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1、如果说如果说19 19世纪是科学世纪是科学的世纪的话，的世纪的话，2020世纪则被称作是科世纪则被称作是科学革命的世纪！学革命的世纪！ 1919世纪理论科学的巅峰状态及其隐含的危机以物世纪理论科学的巅峰状态及其隐含的危机以物理学最为典型，牛顿力学无比强大的理论威力，光学、理学最为典型，牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学、力学的统一使物理学显示出一种形式上的完电磁学、力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂美丽庙堂”。以致普朗克的老师曾劝他说。以致普朗克的老师曾劝他说“年轻人，年轻人，物理学是一
2、门已经完成了的科学，不会再有多大的发物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。展了，将一生献给这门学科，太可惜了。” 19001900年年4 4月月2727日，英国著名物理学家开尔文勋爵日，英国著名物理学家开尔文勋爵作了题为作了题为热和光的动力理论上空的热和光的动力理论上空的1919世纪之乌云世纪之乌云的长篇讲演。的长篇讲演。现代自然科学现代自然科学物理学物理学背景背景-物理学大厦的落成与危机物理学大厦的落成与危机 物理学晴朗天空的物理学晴朗天空的“两朵乌云两朵乌云”把把物理学由经典阶段推进到现代阶段，物理学由经典阶段推进到现代阶段，以以太漂移实验太漂移
3、实验和和黑体辐射现象黑体辐射现象。 相对论和量子力学构成现代物理学相对论和量子力学构成现代物理学的两大理论支柱。的两大理论支柱。以太漂移：以太被称为一种介质，按照当时科学界的以太漂移：以太被称为一种介质，按照当时科学界的说法，人们可以由光速在不同方向的差异，判定一个说法，人们可以由光速在不同方向的差异，判定一个惯性系相对于静止以太的运动状态，并确定以太的存惯性系相对于静止以太的运动状态，并确定以太的存在。实验却明白无误地表明，光速是完全不变的。在。实验却明白无误地表明，光速是完全不变的。紫外灾难：黑体是物理学中为了研究物体吸收和辐射规紫外灾难：黑体是物理学中为了研究物体吸收和辐射规律而构造的一
4、种理想模型，能百分子百吸收辐射到它上律而构造的一种理想模型，能百分子百吸收辐射到它上面的电磁波，同样温度下，它所发出的热辐射也比其它面的电磁波，同样温度下，它所发出的热辐射也比其它任何物体都强。德国维恩和英国瑞利得到相反的公式、任何物体都强。德国维恩和英国瑞利得到相反的公式、结果而无法解释。结果而无法解释。相对论相对论：是关于物质运动与时间空间关系的：是关于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。基础之一。-背景：以太及以太漂移实验。背景：以太及以太漂移实验。现代自然科学现代自然科学物理学物理学-狭义相对论（狭义相对论（19
5、05）（1）理论基础：光速不变理论）理论基础：光速不变理论(在彼此相对作匀速直线运动的在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的）和狭义相对）和狭义相对性理论（性理论（一切彼此作匀速直线运动的参考系，对描述运动的一切彼此作匀速直线运动的参考系，对描述运动的一切规律来说都是等价的，它表明，绝对静止的参考系是不一切规律来说都是等价的，它表明，绝对静止的参考系是不存在的存在的）。）。（2）主要结论：尺缩效应（）主要结论：尺缩效应（物体相对于观察者为静止时，其测物体相对于观察者为静止时，其测得长度最大；为运动时其长度缩短得长度最大；为运动
6、时其长度缩短）；钟慢效应（）；钟慢效应（对静止观对静止观察者，一切发生在运动物体上的过程都变慢了察者，一切发生在运动物体上的过程都变慢了）；）；爱因斯坦：从光速不变的事实去分析力学与电磁学形式爱因斯坦：从光速不变的事实去分析力学与电磁学形式上的差异。事实上是对权威的反叛。学生时代对哲学的上的差异。事实上是对权威的反叛。学生时代对哲学的兴趣和思辨，休谟、马赫、彭加勒的怀疑和批判主义精兴趣和思辨，休谟、马赫、彭加勒的怀疑和批判主义精神；接受斯宾神；接受斯宾渃渃莎关于世界的物质统一性。莎关于世界的物质统一性。现代自然科学现代自然科学物理学物理学相对论相对论：是关于物质运动与时间空间关系的理论，是是关
7、于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。-狭义相对论（狭义相对论（1905）（2）主要结论：）主要结论：四维时空（四维时空（时间坐标与空间坐标紧密联系在一起时间坐标与空间坐标紧密联系在一起）；）；速度变换（速度变换（物体的质量随其运动速度增加而增加物体的质量随其运动速度增加而增加）；）；质能关系（质能关系（质量与能量间存在内在关系，质能关系式质量与能量间存在内在关系，质能关系式E=mc2）。）。（3）意义：）意义：指明了质量与能量间的内在联系，改变了指明了质量与能量间的内在联系，改变了经典物理学中有关质量和能量的传统看法
8、，为利用原经典物理学中有关质量和能量的传统看法，为利用原子能提供理论基础。子能提供理论基础。-广义相对论（广义相对论（1916）（1）理论基础：广义协变原理（）理论基础：广义协变原理（自然定律对于任何参考自然定律对于任何参考系而言都具有相同的数学形式系而言都具有相同的数学形式）和等效原理（）和等效原理（用一个用一个非惯性系与用内部存在一均匀引力场的惯性系来描述非惯性系与用内部存在一均匀引力场的惯性系来描述物理过程规律是完全等效的物理过程规律是完全等效的）。）。（2）意义：进一步揭示时间、空间的根本属性及其与物）意义：进一步揭示时间、空间的根本属性及其与物质分布、运动之间内在的深刻联系。质分布、
9、运动之间内在的深刻联系。-思想实验：爱因斯坦列车实验、升降机实验、旋转圆思想实验：爱因斯坦列车实验、升降机实验、旋转圆盘实验。盘实验。-相对论的建立，深刻揭示出时间、空间、物质及其运相对论的建立，深刻揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，为辩证唯物主义时空观提供科学依据；动的统一性，为辩证唯物主义时空观提供科学依据；为人们探索自然奥秘提供理论武器；为物理学发展开为人们探索自然奥秘提供理论武器；为物理学发展开辟全新方向；为现代科学技术发展奠定基础。辟全新方向；为现代科学技术发展奠定基础。现代自然科学现代自然科学物理学物理学量子力学量子力学-概念：研究微观粒子如电子、原子、分子概念：研究微观粒子
10、如电子、原子、分子等运动规律的理论，是现代物理学的又一等运动规律的理论，是现代物理学的又一重要基础理论；极大地推动现代科学技术重要基础理论；极大地推动现代科学技术的迅猛发展，如原子能技术、激光技术、的迅猛发展，如原子能技术、激光技术、大规模集成电路等。大规模集成电路等。-背景：紫外灾难（热辐射和热吸收）。背景：紫外灾难（热辐射和热吸收）。现代自然科学现代自然科学物理学物理学量子力学量子力学-建立建立1900，德国物理学家普朗克分析维恩、瑞利矛盾的两个公式，德国物理学家普朗克分析维恩、瑞利矛盾的两个公式，拼出新公式，提出拼出新公式，提出“能量子假说能量子假说”，不连续的能量状态。，不连续的能量状
11、态。 1905，爱因斯坦为解释赫兹光电效应（，爱因斯坦为解释赫兹光电效应（1887）；提出）；提出“光量子光量子”概念，揭示光的波粒二象性。概念，揭示光的波粒二象性。 量子论的进一步发展源于对原子结构问题的研究。量子论的进一步发展源于对原子结构问题的研究。1913，玻尔，玻尔“量子化量子化”概念与原子核模型及电子轨道。概念与原子核模型及电子轨道。 1924，德布罗意基于光的波粒二象性提出，德布罗意基于光的波粒二象性提出“物质波物质波”假说，微假说，微观粒子的波粒二象性；观粒子的波粒二象性；两条途径完成量子力学理论的建立，德国物理学家海森伯及玻两条途径完成量子力学理论的建立，德国物理学家海森伯及
12、玻恩的矩阵力学和薛定谔波动力学，同一理论的两种数学表达。恩的矩阵力学和薛定谔波动力学，同一理论的两种数学表达。现代自然科学现代自然科学物理学物理学量子力学量子力学-完善：波函数的概率解释、不确定原理、相对论波动完善：波函数的概率解释、不确定原理、相对论波动方程、不相容原理等。方程、不相容原理等。-基本概念：物质波实质上是概率波；互补性与不确定基本概念：物质波实质上是概率波；互补性与不确定原理（在微观世界中，人们不能用实验手段来同时准原理（在微观世界中，人们不能用实验手段来同时准确地测定微观粒子的位置和动量）等。确地测定微观粒子的位置和动量）等。-作用和意义：推进人们对微观世界的认识，改变了科作
13、用和意义：推进人们对微观世界的认识，改变了科学观念；揭示波粒二象性是自然的基本矛盾，为对立学观念；揭示波粒二象性是自然的基本矛盾，为对立统一规律提供新证据；揭示连续性与间断性、偶然性统一规律提供新证据；揭示连续性与间断性、偶然性与必然性、决定论与因果律之间的辨证关系，宣告机与必然性、决定论与因果律之间的辨证关系，宣告机械论自然观的破产。械论自然观的破产。现代自然科学现代自然科学物理学物理学量子理论形式的诠释一直是人们争论的焦点：量子理论形式的诠释一直是人们争论的焦点：宏、微观粒子运动的统一性；微观粒子运动的宏、微观粒子运动的统一性；微观粒子运动的实验观察与解释等。实验观察与解释等。现代自然科学
14、现代自然科学化学化学元素周期理论的新发展-以19世纪的原子论为基础，1869，门捷列夫和迈尔各自独立发现元素周期律；-原子核式结构模型，提出描述原子中电子运动状态的四个量子数（主量子数、轨道量子数、磁量子术和自旋量子数）以及电子在核外的分布规律，因此，元素的性质和周期性变化是由原子的电子壳层结构的周期性变化决定的，元素的性质是随原子序数而非原子量的增加而周期性增加的，其区别在同位素概念上。-元素周期律深刻地反映了元素之间的内在联系，尤其是反映原子核外电子的排列分布，能指导人们认识原子结构和发现新元素。现代自然科学现代自然科学化学化学现代化学键理论：分子中原子间的结合力-化学键。1916年柯塞尔
15、和路易斯开始用原子模型来解释价键，提出价键是由原子的外围电子决定的。有离子键、共价键和金属键三种基本类型，离子键是通过静电作用形成的；共价键是相同元素依靠共用电子对结合的；金属键是成键电子被金属离子共用而成的。 -量子化学。1927，海特勒和伦敦开创新领域，提出只能概率性描述电子的运动状态，即电子云；共价键的本质是电子云重叠。-价键理论。1931年，鲍林根据波的叠加原理提出杂化轨道理论解释碳的四面体结构。-分子轨道理论。1932年洪德和莫立肯等提出用单电子波函数描述化学键的本质。1965年，伍德凡德和霍夫曼提出分子轨道对称守恒原理，解释和预示一系列化学反应的难易，了解反应产物的立体结构，标志着
16、现代化学从研究分子的静态跨入到研究分子动态的新阶段。量子化学，使化学家单纯依靠实验方法研究到可以通过量子化学，使化学家单纯依靠实验方法研究到可以通过数学计算来研究，从被动性的研究到预见性的研究。分数学计算来研究，从被动性的研究到预见性的研究。分子设计与新材料、新药物、新试剂等开发。子设计与新材料、新药物、新试剂等开发。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷宇观与宇观尺度宇观与宇观尺度-宇观宇观：我国天文学家：我国天文学家戴文赛戴文赛引入引入“宇观宇观”概念表征概念表征宇宙规模的物质过程，宇宙规模的物质过程，宇观物体宇观物体就是像太阳、恒星、就是像太阳、恒星、行星等天体，其行星等天体，
17、其最大特征最大特征是其表面万有引力起支配作是其表面万有引力起支配作用。用。-宇观质量以宇观质量以太阳质量太阳质量m （1.991033g）为单位。如，为单位。如，地球为地球为10-6 m ，整个宇宙为，整个宇宙为1021 m 。-距离：以地球绕太阳公转的椭圆的长半轴作为距离：以地球绕太阳公转的椭圆的长半轴作为天文天文单位单位（AU,1AU为为1.501013cm）量度天体的距离，恒量度天体的距离，恒星间距离的单位是秒差距（星间距离的单位是秒差距（pc,1pc=105AU=3.26光年）光年）；光年光年是指光线在一年内所通过的距离；是指光线在一年内所通过的距离；哈勃半径哈勃半径是指是指当前我们观
18、测的宇宙最深处的天体离我们的距离，约当前我们观测的宇宙最深处的天体离我们的距离，约为为1.31010ly（光年）光年）。-存在非重子的存在非重子的暗物质暗物质，是宇观客体的另一特征。，是宇观客体的另一特征。宇宙观的演变宇宙观的演变-中国古代：宇宙三学说，中国古代：宇宙三学说，盖天说盖天说认为大地是平坦认为大地是平坦的，天像一把伞；的，天像一把伞；浑天说浑天说认为天地如蛋，地在中心，认为天地如蛋，地在中心，天围在周围；天围在周围；宣夜说宣夜说认为天是无限而空虚的。认为天是无限而空虚的。-古希腊和罗马：古希腊和罗马：中心火焰说中心火焰说，宇宙中心是一团大，宇宙中心是一团大火焰；火焰；地心说地心说，
19、地球为中心；，地球为中心；日心说日心说，地球绕太阳运，地球绕太阳运动。动。-宇宙论宇宙论：17世纪牛顿用力学方法研究宇宙，建立世纪牛顿用力学方法研究宇宙，建立经典宇宙论经典宇宙论；广义相对论的建立和天文观测为基础，；广义相对论的建立和天文观测为基础，产生产生现代宇宙论现代宇宙论。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷银河系银河系：18世纪后期，用反射望远镜观测计数了世纪后期，用反射望远镜观测计数了117600颗恒星，得出恒星系统呈扁盘状的结论；颗恒星，得出恒星系统呈扁盘状的结论；20世纪初定世纪初定义它为银河系并确定银河系结构。银河系结构的确定义它为银河系并确定银河系结构。银河系结构
20、的确定扩大了人类认识到的时空结构，也再一次否定了人类扩大了人类认识到的时空结构，也再一次否定了人类及其居住星球的特殊地位。银河系组成包括：恒星及其居住星球的特殊地位。银河系组成包括：恒星（球状星团、疏散星团等）、星际物质（亮星云、暗（球状星团、疏散星团等）、星际物质（亮星云、暗星云、星际气体及尘埃）。星云、星际气体及尘埃）。河外星系河外星系与与哈勃定律哈勃定律：1918年，威尔逊山天文台建成年，威尔逊山天文台建成口径口径2.54m的反射望远镜（的反射望远镜（胡克望远镜胡克望远镜）；）；1922年，在年，在星云中发现一些变星；星云中发现一些变星；1923年，哈勃用胡克望远镜通年，哈勃用胡克望远镜
21、通过照相观测找到过照相观测找到造父变星造父变星，推出它们的距离比银河系，推出它们的距离比银河系盘的直径大五倍，统称为盘的直径大五倍，统称为河外星系河外星系。哈勃。哈勃1929年所作年所作的划时代的工作说明，河外星系的红移与它的距离成的划时代的工作说明，河外星系的红移与它的距离成正比，即正比，即哈勃定律哈勃定律。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷太阳系的总质量约太阳系的总质量约99%集中于太阳，太阳系的大小为集中于太阳，太阳系的大小为40AU；银河系的质量为；银河系的质量为1012 m ，直径约为，直径约为30kpc；太阳距其中心的距离约为太阳距其中心的距离约为8.5kpc。 宇宙
22、观测及其意义宇宙观测及其意义：天文学是数据贫乏的科学，宇宙：天文学是数据贫乏的科学，宇宙观测内容：观测内容：-宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射提供了一个宇：宇宙微波背景辐射提供了一个宇宙起源于热大爆炸的基本依据。宙起源于热大爆炸的基本依据。1964年，彭齐亚斯和年，彭齐亚斯和威尔逊发现相当于绝对温度威尔逊发现相当于绝对温度3.5K的背景辐射，并确信的背景辐射，并确信是原始火球大爆炸的遗迹。是原始火球大爆炸的遗迹。“他们的发现，是一项带他们的发现，是一项带有根本意义的发现，它使我们能够获得很久以前，在有根本意义的发现，它使我们能够获得很久以前，在宇宙创生时期所发生的宇宙过去的信
23、息。宇宙创生时期所发生的宇宙过去的信息。”因此获因此获1978年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。-膨胀膨胀：标准宇宙论的一个最基本的性质是宇宙的膨胀，：标准宇宙论的一个最基本的性质是宇宙的膨胀，世界各地观测者测量了世界各地观测者测量了28000个星系的光谱，大都具个星系的光谱，大都具有支持膨胀宇宙的红移。有支持膨胀宇宙的红移。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷宇宙观测及其意义宇宙观测及其意义-均匀性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊点或宇宙均匀性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊点或宇宙中所有点是平权的，人们称之为宇宙论原理或宇宙平中所有点是平权的，人们称之为宇宙论原理或宇宙平
24、庸原理、哥白尼原理，其最好的证据是微波背景的温庸原理、哥白尼原理，其最好的证据是微波背景的温度的一致性。度的一致性。-宇宙年龄：可以用多种方法测定，目前多种方法给出宇宙年龄：可以用多种方法测定，目前多种方法给出宇宙的年龄为宇宙的年龄为100-200亿年。亿年。-轻元素丰度：预测丰度与轻元素丰度：预测丰度与“推断推断”的原初丰度的比较，的原初丰度的比较，提供了一个对标准宇宙模型的有力检验。轻元素氘、提供了一个对标准宇宙模型的有力检验。轻元素氘、氦等。氦等。-物质密度及宇宙中的暗物质。物质密度及宇宙中的暗物质。-宇宙的大尺度结构。宇宙的大尺度结构。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷星
25、系起源与演化星系起源与演化-星系形成：星系形成：1692年，牛顿指出，均匀物质在粒子相互引力作年，牛顿指出，均匀物质在粒子相互引力作用下最后必然聚集成一个巨大的团块或聚集成为数众多的独立用下最后必然聚集成一个巨大的团块或聚集成为数众多的独立团快；团快；1901年，金斯提出引力不稳定性理论，金斯长度或临界年，金斯提出引力不稳定性理论，金斯长度或临界长度由介质的密度和介质中的声速所决定的；长度由介质的密度和介质中的声速所决定的；1940年，膨胀宇年，膨胀宇宙，提出决定宇宙结构生成的三个基本尺度，即视界尺度（光宙，提出决定宇宙结构生成的三个基本尺度，即视界尺度（光速与宇宙年龄的乘积）、金斯尺度（由宇
26、宙物质状态决定的声速与宇宙年龄的乘积）、金斯尺度（由宇宙物质状态决定的声速与宇宙年龄的乘积）和阻尼尺度（由破坏物质成团的各种因速与宇宙年龄的乘积）和阻尼尺度（由破坏物质成团的各种因素所决定的特征尺度），三个特征尺度可转化为特征质量，均素所决定的特征尺度），三个特征尺度可转化为特征质量，均随宇宙的演化而演化。随宇宙的演化而演化。-星系、星系团和超星系团形成时期分别对应于红移星系、星系团和超星系团形成时期分别对应于红移z100、10、1的时期的时期。-星系的分类：哈勃从星系的形态特征出发，把星系分成为：星系的分类：哈勃从星系的形态特征出发，把星系分成为：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类，旋涡星
27、系又分为正椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类，旋涡星系又分为正常旋涡星系和棒旋星系。常旋涡星系和棒旋星系。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷恒星在星系中的轨道运动、位置及其年龄存在极其密切恒星在星系中的轨道运动、位置及其年龄存在极其密切的联系：球状星团是银河系中最年长的成员，它们组成的联系：球状星团是银河系中最年长的成员，它们组成以星系核为中心的球状分布系统；以星系核为中心的球状分布系统；O型和型和B型是最年轻的型是最年轻的成员，它们组成几乎与银道面重合的极扁平的系统；其成员，它们组成几乎与银道面重合的极扁平的系统；其他恒星处于两者之间，形成一个中介系统。他恒星处于两者之间，形
28、成一个中介系统。恒星的一生恒星的一生-恒星的形成恒星的形成：星系形成的初期是一个较均匀：星系形成的初期是一个较均匀的称为的称为星云的物质团星云的物质团。观测表明，恒星毫无例。观测表明，恒星毫无例外地一大堆一大堆地同时诞生。当一万个太阳外地一大堆一大堆地同时诞生。当一万个太阳质量的星际气体和尘埃以很高速度自行收缩时，质量的星际气体和尘埃以很高速度自行收缩时，就可能形成云块，再行收缩凝聚，就形成恒星。就可能形成云块，再行收缩凝聚，就形成恒星。-恒星的分类恒星的分类：恒星表面温度恒星表面温度是决定能谱的一是决定能谱的一个指标，为恒星分类提供了依据。个指标，为恒星分类提供了依据。-赫罗图赫罗图：指恒星
29、的光度和光谱关系图，由丹指恒星的光度和光谱关系图，由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素各自麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素各自独立创制，光谱型为横坐标，光度为纵坐标独立创制，光谱型为横坐标，光度为纵坐标 。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷 有有90%以以上上的的恒恒星星分分布布在在图图中中左左上上方方到到右右下下方方的的对对角角线线的的狭狭窄窄带带区区内内，称称“主主星星序序”，该该区区的的恒恒星星称称“主主序序星星”；主主星星序序的的右右上上角角是是几几乎乎成成水水平平走走向向的的“巨巨星星系系”，图图上上部部的的一一些些分分散散的的星星称称“超超巨巨星星序序”，主主
30、序序星星下下面面是是“亚亚矮矮星星”，再再下下是是“白白矮矮星星序序”。太太阳阳处处在在主主星星序序的的中中部部，是是一一个个中中等等质质量量、中中等等温温度度也也恰恰好好是是中中年年的的一一颗颗恒恒星。星。恒星的演化恒星的演化-钱德拉塞卡极限钱德拉塞卡极限：指白矮星的质量上限为太阳质量的指白矮星的质量上限为太阳质量的1.44倍，倍，1930年由印度年由印度20岁的大学毕业生钱德拉塞卡导出，是描述恒星岁的大学毕业生钱德拉塞卡导出，是描述恒星演化、决定恒星命运的一个重要的质量极限。恒星质量小于太演化、决定恒星命运的一个重要的质量极限。恒星质量小于太阳质量的阳质量的1.44倍，最终结局是倍，最终结
31、局是白矮星白矮星；质量大于；质量大于1.44倍而小于倍而小于2.4倍太阳质量，最终结局是倍太阳质量，最终结局是中子星中子星；质量大于质量大于2.4倍太阳质量，倍太阳质量，最终结局是最终结局是黑洞，黑洞，黑洞的质量一般为太阳质量的黑洞的质量一般为太阳质量的3-50倍，在其倍，在其表面连光也无法逃离其引力的束缚表面连光也无法逃离其引力的束缚。太阳、太阳系的起源和太阳的形成太阳、太阳系的起源和太阳的形成-是太阳系的是太阳系的“君王君王”：所有行星、彗星等天体都不停地围着：所有行星、彗星等天体都不停地围着太阳转，是太阳系唯一发光的天体，是太阳系光和热的源泉；太阳转，是太阳系唯一发光的天体，是太阳系光和
32、热的源泉；其任何微小变化都引起整个太阳系的明显变化。其任何微小变化都引起整个太阳系的明显变化。-是恒星的是恒星的“典型代表典型代表”：太阳是一颗：太阳是一颗G2型中年主序星，是一型中年主序星，是一颗极普通的恒星。颗极普通的恒星。-太阳系的起源和太阳的形成太阳系的起源和太阳的形成：星云说或共同形成说，整个太：星云说或共同形成说，整个太阳系是由同一块星云物质形成的，这块星云称阳系是由同一块星云物质形成的，这块星云称原始星云原始星云。现代自然科学现代自然科学宇观世界探迷宇观世界探迷现代自然科学现代自然科学微观结构之迷微观结构之迷微观世界-是整个世界的重要组成部分。-其空间尺度小到10-1010-15
33、m。-是宏观世界与宇观世界的基础，微观世界物质的性质和规律实际上决定宏观与宇观世界物质的性质和规律。现代自然科学现代自然科学微观结构之迷微观结构之迷穷究物质结构之谜：-古人之物质本原古人之物质本原：公元前7世纪，印度人提出物质4元素为水、火、土、气；中国提出阴阳五行学说，金、木、水、火、土；古希腊思想家把水、火、土、气等当作万物本原。-古代原子论古代原子论：古希腊 哲学家留基伯提出、德谟克利特完成，认为物质由不可分、不可入的永恒原子组成；原子在无限的虚空中的各个方向上运动着，其相互分离或结核及其排列次序、位置和原子形状的多样性决定事物存在形式的多样性。-近代原子论近代原子论：牛顿牛顿使原子论进
34、入科学的殿堂，他认为世界上一切物质都由原子组成；由于物理学刚成立，缺乏实验研究方法和手段，原子论仍然属于自然哲学思辨的范畴。随着化学的产生和发展，真正科学的原子论得以建立。19世纪初道尔顿道尔顿提出科学原子论；随后发现元素周期律，化学使原子论最终纳入实验科学，实现了原子论从思辨性的自然哲学向科学的转化，从思辨型向经验型的转变。现代自然科学现代自然科学微观结构之迷微观结构之迷穷究物质结构之谜：-揭开原子世界的面纱的三大发现X射线射线预示着原子内部复杂的结构。1895年，德国科学家伦琴在研究阴极射线时发现。天然放射线天然放射线显示原子是可变的。1896年，法国科学家贝克勒尔在荧光实验中发现。电子电
35、子的发现打破了原子不可分的观念。1897年，英国物理学家汤姆孙在阴极射线实验中发现。-揭示原子的结构：卢瑟福首先用粒子散射实验确立了原子核式结构；1919年，用粒子轰击氮、硼、氟、钠、铝等原子核打出氢核，命名为质子；1920年，提出“中子”假说，并被他的学生查德威克于1932年证实。人们总结，原子由电子、质子和中子组成。狄拉克1931年提出“反电子”、“正电子”。物质微观层次结构：-微观粒子的基本性质：质量质量：每种粒子都具有一定质量，其质量随速度增加而增加，任何物体所具有的质量与能量是相关的。寿命寿命：每种粒子在衰变前平均存在的时间，简称寿命。电荷电荷：任何粒子所带电荷都是电子电荷的整数倍，
36、即电子电荷为电荷的最小单位。自旋自旋：每种粒子都有确定的自旋角动量，其值可以用一个自然数或一个自然数加1/2来表示。粒子分类：粒子分类：根据相互作用性质分三类，即强子（直接参与强相互作用的粒子，如质子和中子）、轻子（只参与弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用的自旋为半整数的粒子，如电子）、传播子（传播相互作用的基本粒子，如光子）。夸克模型：夸克模型：1964年由盖尔曼盖尔曼提出，认为当时发现的所有强子都由更基本的粒子夸克组成。-微观世界的基本规律；重子数守恒定律、轻子数守恒定律、奇异数守恒定律、同位旋守恒定律、宇称守恒定律、守恒律和对称性。世界的统一性：统一场理论、规范统一场论、弱相互作用理
37、论、弱电统一理论、大统一理论、超大统一理论。现代自然科学现代自然科学微观结构之迷微观结构之迷诺贝尔奖获得者、美国科学家格拉肖曾建议，把比夸克诺贝尔奖获得者、美国科学家格拉肖曾建议，把比夸克更深层次的粒子叫更深层次的粒子叫“毛粒子毛粒子”，以纪念毛泽东倡导的，以纪念毛泽东倡导的“物质物质是无限可分的是无限可分的”的哲学论断。的哲学论断。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态从不同角度、用不同方法研究同一客体，产生不同学科：-从包括人类在内的地球系统角度研究人和地球表层的关系产生了地球系统科学。-从环境质量的演化角度研究人和地球的关系及地球的变化产生了环境科学。-从生物的生存环境
38、角度研究地球的变化产生了生态学。-地球系统科学、生态学、环境科学是三门具有血缘关系而又不能相互替代的姊妹学科。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态地球系统科学-将地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈作为一个相互作用的系统，研究其物理、化学和生物过程及其与人类的关系的学科。最早由美国国家航空与宇航管理局提出。-地球科学的产生：1678年，牛顿将力学定律运用于研究地球的静态和动态特征；根据力学定律，牛顿、康德曾研究潮汐摩擦得出地球自转变慢的结论；达尔文分析潮汐现象理论推导地球旋转效应；20世纪，泰勒用力学方法研究全球构造；李四光在地质力学之基础与方法中根据力学原理探求地壳运动原因；
39、古地球物理学、地球化学、地质化学、分子和细胞古生物学的发展等。 现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态地球系统科学-地球系统科学的产生：20世纪60至70年代地质学革命，地球科学发展成包括地质科学、水文科学和大气科学的知识体系；80年代人地新型关系的集合，产生地球系统科学。-1983年，美国国家航空和宇航管理局出资20亿美元，资助美国20所大学地理系的地球系统科学研究，每5年出一份报告，主张将地球的大气、海洋和陆地作为一个大系统，综合研究其中相互联系的物理、化学和生物过程，并将研究重点放在今后几十年到几百年的时间尺度。1992年，美国22所大学将地球系统科学教育纳入课程之内，
40、联合国21世纪议程将地球系统科学作为可持续发展战略的科学基础。地球系统科学-研究对象：通过研究大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成的地球表层系统，探讨系统各圈层相互作用的物理、化学和生物机制，分析人类活动引起的地球生态环境变化，提高地球系统的生命承载能力。-全球变化：是地球系统科学的核心问题，包括：温室效应、海平面上升、海岸线变迁、湖泊变迁等自然环境变化，森林、草地、湿地、家田、水体叶绿素等生物量变化以及工业化、城市化等人类活动的生态效应。-发展趋势：自然科学与社会科学的综合；推动可持续发展研究；关注人类活动对地球系统的影响。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态地球系统科学首先
41、研究全球变化，第二层次研究区域地球系统科学首先研究全球变化，第二层次研究区域模型（经济和发展模型对环境、生物的影响），第三模型（经济和发展模型对环境、生物的影响），第三层次是区域之间的宏观调控。层次是区域之间的宏观调控。生态学-概念生态学是研究生命系统和环境系统之间相互作用机理、规律的科学，生命系统包括动物、植物和微生物。生态系统指整个生物群落及其所在的环境物理化学因素，是自然系统的整体。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态生态学-发展历程古代：公元前4世纪，希腊学者亚里士多德根据动物活动环境类型将其分为陆栖和水栖两类；公元6世纪中国贾思勰齐民要术记录朴素生态学观念。近代：
42、18世纪，瑞典博物学家林奈综合考察外部环境对植物、动物的影响；1798年马尔萨斯人口论开阔生态学视野；1859年达尔文物种起源提出自然选择理论；1869年，海克尔通过研究有机体与环境的关系，首先提出生态学的概念，生态学源于生物学，在研究生物之间的依存关系及其与环境间的相互作用后不断独立成一门科学。但在20世纪以前，生态学的研究处于描述性时期。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态生态学-发展历程近代：20世纪上半叶，出版一批生态学专著，如瓦尔明的植物生态学、埃尔顿的动物生态学及克莱门茨和席尔福德的生物生态学，开展了种群和以种群为重点的研究；1935年，坦斯勒提出“生态系统”的
43、概念，是生态学上的重大突破；1942年，林德曼在美国生态学杂志发表关于食物链和金字塔营养结构的研究报告，确立了生态系统物质循环和能量流动理论。现代：20世纪50年代，生态学进入现代生态学发展时期，人类活动渗透到所有生态系统，人工生态系统到处代替天然生态系统，生态学向人类生态学的转变是现代生态学发展的重要标志。1922年，美国地理学家哈伦巴洛斯首次提出“人类生态学”概念，主张生态学要联系人类活动研究自然环境。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态人类生态学研究人类和物理环境、生物环境、社会环境人类生态学研究人类和物理环境、生物环境、社会环境的相互关系，探讨人类社会自然资源利用，
44、考察人类活的相互关系，探讨人类社会自然资源利用，考察人类活动对自然界的影响以及自然环境对人类社会发展的作用，动对自然界的影响以及自然环境对人类社会发展的作用，以解决人类面临的人口、粮食、能源、环境等全球问题。以解决人类面临的人口、粮食、能源、环境等全球问题。人类生态学的产生标志着生态学的重点从研究以生物为人类生态学的产生标志着生态学的重点从研究以生物为主体的生态转向以人为主体的生态，把人和自然互相作主体的生态转向以人为主体的生态，把人和自然互相作用作为一体进行研究，使生态学找到了真正的归宿。用作为一体进行研究，使生态学找到了真正的归宿。 生态学-研究内容 生态学致力于探索解决经济发展和环境保护
45、之间的矛盾，辨识能流、物流、信息流之间的耦合，合理开发自然资源，提高生产力水平，实现持续发展。研究领域如：生态系统种群规模调控、生物生产力管理、人工生物群落稳定、生态指标体系等。 -发展趋势 一是向各个学科的渗透，如行为生态学、社会生态学等；二是研究生物圈的功能，如水陆界面的相互作用机制等；三是为可持续发展提供理论基础，如废物利用的问题。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态环境科学-概念研究人类活动与环境质量关系的科学。宏观上，研究人类和环境之间相互作用、促进、制约的统一关系，揭示经济发展和环境保护两者之间协调发展的规律。微观上，研究环境的各组成部分尤其是人类活动排放的污染
46、物在有机体迁移、转化、积累中的运动规律。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态环境科学-产生农业文明时代资源耗竭：过度狩猎、过量砍伐和土地的破坏。工业文明时代环境污染：世界八大公害事件。环境运动：1962年美国生物学家卡而逊寂静的春天掀起环境运动；1972年罗马俱乐部发表研究报告增长极限，“70年代的爆炸性杰作”，之后又发表系列报告；世界各地的环保运动。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态公害事件：公害事件：马斯河谷烟雾事件，发生于马斯河谷烟雾事件，发生于1930年比利时的马斯河谷工年比利时的马斯河谷工业区，由于二氧化硫和粉尘污染对人体业区，由于二氧化硫和
47、粉尘污染对人体 造成综合影响，造成综合影响，一周内有近一周内有近60人死亡，数千人患呼吸系统疾病。人死亡，数千人患呼吸系统疾病。 公害事件：公害事件：洛杉矶光化学烟雾事件：发生于洛杉矶光化学烟雾事件：发生于1943年美国洛杉矶，当年美国洛杉矶，当时该市的时该市的200多万辆汽车在排放大量的多万辆汽车在排放大量的 汽车尾气，在紫汽车尾气，在紫外线照射下产生光化学烟雾，大量居民出现眼睛红肿、外线照射下产生光化学烟雾，大量居民出现眼睛红肿、流泪、喉流泪、喉 痛等症状，死亡率大大增加。痛等症状，死亡率大大增加。 公害事件：公害事件：多诺拉烟雾事件，发生于多诺拉烟雾事件，发生于1948年美国宾夕法尼亚州
48、的多年美国宾夕法尼亚州的多诺拉镇，因炼锌厂、钢铁厂、硫酸厂诺拉镇，因炼锌厂、钢铁厂、硫酸厂 排放的二氧化硫排放的二氧化硫及氧化物和粉尘造成大气严重污染，使及氧化物和粉尘造成大气严重污染，使5900多居民患多居民患病。事件病。事件 发生的第一天有发生的第一天有17人死亡。人死亡。 公害事件：公害事件：伦敦烟雾事件，发生于伦敦烟雾事件，发生于1952年英国伦敦，由于冬季燃煤年英国伦敦，由于冬季燃煤排放的烟尘和二氧化硫在浓雾和中积聚不散，头两个星排放的烟尘和二氧化硫在浓雾和中积聚不散，头两个星期死亡期死亡4000人，以后的两个月内又有人，以后的两个月内又有8000多人死亡。多人死亡。 公害事件：公害
49、事件：四日市哮喘病事件，发生于四日市哮喘病事件，发生于1961年前后的日本四日市，年前后的日本四日市，由于石油化工和工业燃烧重油排放的废由于石油化工和工业燃烧重油排放的废 气严重污染大气严重污染大气，引起居民呼吸道病症剧增，尤其是使哮喘病的发病气，引起居民呼吸道病症剧增，尤其是使哮喘病的发病率大大提高，率大大提高， 50岁以上的老人发病率约为岁以上的老人发病率约为8%，死亡，死亡10多人。多人。 公害事件：公害事件：水俣病事件，发生于水俣病事件，发生于19531956年日本熊本县水俣市，年日本熊本县水俣市，因石油化工厂排放含汞废水，因石油化工厂排放含汞废水， 人们食用了被汞污染和人们食用了被汞
50、污染和富集了甲基汞的鱼、虾、贝类等水生生物，造成大量居富集了甲基汞的鱼、虾、贝类等水生生物，造成大量居民民 中枢神经中毒，死亡率达中枢神经中毒，死亡率达38%，汞中毒者达，汞中毒者达283人，人，其中其中60多人死亡。多人死亡。 公害事件：公害事件：富山痛痛病事件，发生在富山痛痛病事件，发生在19551972年日本富山县神通年日本富山县神通川流域，因锌、铅冶炼厂等排放的川流域，因锌、铅冶炼厂等排放的 含镉废水污染了河含镉废水污染了河水和稻米，居民食用后而中毒，水和稻米，居民食用后而中毒，1972年患病者达年患病者达258人，死人，死 亡亡128人。人。 公害事件：公害事件：爱知米糠油事件，发生
51、于爱知米糠油事件，发生于1968年日本北九州市、爱知县年日本北九州市、爱知县一带，因食用油厂在生产米糠油时，使用多氯联苯作脱一带，因食用油厂在生产米糠油时，使用多氯联苯作脱臭工艺中的热载体，这种毒物混入米糠油中被人食用后臭工艺中的热载体，这种毒物混入米糠油中被人食用后中毒，患中毒，患 病者超过病者超过10000人，人，16人死亡。人死亡。 环境科学-研究内容：自然环境的演化、人与自然的关系及相互作用、环境变化对人类生存的影响、环境污染治理以及自然系统研究等。现代自然科学现代自然科学地球、环境、生态地球、环境、生态现代自然科学现代自然科学生命科学生命科学现代生命科学现代生命科学-概念：包括现代遗
52、传学、分子生物学、生物化学和神概念：包括现代遗传学、分子生物学、生物化学和神经科学等多学科，其中以分子生物学为代表；分子经科学等多学科，其中以分子生物学为代表；分子生物学主要研究大生物学主要研究大 分子的结构及其与功能之间的关分子的结构及其与功能之间的关系。系。-现代遗传学与分子生物学现代遗传学与分子生物学 孟德尔孟德尔1865年发表年发表植物杂交实验植物杂交实验提出两条遗传规提出两条遗传规律：律： 分离定律和独立分配定律。分离定律和独立分配定律。 摩尔根等在摩尔根等在遗传的物质基础遗传的物质基础（ 1919）、）、基因基因理论理论（ 1926）系统论述基因理论）系统论述基因理论 。-DNA双
53、螺旋结构：双螺旋结构：1953，克里克和沃森建立。，克里克和沃森建立。-中心法则，遗传密码，核酸、基因、染色体，转录、中心法则，遗传密码，核酸、基因、染色体，转录、翻译。翻译。现代生命科学现代生命科学-基因是具有遗传效应的基因是具有遗传效应的DNA分子中的一定核苷酸顺分子中的一定核苷酸顺序，是遗传信息贮存、传递、表达、性状分化和发育序，是遗传信息贮存、传递、表达、性状分化和发育的依据。的依据。-转录是指以转录是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成对原则，合成RNA的过程，它是在细胞核内完成。的过程，它是在细胞核内完成。-翻译是指以信使翻译是指以信使
54、RNA为模板，合成具有一定氨基酸为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程，在细胞质中进行。顺序的蛋白质的过程，在细胞质中进行。-中心法则是指遗传信息从中心法则是指遗传信息从DNA传递给传递给RNA，再从再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息传递给蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息在在DNA分子中的复制。分子中的复制。现代自然科学现代自然科学生命科学生命科学生命起源：无机物生命起源：无机物有机小分子有机小分子生物大分子生物大分子多分子体系多分子体系原始生命。原始生命。人类起源人类起源-拉马克拉马克动物学的哲学动物学的哲学，人类由四手类进化，人类由四手类进化而来。而来。-达尔文
55、达尔文人类的由来及性选择人类的由来及性选择，人类由古猿，人类由古猿进化而来。进化而来。-恩格斯恩格斯劳动在从猿到人转变过程中的作用劳动在从猿到人转变过程中的作用，人类发展的四个特殊阶段。人类发展的四个特殊阶段。脑科学、认知科学和人工智能。脑科学、认知科学和人工智能。现代自然科学现代自然科学生命科学生命科学 是对于各种具体科学（如物理学、生物学、化学和社会学等）中的系统进行科学阐述的理论，以及作为适用于一切系统（或其确定的子类）的根本原理的一般系统论。是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系。现代自然科学现代自然科学系统科学系统科学现代自然科学现代自然科学系统科学系统科学一般系统论一般系统论
56、-发展过程：发展的两条线索：发展过程：发展的两条线索： 线索一，贝塔朗菲缘于理论生物学研究，线索一，贝塔朗菲缘于理论生物学研究，19681968年出版年出版一般系统论：基础、发展和应一般系统论：基础、发展和应用用； 线索二，系统分析和系统工程方法，泰勒合线索二，系统分析和系统工程方法，泰勒合理安排工序与理安排工序与“系统工程系统工程”和兰德公司最佳和兰德公司最佳行动方案与行动方案与“系统分析方法系统分析方法”。一般系统论一般系统论-基本概念基本概念系统：存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互系统：存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互作用的要素所构成的具有特定功能的整体。作用的要素所构成的
57、具有特定功能的整体。分类：按组成性质分为自然系统、人工系统分类：按组成性质分为自然系统、人工系统 和复合和复合系统；按时空存在状态分动态和静态系统、稳态和非系统；按时空存在状态分动态和静态系统、稳态和非稳态系统；按与外部环境关系分为开放和封闭系统。稳态系统；按与外部环境关系分为开放和封闭系统。结构：系统内部各要素之间相互联系和作用的方式。结构：系统内部各要素之间相互联系和作用的方式。功能：系统在与外部相互联系和作用过程中所具有的功能：系统在与外部相互联系和作用过程中所具有的行为、能力和功效。行为、能力和功效。基本原则：整体性、层次性、有序性、开放性。基本原则：整体性、层次性、有序性、开放性。系
58、统方法：逻辑维、时间维、知识维。系统方法：逻辑维、时间维、知识维。现代自然科学现代自然科学系统科学系统科学控制论和信息论：研究系统中信息传递以及控制的规控制论和信息论：研究系统中信息传递以及控制的规律以实现系统功能整体优化的目的。律以实现系统功能整体优化的目的。-产生产生维纳，滤波理论和负反馈机制，维纳，滤波理论和负反馈机制，1948年出版年出版控制控制论论。 1948年，申农发表年，申农发表通信的数学理论通信的数学理论。-基本概念：控制（产生原因系统对产生结果系统有基本概念：控制（产生原因系统对产生结果系统有目的的影响干预）；反馈（系统输出通过一定途径目的的影响干预）；反馈（系统输出通过一定途径返回输入端而对系统输入、输出施加影响的过程）；返回输入端而对系统输入、输出施加影响的过程）；信息是控制的基础。信息是控制的基础。-方法：功能模拟、黑箱、信息方法。方法：功能模拟、黑箱、信息方法。现代自然科学现代自然科学系统科学系统科学探索复杂性探索复杂性-普里戈金的耗散结构理论，普里戈金的耗散结构理论，-H哈肯的协同学，哈肯的协同学，-混沌理论，混沌理论，-分形学。分形学。现代自然科学现代自然科学系统科学系统科学
