高二物理校本课程：现代科技前沿(物理篇).doc

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靖远县第二中学校本教材

现代科技前沿

总策划任俊信

总编审马芝玺

编审委员会

周瑞王君彦王富国陶明美李孝恩

王少奇张治国石生奎张建明高明芳

吴育斌李复仑魏明鹏吴建基陈自励

杨家杰石生祎李进勋高阳峰马彬

路金

责任编辑包正刚

主编审段明琳丁来福

本册主编张英龙

编者刘元杰杜世涛李复仑

目录

一、二十一世纪科技展望 2

二、GPS全球卫星定位系统 11

附：

北斗卫星导航系统简介 13

三、航空航天知识一览 14

四、黑洞 18

五、超导技术及其应用 20

磁悬浮列车概述 21

六、纳米技术及其应用 27

七、激光及其应用 33

八、新能源 43

九、核辐射及预防 47

十、物理学前沿问题探索之物理世界未解之谜 50

十一、科技新动态 55

一、二十一世纪科技展望

地球科学

地球科学越来越向综合化，致力于人类生存发展的资源，生态和环境的探索、保护和合理作用，更具区域化、全球化，有效地弄清地球系统的整体行为、全球变化的性质和原因，以及演化规律。

地球科学中还有问题仍是不解之谜，由今天的天气按照大气运动方程组预报明天的天气，由明天的天气按同样在大气运动方程组公式预报后天的天气……，怎么说“长期天气预报是不可能的”呢？

纽约一只蝴碟翅膀一拍，北京的天气果真会变化吗？

云中的一个冰晶种子，为什么会自动组织成一个六角形的雪花？

为什么热带的某个地点，突然会生成一个螺旋式结构、风力很大的台风呢？

在上海的某一小地区为什么突然出现将树连拔起的龙卷风呢？

上千公里的大气涡旋不是顺时针转，就是逆时针转，为什么有百公里、十公里、……甚至几厘米的涡旋也以如此相似的方式旋转呢？

月、季、年、10年、102年……，甚至千万尺度的气候的冷还是暖，原来是随尺度的不同而不同，这种说法对吗？

如何研究它们呢？

生命科学

生命科学将成为自然科学的带头学科。

分子生物学将在生命科学中保持主流地位；细胞生物学还作为生命科学的基础科学继续发展；脑科学将代表生命科学发展的一个高峰；生态学将在保护人类生存环境，促进国民经济可持续发展等方面而起到重要作用。

一个多世纪以来，人们一直在探索着宇宙间其他星球是否也与地球一样存着生命物质和生物体。

天文学家早在18世纪末通过天文望远镜对地球最近的火星进行了观察，曾发现在这个星球的表面有横七竖八的黑色线条。

意大利人斯雷断定：

“这是火星上的人开凿的运河。

”后来这些“运河”又被美国天文学家洛威尔绘出了详尽的地图。

自此之后，人们对其他星球上是否有生命的问题争论日趋剧烈，尤其是当天空中时隐时现的不明飞行物的出现，更引来了人们的种种推测，这些飞行物是外星人向地球上发射的探测器！

或者干脆地说：

那些飞行物是外星人与地球人类联系的信号！

果真如此吗？

太有意思了。

现在我们先研究一下火星的自然条件，分析一下那里是否有生物体产生和生存的条件。

火星由地球上观察，它是一颗极美丽耀眼的红色行星，与地球有不少相似之处。

地球的自转时间是23小时56分，而火星则为24小时37分，几乎昼夜相同。

地球的自转轴和轨道平面有23゜27＇倾角，火星则为24゜角。

火星与地球一样有四季的变化，有两个地极，冰雪包裹。

火星两极也有白雪皑皑的极冠，春天气温回升，冰雪消融、极冠变小。

而极冠之外区域颜色变深、更暗，并不断扩展。

这样的景观，很容易让人想到，火星上也有植物，也有他生命体。

本世纪60-70年代，我们多次对火星进行观测。

1977年，美国的“水手九号”飞船进入火星飞行轨道，成了火星飞行轨道，成了火星上人造卫星，拍回了大量的火星图片，表明“运河”是一串暗环形山，“黑线”是我们由望远镜向火星观察时所产生的模糊错觉。

火星人开凿运河的说法被否定了。

照片分析在火星上发现了纵横交错的枯水河流、沙洲和小岛，足见火星曾有过流水的河道！

照片显示最长河流达1555公里，宽达200米。

想象得出来：

当河床充满河水时，奔流的大河是多么的壮观啊！

火星上还有巨大的火山，最高的达25000米，比地球上的珠穆朗玛峰高出3倍。

科学家们认为：

历史上火星上的火山比地球上的活跃，随着火山活动，火星内部的大量水蒸汽和二氧化碳气体喷射出来。

这些水蒸汽凝集成的水可在火星上形成20米深的水，还能形成一人比较浓密的大气层。

由此证明，火星曾经有一个多水的温暖时期。

在此期间，火星上可能演化出微生物和类似地衣的低等植物。

物质科学

物质科学作为自然科学的基础，在实现其与生命科学的结合和发展能源科学、环境科学、信息科学、材料科学等改善人类生存条件和促进社会进步的关键科学技术而将继续发挥主要的基础作用。

近代以来的物理学研究发现，物质是由不同层次的微粒构成的，形成了一个阶梯系列。

二三百年前，人们发现物质由分子及原子组成。

到19世纪末，在科学实验基础上，科学家认识到原子由原子核和核外电子构成。

原子很小，直径约亿分之一厘米。

原子核大约是原子的10万分之一，电子则更小，大约是原子的亿分之一。

再进一步，人们发现原子核又是由质子和中子组成的。

到此，曾有人以为找到了构成物质的最小“砖块”。

然而，不久人们就发现了这种认识的局限性。

通过对宇宙射线的观察分析和高能加速器的实验，又发现了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及组成质子、中子的夸克等，达到几百种之多。

其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轰击下才产生出来的。

微观粒子之间存在不同的相互作用。

根据这些相互作用力的特点，可把几百种粒子分为强子、轻子和传播子三类。

强子是指参与强相互作用的那些粒子，包括质子。

中子、π介子等。

强子有其内部结构，由夸克组成。

夸克有上、下、奇、粲、底、顶6类，每类有3种，共18种。

1995年，科学家用高能物理实验证实了顶夸克存在的预言，这是近年来关于物质结构研究的一项重大进展。

轻子与强作用无关，只参与弱力、电磁力和引力相互作用，如电子、中微子、μ子、τ子等。

1992年，我国北京正负电子对撞机成功实现了τ轻子质量的精确测定，取得了国际高能物理界瞩目的结果，使我国在该高科技领域占有一席之地。

微观世界作用力的传递是由粒子完成的。

这些粒子即称传播子，也属于基本粒子范畴，传递强力的称胶子，传播电磁力的是光子，弱力的传播子是中间玻色子W+、W+和Z0。

夸克、轻子是不是就是最基本的物质结构单元呢？

也不是。

已有许多迹象表明，它们也可能还存在内部结构。

对更微观层次的探究，是当代科学研究的最前沿之一。

1979年的诺贝尔物理奖得主格拉肖曾建议，假如一旦在实验上发现了比夸克更小的微粒，应命名为“毛子”，以纪念毛泽东关于物质无限可分的哲学思想。

这一设想虽尚未实现，但说明了科学家对辩证思维的重视。

人们会问：

这样无限分下去有什么意义呢？

一是哲学上的意义，证明世界的物质性和人类认识永无止境；二是科学理论上的意义，丰富了人们关于物质世界的基本知识；三是实践上的意义。

当年对原子核内部结构的探索，导致了核能的广泛利用和开发。

反物质有可能成为未来人类更强大的能源。

除这些以外；研究超微观世界，需要庞大的高能实验设备，如对撞机、加速器等，这些设备的研制是高技术发展极强的推动力量，如我国自行设计、研制的北京正负电子对撞机，不仅取得了“精确测量τ轻子质量”这一高水平理论研究成果，而且，在对撞机的研制过程中，还带动了一大批高技术的发展。

信息科学

信息科学以需求为动力，向着最为广泛的应用领域渗透，并与科技、经济、文化相结合形成宏大的支柱产业。

信息的获取、传送、存储和处理将智能化、在符号推理、神经计算、人工生命等领域将取得突破。

回顾过去几千年，人类社会的进步很程度上依赖于基础设施的建设，住房、道路、农田水利、工厂等等都是人类社会发展不可缺少的基础。

如果我们的子孙后代回顾20世纪，他们一定会注意到信息高速公路这一全球基础设施的兴建。

信息高速公路是一种高速多媒体传输系统，它能在全球甚至更大的范围内传输声像图文化并茂的多媒体信息。

由美国首先提出的“信息高速公路”是指数字化大容量兴纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。

一些国家和公司还提出利用卫星架设“空中信息高速公路”的设想。

1993初，美国新总统克林顿上台后不久就提出兴建“信息高速公路”计划，并授权成立了“信息基础设施特别小组”，由商务部长罗恩·布朗领导，副总统戈尔、总统经济顾问委员会主席劳拉·泰森以及一批经济、法律、技术专家和电信工业界代表组成。

特别小组的核心成员每星期都在白宫聚会讨论。

美国政府制定“信息高速公路”的政策基于5项原则：

其一，鼓励私人企业增加投资；其二，促进并保护私人企业间的竞争；其三，公众都有机会获得服务；其四，避免在信息拥有方面出现“贫富不均”现象；其五，维护技术设计上的灵活性。

半年后日本政府也决定建立全国超高速信息网。

1994年2月16日，欧洲委员会宣布将建立自己的“信息高速公路”。

新加坡的“信息高速公路”计划也已完成。

这些情况说明，第二次信息革命已拉开序幕。

自40年代中期计算机问世以来，在全世界范围内兴起的第一次信息革命对人类社会产生了空前的影响，信息产业应运而生，人类迈向信息社会。

到90年代初期，美国每年应用计算机完成的工作量相当于4000亿人一年的工作量。

以信息技术为基础的产业已占发达国家内生产总值的一半以上。

7在世界各国纷纷提出建信息高速公路之际，全世界拥有4亿台计算机和10亿部电话（1994年初），但是，全球范围内的信息传递仍不畅通。

美国计划在10-15年内建成的“信息高速公路”是指数字化大容量光纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。

用90年代计算机网络传输33卷《大不列颠百科全书》需要13小时，而利用“信息高速公路”将只需4.7秒。

“信息高速公路”掀起的第二次信息革命的特征是网络化、多媒体化。

“信息高速公路”能传递数据、图像、声音等信息，其服务范围包括教育、卫生、娱乐、商业、金融和科研等，并将采取双向交流形式。

宇宙科学

宇宙科学大大深化了人们对宇宙结构、起源和演化的认识，为了解物质结构和相互作用提供了新的统一图景。

在地外生命等重大问题的研究中，天文学将更进一步与物理学交叉，并与许多领域紧密地联系在一起。

中国的载人飞船和空间站何时能够遨游太空？

在新千年即将来临之际，67岁的飞船总设计师戚发轫教授发表了谈话。

试验飞船发射入轨并圆满返回到预定区域，为我国在21世纪前十年内实现把宇航员送上太空并安全返回打下了坚实的基础。

21世纪，人类开发利用丰富的空间资源将成为必然。

空间资源主要有轨道资源、环境资源和物质资源。

开发利用空间资源，人必须要较长时间在空间环境工作，并要往返于地球和空间站之间。

载人飞船只是往返天地之间的运输工具，最终必须依赖长期在空间工作的空间站。

建立空间站，一要解决太空人出舱，二要解决飞船与空间站的相互交会对接等技术难题。

下个世纪，我国掌握空间站的关键技术应该不成问题。

认知科学

认知科学、心理学和行为科学的进展，为科技教育和经济社会发展带来了新的推动力。

支配着行动的是头脑+思考+心。

行动不仅反应思考、行动的体验，也变成一种经验的累积。

换言之，这即是人类行为基本的一种模式。

此亦为取得能力的基本程序。

借助“思考→行动→思考→行动”的反复，我们逐渐具备了能力，可能是自已至今都不曾思考但却已有的能力，而这也是人类成长进步的基本条件。

同理，在日常的行动，或者商务的行动中，我们反复接触各种信息、人与事，在这接触过程中，才慢慢培养成自已的思考能力与思考方式。

再健康的人，一旦被移送到周围全是病人的孤岛上时，也会立刻生病。

反之，在精神不振时，与健康有活力的人相处，时间就会帮助他恢复健