这样就有十分点恐怖了。
人们对隐身衣的研究很大程度上是受好奇心所驱使的，这也再次证明了好奇心对科学研究的重要性。相信在不远的将来，隐身衣就会被研发出来，至于是福是祸，就到时候再说吧，总之这不能成为我们停止探索的理由。
关于物理教学所见所感
前沿课上，郭玉英老师和李春密老师都讲到了物理教学的有关问题，这对于我们师范生来说，确实有很多问题值得我们思考。
在这个应试教育早已被广为诟病的时代，似乎批评者也并不能拿出一个能够替代应试教育的实际可行的教育模式，所以可以想见在未来很长一段时间内应试教育还将作为教育的主要形式而存在。但这是不是意味着我们的物理教学就止步不前呢？我想答案是否定的。
先说说我自身对现在物理教学的体会。进入大学，我接了一份初二的物理家教，在教学过程中，我发现了很多现在教育方式存在的严重问题。在北京这样一个中国的文化中心，海淀又作为一个教育非常强势的地区而闻名全国，但就是在这样一个地区，应试教育的弊端反而体现的淋漓尽致。作为一个刚刚接触物理的初二学生，本应是感受物理学科的魅力的最佳阶段，如果这个时候老师能给学生呈现一个精彩的物理世界，在加上孩子们与生俱来的好奇心，毫无疑问会对学生未来整个的物理学习打下坚实的基础。但遗憾的是一接触到物理，他们最直接的感受是又有一门课开始了铺天盖地的发卷子了。学生完全沉浸在做题当中不能自拔，为什么学生对做题这么热衷呢，不光因为现在学生压力大，自觉性高，还因为每逢大小考试，老师都会在某些场合透露说：“同学们，这次考试大家把某某某几份卷子弄会，就八九十分了！”这样学生们肯定充满激情的去做那几份卷子，老师也没说谎，题果真是从那几份卷子里出的，当学生们尝到甜头以后，这种现象就愈演愈烈了。
当我和学生交流的时候，明显发现他们的思维确实存在很大的问题，对物理的理解不够深入，只是会做一些题，而且还喜欢照背已做过的原题，一旦遇到没做过的，便束手无策了。我不知道这和咱们的物理教学的初衷差了多远了。咱们物理教学的目的是让学生理解物理的本质性东西，更好的理解这个世界，可现在似乎就是为了做题得分而已了。
没错，在应试教育的大背景下这种教育模式是有生命力的，因为它似乎能够提高学生的考试成绩，但实际上是在扼杀学生的思维能力，榨干学生的潜能。其实如果我们改变教学方式，增强一下学生对物理概念的理解，减少一定的作业量就一定会导致学生考试成绩下降吗？我觉得也不尽然。
物理这门学科对学生的思维要求很高，光凭记忆是记不住的，只有正确理解物理规律的本质，才能触类旁通，举一反三。我们在实际中会发现，真正物理学的好的学生并不是酷爱做题的学生，一定是那些善于思考，理解问题本质的同学。所以在物理教学中要做出思维误区，认为多做题就能提高学生的成绩，这是错误的，因为会做题并不代表学生理解物理知识，但反过来能理解物理知识却一定能够把题做得很好。
不可否认，这样做并不是物理老师的初衷，但面对激烈的竞争，这也只是无奈之举。但也应该看到。如果物理老师这样做也是一种不负责任的行为，省去了自己苦思冥去设计一堂堂生动有趣的物理课的过程，而将提高学生成绩的任务强加给学生，让学生陷入题海之中，摧残着一个个幼小的身心。如果面对质疑，就满脸无奈，将责任都推给“万恶的应试教育”，逃避责任。
强调理解的物理课堂和应试教育其实并不矛盾，真正理解物理知识的同学做题自然不会有什么障碍，但要达到让大多数同学都理解知识，对教师却要求很高，需要付出巨大的心血与努力。作为未来教育事业的接班人，我们要有更高的责任心与使命感，改变当前物理教育的现状，让物理不再成为很多学生心中永远的痛。
第五篇：前沿讲座
计算机视觉学科前沿知识
计算机视觉就是用计算机来模拟人的视觉系统，实现人的视觉功能，通常是指用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等，从而实现对客观的三维世界的识别。人与其他动物一样，视觉、听觉、触觉等感官功能的产生，首先在于进化过程中生存的需要。根据美国心理学家Gibson的理论，人的视觉不管有多少用处，但主要功能可概括为适应外界环境和控制自身的运动。看到汽车冲过来，你会赶快回避；看到前面有激流，你不会冒然趟过去。“适应外界环境和控制自身的运动”还是比较抽象的概念。事实上，为了适应外界环境和控制自身的运动，视觉系统需要能识别物体（可想而知，一个人连亲戚、同事、朋友都不认识，会怎样生活），能判断物体的运动以及确定物体的形状和方位（否则，无法抓取物体）。所以，物体识别、物体定位、物体三维形状恢复和运动分析，就构成了计算机视觉的主要研究内容。
随着自动化水平不断的提高，机器视觉在自动化行业中应用也是越来越多，而机器视觉在我国可以说处于刚起步发展阶段，机器人视觉是一门新兴的发展迅速的学科，八十年代以来, 机器人视觉的研究已经历了从实险室走向实际应用的发展阶段。从简单的二值图象处理到高分辨率多灰度的图象处理,从一般的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和算法的研究都取得了很大的进展。而计算机工业水平的飞速提高以及人工智能、并行处理和神经元网络等学科的发展,更促进了机器人视觉系统的实用化和涉足许多复杂视觉过程的研究。
目前，机器人视觉系统正在广泛地应用于视觉检测、机器人的视觉引导和自动化装配领域中。在现代化的大生产之中，视觉检测往往是不可缺少的环节。比如，汽车零件的外观，药品包装的正误，IC字符印刷的质量，电路板焊接的好坏等等，都需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验。大量的人工检测不仅影响工厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作则是很难靠人眼快速完成。近年来发展迅猛的机器视觉技术解决了这一问题。机器视觉系统一般采用CCD照相机摄取检测图象并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图象数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图象特征值，并由此实现模式识别，坐标计算，灰度分布图等多种功能。然后再根据其结果显示图象，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置调整，好坏筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较，机器视觉具有精确，快速，可靠，和易数字化等优点。
机器视觉系统的输入装置可以是摄像机、转鼓等，它们都把三维的影像作为输入源，即输入计算机的就是三维管观世界的二维投影。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。将近80%的工业视觉系统主要用在检测方面，包括用于提高生产效率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。产品的分类和选择也集成于检测功能中。例如生产线上的单摄像机视觉系统，它的视觉系统用来检测生产线上的产品，决定产品是否符合质量要求，并根据结果，产生相应的信号输入上位机。图像获取设备包括光源、摄像机等；图像处理设备包括相应的软件和硬件系统；输出设备是与制造过程相连的有关系统，包括过程控制器和报警装置等。数据传输到计算机，进行分析和产品控制，若发现不合格品，则报警器告警，并将其排除出生产线。机器视觉的结果是CAQ系统的质量信息来源，也可以和CIMS其它系统集成。
由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。过去，许多工业用的机器视觉系统用可见光作为光源，这主要是因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作。常用的几种可见光源是白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。但是，这些光源的一个最大缺点是光能不能保持稳定。以日光灯为例，在使用的第一个100小时内，光能将下降15%，随着使用时间的增加，光能将不断下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持稳定，是实用化过程中急需要解决的问题。另一个方面，环境光将改变这些光源照射到物体上的总光能，使输出的图像数据存在噪声，一般采用加防护屏的方法，减少环境光的影响。由于存在上述问题，在现今的工业应用中，对于某些要求高的检测任务，常采用X射线、超声波等不可见光作为光源。但是不可见光不利于检测系统的操作，且价格较高，所以，目前在实际应用中，仍多用可见光作为光源。
机器视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。图像的增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。图像的灰度直方图是表示一幅图像灰度分布情况的统计特性图表，与对比度紧密相连。图像的数据编码和传输，数字图像的数据量是相当庞大的，一幅512*512个像素的数字图像的数据量为256 K字节，若假设每秒传输25帧图像，则传输的信道速率为52.4M比特/秒。高信道速率意味着高投资，也意味着普及难度的增加。因此，传输过程中，对图像数据进行压缩显得非常重要，数据的压缩主要通过图像数据的编码和变换压缩完成。图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面，在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。图像的识别过程实际上可以看作是一个标记过程，即利用识别算法来辨别景物中已分割好的各个物体，给这些物体赋予特定的标记，它是机器视觉系统必须完成的一个任务。
在本世纪四、五十年代发展起来的线性滤波器以其完善的理论基础，数学处理方便，易于采用FFT和硬件实现等优点，一直在图像滤波领域占有重要地位，其中以WIENER滤波器理论和卡尔曼滤波理论为代表。但是线性滤波器存在着计算复杂度高，不便于实时处理等缺点。虽然它对高斯噪声有良好的平滑作用，但对脉冲信号干扰和其它形式的噪声干扰抑制效果差，信号边缘模糊。为此，1971年，著名学者TUKEY提出非线笥滤波器——中值滤波器，即把局部区域中灰度的中值作为输出灰度，并将其与统计学理论结合起来，使用迭代方法，比较理想地将图像从噪声中恢复出来，并且能保护图像的轮廓边界，不使其变模糊。近年来，非线性滤波理论在机器视觉、医学成像、语音处理等领域有了广泛的应用，同时，也反过来促使该理论的研究向纵深方向发展。
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