当代自然科学常识

1、当代自然科学常识 主讲教师 李辉 智 当代现代自然科学研究的三大前沿是基本粒子、天体演化、生命起源。 自然科学的几个重大问题：物质的微观结构、生命的起源与进化、宇宙的起源与演化、智能的本质和脑的工作原理。第一讲 绪 论一 、科学技术及其关系二、科学研究三、科学的分类和体系结构四、科学精神和科学方法五、科学技术是第一生产力一 、科学技术及其关系 科学和技术反映了人类认识自然和改造自然的统一过程的两个不同阶段。（一） 科学 science源于拉丁文scientia，本意为“学问”、“知识”。 日本译为“科学” 1893年康有为引进并使用1、 概念： 科学是反映客观事物本质和运动规律的知识体系 科学

2、是一种特殊形式的社会活动 科学是一项事业，是一种社会建制 . 科学是一种专门的社会职业，具有一定的社会组织形式的社会建制。 2、 自然科学的特征和属性： 科学知识的客观真理性 科学认识形式的抽象性 科学内容的无阶级性 科学活动的探索性 科学理论的解释性和预见性 （二）技术 技术的原意即“熟练”，熟能生巧，巧就是技术。 1、概念：“为某一目的共同协作组成的各种工具和 规则的体系”狄德罗 技术具有五个要点： 目的性 社会协作性 工具、硬件 规则生产使用的工艺、方法、制度等，即软件 成套的知识体系2、技术特征：人对自然和社会的能动关系通过技术的中介作用来实现 3、属性： 自然属性社会属性（三）科学与

3、技术的关系1、区别 职能不同 领域不同 成果的表现形式不同 社会功能不同 管理方法不同2、联系 科学中有技术， 技术中有科学； 科学技术化，技术科学化； 科学技术趋于一体化二、科学研究（一）科学研究的概念 科学研究是指创造知识和整理、修改知识，以及开拓知识新用途的探索工作。（二）科学研究的类型按过程不同，科学研究分为基础研究、应用研究和开发研究。1、基础研究基础研究是指以探索知识为目标的研究2、应用研究应用研究是指利用基础研究的成果和有关知识，为创造新产品、新方法、新技术、新材料等技术基础所进行的定向研究。3、开发研究开发研究是指利用基础研究、应用研究的成果和有关知识，为创造新产品、新方法、新

4、技术、新材料，以及为生产产品或完成工程任务而进行的技术研究活动。三、科学的分类和体系结构（一）横向的部类结构1、自然科学： 2、社会科学3、思维科学4、数 学5、系统科学6、人体科学 （二）纵向的层次结构1、门类结构 ： 分基础科学 技术科学 应用科学（工程科学）三类 2、学科结构（一级学科） 3、分支学科结构（二级学科） （1）基础科学基础科学是以自然界各种物质形态及其基本运动形式作为研究对象的，是整个自然科学大厦的奠基石。 （2）技术科学技术科学是在基础科学理论的指导下，研究其应用，并解决某些专门领域内生产技术和工艺过程中带有普遍性问题的科学。 （3）工程科学工程科学，是应用技术科学的研究

5、成果，解决各种专业生产中的技术、工艺等问题，为生产实践提供方法和手段。（三）体系结构 除横向部类结构、纵向层次结构外，还有各学科各层次的横断学科、边缘学科、综合学科等交织而成的系统。四、科学精神和科学方法（一）科学精神 科学精神可归结为：求实的态度和创新的意识。 （二） 科学方法 科学方法是指在科学研究中所遵循的途径和所运用的各种方式和手段的总称。 1、按适用范围可分为 一般科学方法 特殊科学方法 2、按照应用领域不同分为： 自然科学方法、社会科学方法以及管理科学方法。 五、科学技术是第一生产力1、科学技术具有超前性和先导性作用 19世纪中叶前： 生产技术科学 19世纪中叶后： 科学技术生产2

6、、科学技术是生产力各要素中的主导要素 生产力的乘法效应公式： 生产力 = 科学技术 （劳动者+劳动资料+劳动对象+生产管理） 3、科学技术成为影响经济增长的决定因素（1）高科技提高劳动生产率（2）产业结构高层次化（3）产品科技含量高密化 （4）新科技应用周期缩短4、现代科技成果直接转化为现实生产力 科学技术对生产力的变革作用是直接由科技成果转化为现实生产力。 思考题1. 什么是科学？如何理解科学的涵义？2. 什么是技术？技术具有哪几个要点？3. 科学与技术有何区别和联系？4. 什么是科学研究？它可分为哪几类？5. 简述科学的分类和体系结构。6. 什么是科学精神和科学方法？7. 自然科学的基础理

7、论研究的三大前沿是什么？8. 试述科学技术是第一生产力。地球科学概论一、地球科学及其分支学科 地球科学是系统研究地球物质的组成、运动、时空演化、相互作用及其形成机制的学问。 地学的主要任务有两个：一是寻找和利用资源；二是研究和改造环境，防治自然灾害。 地球科学-理论性与应用性都很强。地球科学分支-目前主要包括地质学、地理学、气象学、水文学、海洋、土壤学、环境地学等学科。地质学地质学是研究地球固体圈层的学科。地理学地理学是研究地球表面的地理环境的学科。 气象学气象学研究地球周围100千米以下，主要是50千米以下大气中所发生的物理现象及其变化过程。 海洋学海洋学研究海洋中发生的各种现象和规律及其相

8、互关系。 二、地球科学的研究方法 (1)野外调查 (2)仪器观测 (3)大地测量 (4)航空、航天和遥感技术 (5)实验室分析、测试与科学实验 (6)历史比较法 (7)综合分析 (8)电子计算机技术应用三、地球的基本状况 地球的起源和年龄 地球的形状及其物理性质 地球的结构和组成（一） 地球的起源和年龄 20世纪40年代兴起了新的星云说，对太阳系的起源作了系统的说明。 根据太阳系起源的星云说，地球的年龄不会超过50亿年。 （二） 地球的形状及其物理性质地球经过长期演化形成了现在的形状。它是一个不规则的扁球体。 地球和类地行星(水星、金星和火星)都存在着磁场。 地球内部储存着巨大的热能，这就是地

9、热。 地球自转引起的离心力和地球引力的合力为地球的重力。（三） 地球的结构和组成地球在演化过程中，形成了自身特有的圈层结构，分为内部圈层结构和外部圈层结构。利用地震波可探测地球内部圈层构造地震波纵波 (p波) 质点振动方向与传播方向一致的波。横波(s波) 质点振动方向与传播方向相垂直的波。面波 (m波) 只在地球表面传播，对固体地球表面的破坏作用最强。1、内部圈层结构 地壳是指地表到莫霍面的岩石 圈的那部分，其厚度变化在5-70 km之间。 地幔是指莫霍面以下，古登堡面以上的部分，深度为352900千米的圈层。 岩石圈是近40年形成的新概念，指地球表面的地壳和软流圈以上的地幔。 地核以古登堡面

10、与地幔分界，位于地球的中心部分，厚度约为3473千米。 2、外部圈层结构 地球除了三个内部圈层以外，还形成了外部三个圈层，即水圈、生物圈（包括人类圈）、大气圈。大气圈 大气圈很厚，自地表垂直向上延伸到数千公里的高空。根据大气的密度、物理性质和运动状态的不同，在垂直方向上可将大气圈分为五层： (1)对流层。 (2)平流层。 (3)中层。 (4)热层。 (5)外逸层。 水圈 水圈是指地球表层由水体构成的连续圈层。生物圈生物圈是指地球表层由生物及其活动地带所构成的连续圈层。人类人类在第四纪初(2500万年前)出现，以其特有的智慧和劳动，通过社会生产和生活的各个方面，对地球表面施加影响，创造新世界，并

11、发展成一个新的圈层人类圈。 3,全球构造理论 大陆漂移学说 海底扩张学说 板块构造学说 （一） 大陆漂移学说德国韦格纳（1880-1930）地质学家、气象学家大陆漂移学说韦格纳注意到南美和非洲之间的海岸线凹凸互相对应能拼合起来，又了解到巴西与非洲有许多生物种属相似，因此开始思索大陆是不是会有长距离的水平移动。 1912年发表了论文大陆水平移动。（二） 海底扩张学说全球裂谷系、洋底热流异常和洋底磁条带这三大发现，产生了海底扩张学说。这是由美国地质学家赫斯(hhhess，19061969)和迪茨(r.s.dietz，1914一)在1961年提出的。他们认为，地幔对流的上升处位于大洋中脊，地幔向两侧

12、分流时把地壳拉开，由此而产生了中央裂谷，地下的岩浆在中央裂谷处溢出，凝固形成新的洋底地壳，洋底地壳不断生成并且受到地幔流的拖曳，持续地向两侧扩张。洋脊两侧对称的岩石磁化条带 地质学证据 剑桥大学的爱德华.布拉德、j.e埃弗列特和a.g.史密斯用计算机做过大陆拟合的最佳化与误差检验。拟合的边缘部分不吻合平均值不超过一度。拟合处是沿大陆坡（浅灰区域）500浔的等深线。白色是缝隙处，黑色是重叠处。 （三） 板块构造学说 板块构造学说的基本思想是：在固体地球的上层，存在比较刚性的岩石圈及其下伏的较塑性的软流圈； 地表附近较刚性的岩石圈可划分为若干大小不一的板块，它们可在塑性较强的软流圈上进行大规模的运

13、移； 海洋板块不断新生（增生），又不断俯冲、消减到大陆板块之下四、地球的资源 自然资源的类型 土地资源、矿产资源、水资源、大气资源、生物资源、海洋资源1、土地资源 土地的概念：岩石圈上的陆地表面。 包括了土壤、岩石、地貌、气候、水文、植被以及人类活动等多方面的内涵。 地球上仍有一半以上的土地处于原始的天然状态。保护耕地，任重道远 开拓新的耕地，常以毁坏原有的森林为代价，近年来巴西热带雨林的破坏，最为明显。 土地及整个资源问题的最终解决，关键还在人口的控制。2、矿产资源 矿产资源是指岩石圈内技术上可行、经济上有利用价值的这部分物质（元素、矿物、岩石）。 矿产是在漫长的地质作用过程中形成的，对于人

14、类而言，属于不可再生的资源。矿产资源类型 按照所含可利用成分并参照其用途，常分为以下种类： 金属类：黑色金属类、有色金属类、贵金属类、稀有金属类等； 非金属类：建材类、宝玉石类等； 能源类：煤、石油、天然气、泥炭和油页岩等。中国矿产资源 我国的矿产资源总量占世界第3位；人均拥有量仅及世界的58%，排名第53位。 但是，铬、铂、钴、钾盐、天然碱、金刚石等矿种严重短缺。3、水资源 一般指地球上以液态形式存在于地面及埋藏在地下不太深处的淡水。 其中地面上的淡水按质量计，不及地球水圈总质量的0.01%，浅层地下水的量比较多一些，二者共计0.3% ，如把冰川和深层地下水算进去，则可占2.6%。 全都来自

15、大气圈中降水。世界水资源紧缺 随着人口的增长，生活用水随之增加； 目前世界上有4.5亿人处于缺水状态。因水国家之间常常发生纠纷，21世纪国家为水而战的可能性在增加。中国的水资源中国水资源拥有量居世界第6位，但人均拥有量仅及世界平均的1/4左右，属于贫水国家。水力资源地球上水力可以推动的装机容量约有22.6亿千瓦，已开发约30%，一年生产的电力可达23亿度，约占全球年发电量的1/5。4、大气资源 是指大气圈中可以被人利用的物质及其产生的能量和占有的空间。 人不能离开大气生存。 气候资源：光资源、热量资源和水份资源，气候资源是能够转化为财富的。 大气中电离层的存在，是我们传送无线电短波所必需的物质

16、环境。5、生物资源 动物资源：陆栖野生动物资源、内陆渔业资源、海洋动物资源。 植物资源：森林资源、草地资源、陆地野生植物资源。6、海洋资源 指从海水到构成海底的岩石，从海滨到大洋，具有经济价值的物质，包括海洋生物、海底矿产、海水、海洋能源、港口等资源。 开发海洋的能力提高，海洋作为资源的价值也日益显著，其远景大大超过陆地。 国际海洋法公约的规定，我国管辖的海域面积，相当于我国领土面积的1/3。海底矿产资源 主要有石油和天然气。 海底石油的储量估计约占全球石油可能储量的1/3。 1996年我国海洋石油产量已达1300万吨，天然气的产量为28.6亿立方米。虽属起步阶段，但前景宏伟。海水资源 海盐：

17、满足了全国近半数人口和80%的工业用盐的需求。 从海水中可提取氯化镁、溴化钾、硫酸镁、硫酸钠、氯化钙、氯化钾，以及核能的重水。 海水转化成淡水。海洋能源 潮汐能、波浪能、海流能，和温度、含盐度差异而引起海水运动所产生的能量。 据联合国教科文组织估计，技术上有可能利用的海洋能源为64亿千瓦，约为目前世界发电装机总容量的1倍。港口资源 海洋作为一种运输通道，比陆路运输和航空运输更便宜。 港口是一个国家对外交往的窗口，也常成为霸权国家对外扩张的基地。7、资源的未来 随着人口不断增长，多种资源日见匮乏，会不会坐吃山空？ 人类社会经济的发展是不是正在走向终结？悲观论点 1972年发表的研究报告增长的极限

18、 列举了人口、工业化的资金、粮食、不可再生资源和环境污染等五个方面的问题。 结论是在一定的技术经济和自然条件下，社会经济的发展和资源的开发都是有极限的。 悲观论：由于这个报告是根据大量实际材料作出的论证，因而引起了强烈的反响，被学术界权威人士评价为是“一个里程碑”。乐观论点 西蒙（c. l. simon）为代表的乐观论者。1981年发表的研究成果资源一书。 内容和结论： 可供人类利用的资源是没有穷尽的，资源的相对劳动成本及价格均在不断降低，人类的生态环境必将好转， 恶化只是工业化过程中的暂时现象，粮食在未来将不成问题，人口在未来将自然地达到平衡。思考题1.地学的主要任务是什么？2.地学的主要分

19、支学科有哪些？它们分别研究的内容是什么？3.地学的研究方法有哪些？4.试述地球的结构。5.全球构造理论包括哪几个理论？6.大陆漂移、海底扩张的证据有哪些？7.简述板块构造学理论。8.地球的资源包括哪些？9.试述海洋资源的主要内容。纳米技术及应用一、纳米与纳米技术1纳米 w 纳米（nanometer）长度单位 nano是十亿分之一的意思 1纳米是1米的十亿分之一，记作nm 2. 纳米技术(nanotechnology)w 纳米结构： 是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米技术是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。 3. 纳米技术的提出提出纳米技术概念的科学

20、家费曼（1918 1988）r.p.feynman 4. 纳米技术的实现与发展w 直到放大倍率达千万倍的扫描隧道显微镜（stm）发明后，纳米技术才真正成为一门科技技术。w 从20世纪90年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。5扫描隧道显微镜(stm)1981年，美国ibm公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(g.binnig)和罗海雷尔(h.rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope) ”简称stm 。w 宾尼希博士于 19

21、78 年加入了 ibm 公司苏黎士研究实验室的一个物理研究小组。w 1987 年时，宾尼希博士被提名为 ibm 公司的杰出研究人员 （ibm fellow）。w 罗雷尔博士（heinrich rohrer） 罗雷尔博士于 1960 年完成博士后研究之后，随即加入 ibm 新成立的苏黎士研究实验室，从事 kondo 材料、反铁磁体（antiferromagnets）以及其它方面的研究工作，接着便把研究重心转向扫瞄式穿隧显微镜。w 1986 年时，罗雷尔博士被提名为 ibm 公司的杰出研究人员（ibm fellow），并且在 19861988 年间担任 ibm 公司苏黎士研究实验室的物理科学部门经

22、理，罗雷尔博士于 1997 年 7 月从 ibm 公司退休。我国的纳米先锋为期十年的“纳米科学攀登计划”和一系列先进材料的研究计划是核心活动。已投入经费约数千万元人民币。（1）势垒w 在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：（2） 隧道效应假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。（3） stm的工作原理w 将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流”，这种效应就是隧道效应。w stm工作时的特点利用针尖

23、扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。（4） stm的结构w stm主要由stm主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。二、纳米操纵技术1 、纳米级微加工后的表面w 应用隧道效应，用stm可以人为操作表面w 中国科学院化学所用自己研制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并刻写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。w 中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图2、 移动氙原子1990年4月，美国ibm公司的两位科学家在用stm观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用stm针尖移动吸

24、附在金属镍表面上的氙原子，得到下图所示的情况3、移动硫原子1991年6月初，日本日立中心研究室的科技人员利用stm从二硫化钼晶体表面上把硫原子有规律的轰击出来，留下的空位则组成了英文“peace91”的字样，并附有日立中心实验室的字头缩写。4 、移动铁原子w 1993年，美国科学家在低温下，用stm针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形w 而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。5 、移动一氧化碳分子1991年2月ibm公司用stm针尖移动吸附在金属铂表面的一氧化碳分子，描绘出“一氧化碳人”，其身高为5纳米。w 应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个dna链

25、完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出“dna”三个字母三、纳米材料的奇异特性各种纳米材料的特性莲花叶子表面的自我洁净鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。不用洗涤剂的纳米服装w 2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等相继出现。具有易洁纳米涂层的陶瓷摔不碎的纳米陶瓷强度比常规铜高5倍纳米铜纳米材料的应用与展望w 电子和通讯全媒体存储器；平板显示器；w 纳米医疗纳米结构药物；微型机器人；w 化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；w 能源新型电池；氢燃料安全存

26、储；w 制造工业微细加工；微型机器；w 飞机和汽车无须洗涤的油漆；不燃塑料；w 航天轻型航天器；w 环境保护纳米膜；纳米存储器；开关；未来的理想超级纤维碳纳米管碳60和巴基球w 1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，意外地发现了c60。碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管纳米技术发展的五个阶段w 以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段：1. 第一阶段 准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。2. 第二阶段 生产纳米结构物质。3. 第三阶段 大量制造复杂的纳米结构物质。4. 第四阶段 纳米计算机的实现。

27、5. 第五阶段 科学家们将研制出能够制造动力源和程序自律化的元件和装置，促进高效的人工智能进入实际应用阶段思考题1. 什么是纳米结构？什么是纳米技术？2. 简述stm的工作原理及其工作特点。3. 简述纳米材料所具有的特性。4. 试述纳米技术对我们未来生活的影响。数学概论 主要内容 数学的产生和发展 数学的特点 数学的分类 现代数学的基础课程 现代数学中的新理论一、数学的产生和发展 数学的产生 数学的发展 （一）数学的产生 数学是研究客观世界中的数量关系和空间形式的科学。 数学上的数和形这两个基本概念，是人类通过长期实践活动，从现实世界中抽象、概括出来的。 （二）数学的发展 数学的发展大体可分三

28、个时期： 第一时期从公元前六世纪到十七世纪是初等数学时期第二时期 从十七世纪初到十九世纪初，是变量数学时期。这一时期最重要的成就是出现了解析几何和微积分 。 第三时期 从十九世纪到现在，可称为现代数学时期。这个时期最重要的成就有非欧几何、群论、泛函分析等。（三）数学的危机 数学史上曾有过三次“危机”： 第一次“危机”发生在公元前的古希腊，这次“危机”导致了“无理数”的发现。 第二次“危机”与微积分的发明相关，即无穷小的运算。 第三次危机罗素悖论。二、数学的特点 关于数学的特点，一般都用苏联a.d.亚力三大洛夫的“三性”进行概括，即：高度的精确性高度的抽象性应用的广泛性三、数学的分类 就数学和现

29、实生活的联系来说，可分为两大类，即纯粹数学和应用数学。（一）纯粹数学 纯粹数学研究从客观世界中抽象出来的数学自身的规律、内在联系及数学理论的公理化、系统化和形式化等问题。 它大体上分为三大类，即 研究空间形式的几何类; 研究离散系统的代数类; 研究连续现象的分析类。（二）应用数学 应用数学是研究如何从现实问题中抽象出数学规律以及如何把已知的数学规律应用于现实问题的。 包括数理方程 、运筹学 、概率论与统计学 、计算数学 。四、现代数学的基础课程 现代数学的基础课程正在更新。 “老三高”：以“高等微积分”、“高等代数”、“高等几何”为主体。 “新三高”，即抽象代数、拓扑学和泛涵分析。 现代数学理

30、论是由“新三高”这三根支柱撑着的。 （一）抽象代数 抽象代数以代数结构为中心，包括象群论这类带有一种或几种运算的代数系统，如群论、环论、域论、模论等。（二）拓扑学 拓扑学是研究几何图形连续性的数学。其基本思想可源于法国数学家h.庞加莱(poincare,18541912)于1896年所写的位置分析。（三）泛函分析 现代数学中还有一个常用的方法，即把一个个函数看作一个个“点”，而把某类函数的全体看作一个“空间”，函数间的相异程度看作“点”之间的“距离”，由此得到了各种无穷维的函数空间。 这就是分析类数学中的泛函分析。五、现代数学中的新理论 目前，在国际上比较引人注目而且正在讨论和研究的，有模糊数

31、学、非标准分析、突变理论等。（一）模糊数学 模糊数学（fuzzy mathematics）是研究和处理模糊性现象的数学分支。 模糊数学的研究可分三个方面：一是研究模糊数学的理论，以及它和精确数学、统计数学的关系；二是研究模糊语言和模糊逻辑；三是研究模糊数学的应用。 （二）非标准分析 非标准分析是利用数理逻辑方法来探讨和刻画微积分的理论基础无穷小。 在非标准分析里，使无穷小成为新的超实数集合。 从“宏观”上看，超实数集合的数轴与实数集合的数轴一样。但是从“微观”上看并不相同，在超实数轴上的每一点内，有许多非标准实数。（三）突变理论 突变理论主要以拓扑学、奇点理论为工具，并通过对稳定性结构的研究，

32、说明了有的事物不变，有的渐变，有的则是突变，从而提出了一系列的数学模型，用以解释自然界和社会现象中所发生的不连续的变化过程。 思考题 1、数学的发展 经历了哪几个时期？ 2、数学史上曾有过几次“危机”？ 3、数学有哪些特点？ 4、纯粹数学分为哪三大类？ 5、应用数学主要有哪些学科？ 6、现代数学的“新三高”是什么？ 7、现代数学中的新理论主要有哪些？ 8、数学中的最高奖是什么？天文学 内容l 天文学的研究对象和方法l 天文学的分支学科l 宇宙概观l 天体的辐射一、天文学的研究对象和方法1、天文学的研究对象2、天文学研究的特点3、天文学的研究方法4、国内天文台站介绍5、世界最先进的望远镜1、天文

33、学的研究对象l 天文学研究对象是宇宙及其中的天体和各种形态的物质。l 天体是指太空中的一切实体，包括自然天体和人造天体；各种形态的物质是指行星际、星际和星系际的弥漫物质和各种微粒辐射流以及作为物质存在形式的电磁场和引力场等。2、天文学研究的特点l 观测（观察和测量）是主要的研究手段。l 研究对象距离远，时标长，物理条件极端复杂（密度、温度、压强、磁场） 从“一瞬”来研究“一生”，即利用天体的空间广延性与时间广延性相统一的特性，来研究天体和宇宙的演化。3、天文学的研究方法天文学的研究方法试验理论探讨观测陨星登月古代的纯肉眼观测光学望远镜射电望远镜空间探测肉眼分光测光照相ccd 天文学的观测工具光

34、学天文望远镜天文学的观测工具射电望远镜hubble space telescope 4、国内天文台站介绍1）国家天文台 ：于2001年4月成立 在原北京天文台（1958年建）基础上建立 下属单位有： 云南天文台、 南京天文光学技术研究所、 乌鲁木齐天文站和 长春人造卫星观测站。 2）紫金山天文台 3）上海天文台 由于历史悠久，并在国际上有较大的影响，继续保留中国科学院直属事业单位的法人资格，学术上受国家天文台的宏观协调和指导。4）陕西天文台 - 国家授时中心 我国的光学望远镜名称与口径 天文台 地点2.16米望远镜 国家天文台(总部) 河北兴隆1.5米望远镜 上海天文台 上海佘山1.26米望远

35、镜 国家天文台(总部) 河北兴隆1.2米望远镜 国家天文台(云南) 云南昆明1.05米望远镜 陕西天文台 陕西临潼 1.0米望远镜 国家天文台(云南) 云南昆明太阳磁场望远镜 国家天文台（总部） 北京怀柔 世界上的大望远镜 1、美国于1992年，1996年建成的两个10 米口径的凯克i 和凯克ii号望远镜，其联合干涉观测相当于一架口径14米望远镜的威力。 2、欧南天文台(eso)建造的超大望远镜(vlt)，由4架口径8米的望远镜组成(=16m)； 3、美国、英国等六国联合建造的双子座望远镜由两个8 m 望远镜组成，于1998年完成一架，第二架于2000年完成。 4、日本的8.2m 昴星团望远镜

36、也已投入使用。二、天文学的分支学科古代天文学家，对太阳、月亮和星星的位置及其位置随时间和季节变化规律的研究，从而诞生了天文学的最早分支学科天体测量学。 天体测量学 球面天文学 方位天文学 实用天文学 天文地球动力学摄动理论天文动力学定性理论形状和自转理论 天体力学 数值方法历书天文学三、宇宙概观1、宇宙的概念2、物质的层次结构1、宇宙的概念 天文学所称的宇宙是广漠空间以及其中存在的各种天体和各种形态的物质的总称。现有的观测表明：我们所处的宇宙是平坦的、并在做加速膨胀。2、物质的层次结构（微观、宏观和宇观）地月系和卫星系统太阳系、恒星和行星系统恒星集团l 恒星有集群的趋向。l 最简单的恒星系统是

37、两颗相互绕转的双星，质量大的是主星，质量小的是伴星。两子星之间除引力作用之外，还有更密切的物理联系，比如物质交换。l 有两颗以上恒星组成的恒星集团称为聚星，也成为多合星。l 当在一起绕转的恒星超过十颗时称为星团。星团成员对于周围的场星通常有整体的运动。星团分为球状星团和疏散星团。银河系和星系l 星系是包含了几亿至几十亿颗恒星以及无数双星、聚星、星团的庞大恒星系统。太阳所在的星系成为银河系。l 河外星系按形态大致分为旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系和不规则星系。银河系是一个漩涡星系。银河系和星系星系集团l 星系也有结团的现象，其结团的倾向比恒星更为强烈，在已发现的数十亿个河外星系中，很少是单独存在的

38、。l 两个互相有联系的星系成为双重星系，三五个或十来个在一起运动的星系称为多重星系，而10100个星系组成的星系集团称为星系群。l 四、天体的辐射l 天体的信息是由天体辐射传来的。这些辐射或是天体本身发射的，或是天体反射及散射的其它天体的辐射。天体的辐射电磁辐射粒子辐射引力辐射（一）电磁辐射和大气“窗口”2、电磁辐射的分类电磁辐射无线电波(射电) 波长大于1mm红外线 0.77m1000m 长波可见光 770nm390nm紫外 390nm10nmx射线 1000.1 短波射线 小于0.13、大气“窗口”l 大气“窗口”主要有两个： 光学窗口：300nm700nm 射电窗口：1mm20m，但毫米

39、波段有水气和二氧化碳的一 些吸收带。 此外，在红外波段除了一些水汽和二氧化碳的吸收带外还有几个小窗口。（二）粒子辐射和引力辐射l 粒子辐射指太阳的高能粒子流及宇宙的高能粒子流（宇宙线），包括质子（氢原子核）、粒子（氦核）、少量其它元素（锂、铍、硼、碳、氦、氧等）的原子核及电子、中微子（又称为初级宇宙线），而它们地球大气作用后的粒子及作用中产生的各种粒子称为“次级宇宙线”。 l “引力辐射”或“引力波”是广义相对论预言存在的、以波动形式传播引力场。思考题1、天文学的研究对象是什么？2、天文学的特点有哪些？3、天文学的研究方法有哪些?4、简述天文学观测工具的变迁.5、我国有哪几个天文台？它们分别有

40、什么特点？ 6、试举例说明世界上的大望远镜有哪些？7、简述天文学有哪些分支学科？8、简述天文学中宇宙的概念。9、简述物质的层次结构。10、天体的辐射包括哪些辐射？11、简述太阳的起源和演化。12、按不同类型恒星的最终结局有哪几种？13、试述宇宙、太阳系、生命、人类诞生的年代。物理学概论主要内容 物理学的研究对象及其概况 物理科学的五次理论大综合 相对论 量子力学 物质结构一、物理学的研究对象及其概况（一）物理学概况 “物理学”原词出于希腊文hkdny，意即“自然”。1. 物理学的发展(1) 经典物理学时期 19世纪末以前 经典物理学是指19世纪以前发展得比较完整的研究宏观物理现象的各个物理部分

41、。经典力学 经典力学研究宏观物体在低速运动时的现象和规律。 适用范围：低速(v10-6米) 经典力学中有4个基本的物理概念：空间、时间、质量和力。(2) 近代物理学时期 19世纪末至今 a) 狭义相对论 b) 量子力学2.物理学的发展经历了几次大飞跃： 第一次飞跃出现在17、18世纪，主要是牛顿力学与热学的建立和发展。 第二次飞跃出现在19世纪，主要是建立了经典电磁理论，开始了工业电气化的进程，并出现了电话和无线电通讯。 第三次飞跃是从19世纪末至20世纪初，由于x射线、天然放射性和电子的发现，导致了相对论与量子力学的建立。（二）物理学的研究对象和方法物理学是研究自然界物质结构，以及物质运动的

42、最基本、最普遍的规律的一门自然科学。物理学的研究方法物理学研究的方法是观察、实验、假设和理论。 二、物理科学的五次理论大综合英国物理学家牛顿(s.i.newton16421727)把物体运动规律概括为三条运动基本定律和万有引力定律，建立了一个完整的力学理论体系，完成了物理科学的第一次理论大综合。物理科学的五次理论大综合 19世纪30年代到40年代，英国物理学家焦耳(j.p.joule 18181889)、德国医生迈尔(j.r.mayer l8141878)等发现了能量守恒与转化定律，实现了物理科学的第二次理论大综合。物理科学的五次理论大综合 1864年英国物理学家麦克斯韦(j.c.maxwal

43、l l8311879)建立电磁理论，实现了物理科学的第三次理论大综合。物理科学的五次理论大综合德国物理学家爱因斯坦分别于1905年和1916年创立的狭义相对论和广义相对论，是物理科学的第四次理论大综合。 物理科学的五次理论大综合德国的海森伯(wkhelsenberg l9011976)、奥地利的薛定锷(f.schrodinger 18871961)等人于19231926建立了量子力学体系，完成了物理科学的第五次理论大综合。三、相对论 相对论是现代物理学的理论基础之一，它主要是关于物质运动与时间、空间关系的理论。（一）狭义相对论的产生 麦克斯韦电磁理论与经典力学的分歧，导致了相对论的产生，实现了

44、时空观念的飞跃。（二）狭义相对论狭义相对论是有关时空的理论。这个理论揭示了时空的相对性。 1、狭义相对论的基本假设 1905年，爱因斯坦创立了狭义相对论，提出了狭义相对论的两个基本原理： 第一， 狭义相对性原理: 所有的物理规律在不同的惯性参照系中是一样的 第二， 光速不变原理: 光在真空中的传播速度，在所有参照系中均相同。 2、 狭义相对论运动学的核心 洛仑兹变换 3、狭义相对论的一系列效应 （1） “时间膨胀效应” 对于静止的观察者来说，运动着的时钟会变慢“时间膨胀效应”。（2）同时的相对性“时间膨胀效应”的公式还表明：两个事件在一个坐标系中观测如果是同时发生的（即时间差为零），则在另一个

45、坐标系中观测未必同时（时间差不为零），“同时性”也是相对的。（3）物体在运动方向上的缩短如果运动的宇航员把一根直尺沿运动的方向拿着，那么，静止的观察者会发现运动的尺子会缩短。（4）物体在运动坐标系中质量增加相对于静止观察者作高速运动的物体质量变大。其数学表述如下： （5）质能间的转换 物质可以转化为能量，能量也可转化为物质。质能间转换的表达式为 ： （三）广义相对论 广义相对论是爱因斯坦在1916年创立的。 广义相对论有两条基本原理： 第一，广义相对论原理自然规律对于任何参照系而言都应具有相同的数学形式。 第二，等效原理匀加速参照系与均匀引力场中静止的参照系等效。 广义相对论有引力使时间变慢的

46、效应。 爱因斯坦预言的这种时间变慢效应被称为引力红移。 广义相对论圆满地解释了水星近日点的进动问题，作出了光线在引力场中的弯曲、引力红移、雷达回波延迟等预言。 四、量子力学 量子力学是一门研究微观粒子(如电子、原子、分子等)运动规律的理论学科。 （一）量子论的提出 量子概念是德国物理学家普朗克(max karl ernst ludwig planck，1858一1947)首先提出的。 能量单元称为“能量子”或“量子”。量子的能量e为e=h其中h为普朗克常数，为电磁波频率。 （二）爱因斯坦的光量子论和光电效应 光电效应是指金属因受到光的照射而在其表面有电子逸出的现象。 1905年爱因斯坦解释光电

47、效应时，提出了光量子（光子）的概念。 （三） 德布罗意的物质波理论法国物理学家德布罗意(1892一1960)于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。 （四）量子力学体系建立 1923年德布罗意提出了物质波理论后，德国物理学家海森堡(19011976年)于1925年5月建立了矩阵力学。 奥地利物理学家薛定锷(18871961年)于1926年1月得出了薛定锷方程，建立了波动力学。 量子力学给出了微观粒子的运动规律。 量子力学是所有试图从微观水平了解物质的一切性质和现象的必要基础。五、物质结构 （一）原子世界 十九世纪末（1897），汤姆孙（jjthomson）发现了电子，这是人类认识的第一个

48、基本粒子。n 发现电子的意义是：1. 肯定了阴极射线是带负电的粒子；2. 揭示出原子内部含有带正电的部分和带负电的部分； 1. j.j.汤姆孙的葡萄干蛋糕模型 “电子浸浮于均匀连续正电球体中”模型（ 1904 ） 模型成功之处a. 解释了原子电中性；b. 解释了原子为什么会发光；c. 据此模型可以估计原子的大小为10-8cm 模型缺陷所在a. 关于正电荷在原子内的分布情况的猜测2. 粒子散射实验与卢瑟福的原子有核模型 模型成功之处a. 解释了a粒子散射实验；b. 揭示了带正电的原子核的存在； 模型缺陷所在a. 无法解释原子的稳定性b. 无法解释原子的线状光谱3. 玻尔的原子结构模型 n-玻尔（

49、niels bohr 18851962） 丹麦物理学家1913年玻尔建立在原子有核模型基础上玻尔作出了两个基本假设： 第一，原子内部的电子在绕原子核旋转时，只能在一些特定的轨道上运行。 第二，电子从较高能级（能量为e2）跃迁到较低能级（能量为e1）时，它将发出一定波长的光，其光辐射的能量（hn）恰好等于这两能级的差值。即 v为光辐射的频率。玻尔模型成功之处与缺陷所在 模型成功之处：解释了原子的稳定性；说明了原子的线性光谱； 模型缺陷所在：不能说明多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构。对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。（二）基本粒子 “基本粒子”就是物质的基本单元 。 基本粒子这个名称只是反映

50、了人们曾经以为它们就是物质的最基本的层次。正电子与反粒子的发现正电子的发现：它是先有预言，然后才被发现。(1). 狄拉克的预言. 狄拉克在1930年就从理论上预言了自然界中存在有反电子。(2).正电子的发现. 1932年美国物理学家安德森（19051991）发现了正电子。(3). 其他反粒子的发现. 在1955年，发现了反质子。 1959年，发现了“反西格马负超子 。 （三）基本粒子的分类粒子主要有两大类，即：物质粒子构成物质的主要成分规范粒子作用力的传递者即粒子可分为费米子与玻色子两类。 费米子之间的玻色子的来回往返，产生了我们观察到的力。自然界中存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互

51、作用、强相互作用和弱相互作用。 （四）粒子的内部 那些直接参与强相互作用的粒子统称为“强子”，它们约占已发现粒子总数的95%，中子和质子即是强子。 1强子的结构模型： 强子是有内部结构的。 1964年美国物理学家盖尔曼提出所有已知的强子都由三种更为基本的“积木块” “夸克”堆积而成。2夸克 夸克是一种象点一样的物体，没有内部成份。 夸克包括：“上夸克(u)”、“下夸克(d)”、“奇异夸克(s)”、粲夸克(c)、底夸克b和顶夸克(t) 。 夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。 一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成思考题 1.物理

52、学的发展经历了几次大飞跃?物理科学有哪五次大综合？ 2.经典力学的基本概念有哪些？ 3.麦克斯韦的电磁理论的基本内容是什么？ 4.狭义相对论原理的应用会导致哪些效应 ？质能关系式的物理意义是什么？ 5.广义相对论的主要内容是什么？ 6.量子力学的研究对象是什么？量子力学对我们现代社会有什么影响？ 7.电子是怎样被发现的？这一发现的意义是什么？ 8.简述关于原子结构的三种模型及其成功之处和缺陷所在。 9 .试列举一些你所知道的基本粒子。 膃芄蚂袀芅葿薈衿肅节薄袈膇薈蒀袇芀莀蝿袇罿薆蚅袆肁荿薁羅膄薄蒇羄芆莇螆羃羆膀螂羂膈莅蚈羁芀芈薄羁羀蒄蒀羀肂芆螈罿膅蒂蚄肈芇芅薀肇羇蒀蒆肆聿芃袅肅芁蒈螁肅莄莁蚇肄肃薇薃蚀膅莀葿虿芈薅螇虿羇莈蚃螈肀薃蕿螇膂莆蒅螆莄腿袄螅肄蒄螀螄膆芇蚆螃艿蒃薂螃羈芆蒈袂肁蒁螇袁膃芄蚂袀芅葿薈衿肅节薄袈膇薈蒀袇芀莀蝿袇罿薆蚅袆肁荿薁羅膄薄蒇羄芆莇螆羃羆膀螂羂膈莅蚈羁芀芈薄羁羀蒄蒀羀肂芆螈罿膅蒂蚄肈芇芅薀肇羇蒀蒆肆聿芃袅肅芁蒈螁肅莄莁蚇肄肃薇薃蚀膅莀葿虿芈薅螇虿羇莈蚃螈肀薃蕿螇膂莆蒅螆莄腿袄螅