物理學(xué)是自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)

賈森

摘 要：現(xiàn)行高考改革中物理學(xué)變成了選考科目，很多科學(xué)家擔(dān)憂(yōu)這一改變會(huì)使我國(guó)整體科學(xué)研究受到?jīng)_擊，因?yàn)槲锢韺W(xué)與眾多學(xué)科有著較深的關(guān)聯(lián)。本文討論了物理學(xué)與天文學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、核能工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、建筑學(xué)、通信技術(shù)之間的關(guān)系，證明物理學(xué)是這些自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，高中生應(yīng)加大對(duì)物理學(xué)的重視。本文對(duì)高中生選擇報(bào)考物理學(xué)科具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；自然科學(xué)；工程技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0243-01

隨著我國(guó)高考制度改革的推進(jìn)，學(xué)生可以根據(jù)自我興趣和未來(lái)發(fā)展方向選擇考試科目，學(xué)生學(xué)習(xí)自主性越來(lái)越高，極大地促進(jìn)了我國(guó)整體教育水平的進(jìn)步。但是在改革的初期，很多學(xué)生出于各種考慮沒(méi)有選擇報(bào)考物理學(xué)，這一現(xiàn)象引起了眾多專(zhuān)家的擔(dān)憂(yōu)。各學(xué)科科學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)是其他學(xué)科的基礎(chǔ)，放棄物理學(xué)將會(huì)直接影響到我國(guó)未來(lái)科學(xué)進(jìn)步。由此，科學(xué)家們呼吁高中生不要放棄物理學(xué)，而應(yīng)學(xué)好物理學(xué)為未來(lái)各行各業(yè)的發(fā)展打好基礎(chǔ)。本文討論了物理學(xué)與常見(jiàn)自然科學(xué)和工程技術(shù)的關(guān)系，證實(shí)物理學(xué)對(duì)側(cè)重基礎(chǔ)的自然科學(xué)和側(cè)重應(yīng)用的工程技術(shù)而言，既是基礎(chǔ)奠定者又是發(fā)展推動(dòng)者，支持科學(xué)家們對(duì)物理學(xué)是其他學(xué)科基礎(chǔ)的觀點(diǎn)，對(duì)未來(lái)高中生選擇報(bào)考物理學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 物理學(xué)與自然科學(xué)的關(guān)系

在所有的自然學(xué)科中，天文學(xué)與物理學(xué)的關(guān)系是最為密切的，很多時(shí)候天文和物理不分家。例如，對(duì)星體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，找出其中隱藏的規(guī)律，并用理論加以解釋?zhuān)翘煳膶W(xué)家和物理學(xué)家的共同任務(wù)。伽利略、牛頓、哥白尼等偉人，都是身兼物理學(xué)家與天文學(xué)家的雙重身份。在天文學(xué)中，解釋行星的運(yùn)動(dòng)需要依靠牛頓運(yùn)動(dòng)定律，解釋恒星的能源問(wèn)題需要使用質(zhì)能方程，解釋引力波需要利用相對(duì)論，這充分說(shuō)明了物理學(xué)是研究天文學(xué)的重要基礎(chǔ)，物理學(xué)和天文學(xué)是密不可分的。物理學(xué)的發(fā)展為天文學(xué)中的天文現(xiàn)象和天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律等知識(shí)的研究提供了最基本的理論支持。

物理學(xué)和化學(xué)之間也有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，化學(xué)中原子分子之間存在離子鍵、共價(jià)鍵，而這些化學(xué)鍵的形成可以利用物理學(xué)理論解釋。正負(fù)離子之間通過(guò)靜電作用而形成了離子鍵，原子間通過(guò)共用電子對(duì)而形成的相互作用對(duì)應(yīng)的是共價(jià)鍵。除了原子間的化學(xué)鍵，決定更為基礎(chǔ)的電子分布的化學(xué)定理——構(gòu)造定理實(shí)際上也是由物理學(xué)家尼爾斯波爾利用量子力學(xué)理論提出的?；瘜W(xué)中最基礎(chǔ)的部分均有物理學(xué)的貢獻(xiàn)，物理學(xué)為化學(xué)提供了重要支撐。

物理學(xué)與材料科學(xué)也有緊密的聯(lián)系。現(xiàn)代材料科學(xué)的快速發(fā)展完全得益于物理學(xué)理論的支撐。例如當(dāng)前熱點(diǎn)材料——拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)就是首先由物理理論給出了其存在的預(yù)言，再研究發(fā)現(xiàn)其存在及相應(yīng)特性。2006年張首晟等人通過(guò)物理理論研究，預(yù)測(cè)HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)是二維拓?fù)浣^緣體。一年之后Molenkamp等人證實(shí)了張首晟的預(yù)測(cè)。同年Kane預(yù)測(cè)Bi1-xSbx（0.07

物理學(xué)還為生物學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，兩者有著密切的聯(lián)系，英文中物理學(xué)家（physicist）和醫(yī)師（physician）有著相同的詞根。物理學(xué)家伽利略在研究物理之前學(xué)習(xí)過(guò)醫(yī)學(xué)，伽利略后期利用單擺測(cè)量過(guò)人的心率，還制作了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的顯微鏡。顯微鏡的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生物學(xué)的發(fā)展，而現(xiàn)代生物學(xué)更是將物理學(xué)原理應(yīng)用到了極致，創(chuàng)造出多種顯微鏡，例如：偏光顯微鏡，電子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，原子力顯微鏡等。除了顯微鏡，諸如X射線(xiàn)技術(shù)等物理學(xué)技術(shù)也應(yīng)用到生物學(xué)，正是借助X射線(xiàn)晶體衍射技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開(kāi)啟了遺傳學(xué)高速發(fā)展的大門(mén)?？梢哉f(shuō)，生物學(xué)的每一步技術(shù)進(jìn)步都離不開(kāi)物理學(xué)的支撐。[2]

2 物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系

核能工程技術(shù)的發(fā)展完全得益于物理學(xué)。在物理學(xué)奠定基礎(chǔ)之前，人類(lèi)沒(méi)有能力進(jìn)行核能的實(shí)踐，更無(wú)法從實(shí)踐角度總結(jié)核能知識(shí)。物理學(xué)的發(fā)展為核能的發(fā)展建立了客觀基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦的著名論文《物體的慣性同他所包含的能量有關(guān)嗎？》中提出了質(zhì)能關(guān)系，這個(gè)方程點(diǎn)燃了核能的高速發(fā)展。之后又有多為物理學(xué)家推動(dòng)了核能研究，盧瑟福提出了原子的核式模型，波爾完善了原子結(jié)構(gòu)理論，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，海森堡和伊凡寧柯提出了原子核有質(zhì)子和中子組成，居里夫婦利用人工方法制備出放射性同位素……這些物理學(xué)研究奠定了核能研究的基礎(chǔ)，揭開(kāi)了核能工程技術(shù)發(fā)展的時(shí)代。[3]

對(duì)于在各個(gè)領(lǐng)域都有廣為使用的計(jì)算機(jī)，它的發(fā)展與物理學(xué)緊密相連。第一代計(jì)算機(jī)源于電子管原件的發(fā)明。第二代計(jì)算機(jī)源于小巧可靠的晶體管。第三代計(jì)算機(jī)源于集成電路的問(wèn)世。第四代計(jì)算機(jī)源于利用大規(guī)模集成電路的邏輯元件和存儲(chǔ)器?？梢?jiàn)，計(jì)算機(jī)每一次跨時(shí)代發(fā)展的背后都是物理學(xué)發(fā)展變革為基礎(chǔ)的。[4]

傳統(tǒng)建筑工程技術(shù)也得益于物理學(xué)得到了快速發(fā)展。建筑學(xué)與光學(xué)有關(guān)。夏季太陽(yáng)光透過(guò)6mm厚的窗玻璃時(shí)約有84%的能量進(jìn)入室內(nèi)，進(jìn)而使室內(nèi)溫度劇增。利用物理學(xué)中光的干涉原理制備的金屬性反射玻璃能夠使大幅提升玻璃反射紅外線(xiàn)的能力，大大降低了室內(nèi)溫度。建筑學(xué)與聲學(xué)有關(guān)。要想使建筑物內(nèi)音質(zhì)符合需求，就要使用適當(dāng)?shù)奈暡牧希@些吸聲材料的工作原理就是物理學(xué)中的亥姆霍茲共振原理。[5]

現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展也離不開(kāi)物理學(xué)?，F(xiàn)代通信必須要用到激光器和光纖，激光器產(chǎn)生的激光來(lái)源于物質(zhì)的受激輻射，相關(guān)物理概念是愛(ài)因斯坦于1917年提出的；光纖的創(chuàng)造更是利用了光學(xué)中全反射原理。正是有了現(xiàn)代通信技術(shù)，當(dāng)代社會(huì)才能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，當(dāng)今信息傳遞速度才會(huì)與日俱增，極大地改變我們的生活。隨著物理學(xué)的發(fā)展，未來(lái)通信技術(shù)會(huì)進(jìn)一步躍升，現(xiàn)階段我們可以預(yù)測(cè)未來(lái)借助量子力學(xué)理論，量子光纖通信會(huì)走入現(xiàn)實(shí)。量子密碼、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)等新技術(shù)會(huì)像傳統(tǒng)光通信改變世界一樣改變整個(gè)人類(lèi)的信息交流方式。物理學(xué)的發(fā)展決定了未來(lái)人類(lèi)信息交流的方式。未來(lái)通信技術(shù)對(duì)人才的要求首先就是掌握物理學(xué)。[6]

3 結(jié)語(yǔ)

從常見(jiàn)的自然科學(xué)和工程技術(shù)的討論中我們可以看出，物理學(xué)對(duì)其他同樣側(cè)重基礎(chǔ)的自然科學(xué)和側(cè)重應(yīng)用的工程技術(shù)而言，既是基礎(chǔ)奠定者又是發(fā)展推動(dòng)者。未來(lái)各行業(yè)的優(yōu)秀人才首先應(yīng)該是掌握物理學(xué)的人才，未來(lái)國(guó)家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展首先應(yīng)該是物理學(xué)的發(fā)展。物理學(xué)如此重要，關(guān)系著每一個(gè)人的發(fā)展和國(guó)家的進(jìn)步，值得我們更大的重視。高中生在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)該排除功利性的因素，努力學(xué)好物理學(xué)這門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，為未來(lái)個(gè)人和社會(huì)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]呂衍鳳，陳曦，薛其坤.拓?fù)浣^緣體簡(jiǎn)介[J].物理與工程，2012，（22）：7.

[2]郝柏林.物理學(xué)與生物學(xué)（上）[J].物理，2003，（4）：213.

[3]杜祥琬.淺談現(xiàn)代物理學(xué)與工程技術(shù)[J].物理，2005，（7）：480.

[4]劉亞娟.淺談物理學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)系[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2008，（21）：1632.

[5]張秀榮，王彤業(yè).物理學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，（2）：39.

[6]戴峰，楊伯君.第六講 物理與光纖通信[J].物理，2005，（06）：450.