關(guān)于物理學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué)第1頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代新技術(shù)中，最具基礎(chǔ)性的有新能源技術(shù)、新材料、激光、生物技術(shù)等?？茖W(xué)技術(shù)是推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展、創(chuàng)造更多更好的產(chǎn)品、提高人類物質(zhì)文化生活的第一要素。

物理學(xué)研究的對(duì)象是自然界的普遍現(xiàn)象，因此物理學(xué)得到的認(rèn)識(shí)是其它學(xué)科的基礎(chǔ)。本章將介紹物理學(xué)在與之最貼近的科技領(lǐng)域中起的作用，介紹二十世紀(jì)的最新成果都建立在相對(duì)論和量子力學(xué)之上。第2頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

§6-1物理學(xué)與化學(xué)

一.化學(xué)研究的基本課題從物理的角度,化學(xué)的研究課題是:各原子的化學(xué)性質(zhì);原子結(jié)合為分子的規(guī)律;各種分子的性能和生成方法。

二.物理學(xué)在化學(xué)發(fā)展中的的作用

1.物理學(xué)在認(rèn)識(shí)原子、分子和化學(xué)基本規(guī)律方面的作用化學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證實(shí)原子是組成物質(zhì)的基本單元。分割單質(zhì)得到保持該物質(zhì)性質(zhì)的最小單元原子。第3頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成，物理學(xué)起碼在更深層次點(diǎn)明以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）原子還有更深層次的結(jié)構(gòu)。（2）組成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初階段。（3）量子力學(xué)從理論上說(shuō)明穩(wěn)定的原子只有九十幾種，而在此之前只能用化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)新原子。（4）原子的核外電子的分布決定了原子的化學(xué)性質(zhì)，元素在周期表上的序號(hào)與原子的核外電子數(shù)同。最外圍電子分布相同的原子有相似的化學(xué)性質(zhì)，構(gòu)成一族元素。而當(dāng)時(shí)，門捷列耶夫是從實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)出元素周期表。

第4頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（5）原子間的結(jié)合力——化學(xué)鍵原子與原子的結(jié)合稱為化合，結(jié)合的破裂稱為分解。化合和分解是最基本的化學(xué)現(xiàn)象，如果把結(jié)合的本質(zhì)搞清楚了，各種化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)也就清楚了。那為什么原子可相互結(jié)合？靠原子外圍電子的結(jié)合力。結(jié)合力的形式稱為化學(xué)鍵。破譯電子的運(yùn)動(dòng)秘密的是由薛定諤、海森堡等人建立的量子力學(xué)完成的。試著用量子力學(xué)解決化學(xué)問(wèn)題，一門新學(xué)科量子化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。第5頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.物理學(xué)在認(rèn)識(shí)外部條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響所起的作用

從物理學(xué)角度看,

影響化學(xué)反應(yīng)的外部條件可分為兩類①主要用經(jīng)典物理理論就可其作用機(jī)理的條件（如光、熱、電流等），在運(yùn)用經(jīng)典物理知識(shí)處理這類問(wèn)題的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、光化學(xué)、膠體化學(xué)等化學(xué)分支學(xué)科。通常把應(yīng)用熱力學(xué)方法討論化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)平衡的物理化學(xué)。第6頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②必須應(yīng)用量子理論才能認(rèn)識(shí)其作用機(jī)理的外部條件，如催化劑在亞原子層次的作用（所謂亞原子層次是指從構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元著眼的層次），酶的作用等,發(fā)展出固體表面催化、功能材料等學(xué)科。

三.量子化學(xué)

量子化學(xué)用量子力學(xué)研究分子中化學(xué)鍵問(wèn)題。最早用薛定諤方程計(jì)算氫分子。按量子力學(xué)，氫原子外圍的電子出現(xiàn)在“電子云”區(qū)域的概率最大，“電子云”的形狀用薛定諤方程的解—波函數(shù)描述。兩個(gè)氫原子中的電子云的分布集中在原子核間形成化學(xué)鍵，把兩個(gè)氫原子核“拉”到一起而穩(wěn)定下來(lái)。第7頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從理論上計(jì)算出，破壞氫分子化學(xué)鍵的能量是108.8千卡/mol,氫分子中兩原子核間的距離是0.074×10-9nm,與實(shí)驗(yàn)值吻合。

由于薛定諤方程是一個(gè)復(fù)雜的微分方程，隨著分子中原子數(shù)目的增加定量計(jì)算遇到困難。為此采用多種近似方法。目前迅速發(fā)展的是化學(xué)鍵理論中的分子軌道理論。它是從分子整體出發(fā)，用單電子的波函數(shù)描述化學(xué)鍵本質(zhì)。計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，為量子化學(xué)的計(jì)算提供了有力工具?；瘜W(xué)也從經(jīng)驗(yàn)性學(xué)科向系統(tǒng)的理論的學(xué)科發(fā)展。第8頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

量子力學(xué)的發(fā)展使人們的預(yù)見性也加強(qiáng)了，進(jìn)入到“分子設(shè)計(jì)”階段。期待通過(guò)理論計(jì)算，像設(shè)計(jì)房屋那樣，按需求設(shè)計(jì)新材料、新藥物。理論表明：物性電學(xué)性能：半導(dǎo)性、超導(dǎo)電性等熱學(xué)性能：熱傳導(dǎo)等磁學(xué)性能：磁性轉(zhuǎn)變溫度等光學(xué)性能：吸收光譜等藥物的療效與原子的外層電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)于是有了高溫超導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)，性能優(yōu)異的半導(dǎo)體、激光物質(zhì)，設(shè)計(jì)新藥物、新農(nóng)藥。第9頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1965年，量子化學(xué)出現(xiàn)了分子軌道對(duì)稱守恒原理，使量子化學(xué)進(jìn)入研究化學(xué)反應(yīng)的新階段。該理論在解釋和預(yù)示一系列化學(xué)反應(yīng)方向上是有力工具。70年代量子化學(xué)又用于研究催化劑、生物酶問(wèn)題。

§6-2物理學(xué)與生命科學(xué)

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。多少年來(lái),生物學(xué)一直是描述性學(xué)科,以觀察和認(rèn)識(shí)生物世界的多樣性為主要內(nèi)容,以描述和分類為主要工作。生物的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、生命的物質(zhì)基礎(chǔ)、生物進(jìn)化的機(jī)理、遺傳和生命的本質(zhì)。本章運(yùn)用物理知識(shí)去理解：第10頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.生物體從生物學(xué)角度看,生物體是由核酸和蛋白質(zhì)等組成的,能通過(guò)自組織，實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制、自我更新的多分子體系，可以參與物理、化學(xué)、生命三個(gè)層次的運(yùn)動(dòng)。

生命活動(dòng)主要通過(guò)蛋白質(zhì)體現(xiàn)。的基本單元是氨基酸。蛋白質(zhì)由20多種氨基酸排列而成。體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)離不開具有催化作用的蛋白質(zhì)-----酶。

一.生物體

核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸，由堿基、糖、磷酸三部分組成。核酸核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）第11頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

遺傳特征是由DNA中特定的核苷酸排列順序決定。個(gè)體發(fā)育時(shí)，DNA的密碼指令將氨基酸連接起來(lái)合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而形成不同的器官，。另一方面，DNA能自我復(fù)制，由親代復(fù)制一份DNA傳給子代。遺傳基因是控制生物性狀的功能單位和結(jié)構(gòu)單位，是DNA分子中具有遺傳效應(yīng)的某個(gè)脫氧核苷酸片段，含有成百上千個(gè)脫氧核苷酸。人類46條染色體的DNA，包含人類基因組中的約10萬(wàn)個(gè)基因。第12頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

基因中堿基的不同排列構(gòu)成不同的基因。現(xiàn)正設(shè)法測(cè)定人體10萬(wàn)個(gè)基因的堿基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因庫(kù)，從而大推進(jìn)基因工程即重組DNA技術(shù)。該技術(shù)是按人類意愿，從生物體內(nèi)分離出目的DNA片段實(shí)施重組，再將重組后的DNA轉(zhuǎn)移到操作生命體中。2.生物體的研究層次在研究生物體的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化時(shí)，可以分解為以下三個(gè)層次問(wèn)題:第13頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①可不涉及自組織作用，也不涉及化學(xué)變化的問(wèn)題，這是純粹的物理問(wèn)題。②可不涉及自組織作用，但涉及到化學(xué)變化的問(wèn)題，處理這類問(wèn)題還需要用到化學(xué)知識(shí)。

③必需考慮在自組織作用下實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制，自我更新的問(wèn)題。這類問(wèn)題還受到生物體中自組織作用特殊規(guī)律的制約。例如對(duì)骨骼的研究。①骨是物質(zhì)，滿足質(zhì)量守恒、能量守恒定律。骨骼的機(jī)械性能，骨架的形態(tài)、結(jié)構(gòu)起的支撐作用及其對(duì)生物體大小、形態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式的影響，這類問(wèn)題只需利用力學(xué)規(guī)律即可解決。第14頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

②骨骼機(jī)械性能與其內(nèi)部狀況的關(guān)系。這時(shí)既要考慮骨骼中基本顆粒排列情況這一物理問(wèn)題，更要考慮骨骼的化學(xué)組成。這個(gè)層次的研究，使我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，骨骼隨物種、年齡、經(jīng)歷、營(yíng)養(yǎng)狀況而變。骨的主要成分是無(wú)機(jī)鹽（鈣、磷等）和骨膠原纖維，骨骼要能支承人體從事各項(xiàng)活動(dòng)，必須要有一定的抗拉和抗壓強(qiáng)度，這就要求無(wú)機(jī)鹽與骨膠原之間有一定的比例，這一比例隨物種而變。對(duì)人而言，通常的比例是7：3。第15頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③骨骼生長(zhǎng)和自我修復(fù)的機(jī)理。這就不是單靠普適的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律就能解決的問(wèn)題，還必須知道骨骼自組織的機(jī)理和控制骨骼自組織的機(jī)理才能解決。

二、生物體中的宏觀物理現(xiàn)象為了維持生命，生物體必須通過(guò)物理的、化學(xué)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)并維持與外界的物質(zhì)交換，從而在生物體中出現(xiàn)各種宏觀物理過(guò)程。這些過(guò)程反映著生物整體狀況。第16頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.生物的流變性(體液的運(yùn)動(dòng))生物體內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)是生命的基本特征。例如：植物是的光合作用維系了植物的生存，動(dòng)物的體液，如血液維持動(dòng)物的生命，汗液維持體溫。水、無(wú)機(jī)鹽二氧化碳光合作用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，維系植物的生存

目前對(duì)生物流變性的研究主要集中在心血管和腸道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

血液由血漿和血細(xì)胞組成。血液的粘滯性影響血液在血管中的流動(dòng)，一旦受阻便形成血栓。第17頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

頻率高于人類聽覺(jué)上限（約20000Hz）的聲波稱為超聲波。利用超聲波多普勒效應(yīng)可以測(cè)定血液流動(dòng)速度，流向，流動(dòng)性等?？裳芯啃呐K壁運(yùn)動(dòng)速度。第18頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.生物電現(xiàn)象

（1）生物電生物電主要是指生物體中所產(chǎn)生的電現(xiàn)象，也包括外界電因素對(duì)生命活動(dòng)的作用。所有的生物都有生物電現(xiàn)象，從單個(gè)細(xì)胞直到人和其它高等動(dòng)物的神經(jīng)、肌肉、骨骼以及重要器官都發(fā)現(xiàn)有電流、電壓的產(chǎn)生和傳播。生物組織的許多功能（例如神經(jīng)中信息的傳遞和肌肉的收縮）主要基于電的活動(dòng)。一般動(dòng)物組織中的電活動(dòng)比較弱，能被測(cè)出的電壓只有數(shù)十微伏至數(shù)十毫伏，但某些魚類如電鰻能產(chǎn)生的電壓達(dá)600-1000伏。第19頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

目前公認(rèn)的一種基本觀點(diǎn)是：生物電來(lái)源于細(xì)胞的功能，細(xì)胞是由細(xì)胞膜，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)組成。膜細(xì)胞膜細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)上有孔道，允許細(xì)胞與周圍環(huán)境變換某些物質(zhì)。若取膜外電位為零，則膜內(nèi)側(cè)電壓約為K+A-Cl-Na+帶負(fù)電帶正電-90~-70mv，稱為凈息電位。外界強(qiáng)刺激達(dá)一定閾值，細(xì)胞內(nèi)的電位可以從負(fù)電位突然普通為正電位（約為20~30mv）。大約在不到電位，變化的電位稱為動(dòng)作電位。1ms的時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)為凈息第20頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

動(dòng)作電位的產(chǎn)生是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。(2)心電圖和腦電圖心臟是體循環(huán)和肺循環(huán)的中心，也是血流的動(dòng)力裝置，心肌組織能自動(dòng)地發(fā)生興奮和傳導(dǎo)興奮。在心臟活動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的生物電將隨時(shí)間和空間出現(xiàn)變化。人是導(dǎo)體，生物電的變化傳到體表，用置于體表的電極探測(cè)各點(diǎn)的電勢(shì)差隨時(shí)間的變化，在紙帶上記錄下來(lái)，就得到心電圖。通過(guò)對(duì)心電圖的分析比較，可以診斷心肌肥厚，心律不齊，心肌供血不足，心肌壞死等疾病。大腦外層皮質(zhì)也有類似的電勢(shì)變化，記錄下來(lái)為腦電圖。第21頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.生物磁現(xiàn)象磁性是物質(zhì)的一種普遍屬性，在人體內(nèi)也有磁場(chǎng)。主要來(lái)源是：①組成生物體的材料有弱磁性，它們?cè)诘卮艌?chǎng)或外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)被磁化而產(chǎn)生磁場(chǎng)，肝、脾等呈現(xiàn)的磁性屬于此種。另外由于環(huán)境污染使鐵磁物質(zhì)（Fe3O4）侵入生物體內(nèi)。也有的動(dòng)物如鴿子、蜜蜂體內(nèi)有微量的強(qiáng)磁物質(zhì)，助其辨別方向。②人體的生物電產(chǎn)生磁場(chǎng)（電生磁），心臟的生物電產(chǎn)生心磁場(chǎng)，腦電流產(chǎn)生腦磁場(chǎng)等。磁場(chǎng)對(duì)生物體具有很大的影響，它可以影響生物體內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng),磁場(chǎng)的誘導(dǎo)作用也可能會(huì)引起生物體遺傳變異.第22頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三．物理學(xué)對(duì)開拓生物學(xué)研究新領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)

1.利用新的物理分析方法和相應(yīng)的設(shè)備，觀測(cè)、分析生物的微觀結(jié)構(gòu)。英國(guó)物理學(xué)家胡克（1635-1703）利用自制的顯微鏡觀察生物體，首創(chuàng)了“細(xì)胞”一詞，使人們對(duì)生物的認(rèn)識(shí)深入到細(xì)胞層次。二十世紀(jì)理論與量子力學(xué)結(jié)合，實(shí)驗(yàn)上發(fā)展了衍射和光譜等研究原子、分子、和晶體結(jié)構(gòu)的新方法，使生物學(xué)研究進(jìn)入到分子層次。最成功的是英國(guó)物理學(xué)家克里克和美國(guó)物理學(xué)沃森發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，破譯了遺傳密碼。為此獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。第23頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.生物學(xué)與物理學(xué)結(jié)合。3.物理學(xué)的新理論為生物學(xué)理論提供了基礎(chǔ)

量子力學(xué)理論用于生物學(xué)，誕生了量子生物學(xué)(分子生物學(xué))。它的基點(diǎn)是宏觀生命現(xiàn)象依賴于生物體內(nèi)亞原子層次的運(yùn)動(dòng)。用物理的概念、理論、工具分析方法研究生命現(xiàn)象，產(chǎn)生生物物理學(xué)。它已在視覺(jué)、聽覺(jué)信號(hào)的感知和傳遞、神經(jīng)傳導(dǎo)、生物膜的作用機(jī)理，生物體中的水運(yùn)行，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理，DNA、酶的排列組裝，作用機(jī)理上不斷取得進(jìn)展。第24頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

量子力學(xué)認(rèn)為:（1）生物體分子間的相互作用力強(qiáng)相互作用和弱相互作用的力程很小,不會(huì)在生物體分子間出現(xiàn)。在分子系統(tǒng)中,萬(wàn)有引力比起電磁相互作用小得多,因此分子系統(tǒng)中的作用力是電磁相互作用。（2）電荷與能量的遷移電荷的遷移在生命活動(dòng)中有重要作用。如葉綠素、染色體中電子的輸運(yùn)，神經(jīng)脈沖的傳播都與電荷遷移有關(guān)。其中許多電荷遷移現(xiàn)象在極低溫下也能進(jìn)行，對(duì)此只能用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)解釋。第25頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）生物凝聚態(tài)生物大分子的活性總是在一定的環(huán)境中體現(xiàn)出來(lái),大分子與周圍的環(huán)境物質(zhì)又構(gòu)成一個(gè)聚合實(shí)體,從而形成一種生物凝聚態(tài),如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)、多糖、水以及由它們組成的細(xì)胞膜、染色體等。

四.從物理角度認(rèn)識(shí)生命

1.一切有生命物體的共性在于不斷與外界交換物質(zhì)和能量。一旦停止交換也就意味著死亡。

2.薛定諤的觀點(diǎn)第26頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)