物理学与现代高科技
主要内容
一、物理效应及其技术应用 二、几个主要的物理技术系统 三、物理学与现代高新技术 四、物理学与高科技发展的典型案例 五、物理学与高科技发展的回顾与展望
一、物理效应及其技术应用
1、光电效应
光照射到某些物质上，引起物 质的电性质发生变化，也就是 光能量转换成电能。这类光致 电变的现象被人们统称为光电 效应（Photoelectric effect）。
Edwin Hall（1855～1938）
霍尔效应原理
当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂 直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也 被叫做霍尔电势差。
一、物理效应及其技术应用
4、 磁电效应
巨磁阻效应GMR （Giant Magneto Resistance） 所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场 作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
其余的到达地球表面， 其功率为8×105亿kW， 太阳每秒钟照射到地球 上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。
太阳能电池：对光有响应并能将光能转换成 电力的器件，如硅、砷化镓等
原理：光→硅原子→电子跃迁→电位差→电流
氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一 种举足轻重的二次能源。
其主要优点有： 燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽
物理学与高新技术群体的关系
物理学的发展，促进了技术的发展，引 发了一次又一次的产业革命。现代物理学更 是成为高新科技的基础。
例1、物理学与能源技术
能源危机 （1）太阳能 （2）氢能 （3）原子能
（4）水能
太阳能电池
都与太阳能有密切关系
能源类型 一次能源 二次能源 可再生能源 非再生能源
定义
实例
利用这种效应可以制 成热点偶，温差电池等。
一、物理效应及其技术应用
5、 热电效应
热电效应发电
一、物理效应及其技术应用
6、磁热效应
由磁场致热的 现象称为磁热效应。 如爱迁豪森效应:将 带流样品置于磁场 中时，样品中出现 温度梯度。
室温绝热去磁制冷机
一、物理效应及其技术应用
7、力（声）电（磁）效应
磁光盘
磁光存储原理
一、物理效应及其技术应用
4、 磁电效应
由磁场引发电变（包括产生电 动势、电阻变化等）的现象称为磁 电效应（magneto-electric effect ）。
霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普 金斯大学研究生期间，研 究关于载流导体在磁场中 的受力性质时发现的一种 磁电现象。
纳米—10-9m
纳米材料—物质到纳米尺度，物质性能 就发生突变。
其特殊性能不同于原来组成 的原子、分子，也不同于宏 观的物质。
碳纳米管
科学家们发现，当铜、银等 导体做成纳米尺度以后，将 失去原来的性质。而磁性材 料的磁性要高1000倍。
最近，科学家已经发明了纳米铲子、 纳米勺子等，血管机器 人可以在血管里 用这些工具来进行操作，这就是纳米工具。
嫦娥二号
四、物理学与现代高科技发展的 典型案例
案例之一 ——STM
1、STM的产生背景
自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成 第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分 析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)、扫描电 子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FEM)等。但任何一种技术 在应用中都会存在这样或那样的局限性。
人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。 传感器敏感元件
超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致伸 缩效应或逆效应还可以制作检测磁场、电流、应变、 位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。
磁致伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计 量,其测量分辨率高于0.11 mm。
一、物理效应及其技术应用
超声波探测器
超声波探测
超声波清洗器
超声波焊接器
二、几个主要的物理技术系统
5、激光技术
激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方 向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用. 利用激光特性发展起来的技术系统叫做激光技术。主 要包括：① 激光检测技术（激光测距、激光测速）
② 激光加工技术（激光处理、激光焊接）
λ为磁致伸缩系数
λ l l
常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8-10-6
常用磁致伸缩材料
常用磁致伸缩材料
镍 铁镍 铁铝 铁钴钒 铁氧体
磁致伸缩材料的应用
在磁（电） - 声换能器中的应用 声纳、超声换能器、扬声器等。
在磁(电) - 机械致动器中的应用 精密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器
当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料 的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。
铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较 小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。
一、物理效应及其技术应用
5、 热电效应
由热引起电变（如 产生电动势）的现象称 为热电效应。其中，塞 贝克效应是指由于两种 不同电导体或半导体的 温度差异而引起两种物 质间的电压差的热电现 象。
8、声光效应及光声参考系效应
声波在物质中传播时会引起光的传播特性发生变 化的现象称为声光效应。
用强度被调制的光照射介质（气体、液体或者固 体），会在介质中产生声信号，这种光转为声的现象 称为光声效应。
观测者相对于光（声）源运动时，光（声）频率 改变的现象称为光（声）参考系效应，也叫多普勒效 应。
二、几个主要的物理技术系统
直接来自自然界 化石燃料、太阳
而未经加工转化 能、核能、生物
的能源
燃料、水能
由一次能源直接 电能、煤气、汽
或间接转化而来 油、沼气、氢能
的能源
等。
不随其本生的转 太阳能、生物能、
化或被人利用而 水能、风能、地
减少的能源
热能等
人类随其本身的 化石燃料、核燃 转化或的利用而 料等 减少的能源
1/20亿到达地球大气层 30%被大气层反射， 23%被大气层吸收，
二、几个主要的物理技术系统
6、 光纤技术
光纤是光导纤维的简写，是一种 利用石英、玻璃等光透射率很高的介 质拉制而成的极细纤维。利用光纤在 外界环境（温度、电磁场等）的变化 时光波量（光强、频率等）产生变化 的性质形成的技术称为光纤技术。主 要包括： ①光纤通信技术
②光纤传感技术
光缆
光纤传感器
二、几个主要的物理技术系统
7、等离子体技术
等离子体技术（plasma technology）是应用 等离子体发生器产生的部分电离等离子体完成一定 工业生产目标的手段。
等离子体的温度高，能提供高焓值的工作介质， 生产常规方法不能得到的材料，加之有气氛可控、 设备相对简单、能显著缩短工艺流程等优点，所以 等离子体技术有很大发展。
一、物理效应及其技术应用
光电倍增管
光敏电阻
一、物理效应及其技术应用
2、 电光效应
将物质置于电场中时，物质的光学性质发 生变化的现象称为电光效应。
电光效应实验仪
一、物理效应及其技术应用
发光二极管
半导体激光器
一、物理效应及其技术应用
3、 磁光效应
磁光效应（Magneto-optical effect）是 指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而 引起的各种光学现象。包括磁光克尔效应、法拉 第效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效 应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间 的联系。
油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产 物是水，是世界上最干净的能源。
资源丰富，氢气可以由水制取 循环利用、持续发展
几大瓶颈及进展：
①制备—电解水，矿物燃料，生物质制氢，化 工副产品
②储存—气态、低温储氢，金属氢化物，储氢 材料的研制
③运输—象煤气那样但有自身问题，特别轻， 易泄漏， 液氢的温度极低
微波物位计
微波杀菌
二、几个主要的物理技术系统
3、红外技术
①红外探测技术（红外探测器） ②红外照相技术（红外摄像机）
红外探测器
红外摄像头
二、几个主要的物理技术系统
4、超声技术
超声波是频率高于20000Hz的声波，它方 向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声 能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、 清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、 军事、工业、农业上有很多的应用。
纳米新材料
科学家已发明纳米剪刀 —调控生物分子
人们经常说的纳 米洗衣机、纳米 冰箱等，有的有 科学依据，大多 数纯粹是商业炒 作！
例3、物理学与空间技术
物理学与航天
“长征”二号
F型火箭载着神 州五号飞船载 人航天器直入 云霄。物理学 的基本理论是 空间技术的基 础。
物
理
学
与
空
间
科
学
神州九号
技
术
激光测距
激光雕刻
激光及其应用： 激光—Laser, 镭射
特点—方向性强
穿透力强
功率密度高
线宽窄
军用高能激光器
用途—生活、科研的方方面面：激光切割、
激光唱片、激光测距仪、激光手术
激光枪、激光炮……

三超激光—超高强度 超短脉冲 超短波长
1022W/cm2 fs, as 100~101nm
用途： 激光武器 跟踪核振动、电子 研究生物分子 激光操控 立体反应动力学
压电效应
正压电效应和逆压电效应
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 这种 机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应”
当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变 形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。可将 电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料, 压 电材料能实现机—电能量的相互转换。