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內(nèi)容,這里主要說下納米材料.從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝１００厘米，１厘米＝１００００微米，１微米＝１０００納米，１納米＝１０埃），即１００納米以下。因此，顆粒尺寸在１～１００納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。

納米金屬材料是２０世紀８０年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。

納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料(nano material)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。

納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。

納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。

納米材料具有一定的獨特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。

納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。

就熔點來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進材料。

一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。

納米粒子的粒徑（10納米～100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料。

納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。

納米材料分類

納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

納米粉末： 又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動機等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等。

納米纖維： 指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微光纖（未來量子計算機與光子計算機的重要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材料等。

納米膜： 納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。

納米塊體： 是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強度材料；智能金屬材料等。

納米材料的用途

很廣，主要用途有：

醫(yī)藥使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細，并在納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藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。

家電 用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

電子計算機和電子工業(yè) 可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

環(huán)境保護 環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進行過濾，從而消除污染。

紡織工業(yè) 在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

機械工業(yè) 采用納米材料技術(shù)對機械關(guān)鍵零部件進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

納米材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域

由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它 們在磁、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性.因此納米微粒在磁性材料、電 子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前 景.現(xiàn)將納米材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域歸納如下.陶瓷增韌 納米微粒顆粒小,比表面大并有高的擴散速率,因而用納米粉體進行燒結(jié),致密化的

速度快,還可以降低燒結(jié)溫度,目前材料科學(xué)工作者都把發(fā)展納米高效陶瓷作為主要的奮 斗目標,在實驗室已獲得一些結(jié)果從應(yīng)用的角度發(fā)展高性能納米陶瓷最重要的是降低納米 粉體的成本,在制備納米粉體的工藝上倒了保證納米粉的工藝上除了保證納米粉體的質(zhì)量 ,做到尺寸和分布可控,無團聚,能控制顆粒的形狀,還要求生產(chǎn)量大,這將為發(fā)展新型 納米陶瓷奠定良好的基礎(chǔ).近兩年來,科學(xué)工作者為了擴大納米粉體在陶瓷改性中的應(yīng)用 ,提出了納米添加使常規(guī)陶瓷綜合性能得到改善的想法.1994年11月至1995年3月,美國在 加州先后召開了納米材料應(yīng)用的商業(yè)會議在會上具體討論了如何應(yīng)用納米粉體對現(xiàn)有的陶 瓷進行改性,在這方面許多國家進行了比較系統(tǒng)的工作,取得了一些具有商業(yè)價值的研究 成果,西歐、美國、日本正在做中間生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化工作.例如,把納米Al2O3粉體加入粗晶粉 體中提高氧化鋁的致密度和和耐熱疲勞性能;英國把納米氧化鋁與二氧化鋯進行混合在實 驗室已獲得高韌性的陶瓷材料,燒結(jié)溫度可降低100℃;日本正在試驗用納米氧化鋁與亞微 米的二氧化硅合成制成莫來石,這可能是一種非常好的電子封裝材料,目標是提高致密度、韌性和熱導(dǎo)性;德國Jiilich將納米碳化硅(小于20%)摻人粗晶a-碳化硅粉體中,當(dāng)摻和量為20%時,這種粉體制成的塊體的斷裂韌性提高了25%.我國科 技工作者已成功地用多種方法制備了納米陶瓷粉體材料,其中氧化鋯、碳化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化硅、氮化硅都已完成了實驗室的工作,制備工藝穩(wěn)定,生產(chǎn)量大,已為規(guī)模 生產(chǎn)提供了良好的條件.近一年來利用我國自己制備的納米粉體材料添加到常規(guī)陶瓷中取 得了引起企業(yè)界注意的科研成果.氧化鋁的基板材料是微電子工業(yè)重要的材料之一,長期 以來我國的基板材料基本靠國外進口.最近用流延法初步制備了添加納米氧化鋁的基板材 料,光潔度大大提高,冷熱疲勞、斷裂韌性提高將近1倍,熱導(dǎo)系數(shù)比常規(guī)氧化鋁的基板材 料提高了20%,顯微組織均勻.納米氧化鋁粉體添加到常規(guī)85瓷、95瓷中,觀察到強度和 韌性均提高50%以上.在高性能納米陶瓷研究方面, 我國科技工作者取得了很好的成杲,例如,由納米陶瓷研制結(jié)果觀察到納米級ZrO2陶瓷的 燒結(jié)溫度比常規(guī)的微米級ZrO2陶瓷燒結(jié)溫度降低4000C.磁性材料

1、巨磁電阻材料

磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象,所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象 ,人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻.所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小,一般減

小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍.巨磁電阻效應(yīng)是近10年來 發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象.1986年德國的Cdnberg教授首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間藕合

.1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授研究組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng),這 在國際上引起了很大的反響.20世紀90年代,人們在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Al,Fe/Au,Co/C u,Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng),由于巨磁阻多層膜 在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應(yīng)用前景,美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電 阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量.1992年美國率先報道了Co-Ag,Co-Cu顆粒 膜中存在巨磁電阻效應(yīng),這種顆粒膜是采用雙靶共濺射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基體上鑲 嵌納米級的鐵磁的Co顆粒.這種人工復(fù)合體系具有各向同性的特點.顆粒膜中的巨磁電阻 效應(yīng)目前以Co-Ag體系為最高,在液氮溫度可達55%,室溫可達20%,而目前實用的磁性合 金僅為2%~3%,但顆粒膜的飽和磁場較高,降低顆粒膜磁電阻飽和磁場是顆粒膜研究的主要目標.顆粒膜制備工藝比較簡單,成本比較低,一旦在降低飽和?? 懦∩嫌興 黃平嬖謐藕艽蟮那繃ΑW罱贔eNiAg顆粒膜中發(fā)現(xiàn)最小的磁電阻飽和磁場 約為32KA/m,這個指標已和具有實用化的多層膜比較接近,從而為顆粒膜在低磁場中應(yīng)用 展現(xiàn)了一線曙光.我國科技工作者在顆粒膜巨磁阻研究方面也取得了進展,在顆粒膜的研 究中發(fā)現(xiàn)了磁電阻與磁場線性度甚佳的配方與熱處理條件,為發(fā)展新型的磁敏感元件提供 了實驗上的依據(jù).在巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后的第六年,1994年,IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭 ,將磁盤記錄密度一下子提高了17倍,達5Gbit/in2,最近報道為11Gbit/in2,從而在與 光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位.由于巨磁電阻效應(yīng)大,易使器件小型化,廉價化,除 讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移,角度等傳感器中,可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床,汽車測 速,非接觸開關(guān),旋轉(zhuǎn)編碼器中,與光電等傳感器相比,它具有功耗小,可靠性高,體積 小,能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點.利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻 值的特點,可以制成隨機存儲器(MRAM),其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息.1995年報道自旋閥型MRAM記憶單位的開關(guān)速度為亞納秒級,256Mbit的MRAM芯片亦已設(shè)計成

功,成為可與半導(dǎo)體隨機存儲器(DRAM,SEUM)相競爭的新型內(nèi)存儲器,此外,利用自旋

極化效應(yīng)的自旋晶體管設(shè)想亦被提出來了.鑒于巨磁電阻效應(yīng)重要的基礎(chǔ)研究意義和重大 的應(yīng)用前景,對巨磁電阻效應(yīng)作出重大開拓工作的弗特教授等人曾獲二次世界級大獎.巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是微弱磁場探測器.隨著納米電子 學(xué)的飛速發(fā)展,電子元件的微型化和高度集成化,要求測量系統(tǒng)也要微型化.21世紀超導(dǎo) 量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學(xué)中主要角色.其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ),設(shè)計超微磁場傳感器要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度.如此低的磁通密度在過去是沒有辦法測量的,特別是在超微系統(tǒng)測量如此弱的磁通密度 時十分困難的,納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件經(jīng)過定標可能完成上述目標.瑞士蘇黎土高工在 實驗室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲,他們在具有納米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過 交替蒸發(fā)Cu和Co并用電子束進行轟擊,在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充 形成幾微米長的納米絲,其巨磁電阻值達到15%,這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場很低 ,可以用來探測10-11T的磁通密度.由上述可見,巨磁阻較有廣闊的應(yīng)用情景.2.新型的磁性液體和磁記錄材料.1963年,美國國家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑,把它包覆在超細 的Fe3O4微顆粒上(直徑約為l0m),并高度彌散于煤油(基液)中,從而形成一種穩(wěn)定的膠體 體系.在磁場作用下,磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動,因此,好 像整個液體具有磁性,于是,取名為磁性液體.生成磁性液體的必要條件是強磁性顆粒要 足夠小,在致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用,能在基液中作無規(guī)則的熱運動.例如對 鐵氧體類型的微顆粒,大致尺寸為l0nm,對金屬微顆粒,通常大于6nm.在這樣小的尺寸下 ,強磁性顆粒已喪失了大塊材料的鐵磁或亞鐵磁性能,而呈現(xiàn)沒有磁滯現(xiàn)象的超順磁狀態(tài) ,其磁化曲線是可逆的.為了防止顆粒間由于靜磁與電偶矩的相互作用而聚集成團,產(chǎn)生 沉積,每個磁性微顆粒的表面必需化學(xué)吸附一層長鏈的高分子(稱為表面活性劑),高分子 的鏈要足夠長,以致顆粒接近時排斥力應(yīng)大于吸引力.此外,鏈的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生 化學(xué)吸附,另一端應(yīng)和基液親和,分散于基液中.由于基液不同,可生成不同性能、不同 應(yīng)用領(lǐng)域的磁性液體,如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等.磁性液體的主要特點是在磁場作用下可以被磁化,可以在磁場作用下運動,但同時它 又是液體,具有液體的流動性.在靜磁場作用下,磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有 序排列的團鏈簇,從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì).當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(如同在 各向異性的晶體中傳播一樣),會產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波 傳播速度與衰減的各向異性.此外,磁性液體在靜磁場作用下,介電性質(zhì)亦會呈現(xiàn)各向異 性.這些有別于通常液體的奇異性質(zhì),為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).(1)磁性液體的國內(nèi)外發(fā)展概況

磁性液體自20世紀60年代初問世以來,引起了世界各國的重視與興趣.1977年在意大

利召開了第一次有關(guān)磁性液體國際會議,之后,每隔3年召開1次,至今已召開了5次國際會 議,發(fā)表論文與專利逾千篇.美國、日本、英國、蘇聯(lián)等國均有磁性液體專業(yè)工廠生產(chǎn).目前,國內(nèi)外正積極研制金屬型的磁性液體,其中磁性顆粒為鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)等 金屬、合金及其氮化物,其飽和磁化強度比鐵氧體型約高3倍以上.我國從20世紀70年代以來,南京大學(xué)、西南應(yīng)用磁學(xué)研究所、東北工學(xué)院、哈爾濱化 工所、北京理工大學(xué)、北京鋼鐵研究院等單位相繼開展了這一領(lǐng)域的研制工作,并有產(chǎn)品 可提供市場.如南京大學(xué)已試制成水基、短基、二酶基、硅油基等多種類型的磁性液體.但目前國內(nèi)還未廣泛地了解此類新型磁性材料的特性,也未開拓該材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用 ,與國外相比,我們的差距是相當(dāng)大的.(2)磁性液體的主要應(yīng)用

利用磁性液體可以被磁控的特性,人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀 的磁場分布,從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“O”形環(huán),且沒有磨損 ,可以做到長壽命的動態(tài)密封.這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一.此外,在電子 計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤,在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵 密封.在精密儀器的轉(zhuǎn)動部分,如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空密封,大功率激光器件的 轉(zhuǎn)動部件,甚至機械人的活動部件亦采用磁性液體密封法.此外,單晶爐提拉部位、真空 加熱爐等有關(guān)部件的密封等,磁性液體是較為理想動態(tài)密封方式之一.新的潤滑劑.通常潤滑劑易損耗、易污染環(huán)境.磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10單位,因此,不會損壞軸承,而基液亦可用潤滑油,只要采用合適的磁場就可以將磁性潤滑 油約束在所需的部位.增進揚聲器功率.在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體,由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高 5~6倍,從而使得在相同條件下功率可以增加1倍.磁性液體的添加對頻響曲線的低頻部分影響較大,通常根據(jù)揚聲器的結(jié)構(gòu),選用合適 粘滯性的磁性液體,可使揚聲器具有較佳的頻響曲線.作阻尼器件.磁性液體具有一定的粘滯性,利用此特性可以阻尼掉不希望的系統(tǒng)中所 產(chǎn)生的振蕩模式.例如,步進電機是用來將電脈沖轉(zhuǎn)換為精確的機械運動,其特點是迅速 地被加速與減速,因此,常導(dǎo)致系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài).為了消除振蕩而變?yōu)槠交倪\動,僅需 將少量磁性液體注入磁極的間隙中,在磁場作用下磁性液體自然地定位于轉(zhuǎn)動部位.應(yīng)用比重不同進行礦物分離.磁性液體被磁化后相當(dāng)于增加磁壓力,以致在磁性液體 中的物體將會浮起,好像磁性液體的視在密度隨著磁場增加而增大.利用此原理可以設(shè)計 出磁性液體比重計,磁性液體對不同比重的物體進行比重分離,控制合適的磁場強度可以 使低于某密度值的物體上浮,高于此密度的物體下沉,原則上可以用于礦物分離.例如, 使高密度的金與低密度的砂石分離,亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離.磁性液體還有其他許多用途,如儀器儀表中的阻尼器、無聲快速的磁印刷、磁性液體 發(fā)電機、醫(yī)療中的造影劑等等,不再一一例舉,今后還可開拓出更多的用途.用作磁記錄材料.近年來各種信息量飛速增加,需要記錄的信息量也不斷增加,要求

記錄材料高性能化,特別是記錄高密度化.高記錄密度的記錄材料與超微粒有密切的關(guān)系.例如,要求每1cm2可記錄1000萬條以上信息,那么,一條信息要求被記錄在1~10mm2中, 至少具有300階段分層次的記錄,在1~10mm2中至少必須要有300個記錄單位.若以超微粒作 記錄單元,使記錄密度大大提高.磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu),矯頑力很高的特性,用它制作磁記錄材 料可以提高信噪比,改善圖像質(zhì)量.作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求 :顆粒的長度應(yīng)遠小于記錄波長;粒子的寬度(如可能,長度也包括在內(nèi))應(yīng)該遠小于記錄 深度;一個單位的記錄體積中,就盡可能有更多的磁性粒子.磁性納米微粒除了上述應(yīng)用外,還可作光快門、光調(diào)節(jié)器(改變外磁場,控制透光量)、激光磁艾滋病毒檢測儀等儀器儀表,抗癌藥物磁性載體,細胞磁分離介質(zhì)材料,復(fù)印機 墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等.3.納米微晶軟磁材料 非晶材料通常采用熔融

第二篇：前沿物理講座聽后感

前沿物理講座聽后感

——從歷史上三次產(chǎn)業(yè)革命看物理學(xué)與社會進步

（物理與機電工程學(xué)院 應(yīng)用物理）

前言：物理學(xué)是一門探究一切物質(zhì)的組成及其運動發(fā)展規(guī)律，同時揭示它們之間的聯(lián)系和各種物理運動之間的關(guān)系的博大精深的學(xué)問。物理學(xué)是研究物質(zhì)性質(zhì)、運動規(guī)律及其相互作用的學(xué)科。物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科．又是一門帶頭學(xué)科。物理學(xué)是古老的科學(xué)，又是一門不斷發(fā)展的科學(xué)。它向著研究物質(zhì)世界的深度和廣度進軍，探索著物質(zhì)世界及其運動的奧秘。物理學(xué)的進展密切關(guān)系著農(nóng)業(yè)、工業(yè)等的發(fā)展，也同人類文明的進步息息相關(guān)。物理學(xué)是技術(shù)革命的先尋，已經(jīng)為人類文明作出了巨大貢獻。從電話的發(fā)明到當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的實時通信，從蒸汽機車的制造成功到磁懸浮列車的投入運行，從晶體管的發(fā)明到高速計算機技術(shù)的成熟等等，這些無不體現(xiàn)著物理學(xué)對人類文明與社會進步的貢獻。

物理學(xué)對科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展起著最直接地推動作用，幾次工業(yè)革命便是最好的驗證。其都是由于物理學(xué)深刻地揭示了自然規(guī)律，構(gòu)成了認識自然、改造自然的巨大力量，為科技發(fā)展提供了方法和技能。物理學(xué)正是通過推動著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，進而推動社會文明不斷前進。近一個世紀以來，物理學(xué)又有了嶄新的進展，帶來相應(yīng)的新技術(shù)革命。

一、蒸汽機的發(fā)明和牛頓力學(xué)的建立，導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命

17世紀，牛頓完成了劃時代的偉大巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，其奠定了整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，并對其他自然科學(xué)的發(fā)展起了極大的推動作用。牛頓力學(xué)的建立使人類對自然界的認識跨進了劃時代的新世界。經(jīng)典物理學(xué)的思想方法、定量規(guī)律及實驗基礎(chǔ)，使科學(xué)技術(shù)的發(fā)展擺脫了當(dāng)時多少還帶有經(jīng)驗式的、工匠式的、思辨色彩的落后狀態(tài)，加快了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，為第一次工業(yè)革命大規(guī)模發(fā)明和使用機械打下了基礎(chǔ)。世紀中期的英國資產(chǎn)階級革命，推翻了英國的封建專制制度，建立了資產(chǎn)階級和土地貴族聯(lián)盟為基礎(chǔ)的君主立憲制度，從而成為世界上第一個確立資產(chǎn)階級政治統(tǒng)治的國家。資產(chǎn)階級利用國家政權(quán)加速推行發(fā)展資本主義的政策和措施。英國通過圈地運動，聚集了大量勞動力，同時也擴大了英國的國內(nèi)市場，以及多年的海外貿(mào)易和殖民擴張。但漸漸地，英國的資本主義生產(chǎn)大發(fā)展，采礦業(yè)，航海業(yè)甚至戰(zhàn)爭等的規(guī)模擴大都遇到了一定的困難。相同的是，它們都涉到動力機問題。從17世紀初已經(jīng)有很多人著手這方面的工作，但都沒取得重大進展。直到1698年，英國的賽維利（Thomas Savery,1650~1715）才研制成功實用的蒸汽水泵。1705年，英國的紐可門（Thomas Newcoman,1663~1729），發(fā)明了第一臺蒸汽推動活塞工作的抽水機。瓦特（James Watt,1736~1819）對蒸汽機的改革

取得了歷史性的突破。1765年，他把蒸汽的冷凝過程安排在汽缸外進行，實現(xiàn)了汽缸的恒溫。這是對原始蒸汽機的關(guān)鍵改革。蒸汽機的研制是以力學(xué)和熱學(xué)為基礎(chǔ)的。那時，對溫度計、量熱學(xué)（比熱、潛熱）、熱傳導(dǎo)及熱的本質(zhì)的研究等都取得了重大發(fā)展。瓦特在改革蒸汽機的過程中，就得到布萊克（J.Black,1728~1799）的理論指導(dǎo)。因此，科恩（M.H.Cohen）指出：“我們的制造廠不再被交給無知的工作者；相反，在他們中的大多數(shù)人中，有非常有知識的人，有受到良好教育的物理學(xué)家們，為了促進有用技藝的進步，我們必須指望他們”。

蒸汽機的歷史意義，無論怎樣夸大也不為過。它成功解決了工業(yè)化發(fā)展中的動力問題，成為大工業(yè)普遍應(yīng)用的發(fā)動機，它提供了治理和利用熱能、為機械供給推動力的手段，結(jié)束了人類對畜力、風(fēng)力和水力的由來已久的依賴。蒸汽機在火車機車和輪船上的應(yīng)用，不僅大幅提高了貨運速度和數(shù)量，降低了成本，更在時間、空間和商品化的概念上引起了一場革命，極大地擴大了世界貿(mào)易版圖。

蒸汽技術(shù)革命引起了社會的全面變革，帶來了社會生產(chǎn)力的極大飛躍，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，機械制造業(yè)和加工業(yè)取代了農(nóng)牧業(yè)而成為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中核心支柱產(chǎn)業(yè)。

牛頓力學(xué)和蒸汽機的發(fā)明，使人類進入了機械化時代。

二、電磁理論的發(fā)現(xiàn)和建立, 使人類進入了電氣化時代

第二次工業(yè)革命發(fā)生在十九世紀下半葉，它以電磁理論的建立和發(fā)展，電氣技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用為基礎(chǔ)，極大促進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，引起了社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的巨大變革。同時，電磁場理論的發(fā)展拓展了科學(xué)研究領(lǐng)域，帶動了一些新興學(xué)科和相關(guān)交叉學(xué)科的發(fā)展。

在第一次工業(yè)革命時期，許多技術(shù)發(fā)明都來源于工匠的實踐經(jīng)驗，科學(xué)和技術(shù)尚未真正結(jié)合。1870年以后，所有工業(yè)都受到科學(xué)的影響?？茖W(xué)與技術(shù)未能真正結(jié)合使得社會經(jīng)濟發(fā)展受到很大障礙，生產(chǎn)力的發(fā)著迫切要求科學(xué)與技術(shù)真正結(jié)合，要求自然科學(xué)突破性進展并迅速轉(zhuǎn)化為技術(shù)。

歷史上第一個對電磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究的是英國的吉爾伯特，但其研究停留于現(xiàn)象層面。此后一百多年，電和磁的研究非常緩慢。18 世紀，美國的富蘭克林證明了電的同一性，還定義了正負電荷，提出了電荷守恒定律。法國科學(xué)家?guī)靵鼋柚こ訉嶒灥玫搅遂o電作用的平方反比定律。1820年，丹麥的奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，首次得出了電磁統(tǒng)一的思想。不久，法國的安培提出了電流相互作用的安培定律，為電動力學(xué)的創(chuàng)立作了開創(chuàng)性的工作。后來，英國的法拉弟通過10年的努力，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并在實驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了重要的理論基礎(chǔ)和實驗基

礎(chǔ)。麥克斯韋于1873年建立了經(jīng)典電磁理論方程組——麥克斯韋方程組。其中，麥克斯韋提出了“渦旋電場”和“位移電流”假說，預(yù)言了電磁波的存在，算出了電磁波的傳播速度，從理論上證明了光是一種電磁波。電磁理論發(fā)展到了一個輝煌的時期。10年后，德國的赫茲在實驗室實現(xiàn)了電磁波的發(fā)送和接收規(guī)律，還證明了電磁波的一系列光學(xué)性質(zhì)，為麥克斯韋理論的確立給出了權(quán)威性的證明。這樣就實現(xiàn)了物理學(xué)的第三次大綜合即電、磁、光的綜合。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了電力工業(yè)最重要的基礎(chǔ)；對電磁波運動規(guī)律的研究也是電訊技術(shù)發(fā)展所不可缺少的。19世紀80年代，歐洲各國的物理學(xué)家相繼發(fā)明了交流發(fā)電機、變壓器、交流感應(yīng)電動機和輸電系統(tǒng)。這些研究和發(fā)明, 為建造大容量電機，獲得強大電力提供了技術(shù)上的可能性；實驗室里成功的技術(shù)開發(fā)，引發(fā)了電力技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致第二次工業(yè)革命。在電力革命的過程中，電磁場理論規(guī)定著革命的方向，指導(dǎo)著電力系統(tǒng)技術(shù)體系的建立。事實再一次證實了科學(xué)包括物理學(xué)對生產(chǎn)力發(fā)展的先導(dǎo)作用?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，各種新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮，并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，大大促進了經(jīng)濟的發(fā)展。第二次工業(yè)革命以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點，把人類帶入了電氣時代。生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展改變著社會結(jié)構(gòu)和世界形勢，資產(chǎn)階級掌握了先進的生產(chǎn)力，實力日益壯大，開始確立對世界的統(tǒng)治。企業(yè)的規(guī)模也越來越大，生產(chǎn)和資本的集中促成了壟斷組織的形成。

事實再一次證實了科學(xué)包括物理學(xué)對生產(chǎn)力發(fā)展的先導(dǎo)作用。

三、量子理論與信息技術(shù)革命

信息革命始于20世紀40年代，以計算機問世為標志，目前方興未艾。從1904年發(fā)明二極管起，到1946年世界上第一臺電子管計算機研制成功止，是信息技術(shù)史上的“電子管時期”。1947年隨著半導(dǎo)體晶體管問世，信息技術(shù)史進入了“晶體管時期”。此后，集成電路的發(fā)明，打破了電路與元件分離的傳統(tǒng)觀念，使電子設(shè)備微形化。經(jīng)過大規(guī)模集成電路階段后，超大規(guī)模集成電路又在迅猛發(fā)展。而計算機就是由這些物理元件組成的信息處理工具。

電子和信息技術(shù)具有物理基礎(chǔ)。首先是1925年~1926年量子力學(xué)的建立。1926年費米—狄拉克統(tǒng)計法的提出，得知固體中的電子服從泡利原理。1927年Bloch理論的建立，得知理想晶格中無電子散射。1928年Sommerfeld提出能帶的猜想。1929年P(guān)eiels提出禁帶、空穴的猜想；Wlson和Bloch從理論上解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的性質(zhì)和區(qū)別；Mott和Jones用電子轟擊、X射線發(fā)射和吸收等方法驗證了能帶理論；Bethe提出費米面的概念；Landau提出費米面可測量。1947年Bardeen，Shockley，Brattain發(fā)明晶體管。1957年P(guān)ippard測量了第一個費米面(銅的)；而后，劍橋?qū)W派建立費米面編目。1962年制成集成

電路（IC）。70年代中后期，制成大規(guī)模集成電路（LIC）；制成超大規(guī)模集成電路（VLIC）；集成度以每10年一千倍的速度增長;巨型機的向量運算超過每秒億次；微機進入家庭。80年代以后智能計算機、光學(xué)計算機和量子計算機的研制取得一定成果，巨型機的運算速度已達數(shù)萬億次；網(wǎng)絡(luò)時代隨即到來，新物理技術(shù)，如光纖的應(yīng)用，掀起了信息技術(shù)革命的又一次高潮。

第三次工業(yè)科技革命是人類文明史上繼蒸汽技術(shù)革命和電力技術(shù)革命之后科技領(lǐng)域里的又一次重大飛躍。它以原子能、電子計算機和空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用為主要標志，涉及信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一場信息控制技術(shù)革命。這次科技革命不僅極大地推動了人類社會經(jīng)濟、政治、文化領(lǐng)域的變革，而且也影響了人類生活方式和思維方式，使人類社會生活和人的現(xiàn)代化向更高境界發(fā)展。正是從這個意義上講，第三次科技革命是迄今為止人類歷史上規(guī)模最大、影響最為深遠的一次科技革命，是人類文明史上不容忽視的一個重大事件。

四、總結(jié)

歷史上的三次產(chǎn)業(yè)革命使得我們整個世界發(fā)生了翻天覆地的變化，社會進步，生活方便，經(jīng)濟騰飛，政治完善等等，都是它的碩果，這三次產(chǎn)業(yè)革命所帶來的影響是不可估量的。

當(dāng)今時代，物理學(xué)前沿領(lǐng)域的重大成就又將會引領(lǐng)著人類文明進入一片新天地，物理學(xué)的不斷進步必將對社會的發(fā)展和人類生活的改善產(chǎn)生不可估量的影響。

致謝：由衷的謝謝老師對我們的細心授課，讓我們獲益良多！

第三篇：觀物理前沿講座有感

觀物理前沿講座有感

到了大四了，他家都在忙碌的準備考研或者準備找工作的同時，學(xué)院的老師連續(xù)幾周為我們開了物理前沿專題講座的報告，以及后來我自己又在網(wǎng)上看了一些關(guān)于物理前沿的視頻報告。老師們繪聲繪色的給我們講解了從古至今物理學(xué)家們對粒子和宇宙的探尋的發(fā)展過程，介紹了未來物理界即將探尋的問題，闡述了基礎(chǔ)研究的重要性和急需得到國家政府支持的原因。從這些課程中，我感慨萬千、受益匪淺。

從古至今，科學(xué)家們一直致力于研究尋找宇宙中最基本的粒子，和尋找反物質(zhì)粒子組成的宇宙。

由經(jīng)典物理帶來了蒸汽機、照相術(shù)、電子工程、收音機、電視、飛機，原子物理和量子物理引發(fā)了新材料，半導(dǎo)體和超導(dǎo)體、晶體管及其激光、計算機等，以及同位素技術(shù)和核能的應(yīng)用。

我們經(jīng)常聽到這樣的問題：你這個基礎(chǔ)研究有什么用？如果我們回答沒有，下一個問題就是：能得諾貝爾獎嗎？如果回答還是否定的，下一個問題就是：既沒有實際用途，又不能得諾貝爾獎，這個基礎(chǔ)研究有什么用？

這種急功近利的思想實際上普遍存在于各級領(lǐng)導(dǎo)、平民百姓、知識分子、科研管理人員甚至一些科學(xué)家的心里，雖然有時候他們不一定說出來。

我們也經(jīng)常聽到一種說法，科學(xué)家不能只在象牙塔內(nèi)自由探索，要與國家與社會需求相結(jié)合，為什么什么作貢獻。

這種要求自然有其合理成分，但如果大家都這么做，就顯然有問題。這句話還隱含兩層對基礎(chǔ)研究的誤解：其一，基礎(chǔ)科學(xué)研究就是自由探索；其二，有實際用途的科研才是國家需求，基礎(chǔ)科學(xué)不是。

什么是基礎(chǔ)科學(xué)研究？其目的到底是什么？如果不咬文嚼字，用我自己的話來講，那就是發(fā)現(xiàn)與研究自然界的各種基本規(guī)律、收集相關(guān)知識、建立完整知識體系的（學(xué)術(shù)）活動。其目的很簡單，就是更好地了解自然、理解自然，最終使人類能利用自然。從這個意義上說，基礎(chǔ)科學(xué)研究本身就是最大的國家需求。

試想，一個大國，且不說有創(chuàng)造性的貢獻，如果不能全盤掌握人類已知的所有知識及其體系，這個國家能有前途與未來嗎？帶過學(xué)生的都知道，要讓學(xué)生掌握前沿知識、方法，必須讓他做一項科研，題目本身有時并不重要，過程更重要。

基礎(chǔ)研究有時也這樣，有些研究聽起來匪夷所思，但實際上科學(xué)家通過該過程走在本學(xué)科的前沿。說不定哪一天，國家就會大大需要。

每個學(xué)科都有其自身的規(guī)律、目標、方法、傳統(tǒng)等等，外界不應(yīng)懷疑與干預(yù)，要把選題的自由留給科學(xué)家自己，不能因選題似乎無稽而否定基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要。

國家對基礎(chǔ)科學(xué)研究的目標應(yīng)該是全面發(fā)展，建立完整的學(xué)科體系。各學(xué)科的目標是達到本學(xué)科的國際最好水平。因此，基礎(chǔ)研究既有科學(xué)家個人的自由探索，也可以是有組織、有計劃、有目的、有規(guī)劃的活動。以此衡量，學(xué)科建設(shè)與學(xué)術(shù)能力是基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的指標。

對于下一個世紀的挑戰(zhàn)，正負的決定在這一過程中是重要的

一個國家在基礎(chǔ)科學(xué)方面的投資在國民經(jīng)濟總產(chǎn)值所占的比例是一個國家致力這個方面努力的一個標志，如果沒有基礎(chǔ)研究和教育方面的投資，發(fā)展經(jīng)濟適用主義途徑不可能長期維持下去，基礎(chǔ)研究的原始動力是人類的好奇心，人們渴求學(xué)習(xí)新事物和了解自然現(xiàn)象。

基礎(chǔ)研究是新技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的原動力，因此，基礎(chǔ)研究應(yīng)該得到支持。從國家需求來說，我們的基礎(chǔ)科學(xué)研究必須學(xué)科完整，全面均衡發(fā)展，缺一不可。不可因一時的興旺而不顧一切地支持，也不可因一時的不時髦而不予支持，或任其自生自滅。重點只能是短期的，全面才是永久的。

在在很多老師的演講中，我了解到了從古至今物理學(xué)的飛速發(fā)展所取得的驚人成就，也對物理科學(xué)家所從事的物理工作和物理界致力于研究的學(xué)術(shù)問題有了一定的了解，并且深刻的了解到國家發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)的重要性，并希望通過我們現(xiàn)在大學(xué)生的倡導(dǎo)和學(xué)習(xí)為此做出一些努力！

第四篇：物理前沿討論課感想

物理前沿討論課小感想薛燕博 200911141966

（一）有趣的物理學(xué)

物理前沿討論課第一課上，馮世平老師向大家展示了一個妙趣橫生的物理學(xué)，例如隱身技術(shù)、超導(dǎo)材料、磁懸浮列車等等。和大家探討了物理學(xué)在日常生活和科技前沿方面的廣泛應(yīng)用與巨大潛力。這堂課確實給人很深的觸動。

記得在初二剛接觸物理這門學(xué)科的時候，就覺得這門學(xué)科充滿了樂趣，它和生活的聯(lián)系是如此之緊密，課本上學(xué)的知識都是我們?nèi)粘Ｉ钪惺殖Ｒ姷臇|西和現(xiàn)象，不同的是我們通過物理課堂知道了其中的一些原理并可以用所學(xué)的東西解釋生活中的現(xiàn)象，這讓人覺得十分興奮，更有好多簡單有趣的物理實驗，讓我們通過自己動手掌握知識?？梢哉f初中的物理課是我最愛學(xué)習(xí)的一門課。

到了高中，隨著物理學(xué)習(xí)的深入，已經(jīng)不再是一些簡單的感性的對物理現(xiàn)象的認知了，有了很多理論上的計算與推導(dǎo)，不過這反而讓人覺得更有收獲，能將很多東西定量的計算出來，讓人感受到了物理理論的博大精深，在學(xué)習(xí)過程中也能充分體驗到理性思維的魅力?？傊畬ξ锢淼呐d趣始終不減，也正是因此，在選擇大學(xué)專業(yè)的時候，我毫不猶豫的選擇了物理學(xué)專業(yè)，想繼續(xù)更深入的了解物理知識，也有志于終身和物理打交道。

初到大學(xué)，依舊對即將到來的物理學(xué)習(xí)充滿了期待。不過接下來的的幾周課程，卻給了我當(dāng)頭一棒，物理學(xué)似乎沒有以前的那樣有趣了，最大的問題是運算特別繁瑣，同樣的一個問題，大學(xué)好像是把簡單的東西弄的更復(fù)雜了（后來知道實際上是更具普遍性了），尤其是在沒有高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的情況下，算那些物理問題更是無從下手。第一學(xué)期下來，幾乎有點渾渾噩噩，似乎也沒閑著，但有點麻木了，對物理更是談不上什么興趣。第二學(xué)期，開了一門普物實驗課，可和中學(xué)的那種近乎是娛樂活動的實驗課大不相同了，實驗操作復(fù)雜不說，數(shù)據(jù)處理更是一個極大地挑戰(zhàn)。似乎我長久來對物理興趣在不到一年的時間里已經(jīng)消耗殆盡了。

還好這學(xué)期的前沿討論課確實給我了很多觸動，通過老師們對物理前沿的介紹讓人覺得眼前忽然明亮起來，不再是那么茫茫不知所措。雖然老師講的大多數(shù)東西我們都還難以理解很深，但透過老師的講解我們看到了物理的前景與其中的樂趣。那些物理推導(dǎo)計算或許繁瑣，但正是因為那些繁瑣的計算之后往往能得出驚人的發(fā)現(xiàn)，那些式子可能蘊藏著或許可以改變世界的偉大能量。從研究宇宙的起源，到解決人類所面臨的資源環(huán)境問題，物理工作者的身影無處不在，他們所關(guān)心的并不是一個個公式與實驗，而是在尋求人類從哪來又到哪去的終極答案。這樣看來，我們所學(xué)習(xí)的物理學(xué)是那樣的有意義。

馮老師的講座，也讓人明白了物理發(fā)現(xiàn)并不是科學(xué)家的專利。只要你留心生活，熱愛思考，指不定也能做出自己的貢獻。就想坦桑尼亞的中學(xué)三年級學(xué)生盤姆巴發(fā)現(xiàn)熱水比冷水結(jié)冰更快，最終這個效應(yīng)被命名為盤姆巴效應(yīng)。

在將近一年的學(xué)習(xí)中，我似乎又能漸漸地找回差點失去的對物理學(xué)的興趣了。而此刻自己對物理的理解也不在單純的停留在有趣好玩的層面上，學(xué)好物理更是一種責(zé)任，既然選擇了這個領(lǐng)域，就該當(dāng)一直努力下去。

（二）初識相對論

愛因斯坦的相對論可謂家喻戶曉，我也在很小的時候就聽過愛因斯坦其人其事，可真正接觸相對論理論卻是在上大學(xué)以后《力學(xué)》課里的。

初次學(xué)習(xí)相對論，確實給人極大地沖擊，覺得自己所熟悉的時空觀被徹底的顛覆了，從中學(xué)就知道空間具有相對性，相對論告訴我們時間也是相對的，也就是說在一處觀察同時發(fā)生的一件事在另一處觀察就可能不是同時發(fā)生的了。這確實讓人覺得難以置信，但透過洛倫茲變換的推導(dǎo)，我們知道了這卻是無可爭辯的事實。所以在那段時間人總是心存疑惑，但一時半會又難以想的很明白，只是在按書上的結(jié)論做一些計算而已。不過相對論深邃的內(nèi)涵還是時刻吸引著我，我覺得隨著時間的推移與學(xué)習(xí)的深入，這個問題總有一天能理解的更到位的。

這學(xué)期的前沿課上，劉文彪老師和馬永革老師都向我們介紹了相對論的有關(guān)知識。馬老師比較系統(tǒng)的介紹了相對論的發(fā)展過程，我覺得通過了解前人走過的探尋足跡，我對相對論的理解又加深了一步，最起碼覺得它不再那么神秘莫測，而是一個甚至堪稱明顯的事實。

相對論從無到有確實經(jīng)歷了一個漫長的過程。牛頓力學(xué)的建立為物理學(xué)科的發(fā)展做出了劃時代的貢獻，甚至改變了人們長久來對自然的認識，從此人們知道了自然界中的現(xiàn)象都是有規(guī)律支配著的（而不是上帝），而人們是可以探知期中的規(guī)律的。牛頓力學(xué)最基本的運動規(guī)律都是建立在絕對空間和絕對時間基礎(chǔ)上的，也就是說兩個事件發(fā)生的時間間隔與測量時間所用的鐘的運動狀態(tài)沒有關(guān)系，兩點的空間距離與測量距離所用的尺的運動狀態(tài)無關(guān)。這種觀點和我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗十分相符，似乎是沒有什么課疑問的?？墒堑搅耸攀兰o末隨著電磁理論的發(fā)展，人們就發(fā)現(xiàn)了其中所存在某些矛盾，電磁波是以光速傳播的，但那是相對與什么而言呢？為了解釋這個事實，科學(xué)家們試圖引入“以太”的概念，認為空間中存在靜止的“以太”，電磁波在“以太”中傳播，通過光行差實驗科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“以太”是相對于太陽靜止的，可是邁克爾遜莫雷的實驗又與此結(jié)論矛盾。相對性原理的提出，又和通過實驗所驗證的光速不變性產(chǎn)生了不可調(diào)和的矛盾。在二十世紀初，整個物理學(xué)陷入了巨大的矛盾之中，也預(yù)示著大變革即將到來。經(jīng)過反復(fù)的推理之后愛因斯坦創(chuàng)造性的提出了狹義相對，他覺得要使相對性原理和光速不變性得以共存，就必須摒棄經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀，一旦拋開這個人們多年來相信不疑的觀念，一切就變得明了起來，時間不是絕對的了，物理學(xué)的新時代宣告來臨。廣義相對論也在隨后被愛因斯坦提出，二十世紀中期，愛因斯坦的相對論原理也接收住了時間的考驗。

雖然我們當(dāng)今的物理學(xué)已經(jīng)取得了巨大的成就，但科學(xué)家也不得不面對一個事實，就是當(dāng)今已經(jīng)比較成熟且經(jīng)過實踐驗證的兩大理論——廣義相對論和量子力學(xué)存在著難以調(diào)和得矛盾，而人們始終相信這個世界時受一個終極理論所約束的，這個理論可以解決自然界中的所有問題，也就是說這兩個理論至少有一個是不完善甚至是錯誤的，如何尋找一個統(tǒng)一的理論，正是物理界當(dāng)今乃至以后相當(dāng)長一段時間的努力方向。

（三）前景廣闊的超導(dǎo)材料

中科院物理所的靳常青老師給我們介紹了現(xiàn)在超導(dǎo)材料的研究進展。通過這節(jié)課，我們知道了高溫超導(dǎo)的廣闊前景。

自從1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，超導(dǎo)以其神奇的物理特性，例如零電阻、抗磁性等就吸引著無數(shù)物理工作者的目光。因為如果有一天人們能找到在室溫下呈現(xiàn)超導(dǎo)特性的物質(zhì)，毫無疑問，將會對這個社會產(chǎn)生革命性地影響。想想現(xiàn)在那些因為電力傳輸而損耗掉的電能，那些發(fā)熱的發(fā)動機，還有此時手中滾燙的筆記本，很容易想起如果高溫超導(dǎo)在生活中得以應(yīng)用，對我們來說意味著什么。這也只是超導(dǎo)一個性能的應(yīng)用，超導(dǎo)的抗磁性在磁懸浮列車上面更是十分有價值。利用超導(dǎo)的磁懸浮列車不僅節(jié)約能源，甚至不用擔(dān)心列車會滑出軌道，依靠磁性就可以將列車懸浮并束縛于軌道之上。我曾在物理樓演示實驗室觀看過超導(dǎo)小火車的演示實驗，在液氮的冷卻下火車呈現(xiàn)出超導(dǎo)特性，只需輕輕一推，火車便可以在圓形軌道上平穩(wěn)運行很長時間，如果有一天這種技術(shù)能 運用在我們?nèi)粘５慕煌ㄖ?，人們一定會為他的高效?jié)能，舒適平穩(wěn)而驚異。

超導(dǎo)材料雖然具有這么廣闊的應(yīng)用前景，但尋找超導(dǎo)材料卻不是一件容易的事。超導(dǎo)材料的研究從1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)到1986年75年期間，超導(dǎo)材料的臨界溫度才從4.22k提高到23.2k。1986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標的“超導(dǎo)熱”。全世界有260多個實驗小組參加了這場競賽。很快，超導(dǎo)溫度被提高到了100K以上。這對超導(dǎo)的研究來說是個跨越式的進步，因為只要超導(dǎo)溫度超過77K，在實驗室就可以用液氮來作為冷卻材料，比起之前的液氫，實驗成本大為降低，這也在很大程度上推動了超導(dǎo)的研究工作。

超導(dǎo)材料的研究過程也給了我們很大的啟示。在1986年以前，人們總是習(xí)慣性的在導(dǎo)體中尋找高溫超導(dǎo)材料，認為只有導(dǎo)體在溫度降低到一定程度時才會體現(xiàn)出超導(dǎo)特性?？墒沁@種思路卻使人們在75年間僅僅將超導(dǎo)溫度提高了19K，直到1986年有人發(fā)現(xiàn)金屬氧化物在更高的溫度下可以呈現(xiàn)超導(dǎo)特性才極大地開闊了人們的視野，在這種思路的指引下人們很快在超導(dǎo)研究方面取得了突破式的成果。這就說明在搞科學(xué)研究時要能盡量擺脫一些直觀感受的影響，敢于掙脫已有知識的束縛，才能取得創(chuàng)造性的成就。

翻開人類的近代文明史，幾乎每一項重要的物理學(xué)進步都會帶來人類社會的一場變革。牛頓力學(xué)的建立解放了人們的思維，帶動了一系列的科技進步，從而引發(fā)了工業(yè)革命，使人類進入蒸汽時代；電磁理論的建立使人類步入了更加高效的電氣時代；微電子技術(shù)的進步是人類進入了信息時代??我們有理由相信，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也有這樣的潛力改變我們這個時代！

（四）隱身技術(shù)遐想

馮世平老師教和張向東老師在做前沿講座的時候都提到過一個很吸引眼球的課題，那就是隱身技術(shù)。人類的科技水平發(fā)展到現(xiàn)在這個階段，幾乎實現(xiàn)了人類在古代所有的幻想，比如登月，千里眼，順風(fēng)耳等等，可人類早就幻想的隱身能力，卻還沒有一個成熟的技術(shù)使其成為現(xiàn)實。

《西游記》里的孫悟空就具有隱身的能力，闖入妖怪洞府時，他可以使自己隱身起來，就像空氣一樣，完全不被人所察覺；美國科幻電影《透明人》也幻想了一種可以使人完全隱身藥劑，注射體內(nèi)后就可以使人完全“消失”不見；各種各樣的電腦游戲里也為主人公加上了隱身能力。這些現(xiàn)象都體現(xiàn)了長久以來對隱身技術(shù)的追求與興趣。

當(dāng)今的隱身技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，例如在軍事方面大家耳熟能詳?shù)腇-22隱形戰(zhàn)斗機、B-2隱形轟炸機等都采用了隱身技術(shù)，不過這些隱身技術(shù)并不是可以使一個真真切切的物體徹底隱身不可見，而只能使這個物體難以被雷達所探測到，在雷達屏幕上“隱身”，所以又叫“低可探測技術(shù)”。不過就是這種不是真正意義上的隱身技術(shù)，就能夠使其擁有者在軍事上取得巨大的技術(shù)優(yōu)勢，如果有朝一日真能實現(xiàn)完全隱身，那樣的軍事技術(shù)真不知道對人類意味著什么。咱們暫且不論隱身技術(shù)在軍事上的應(yīng)用可能給人類帶來的麻煩，就從人類與生俱來的好奇心來說，對隱身的追求是不可能停止的，何況這種技術(shù)對人類來說也未必是弊大于利。

現(xiàn)在的隱身技術(shù)雖然無法在可見光的波段實現(xiàn)隱身，即對我們的肉眼隱身，但對未來隱身技術(shù)的發(fā)展，卻給明了前進的方向。例如隱形戰(zhàn)機就是利用其雷達發(fā)射面積小，且表面涂層可以吸收電磁波，從而減少雷達接受的反射波達到隱身的目的。同理，要實現(xiàn)真正意義上的隱身，就要消除自然光照射到物體表面反射進入人眼的光線，而達到這一代點絕非易事。

張向東老師向我們介紹的光子晶體就顯示了在隱身技術(shù)方面所具有的潛力。利用光子晶體的負折射現(xiàn)象，可以使光線發(fā)生特殊的折射，如果將該種材料用在物體表面，就可以使照射的物表面的光線由于折射而繞過物體繼續(xù)向前傳播，這樣人眼就無法察覺到物體的存在，不過現(xiàn)在的技術(shù)還只能在非可見光的波長范圍內(nèi)應(yīng)用，要在可見光的范圍內(nèi)使用才能達到真正的隱身。

這還只是研究隱身技術(shù)所面臨的一個難題，還有一個巨大的問題是如果要制作隱身衣的話很難解決的。因為光路是可逆的，當(dāng)光線繞過人傳播時，處在隱身衣內(nèi)部的人也就接收不到任何光線，這就是說身著隱身衣的人不但別人看不見他，他也同樣看不見別人。除非把人的眼睛留出來，不過這樣的話當(dāng)人身著隱身衣的時候，就會被看見兩個眼睛懸浮在空中，這樣就有十分點恐怖了。

人們對隱身衣的研究很大程度上是受好奇心所驅(qū)使的，這也再次證明了好奇心對科學(xué)研究的重要性。相信在不遠的將來，隱身衣就會被研發(fā)出來，至于是福是禍，就到時候再說吧，總之這不能成為我們停止探索的理由。

關(guān)于物理教學(xué)所見所感

前沿課上，郭玉英老師和李春密老師都講到了物理教學(xué)的有關(guān)問題，這對于我們師范生來說，確實有很多問題值得我們思考。

在這個應(yīng)試教育早已被廣為詬病的時代，似乎批評者也并不能拿出一個能夠替代應(yīng)試教育的實際可行的教育模式，所以可以想見在未來很長一段時間內(nèi)應(yīng)試教育還將作為教育的主要形式而存在。但這是不是意味著我們的物理教學(xué)就止步不前呢？我想答案是否定的。

先說說我自身對現(xiàn)在物理教學(xué)的體會。進入大學(xué)，我接了一份初二的物理家教，在教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)了很多現(xiàn)在教育方式存在的嚴重問題。在北京這樣一個中國的文化中心，海淀又作為一個教育非常強勢的地區(qū)而聞名全國，但就是在這樣一個地區(qū)，應(yīng)試教育的弊端反而體現(xiàn)的淋漓盡致。作為一個剛剛接觸物理的初二學(xué)生，本應(yīng)是感受物理學(xué)科的魅力的最佳階段，如果這個時候老師能給學(xué)生呈現(xiàn)一個精彩的物理世界，在加上孩子們與生俱來的好奇心，毫無疑問會對學(xué)生未來整個的物理學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。但遺憾的是一接觸到物理，他們最直接的感受是又有一門課開始了鋪天蓋地的發(fā)卷子了。學(xué)生完全沉浸在做題當(dāng)中不能自拔，為什么學(xué)生對做題這么熱衷呢，不光因為現(xiàn)在學(xué)生壓力大，自覺性高，還因為每逢大小考試，老師都會在某些場合透露說：“同學(xué)們，這次考試大家把某某某幾份卷子弄會，就八九十分了！”這樣學(xué)生們肯定充滿激情的去做那幾份卷子，老師也沒說謊，題果真是從那幾份卷子里出的，當(dāng)學(xué)生們嘗到甜頭以后，這種現(xiàn)象就愈演愈烈了。

當(dāng)我和學(xué)生交流的時候，明顯發(fā)現(xiàn)他們的思維確實存在很大的問題，對物理的理解不夠深入，只是會做一些題，而且還喜歡照背已做過的原題，一旦遇到?jīng)]做過的，便束手無策了。我不知道這和咱們的物理教學(xué)的初衷差了多遠了。咱們物理教學(xué)的目的是讓學(xué)生理解物理的本質(zhì)性東西，更好的理解這個世界，可現(xiàn)在似乎就是為了做題得分而已了。

沒錯，在應(yīng)試教育的大背景下這種教育模式是有生命力的，因為它似乎能夠提高學(xué)生的考試成績，但實際上是在扼殺學(xué)生的思維能力，榨干學(xué)生的潛能。其實如果我們改變教學(xué)方式，增強一下學(xué)生對物理概念的理解，減少一定的作業(yè)量就一定會導(dǎo)致學(xué)生考試成績下降嗎？我覺得也不盡然。

物理這門學(xué)科對學(xué)生的思維要求很高，光憑記憶是記不住的，只有正確理解物理規(guī)律的本質(zhì)，才能觸類旁通，舉一反三。我們在實際中會發(fā)現(xiàn)，真正物理學(xué)的好的學(xué)生并不是酷愛做題的學(xué)生，一定是那些善于思考，理解問題本質(zhì)的同學(xué)。所以在物理教學(xué)中要做出思維誤區(qū)，認為多做題就能提高學(xué)生的成績，這是錯誤的，因為會做題并不代表學(xué)生理解物理知識，但反過來能理解物理知識卻一定能夠把題做得很好。

不可否認，這樣做并不是物理老師的初衷，但面對激烈的競爭，這也只是無奈之舉。但也應(yīng)該看到。如果物理老師這樣做也是一種不負責(zé)任的行為，省去了自己苦思冥去設(shè)計一堂堂生動有趣的物理課的過程，而將提高學(xué)生成績的任務(wù)強加給學(xué)生，讓學(xué)生陷入題海之中，摧殘著一個個幼小的身心。如果面對質(zhì)疑，就滿臉無奈，將責(zé)任都推給“萬惡的應(yīng)試教育”，逃避責(zé)任。

強調(diào)理解的物理課堂和應(yīng)試教育其實并不矛盾，真正理解物理知識的同學(xué)做題自然不會有什么障礙，但要達到讓大多數(shù)同學(xué)都理解知識，對教師卻要求很高，需要付出巨大的心血與努力。作為未來教育事業(yè)的接班人，我們要有更高的責(zé)任心與使命感，改變當(dāng)前物理教育的現(xiàn)狀，讓物理不再成為很多學(xué)生心中永遠的痛。

第五篇：前沿講座

計算機視覺學(xué)科前沿知識

計算機視覺就是用計算機來模擬人的視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)人的視覺功能，通常是指用攝像機和計算機代替人眼對目標進行識別、跟蹤和測量等，從而實現(xiàn)對客觀的三維世界的識別。人與其他動物一樣，視覺、聽覺、觸覺等感官功能的產(chǎn)生，首先在于進化過程中生存的需要。根據(jù)美國心理學(xué)家Gibson的理論，人的視覺不管有多少用處，但主要功能可概括為適應(yīng)外界環(huán)境和控制自身的運動?？吹狡嚊_過來，你會趕快回避；看到前面有激流，你不會冒然趟過去?！斑m應(yīng)外界環(huán)境和控制自身的運動”還是比較抽象的概念。事實上，為了適應(yīng)外界環(huán)境和控制自身的運動，視覺系統(tǒng)需要能識別物體（可想而知，一個人連親戚、同事、朋友都不認識，會怎樣生活），能判斷物體的運動以及確定物體的形狀和方位（否則，無法抓取物體）。所以，物體識別、物體定位、物體三維形狀恢復(fù)和運動分析，就構(gòu)成了計算機視覺的主要研究內(nèi)容。

隨著自動化水平不斷的提高，機器視覺在自動化行業(yè)中應(yīng)用也是越來越多，而機器視覺在我國可以說處于剛起步發(fā)展階段，機器人視覺是一門新興的發(fā)展迅速的學(xué)科，八十年代以來, 機器人視覺的研究已經(jīng)歷了從實險室走向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡單的二值圖象處理到高分辨率多灰度的圖象處理,從一般的二維信息處理到三維視覺機理以及模型和算法的研究都取得了很大的進展。而計算機工業(yè)水平的飛速提高以及人工智能、并行處理和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的發(fā)展,更促進了機器人視覺系統(tǒng)的實用化和涉足許多復(fù)雜視覺過程的研究。

目前，機器人視覺系統(tǒng)正在廣泛地應(yīng)用于視覺檢測、機器人的視覺引導(dǎo)和自動化裝配領(lǐng)域中。在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)之中，視覺檢測往往是不可缺少的環(huán)節(jié)。比如，汽車零件的外觀，藥品包裝的正誤，IC字符印刷的質(zhì)量，電路板焊接的好壞等等，都需要眾多的檢測工人，通過肉眼或結(jié)合顯微鏡進行觀測檢驗。大量的人工檢測不僅影響工廠效率，而且?guī)聿豢煽康囊蛩兀苯佑绊懏a(chǎn)品質(zhì)量與成本。另外，許多檢測的工序不僅僅要求外觀的檢測，同時需要準確獲取檢測數(shù)據(jù)，比如零件的寬度，圓孔的直徑，以及基準點的坐標等等，這些工作則是很難靠人眼快速完成。近年來發(fā)展迅猛的機器視覺技術(shù)解決了這一問題。機器視覺系統(tǒng)一般采用CCD照相機攝取檢測圖象并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用先進的計算機硬件與軟件技術(shù)對圖象數(shù)字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標圖象特征值，并由此實現(xiàn)模式識別，坐標計算，灰度分布圖等多種功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機構(gòu)完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺具有精確，快速，可靠，和易數(shù)字化等優(yōu)點。

機器視覺系統(tǒng)的輸入裝置可以是攝像機、轉(zhuǎn)鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計算機的就是三維管觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機器視覺系統(tǒng)所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。機器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。將近80%的工業(yè)視覺系統(tǒng)主要用在檢測方面，包括用于提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量、采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。產(chǎn)品的分類和選擇也集成于檢測功能中。例如生產(chǎn)線上的單攝像機視覺系統(tǒng)，它的視覺系統(tǒng)用來檢測生產(chǎn)線上的產(chǎn)品，決定產(chǎn)品是否符合質(zhì)量要求，并根據(jù)結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸入上位機。圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機等；圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng)；輸出設(shè)備是與制造過程相連的有關(guān)系統(tǒng)，包括過程控制器和報警裝置等。數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，進行分析和產(chǎn)品控制，若發(fā)現(xiàn)不合格品，則報警器告警，并將其排除出生產(chǎn)線。機器視覺的結(jié)果是CAQ系統(tǒng)的質(zhì)量信息來源，也可以和CIMS其它系統(tǒng)集成。

由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。過去，許多工業(yè)用的機器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。但是不可見光不利于檢測系統(tǒng)的操作，且價格較高，所以，目前在實際應(yīng)用中，仍多用可見光作為光源。

機器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。圖像的增強用于調(diào)整圖像的對比度，突出圖像中的重要細節(jié)，改善視覺質(zhì)量。通常采用灰度直方圖修改技術(shù)進行圖像增強。圖像的灰度直方圖是表示一幅圖像灰度分布情況的統(tǒng)計特性圖表，與對比度緊密相連。圖像的數(shù)據(jù)編碼和傳輸，數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量是相當(dāng)龐大的，一幅512*512個像素的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量為256 K字節(jié)，若假設(shè)每秒傳輸25幀圖像，則傳輸?shù)男诺浪俾蕿?2.4M比特/秒。高信道速率意味著高投資，也意味著普及難度的增加。因此，傳輸過程中，對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮顯得非常重要，數(shù)據(jù)的壓縮主要通過圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮完成。圖像邊緣銳化處理主要是加強圖像中的輪廓邊緣和細節(jié)，形成完整的物體邊界，達到將物體從圖像中分離出來或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。圖像分割是將圖像分成若干部分，每一部分對應(yīng)于某一物體表面，在進行分割時，每一部分的灰度或紋理符合某一種均勻測度度量。圖像的識別過程實際上可以看作是一個標記過程，即利用識別算法來辨別景物中已分割好的各個物體，給這些物體賦予特定的標記，它是機器視覺系統(tǒng)必須完成的一個任務(wù)。

在本世紀四、五十年代發(fā)展起來的線性濾波器以其完善的理論基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)處理方便，易于采用FFT和硬件實現(xiàn)等優(yōu)點，一直在圖像濾波領(lǐng)域占有重要地位，其中以WIENER濾波器理論和卡爾曼濾波理論為代表。但是線性濾波器存在著計算復(fù)雜度高，不便于實時處理等缺點。雖然它對高斯噪聲有良好的平滑作用，但對脈沖信號干擾和其它形式的噪聲干擾抑制效果差，信號邊緣模糊。為此，1971年，著名學(xué)者TUKEY提出非線笥濾波器——中值濾波器，即把局部區(qū)域中灰度的中值作為輸出灰度，并將其與統(tǒng)計學(xué)理論結(jié)合起來，使用迭代方法，比較理想地將圖像從噪聲中恢復(fù)出來，并且能保護圖像的輪廓邊界，不使其變模糊。近年來，非線性濾波理論在機器視覺、醫(yī)學(xué)成像、語音處理等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，同時，也反過來促使該理論的研究向縱深方向發(fā)展。