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1、word本文档由YY198308收集整理。（精简版）文科大学生自然科学技术知识读本一、宇宙(一)宇宙模型1有限无边的静态宇宙模型1692年，牛顿根据他的万有引力理论，提出了“无限均匀的宇宙模型”，第一次在自然科学的基础上描绘了宇宙图景：空间平直无限，时间无始无终，天体无数且均匀分布。1917年，爱因斯坦提出了一个“有限无边静态宇宙模型”。爱因斯坦通过计算，得出宇宙空间应弯曲成一个封闭的区域，它有一定的直径，也有一定的体积，但是没有边界，因为球面有固定的面积，而它的面积是没有边缘的。这就是有限无边的来源。所谓静态，是说宇宙在小围有运动，但从大围来看则是静止的。根据这个图景，在宇宙任何一点上发出一
2、道光线，将约在100亿年后返回它的出发点。换句话说，如果我们有一架可以看到任意远处的望远镜，我们最终看到的是自己的后脑勺。2动态的膨胀宇宙模型按照爱因斯坦原先建立的关于宇宙时空的场方程，是不可能得到一个静态的解的。也就是说，我们宇宙的大小是变化的。1917年，荷兰天文学家德西特在他的论文爱因斯坦的引力理沦及其天文学影响中也提出了一个静态的宇宙模型，认为宇宙的空间并不随时间变化而变化，这与爱因斯坦的观点是一致的，不同的是，他又认为宇宙的物质有运动，不过物质的平均密度趋近于零。德西特认为，在这种宇宙存在着某种斥力，河外星系在此斥力作用下普遍退行，产生星系光谱的红移现象。哈勃认为，德西特模型促使天文
3、学家注意到红移与距离的关系。1922年，俄国科学家弗里德曼放弃了爱因斯坦人为插入的宇宙项，重新采用原来的广义相对论的引力方程，求得了均匀的、各项同性的宇宙的动态时空度规。这个解反映了宇宙的膨胀特性。同时，弗里德曼认为，宇宙物质平均密度不为零。如果宇宙物质的平均密度小于某个临界值，宇宙将在空间上永远而无限地膨胀下去；如果宇宙物质的平均密度大于某个临界值，物质产生的引力场使宇宙收缩、弯曲，甚至回到原来的地方，形成一个无边有限的动态宇宙弗里德曼宇宙模型。弗里德曼等人还预言，宇宙的膨胀会表现为天体间的一种离散运动，离散的速度与离散的距离成正比。后来，这一预言被哈勃等人的发现证实了。 (二)大爆炸宇宙学
4、说1大爆炸宇宙学说最早对大爆炸宇宙学说做出贡献的是英国天文学家爱丁顿，他把哈勃的发现与宇宙膨胀理论联系起来，提出了大量的观测数据。1932年，比利时天文学家勒梅特在爱丁顿工作的基础上，探讨了宇宙起源问题，提出一个宇宙起源于“原始原子”的假说。他认为在50亿100亿年以前，一切物质起初大概都来自一个极端致密的“原始原子”，或称“宇宙蛋”，由于剧烈的放射性衰变的原因，这个“宇宙蛋”发生了猛烈的爆炸，于是就诞生了我们现在所看到的这个宇宙。1948年，美籍奥地利物理学家伽莫夫把基本粒子同宇宙学联系起来，提出热宇宙大爆炸学说。他把勒梅特的“原始原子”改为“原始火球”，认为宇宙起始于高温高密状态的“原始火
5、球”，物质以基本粒子形态出现，在基本粒子的相互作用下，“原始火球”发生爆炸，并向四面八方膨胀。大爆炸宇宙模型的主要观点是：我们的宇宙曾有一段从热到冷，物质密度从密到稀的演化历史。这一从热到冷、从密到稀的演化过程如同一次规模巨大的爆发。从大爆炸宇宙模型提出以来，已经有了一套比较完整的理论体系。与其他宇宙模型相比，它能够较好地解释诸如宇宙的年龄、星系红移、氦丰度、微波背景辐射等观测事实，甚至一些定量的描述也与观测数据符合得较好。因此大爆炸学说成为现代宇宙学中最有影响的一种学说，在宇宙学乃至整个科学界产生了“爆炸性”的影响，并将现代宇宙学向前推进了一大步。二、地 球 (一)行星地球1地球的形状地球是
6、一个不规则的扁球体。进一步的研究又发现，地球的南北两半球不对称，南极较北极离地心要近一些，在北极凸出189米，在南极凹进258米；又在北纬45地区凹陷，在南纬45隆起。这一形状和参考椭球体对比，地球又有点像梨子的样子，于是测量学中又出现“梨形地球”这一名称。总之，地球的形状很不规则，不能用简单的几何形状来表示。更确切地说，地球具有独特的地球形体。 2地球的运动 (1)地球的公转。按离太阳由近及远的顺序，地球是第三颗行星，它与太阳的平均距离是1496亿千米，这个距离叫做一个天文单位(AU)。地球公转一周需要36525个平均太阳日，平均公转速度是2979千米秒。(2)地球的自传。地球不仅绕着太阳公
7、转，而且还绕着自己的地轴转动自转。地轴是通过地心和地球的南极与北极的假想轴，它与地球的赤道面相垂直。由于地球转动的相对稳定性，人类生活历来都利用它作为计时的标准。简单地说，地球绕太阳公转一周的时间叫做一年，地球自转一周的时间叫做一日。 (二)地球的物理特征1地球的质量和密度英国物理学家卡文迪许通过万有引力定律，首先求出地球质量的，这种方法一直沿用到今天。经计算，地球的总质量约为60万亿亿吨。依据地球的质量和体积，又可计算出它的密度为人52克厘米3。地震学家布伦于1970年提出地球部结构模式和推算出各层密度，地球部的密度随深度的增加而递增。2地球的重力和压力地球重力是指作用于1克质量的地球引力与
8、地球自转产生的离心力的合力，用字母g表示。重力以自由落体的加速度或重力加速度来度量。地球部的重力值g随深度而增加，至地核界面开始直线下降，直达地心为零。17世纪，意大利物理学家伽利略第一个研究和测定丁重力加速度。地球重力作用的空间称为地球的重力场。作用在地球表面上的重力是地球质量产生的引力和地球自转产生的惯性离心力共同作用的结果。地球自转所引起的离心力对重力的影响在赤道上最强，并随纬度的不同而呈有规律的变化，即地球表面重力随纬度增加而增加，随高度增加而减少。同时，由于地球不同部位的密度分布不均一，也引起重力的变化和异常。因此，重力异常可以提供地球不同部分密度变化的信息。利用在地表附近(包括空中
9、、地下和海面)测得的重力加速度随地点不同的变化来寻找矿体和地质构造等，并确定它们的形态、大小、空间位置及其分布情况，这就是地质勘探中常用的重力勘探法。地球部的压力决定于地层的厚度、平均密度和平均重力3个因素。这样，从地表到地心的压力，一直随深度的增加而增加。这一点与重力的分布不完全一样，但压力增加的速度也因深度而有所不同。总的规律是：接近地表和接近地心的层次，压力增加比较缓慢，而在中间的层次，压力增加得很快。3地球的磁性对磁针或运动电荷有作用力的空间称为磁场。地球具有一个强有力的、犹如一个位于地心的磁棒(磁偶极子)所产生的磁场，这个从地心至磁层边界的空间围的磁场称为地磁场。人类对于地磁场存在的
10、早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极(磁性为S极)吸引着磁针的N极，地球的南磁极(磁性为N极)吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国的吉尔伯特于1600年提出的。地磁场是一个向量场，描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要三个独立的地磁要素，即磁倾角、磁偏角和磁场强度，它们又被称作地磁三要素。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象，如在漆黑的北极上空会出现美丽的极光，指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这
11、种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。这是由于地壳中的岩石有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地作出“震前预报”。4地球的热量地球部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。地球表层的热量主要来自太阳辐射热，地球部热能主要来源于放射性元素的衰变，也有一部分热能可能是由构造运动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能等转化而来。三、地球的构造地球作为一个整体，呈现出同心圈层的构造，不论是地球表面还是地球部都是如此。人们经常以“比登天还难”来形容某件事的困难程度，
12、但是，今天的现实是“登天难，入地更难”。当今的宇宙探测器可以遨游太阳系外层空间，但对人类脚下的地球部却鞭长莫及。目前世界上最深的钻孔也不过12千米，连地壳都没有穿透。科学家只能通过研究地震波、地磁波和火山爆发等间接方式来揭示地球部的秘密。1外部圈层1015千克。人们常称大气圈是地球的外衣，作为地球环境要素之一的大气，是各种生命不可缺少的东西。大气圈在结构上，自下而上依次可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层。 (2)水圈。水圈是地球表面和接近地球表面的各种形态的水的总称。它包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川以及土壤和岩石孔隙中的地下水、岩浆水、聚合水，生物圈中的体液、细胞液、生物聚合水化物等。
13、(3)生物圈。生物圈是地球上凡是出现并感受到生命活动影响的地区，是地球特有的圈层，它也是人类诞生和生存的空间。生物圈的概念是由奥地利地质学家休斯在1375年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它在地面以上达到大致23千米的高度，在地面以下延伸至12千米的深处，其中包括平流层的下层、整个对流层以及沉积岩圈和水圈。但是，大部分生物都集中在地表以上100米到水下100米的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处，这里是生物圈的核心。生物圈主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。生命物质又称活质，是生物有机体的总和；生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相
14、互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等；生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、黏土、矿物和水。由此可见，生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈(土圈)长期相互作用的结果。2部圈层 (1)地壳。地壳是地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分，其底界为莫霍洛维奇不连续面(莫霍面)。假如把地球比作鸡蛋的话，那么，地壳就相当于鸡蛋的蛋壳，其质量只占全球的0.2。地壳分陆壳和洋壳，地壳中已发现的化学元素有92种，即元素周期表中192号元素。地壳中不同元素的含量差别很大，含量最高的元素氧(47)与含量最低的氡(10
15、”)相差1 017倍。（2）地慢。地壳往下的那一层叫做地幔，又称“中间层”，介于地壳和地核之间，是固体层，厚度为2 900千米左右。地幔可分为上下两层。(3)地核。地幔再往里就是地核，它的半径约为3 500千米。地核可分为外地核和地核两层。处在地表以下2 9004 980千米的部分叫外地核，是液体状态。4 9805120千米深处，是一个过渡带，从5120千米直到地心则为地核，是固体状态。地核的成分主要是铁，另外还有一些镍和碳元素。地核的半径约为1 300千米，因为地核离开地面太深，很少有“信息”传来，所以我们至今对它了解得很少。二、地壳运动(一)海陆的起源1地球上的海陆分布在地球总表面积中，大陆面积约占29；海洋面积约占71。大陆上最高的山峰是珠穆朗玛峰，海拔达8844.43米，最低点为死海，达-397米，海底最深处的马里亚纳海沟，深度达到11 022米。在“大陆漂移说”提出之前，以“地槽地台说”为代表的“海陆固定论”在构造学中一直占主导地位。这种理论主，地壳上的海洋和大陆自形成以来，位置和布局是固定不变的，地壳的运动以垂直升降运动为主，如坳陷沉降、褶皱隆起等。但是，当“大陆漂移说”被提出来以后，人们的观念发生了巨大的改变。2格纳提出“大陆漂移说”1912年，德国科学家阿尔弗雷德格纳提出了“大陆漂移说”，他认为，距今约35亿年前，
