《自然科学基础学科培训课程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自然科学基础学科培训课程（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 自然科学基础学科,主要内容,第1节 数学 第2节 物理学 第3节 化学 第4节 天文学 第5节 地球科学 第6节 生物学,自然科学分段 古代自然科学 (16世纪以前) 近代自然科学 (1619世纪) 现代自然科学 (20世纪以后),第1节 数学,一、数学的研究对象及分支 对象：数学是研究数量关系和空间形式的学科,数和形是两大基本对象。 形是人类对生存空间形式的直接认识，从无规则图形逐渐制造出一些规则的形体，形成抽象意义下的几何图形。 分支： 纯粹数学（几何类、代数类、分析类等） 应用数学（数理方程、概率统计、运筹学、计算 数学等）。,由鱼形演化出的不规则的几何图形,第1节 数学,二、数
2、学的发展 1. 古代数学的发展,实际需要,思维能力的提高,第1节 数学,1. 古代数学的发展,古希腊：欧几里得的几何原本（约公元前300年），建立了第一个数学理论体系几何学，标志着人类科学研究的公理化方法的初步形成，后世称为“欧式几何学”。,几何原本共13卷，在第1卷中，欧几里得首先给出关于点、线、面、直线、平面、圆等23个基本概念的定义，然后在这个基础上给出几何学理论的5条公设和5条公理。 原本的公理化体系：从10条公设与公理出发，将古希腊时代人们发现的465个几何和算术定理全部推演出来，从而把古希腊数学组织在一个严密的、逻辑线索清晰的公理化体系之中，被世人称为公理化的楷模。,第1节 数学,
3、1. 古代数学的发展,中国：九章算术（汉代，约公元前1世纪），是我国古代数学体系（以解决实际问题为内容的实用数学体系）形成的重要标志。在世界数学史上第一次引用了正、负数概念，并给出了加减运算法则。 九章算术采用问题集的形式写成。使用归纳的方法，对246个问题提供了各种解决途径和方法，为人们处理日常生活、生产中的实际计算提供了范例。这种写作方式为后来的数学著作所沿用。在长达1000多年的时间里，一直作为中国的数学教科书，并被公认为世界数学古典名著之一，远传朝鲜、日本，直到1957年苏联还出了俄文版。 阿拉伯数字：人们通常所说的阿拉伯数字，其实是印度人的发明，后经阿拉伯人传入西方。,第1节 数学,
4、2. 近代数学的发展：代数学、解析几何学、微积分、数学分析、概率论等 代数学的成熟 法国吉拉尔和笛卡儿，德国高斯，法国拉格朗日，挪威阿贝尔，法国伽罗瓦 解析几何学的创立 把点和数联系起来，把曲线和方程联系在一起，从而能够利用代数方法来研究几何学。 其创立归功于费马和笛卡儿 为微积分的发展铺平道路,第1节 数学,2. 近代数学的发展 微积分与数学分析学的产生 微积分由牛顿和德国莱布尼兹建立 在实践中（物理学和工程技术）的应用非常广泛和有效，为自然科学的进一步发展提供了有力的数学工具。 概率论的建立 研究随机现象的统计规律：寻找大量具有偶然性事物中出现某事件的概率 使数学家们首先思考概率论的问题，
5、是来自赌博者的“赌金分配问题” 概率论的创始人：帕斯卡、费马、惠更斯,第1节 数学,3. 现代数学的发展 更加理论化、抽象化 与其他知识领域的关系更密切 抽象代数学 研究各种抽象的公理化代数系统的数学学科 非特定的任意元素集合及其相关的代数运算 其成果被广泛应用于电子计算机技术和其他一些工程技术中，并形成许多分支（代数编码学、语言代数学等） 解析数论 以分析的方法来研究数论的问题（基础理论）,第1节 数学,3. 现代数学的发展 数理逻辑 运用数学的方法来研究逻辑 思想起源于莱布尼兹，成功建立逻辑演算的是英国布尔 布尔代数（逻辑代数）：变量只取0和1两个值 为现代计算机技术的发展提供了理论基础
6、数理统计学 研究有效地收集、整理和分析带有随机性的数据，从而作出推断或预测，为人们的决策和行动提供建议,第1节 数学,3. 现代数学的发展 模糊数学（ FUZZY ） 是研究和处理模糊性现象的一种数学理论和方法 其创立归功于美国的查德 在模糊集合中，给定范围内元素对它的隶属关系不一定只有“是”或“否”两种情况，而是用介于0和1之间的实数来表示隶属程度，还存在中间过渡状态。 已初步应用于模糊控制、模糊识别、模糊决策、模糊评判、系统理论、信息检索、医学、生物学等各个方面 运筹学（运用和筹划） 规划论：研究用最少的投入完成确定的任务 库存论：研究各类存贮活动的最优方案 决策论：在不确定的情况下作出决
7、策,运用数学语言研究红楼梦的 作者和成书过程（80年代）,美国华裔学者陈炳藻，使用数理统计学方法，探红楼梦前后用字的规律。发现红楼梦前八十回与后四十回所用的词汇正相关程度达到78.57%，由此推断得出前八十回与后四十回的作者均为曹雪芹一人的结论。 南京工学院（现东南大学）、深圳大学相继开发了红楼梦作品研究的计算机数据库系统。通过对语言风格要素与风格手段，以及某些用字、用词及回尾处理的差异做了比较研究，得出了红楼梦前八十回与后四十回语言风格存在明显差异的结论，又为两者出于不同作者之手提供了有力的证据,运用数学语言研究红楼梦的 作者和成书过程（80年代）,中国数学家李贤平在美国威斯康星大学，运用计
8、算机技术的模式识别法和统计学家使用的探索性数据分析法，又提出了一个红楼梦成书过程的观点：红楼梦各回所写内容具有不同的风格，各部分实际上是由不同作者在不同时期里完成的。,第2节 物理学,一、物理学的研究对象、分支 对象：物质运动规律,物质的基本结构。 分支: 普通物理学（力学、热学、分子物理学、电磁学、光学、原子物理学等） 理论物理学（理论力学、热力学、统计物理学、电动力学、量子力学等）,第2节 物理学,二、物理学的发展 1. 古代物理学的发展 古希腊 亚里士多德的物理学：世界上最早的物理学著作，涉及到时间、空间及一些力学现象。 阿基米德：杠杆原理和浮力定律，“力学之父” 欧几里得：开创了“几何
9、光学”（光的反射定律） 中国 北宋沈括：梦溪笔谈里首次提到了指南针 明代朱载：律吕精义中提出了“新法密律”,第2节 物理学,二、物理学的发展 2. 经典物理学体系的形成 经典力学 伽利略（意大利）：开创了通过实验和运用数学研究物理规律的方法,在科学思想和方法上开辟了全新的道路 牛顿：万有引力定律，牛顿力学三定律，标志着经典力学的成熟 热力学 由研究当时的蒸汽机的效率开始，进而描述热和功的相互转化及其在数量上的关系的规律。 焦耳、开尔文、克劳休斯、卡诺等：建立了“能量守恒与转化定律、热力学三定律”，形成了热力学基础,第2节 物理学,二、物理学的发展 2. 经典物理学体系的形成 统计物理学 克劳休
10、斯：建立了气体分子运动论，从而产生了统计物理学 波动光学的建立 在对光的本性的认识中，存在着波动说和微粒说之争 荷兰惠更斯是近代光的波动说的主要倡导者；笛卡儿主张光的微粒说，牛顿也倾向于光的微粒说 “干涉”实验、“偏振现象”，波动说正确解释 光速的测定是波动说战胜微粒说具有决定意义的实验,第2节 物理学,二、物理学的发展 2. 经典物理学体系的形成 经典电磁学 奥斯特：研究得知电流具有某种磁效应 安培：发现电流与磁针转动方向关系服从右手定则 法拉第：提出场和力线的概念 麦克思韦：用数学语言概括了全部电磁现象，及预言电磁波的存在，发表了电磁通论，建立了电磁学理论的基本框架。,第2节 物理学,二、
11、物理学的发展 3. 现代物理学 两朵乌云和三大发现诱发了经典物理学的危机 “紫外灾难”、“以太漂移”的零结果 X射线、放射性、电子的发现 量子物理学的建立和发展 德国普朗克：能量量子化假说，能量不是连续变化的，“能量子” 爱因斯坦：1905年提出光量子理论，微观离子具有波粒二象性 相对论的建立,第2节 物理学,相对论：关于物质运动和时间、空间的理论 狭义相对论：一个物体相对于观察者静止时,它的长度测量值最大一个时钟相对于观察者静止时,它走的最快在惯性系中,任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速如果物体运动速度比光速小很多,相对论力学还原为经典力学 质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展
12、的原子能事业起到了指导作用 广义相对论：1915年建立，现代宇宙学基础理论之一,广义相对论,爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，改变路径。,力学的分类和应用范围,第3节 化学,一、化学的研究对象、分支 对象：化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。 分支:无机化学、有机化学、分析化学和物理化学,第3节 化学,二、化学的发展 1. 古代化学的发展 生产工艺：烧炼陶瓷、冶金、酿造 炼丹术：普通金属贵重金属,第3节 化学,二、化学的发展 2. 近代化学的发展 玻义耳：怀疑的化学家，近代化学的
13、奠基人 拉瓦锡：化学基础论，最重要的典籍 道尔顿：提出原子学说，奠定了物质结构理论基础 阿伏伽德罗：提出分子概念，形成原子分子学说 维勒：人工合成尿素，使有机化学真正起步 门捷列夫：发表元素属性和原子量的关系，化学元素周期表，为研究化学元素和变化过程提供了重要依据，为进一步揭开原子内部秘密做了必要准备,第3节 化学,二、化学的发展 3. 现代化学的发展 元素周期律的重新认识与现代无机化学的新发展 不仅填补了原先周期表的空缺，还发现了许多新元素 生物无机化学、无机固体化学等 物理化学的建立与分析化学的发展 以物理学的理论和方法来研究化学现象和过程的学科 包括结构化学、化学热力学、化学动力学、胶体
14、化学 以仪器分析为主要手段的现代化学分析方法 有机化学的新时代,第3节 化学,二、化学的发展 3. 现代化学的发展 有机化学的新时代 人工合成药物的研究 ：如抗生素的提取成功 天然有机物的研究：如提出了DNA的双螺旋结构模型 有机高分子化合物的研究：三大合成材料（合成橡胶、合成纤维和塑料）,第4节 天文学,一、天文学研究的对象、特点和内容 对象：宇宙中各类天体和天文现象。 特点：被动观测。 内容： 研究方法：天体测量学、天体力学和天体物理学 观测手段：光学、射电、红外、紫外、X射线,恒星,如太阳、织女、牛郎星，本身会发光发热的星球，这种星球的內部不断的有氢气在进行核聚变，由于体积大，所以引力相
15、当大。,行星,如地球、土星.等是太阳系的行星，它们绕着太阳（恒星）运行。行星本身不会发光，靠反射太阳的光，才能让我们看见。,卫星,如月亮是地球的卫星，它绕地球（行星）运行。本身不发光，也是靠反射太阳的光，才能看见。,彗星,又称扫帚星，是太阳系的特殊星体，它运行到太阳附近，受到太阳的高温高热粒子（太阳风）辐射的影响， 使星星看起來，就像拖着尾巴的星星；如哈雷等。,流星,太空中的尘埃粒子或小岩石，被地球的引力吸入，通过大气层时，和空气摩擦生热而发光，在暗黑的星空中，出現一闪而过，瞬间消失的亮光，就是流星。,陨石,沒被燃烧完的流星，掉落地面，就是陨石，地面被它撞击成坑，就是陨石坑。,星座,天文学家为
16、了研究和辨认天上的星星，把星空划分成88个区域，每一区加以命名，如天琴、天蝎星座等88个星座，容易记忆。,星星的颜色,每一顆恒星所发出來的光谱各不相同；表面温度不同，星光的颜色也不同，温度高星光呈蓝色，属幼年期的星星；溫度低、呈红色的是老年期的星星；星光呈黃色是壮年期。,第4节 天文学,二、天文学的发展 1. 古代天文学：制定历法，宇宙模型 第一部太阳历：古代埃及人发现天狼星出现的周期约长365天，所以他们把天狼星出现的日子定为一年之始；又按尼罗河水涨落和作物生长的规律，把一年分为3季（泛滥季节、播种季节、收获季节），每季4个月，一年共12个月，每月30天，岁末增加5天节日，共计365天。 托勒密的地心说：主张地球居宇宙中心静止不动，日、月、行星和恒星均环绕地球运行，托勒密的地球中心说支配西方达1500年之久。,第4节 天文学,第4节 天文学,二、天文的发展 2. 近代天文学 哥白尼的日心说 在哥白尼的宇宙图景中，地球不再是宇宙的中心，从而使圣经
