自然科学发展基础.ppt

第一章 自然的探索 第一节 自然科学发展的历史轨迹 一、古代自然科学 1古埃及 天文、数学、建筑 金字塔,2. 古巴比伦文明 a. 天文、建筑 汉莫拉比法典 b. 空中花园 空中花园在公元前600年建成，是一个四角椎体的建设，高达25米,3. 古印度文明 古印度是人类文明的发源地之一，在文学、哲学和自然科学等方面对世界文明作出了独创性的贡献。在自然科学方面，最杰出的贡献是发明了目前世界通用的计数法,创造了包括“0”在内的10个数字符号。,4. 古希腊的科学 古希腊的许多自然科学知识，已发展到一个较高的水平，但还没有从哲学的体系中分离出来。古希腊的学者大多数既是哲学家又是科学家。 泰勒斯：不仅在实际测量中应用有关知识，而且最早把一些测量技术所依据的几何原理抽象出来。,毕达哥拉斯：在泰勒斯的基础上，发现了更多的几何命题，如著名的毕达哥拉斯定理(勾股定理)、“三角形内角和等于两个直角”等。 柏拉图：是第一个把严密推理法则加以系统化的人，为其后的欧几里德几何学奠定了直接的基础。,亚里士多德：在科学史上的最大功绩，在于他开始从对自然界的观察中去寻找对自然的认识，并以此为依据在分类的基础上进行概括，从而创造了一个全新的知识体系，其中包括“三段论”为中心的形式逻辑。 阿基米德：有“物理学之父”的美称，建立了阿基米德静力学，为16世纪以后的近代科学实验奠定了方法论的基础。,5古代中国的科学技术 最能代表古代中国科学技术总体水平的当数天、农、医、算四大实用体系。 中国天文学发展的独到之处： (1) 完善的历法授时制度。 (2) 准确的天象观测记录。 (3) 先进的天文测量仪器。,中国古代农书之多为世界之冠，据统计约有370多种。其中最著名的有南北朝贾思勰的齐民要术，南宋陈甫农书，元代王祯的农书，明代徐光启的农政全书等，都是各个时期农业生产技术的总结。,中国传统医学自成体系，其中最重要的文献有春秋战国时期成书所写的黄帝内经和东汉张仲景所著的伤寒杂病论等。 汉代的神农本草经和明代李时珍的本草纲目堪称经典之作。 中国数学形成了以计算见长、解决实际问题为特色的数学体系。以九章算术为代表的“算经十书”是不朽的数学名著。,二、近代自然科学的发展 1近代自然科学的诞生 波兰自然科学家哥白尼的不朽著作天体运行论把自然科学从中世纪神学中解放出来，彻底推翻了自古以来人们一直信奉的亚里士多德和托勒密的“地球中心说”，建立了科学的“太阳中心说”天文学体系，从而奏响了“科学革命”的序曲，标志着近代科学从此诞生。,伽利略的贡献在于既把实验提高到真正科学的水平，又把实验方法与数学方法成功地结合起来，成为首开近代科学研究方法的第一位学者。他的工作标志着近代科学已成为独立的知识部门，并从哲学中分化出来，这在科学史上具有划时代的意义。伽利略本人也当之无愧地被人们誉为“近代科学之父”。,培根和笛卡尔是欧洲的思想家、科学方法论的首创者。 培根提倡观察、实验、经验、归纳、总结、分析、发现真理、验证真理的新三段思想方法。他主张实现“学者与工匠的结合”，强调工艺与学术两大传统的渗透，提出“知识就是力量”的口号，他的思想至今仍有现实意义。,笛卡尔从理性直觉出发，强调演绎法和数学方法的作用，他的理论正好弥补培根轻视数学演绎法的不足。他的名著方法论和哲学原理，对后世科学家和科学研究都产生了很大的启发和影响。,2近代自然科学革命的突破 (1) 天文学革命 (2) 医学生理学革命 (3) 经典力学的建立,三、现代科技发展趋势 1科学技术经历了全面空前的革命 a.物理学领域:三大发现、原子核物理学、相对论、 b.化学领域:分子工程学 c.生物学领域:分子生物学、遗传工程 2科学技术发展的综合化 3.自然科学与社会科学相结合,第二节 自然科学研究的基本方法 一、 选题、实验计划的制订 1科研选题 选题一般要做好两方面的工作： a. 调查研究 b. 作开题报告，请专家评审和获得经费支持,2实验计划 a. 确定实验目的 b. 明确指导理论 c. 选定实验方法、步骤 d. 配备实验器材 e. 实验记录 f. 结果处理,二、观察、实验方法 1观察 a.定性观察和定量观察 b.直接观察和间接观察 2实验 直接实验 b. 模拟实验,三、观察、实验结果的整理和总结 1逻辑思维 a. 判断 b. 推理,2逻辑思维的基本方法 a. 比较-分类法 b. 分析-综合法 c. 归纳、演绎法 3直觉和灵感 4数学方法 5假说及其检验,第三节 科学、技术、社会 一、科学、技术及其相互关系 1科学的概念 a. 科学是事实和规律在人们头脑中的反映 b. 科学是反映客观事实和规律的知识体系 c. 科学提供科学的世界观、态度和方法 d. 是人类认识自然与社会从而利用自然、改造社会的武器和工具,2.技术的概念 技术是为某一目的的共同协作组成的各种工具和规则体系 3.科学与技术的区别与联系 a. 目的任务不同 b. 研究目标不同 c. 成果形式不同 d. 社会功能不同 E. 管理方法不同,二、科学教育 1.对科学技术认识的三次飞跃 a.知识就是力量 b.科学技术是生产力 c.科学技术是第一生产力 2. 努力增强全社会的科技意识 3. 科学教育的丰富内涵 科学知识、科学精神、科学态度、科学方法,第二章 揭开宇宙之謎 第一节 宇宙概观 一、地心说与日心说 1. 公元2世纪希腊天文学家托勒密的地心体系 2. 波兰天文学家哥白尼提出了日心说 二、自然界中一些重要量值的数量级 1. 天体与宇宙 2. 基本粒子 三、太阳系与银河系 四、河外星系,五、 现代宇宙学的诞生,1.爱因斯坦的宇宙模型 1916年，爱因斯坦(AEinstein)提出了广义相对论。1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，得到了一个有限无界的静态宇宙模型，揭开了现代宇宙学研究的序幕。,2.宇宙膨胀的证据 1924年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止的状态，就像在太空中向四面抛出一把石子，要么继续分散开去，要么在相互引力的作用下聚拢回落，不可能在某个中间位置保持相对静止一样。,1929年天文学家哈勃观测到大多数星系光谱具有红移现象，其红移量大致与星系的距离成正比。哈勃的这一发现为弗里德曼宇宙模型提供了直接了观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念，为进一步研究宇宙的起源和演化扫清了道路，是20世纪天文学最重要的成就之一。,3.宇宙起源的“大爆炸理论” 20世纪40年代，伽莫夫(GGamov)创建了 “大宇宙爆炸理论”。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。,第二节 太阳系的起源与演化,一、太阳系的特征 二、太阳系的起源与演化 1. 康德星云说 2. 拉普拉斯星云说 3. 现代星云说 四、太阳系的起源三种说法： （1）灾变说： （2）俘获说： （3）星云说或称共同形成说,三、恒星的起源与演化 1. 起源 恒星的早期是由星际气体云聚集成星云的阶段. 恒星中心温度达千万度级，氢核聚变反应开始后，核反应成为主要能源，恒星演化进入到相对平衡期。人们把这一阶段称为主序星阶段。 太阳在主序阶段要停留100亿年。质量比太阳大10倍的恒星，氢消耗得快，在主序阶段只能停留几千万年；质量只有太阳几分之一的恒星，在主序阶段要停留上万亿年。,2. 演化 恒星在主序星阶段停留的时间最长，相当于恒星的青壮年时期。 当10%的氢燃烧完之后，恒星的稳定态遭到破坏，进入红巨星阶段。 当恒星内部的核燃料耗尽后，进入末态：白矮星、中子星、黑洞,二、星系的起源与演化 开始由大量气体分子和星际尘埃形成原始星系云，随着宇宙的膨胀，它们逐渐冷却，当彼此间的引力作用超过膨胀向外的压力时，星云开始收缩，并一步步分裂成更小更密的碎片，这些碎片最终产生了第一代恒星。 第一代恒星内部会因收缩而产生足以引起热核反应的高温，而当它燃尽自己的燃料后，又会通过爆炸形式把反应中所合成的轻、重元素抛向空间，形成新的星际物质，开始新的聚集、坍缩，产生第二代恒星。 如此往复循环下去，最终出现了包含数十亿乃至数千亿计的恒星和大量宇宙暗物质的庞大星系。由于星系形成时的物质不尽相同，因而产生了各种不同型态的星系。,第二节 地球的起源 1地球的起源 大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质-能量交换的演化历史。,2地球的年龄 地球上已知最老的岩石在加拿大魁北克省境内被发现，根据地质学研究测定，该岩石有38.25亿年的历史。 陨石在堕落地面前未经重大的改造和破坏，是直接研究太阳系早期历史的极好材料，已知的形成年龄都在46亿年左右。 月球上的岩石(月岩)经过二十世纪70年代人类登月考察，已经测得最老的月岩年龄为46亿年。,二、地球的圈层结构 地球具有明显的圈层结构，分为地球外圈和地球内圈两大部分。 地球外圈：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈 地球内圈：地幔圈、外核液体圈、固体内核圈。 此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈 。,1.大气圈 是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。总质量约为5.1361021克，相当于地球总质量的百万分之0.86。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75%的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。,2.水圈 是一个连续但不很规则的圈层，总质量为1.661024克，约为地球总质量的3600分之一，其中海洋水质量约为陆地（包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中）水的35倍。 3.生物圈 岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，称为生物圈。是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。,4.岩石圈 岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里。岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。 5.软流圈 在洋底下面，它位于约60公里深度以下；在大陆地区，它位于约120公里深度以下，平均深度约位于60250公里处。软流圈的存在，将地球外圈与地球内圈区别开来了。,6.地幔圈 在软流圈之下，直至地球内部约2900公里深处也有一个界面，属于地幔圈。 7.外核液体圈 它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。 8.固体内核圈 地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371公里地心处，又称为G层。,第三节 地球上的生物 一、生物的基本特征 1严整复杂的结构 2.新陈代谢 3.生长、发育和生殖 4.应激性和适应性 5.遗传和变异,二、生命存在的必要条件 1.太阳是地球上生命的源泉 2.地球上有适宜的温度 3.地球上有赖以生存的液态水 4.地球上含有浓厚的大气,三、生命的物质基础 1. 组成生物体的元素 2组成生物体的化合物 四、生命的结构基础 1. 蛋白质 2. 脂肪 3. 碳水化合物,第四节 现代宇宙学的诞生和发展 一、现代宇宙学的诞生 宇宙学是从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科。在中国古代，关于宇宙的结构主要有三派学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。,1917年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。按照广义相对论，时间、空间的性质与物质相关联，时间和空间也不可分离，爱因斯坦得到一个“有限无界”的静态宇宙模型。爱因斯坦的假说给予人们很大的启发，但是宇宙静止的观点并不令人信服。,英国天文学家爱丁顿于1920年提出宇宙在膨胀之中的看法。1924年，前苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止的状态。1927年，比利时天文学家加勒梅特建立了宇宙膨胀模型。他认为大尺度空间随时间的推移而膨胀。,1929年哈勃著名的红移定律表明所有河外星系都有光谱线红移(向低频方向移动)现象，即它们都以不同的方向远离我们而去，并且离我们越远的星系离去速度越大，这似乎说明整个宇宙在膨中。 哈勃的这一发现为弗里德曼和加勒梅特宇宙模型提供了直接的观测依据，动摇了宇宙静止的传统观念，是二十世纪天文学最重要的成就。,二、宇宙起源和演化的大爆炸理论 按照勒梅特的宇宙膨胀模型理论，整个宇宙物质最初聚集在一个“原始原子”里，由于处在温度和密度都极高的状态，因此后来发生了“大爆炸”，碎片向四面八方散开，于是就形成了今天的宇宙。1948年，物理学家伽莫夫发展了大爆炸理论，并用它来说明化学元素的起源。,三、宇宙微波背景辐射 宇宙微波背景辐射是一种来自宇宙空间的电磁波。这种辐射的强度不随时间改变，在空间上具有很好的各向同性。辐射在波长上的分布同3K温度的黑体辐射完全一致。这种辐射被认为是宇宙大爆炸的遗迹。,第三章 航天技术 第一节 空间技术发展简史 一、航天技术及其体系 1外层空间 (1) 克服地球甚至太阳系的万有引力 (2) 克服真空 (3) 适应温度剧变的温度环境 (4) 防护有害辐射,2航天技术 航天技术是一项庞大的系统工程，它包括航天飞行器、航天运输系统、地面发射场、航天测控数据采集网、用户系统、保障设施以及为研究与制造这些装备系统和设施的科研单位与工业企业。,二、人类征服空间的历程 对现代火箭的研究作出重要贡献的是前苏联著名火箭专家齐奥尔科夫斯基和美国科学家戈达德。齐奥尔科夫斯基在1883年就提出了火箭速度公式和多级火箭飞行原理，他建议用液体燃料推进剂代替固体燃料推进剂，从理论上证明了宇宙飞行和航天技术的可能性。1933年试验发射了一枚液体火箭。齐奥尔科夫斯基对现代火箭和航天技术的发展做出了巨大贡献，被人们尊称为“火箭之父”和“宇宙航行之父”。,第二节 火箭与人造卫星 一、火箭技术 1火箭的构造 现代的火箭主要由发动机、控制系统和箭体构造三部分组成。 2火箭的飞行原理,3多级火箭 多级火箭由构造相同、大小不同的几个火箭首尾相连而成一个整体。但火箭的级数不能一直增加，因为级数越多，技术难度越大，可靠性不易保证，另外，由于增加级间的连接结构，质量比反而越来越小，效果不大。 4航天发射场,二、人造地球卫星 1.人造地球卫星的原理 2人造卫星的运行轨道 a. 地球同步轨道 b. 太阳同步轨道 c. 极轨轨道,2人造卫星的应用 1)通信卫星 2) 对地观测卫星 3) 导航卫星 4) 天文观测卫星 5) 军用卫星,第三节 载人航天与行星探测 一、载人航天 载人航天计划的实施一般分为四个步骤： 1) 把人送入空间并安全返回，探索人进入空间及生活的可能性和适应性； 2) 发展载人航天的基本技术，研究和解决交会、对接、舱内外工作环境及控制； 3) 发射实验性空间站并建立相应的运输系统，研究和确定空间产业和空间科学实验的可行性及前景； 4) 建立大型空间站及其运输系统，进行空间产业开发。,载人航天器目前主要有三种：宇宙飞船、空间站和航天飞机。 宇宙飞船：卫星式飞船、登月飞船。 空间站：供多名航天员在太空轨道上长期巡访、工作和居住的航天器。 航天飞机兼有人造地球卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型空间站的许多功能。,二、行星探测 1对金星的探测 2对火星的探测,3对水星、木星、土星的探测,第四节 航天高技术展望 一、航天运载系统更新 二、人造卫星换代 三、建设太空基地 四、空间探测扩展 (1) 开发月球 (2) 远征火星 (3) 深空探测,第四章 农业的绿色革命和蓝色革命 第一节 科学技术与绿色革命 一、绿色革命给人类带来福音 在绿色革命中，有两个国际研究机构做出了突出贡献：一个是国际玉米和小麦改良中心，另一个是国际水稻研究所 。,二、中国的绿色革命 当国际上绿色革命处于酝酿阶段时，我国的矮杆育种之花已开遍大江南北。早在1956年，广东省农民育种家洪群英和洪春利就利用株高仅75厘米品种，培育出中国第一个大面积推广的矮杆早籼良种“矮脚南特”。这是中国水稻育种上的一大突破，同时在第一次绿色革命中也起着先锋作用。,1973年，中国实现了三系配套。1975年基本建立了种子生产体系。70年代大面积推广了“南优”、“汕优”、“威优”和“四优”四大组合。中国实际上已经跨入了第二次绿色革命阶段。 我国的绿色革命不仅处于世界领先地位，而且形成了自己的特点，实行良种良法相结合，现代科学技术与精耕细作相结合，并正在向高产与优质高效相结合的方向发展。,三、第二次绿色革命 1.在巩固水稻、小麦、玉米育种等第一次绿色革命成果的基础上，向农业其它领域扩展。 2.在有效利用灌溉的同时，向旱地、低地、丘陵山地扩展。 3.扩大生物技术的研究与应用，开展“基因革命”。,第二节 蓝色革命与白色农业 一、“蓝色革命”的崛起 蓝色革命是运用现代科学技术，向蓝色的海洋 乃至内陆水域索取人们所需要的、更多的优质水产 品。 从资源情况看，我国既有辽阔海域，又有大面 积内陆水域。 从食物结构看，我国在解决温饱之后，面临的 一个主要问题是提高优质蛋白质的摄入量，而水产 品在这方面可发挥重要作用。 从人口增长与人均占有耕地看，迫使我们在解 决农业问题时必须实行“陆海并举”，对渔业实行 “农牧化”，,二、发展水产业，提高养殖水平 我国的淡水养殖历史悠久，养殖科技居于世界领先地位。 海洋农牧化是20世纪60年代以后迅速发展起来的。它标志着海洋渔业从捕捞天然资源过渡到人类干预海洋渔业生态全过程的新阶段。它同陆地上由狩猎向驯养家畜方向发展，具有同样重要的历史意义，是水产业发展史上的重大变革。,三、白色农业 1.白色农业的特征 生物工业型农业 拓展型农业 资源节约型农业 高效环保型农业,2.发展白色农业的重要意义 发展白色农业，有利于缓解我国人口膨胀与资源缺乏之间的矛盾 发展白色农业，有利于实现“人畜分粮”的目标，解决粮食紧张问题 发展白色农业，有利于保护生态环境，实现农业的可持续发展,第三节 人工创造动植物新品种 一、培育高产、优质作物 二、转基因禽畜的研究 1.改良和培养高产、优质、抗病的家禽、家畜和水产动物。 2.培养利用附加值高、效益显著、能不断生产各种有用药物的特效动物。 3.开发各种可以用作药理实验和病理研究的模型。,第四节 农业发展的新方向 一、实现农业工厂化 1. 蔬菜方面 2. 花卉方面 3. 畜禽饲养方面 4. 鱼贝养殖方面 二、发展持续农业 三、发展观光、休闲农业,第五章 新能源技术 第一节 能源的概况 一、能源的分类 1. 按照能源的来源 2. 按能源的形式方式 3. 按能源的使用性质 4. 按能源可否再生 5. 按能源现阶段使用的成熟程度,二、常规能源 1. 煤炭 煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。 2. 石油 是一种宝贵的非再生能源，现有的石油资源最多还可维持50年。,3. 天然气 天然气是蕴藏量丰富，最清洁而便利的优质能源。但由于天然气储运难、上市难、投资大、回收周期长等特点，许多国家的天然气工业普遍比石油工业落后3040年，并经历了先慢后快的发展过程。 4. 水能 水能是一种廉价的能源资源，而且是干净的能源。,三、我国能源的概况 目前，我国能源生产总量仅次于美国和俄罗斯，名列世界第三，能源消费总量仅次于美国，名列世界第二。 煤炭是我国的主要能源，2000年的煤炭产量名列世界第二位，原油产量为为世界第五位。,四、能源在现代经济发展中的地位和作用 能源消耗量是衡量一个国家经济发展水平的重要指标。在正常情况下，国民经济发展的速度与能源消耗量的增长成正比例。 从现代工业化的进程看，一个国家的经济越发达，能源的使用量就越大。 能源对国民经济的高速发展起着决定性的作用。,第二节 新能源的开发利用 一、取之不尽的“能源之母”太阳能 太阳辐射能是一种巨大、无污染、洁净、安全的可再生能源，它是取之不尽，用之不竭的。 目前，直接利用太阳辐射能有三种方式，即光-热转换、光-电转换和光-化学转换。,二、未来世界的主要能源核能 1. 核裂变反应：是指一个重原子核分裂成2 个较轻的新原子核的过程。 核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。从1954年前苏联建成世界上第一座核电站到2001年底，目前全球32个国家建有核电站，共有438座核电站投产发电，占世界总发电量的16%。,2.受控核聚变 是指两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核的反应。 利用核聚变，人们已经制造出了比原子弹威力更大的氢弹，氢弹是爆炸性(无控)核聚变。 要使核聚变释放出的巨大的能量转变为电能，即实现核聚变发电，就必须对核聚变实行人工控制，使其按照人们的需要有序地进行，这就是受控核聚变，,3. 受控核聚变的优点: 1. 是聚变能比裂变能要大好多倍； 2. 是资源蕴藏丰富； 3. 是成本低； 4. 是安全可靠。,三、海洋能 1. 潮汐能 2. 波浪能 四、地热能 地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。,1. 地热能的形式： 蒸气型、热水型、地压型、干热岩型、岩浆型 能为人类开发利用的目前还仅限于地热蒸气和地热水两类。地压热和干热岩的开发利用处于实验阶段，而岩浆热的利用尚处于基础研究阶段。,五、生物质能 生物质能是可再生能源，通常包括木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。,六、风能、氢能 风能是一种无处不在，永不枯竭的能源。 氢是最干净的燃料，氢的发热量也比较高。随着科学技术的飞速发展，氢将逐渐取代常规能源。,第三节 能耗与我国现代化 一、全球能源危机及我国的能源状况 我国能源存在的一些问题： 1. 能源品种结构不理想。 2. 能源分布不均衡。 3. 能源紧张而浪费大。,二、社会都要重视节约能源 三、我国能源工业的成就及今后的任务 我国能源工业发展的基本方针是：继续贯彻开发和节约并重的方针。 能源开发以电力为中心，煤炭为基础，大力发展水电，积极发展核电，积极开发石油和天然气。,第六章 新材料技术 第一节 材料及其分类 一、材料的分类 二、传统材料 1金属材料 金属材料一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。 黑色金属包括铁、锰、铬及它们的合金。 除黑色金属以外的其他80种金属元素及其合金统称为有色金属。,铝的用途最广泛，而且与人们的日常生活息息相关。 钛以其高强度、高熔点、耐腐蚀等优异性能被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等航空航天尖端领域，因此被人们称作“空间金属”、“宇宙金属”。,2无机非金属材料 水泥（特种水泥）、玻璃、陶瓷。 3有机高分子材料 塑料、合成纤维、合成橡胶 4复合材料 玻璃钢、碳纤维复合材料、陶瓷复合材料,第二节 超导材料 一、超导材料简介 把这种电阻突然消失为零的现象，叫做超导电现象。电阻突然变为零时的温度，叫做临界温度，通常用Tc表示。 二、高临界温度超导体研究进展,三、超导技术应用展望 1.在核反应领域 2.在电力工程领域 3.在交通领域 4.在电子工程领域 5.在生物医疗领域 6.在军事领域,第三节 不断发展中的新材料 一、金属新型材料 1. 锂 是最轻的金属元素 具有重量轻、强度高、耐高温、耐冲击的优点 有阻止高速辐射粒子穿透力的能力 是高效的储能材料和重要的能源材料。,2. 形状记忆合金 有金镉合金、镍钛合金、镍锌合金、铜铝镍合金、铜金锌合金等。 具有确定的转变温度。 3. 贮氢合金 利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来，是一种理想的贮氢方法。主要有镁系贮氢合金、钛系贮氢合金、锆系贮氢合金、铁系贮氢合金和稀土系贮氢合金等。,4. 非晶态金属 与晶态材料完全不同，仍然属于固体的范畴，只是其内部晶格排列杂乱无章，保持液态时的状况，就像典型的非晶物质玻璃一样。故又称无定形金属或玻璃金属。 它有良好的导磁率。即磁阻小，磁损耗少，用它制作变压器铁芯，比使用普通变压器造成的电流损失减少5060%。,二、新型无机非金属材料 1. 高温结构陶瓷 是用纯度很高的氮化硅、碳化硅、氧化锆等粉末原料，在1700的高温直烧结而成的。 2. 透明陶瓷 是选用高纯原料，通过工艺手段排除气孔而得到的产品。目前已开发利用的透明陶瓷有烧结百玉刚、氧化镁、氧化钍-氧化钇、氧化钇-氧化锆、氟化钙等。,3.光导纤维 是精细陶瓷的一种，常用的有石英、氟化物等玻璃光纤，还有晶体光纤和塑料光纤等。 光导纤维具有重量轻、通信容量大、传输损耗低、稳定性好、漏话少、不受电磁场影响、可塑性好、来源丰富、成本低等优点 4. 生物陶瓷 是新型陶瓷的一个重要分支，主要用于人体器官和组织的修复和再造。,三、有机高分子新材料和复合材料 高性能工程材料：塑料是有机高分子材料中的一支主力军 。 功能高分子材料：高吸水性树脂 、高分子粘合剂 新型复合材料：玻璃纤维（玻璃钢）、碳纤维复合材料、高温结构陶瓷、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料 共同特点：由人工合成，可由科学家在分子水平上进行设计，再根据特定的用途来制作。,四、纳米材料 纳米材料 2. 纳米金属 五、光电子材料,第四节 材料技术的兴起 一、材料的研究内容 影响材料性能的因素 化学键、结构类型、缺陷、织构 2. 研究材料的形成机理和制备方法 3. 研究材料的测试技术,二、材料科学的任务 提高现有材料的利用率 解决合格材料的制备问题 不断研究和开发新材料 三、材料科学的发展趋势,第七章 生态与环境保护 第一节 生态系统的结构和功能 一、生物圈的形成和演化 什么是生态学 2. 生物与环境的关系 a. 生物生存需要一定的空间 b. 生物与环境相互依存,二、生态系统的组成和结构,1. 生物群落 生产者：绿色植物 消费者：各类动物 分解者：微生物、一些小动物 2. 物理环境 太阳能、水、空气、无机营养元素,三、生态系统的功能 物质循环：循环的 能量流动：单向的、不可逆的 信息交流：有来有往、双向运行的 （1）物理信息：光、声、颜色 （2）化学信息：植物、动物特有的气味 （3）营养信息：食物和养分 （4）行为信息：求偶、警告,第二节 生态系统的运行和生态平衡 一、生态系统的正常运行 1. 生态系统保持平衡的条件 结构上的平衡 功能上的平衡 输入和输出物质数量、质量上的平衡 二、生态系统的动态平衡 生态系统的平衡是一种动态的、相对的平衡，而不是静止的平衡。,三、生态系统的自我调节 生态系统的自我调节能力有大有小。一般地说，生态系统的成分越单纯，营养结构越简单，自动调节能力就越小，生态平衡就越容易被破坏。 四、破坏生态平衡的因素 自然因素 人为因素 五、保持生态平衡的重要意义,第三节 环境的恶化与环境保护,一、环境与环境科学 环境：自然环境、社会环境 环境科学：以自然环境为对象，以生态学为基础，利用各领域知识，对人类与空气、水、土壤、生物循环的关系进行系统的研究的“大科学”,二、全球十大环境问题,1. 全球气候变暖 温室效应 温室气体：二氧化碳、甲烷、氮氧化物、氟氯烃等 厄尔尼诺现象 2. 臭氧层被破坏,3. 生物多样性减少 4. 酸雨蔓延 5. 森林锐减 6. 土地荒漠化 7. 大气污染 8.水体污染 9. 海洋污染 （1）海洋石油污染 （2）赤潮 10.固体废物污染 三、保护和改善人类环境,第四节 中国环境状况及可持续发展战略 一、中国环境状况 1. 大气质量下降 2. 土地资源的退化 3. 水资源的减少 4. 酸雨现象 5. 森林资源减少 6. 生物多样性减少 二、增强全民族的环境意识,三、保护环境，实现可持续发展 自然资源与可持续发展 环境保护与可持续发展 科学技术进步与可持续发展,第八章 现代生物技术 第一节 现代生物技术的主要方面 突破了传统生物技术的局限，应用生物科学和工程原理，通过改变生物遗传物质的方法，在细胞和分子水平上，定向地组建人们所需要的生物新品种和有用的生化物质。现代生物技术不仅可以打破种属间的界限，还可以打破动物、植物、微生物之间的界限，主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个方面。,一、基因工程 就是指按照人类需求，把不同生物的基因（DNA）分子提取出来，在生物体外进行切割、搭配、重新连接，然后经过一定的途径转入生物体内，并使其中合成的生物信息在生物体内得到明确的表达和复制，从而改变生物的某些特征，或创造出具有新的特性的生物类型，或产生新的生物产品。基因工程也叫重组DNA技术、基因操作等。基因工程是整个现代生物技术的核心。,二、克隆技术 克隆羊“多利”的产生过程： 1. 取出A羊乳腺细胞中的细胞核。 2. 将B羊的卵细胞去核。 3. 将处理过的A羊乳腺细胞移植到处理过的B羊卵细胞中，成为一个重组细胞。 4. 用电刺激使重组的卵细胞在体外培养。 5. 将重组细胞移植到C羊的子宫内发育。 6. C羊生出小羊羔多利。,三、细胞工程 是指在细胞水平上的遗传操作（即细胞融合、核质移植、染色体或基因移植），以及组织培养和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。细胞工程可以在植物与植物之间、动物与动物之间、微生物与微生物之间进行远缘杂交 。,四、发育工程 高等动物的受精卵移植又叫“家畜胚胎移植”。他是将优良种畜的早期胚胎从供体母畜体中取出来，移到受体母畜输卵管或子宫中“借腹怀胎”繁殖优良牲畜的技术。在此基础上发展起来的发育工程（也叫胚胎工程），实际上是动物细胞工程的拓展与延伸。,五、酶工程 酶工程就是用人工的方法对酶的分离、提纯、固化以及加工改造，使其能够充分发挥快速、高效、特异的催化功能，更好地为人类生产出各种有用的产品，或促进某些生化反应过程的进行，而达到所需要的目的。,六、发酵工程 现代的发酵工程，就是采用现代工程技术，利用生物(主要是微生物)的某些生理功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与和控制某些工业生产过程的一种新的技术。发酵工程也叫微生物工程。,第三节 现代生物技术的广泛应用 一、农业上的开发和利用 1. 杂交水稻：三系配套方法率先攻克了世界级难题 2. 杂交玉米 、抗虫棉的培育成功 3. 不断研究开发人工种子 4. 培育出一批“转基因动物”,转基因食品 1. 日常生活中我们或许吃下不少转基因食品却不知道 农业转基因生物指的是利用基因工程技术，改变基因组构成，用于农业生产或农产品加工的动植物、微生物及其产品。 世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草 目前在国内出现的转基因生物主要为转基因棉花、蕃茄、大豆、油菜、玉米种子。,2. 人类吃下越来越多的转基因食品 新的转基因食品已不限于农作物，新品种的家禽、牲畜、鱼类也快登上餐桌：脂肪转少的肉牛、翅膀长得像大腿的鸡，还有粪便含磷转少，对环境污化较低的“环境猪”（en-viropig）。 3. 神奇的功能性食物会满足更多口味需求 转基因食品的第一个特性是增加食物的营养成分，使其具有防病、强体功能。 转基因食品的第二个特性是可满足人们对一种食物有不同口味的要求。,转基因食品大致可以分成以下几种类型： （1）增产型：抗虫棉 （2）控熟型 ：转基因西红柿 （3）高营养型：转基因玉米、土豆和菜豆 （4）保健型 ：转基因牛羊奶 （5）新品种型 ： （6）加工型 ：,4. 转基因食品是否存在危险性仍有争论 转基因食品作为生物科技发展的产物，早已被美国、日本、加拿大等国家应用在作物的生产和加工中，消费者对不断推出的新产品也习以为常。但欧洲消费者对转基因食品仍感疑惑，认为转基因食品不安全，需要让科学来证明其安全性。,5. 基因食品五大隐患 首先是毒性问题 其次是过敏反应问题 第三是营养问题 第四是对抗生素的抵抗作用 第五是对环境的威胁,6. 转基因产品须明确标识 我国规定转基因食品从2002年3月20日起都要贴上明确标识。 7. 我国每年吃掉多少转基因食品 我国百姓的餐桌上，排在前三位的转基因食品是：大豆、玉米、油菜。目前我国进口大豆主要用做加工原料，生产豆油、豆腐、豆奶等制品。 目前我国正式批准投入商业种植的转基因作物只有两种：一是具有自主知识产权的抗虫棉，另一个是延迟成熟的番茄。,8. 转基因食品有利的方面 遗传工程打破遗传障碍 转基因是一项中性、先进的技术 转基因技术可能使食物更加绿色 9.转基因技术培育出的新型植物 抗高温植物的培育成功 抗除草剂转基因杂交稻 不饱和脂肪酸含量高的转基因猪 无需阳光就可以生长的海藻,二、工业应用的极大潜力 1.工业酶的研究开发，使化学工业发生了崭新的变化。 2. 运用基因工程、细胞工程重新组建工程菌、工程细胞，生产食品和饲料。 3. 生物量（生物质）能源的开发利用，是目前世界能源结构进行战略性改变的一个重要方面。 4.生物技术与微电子、自动化等现代技术结合。 5.开发生物治理的新技术，保护环境、治理公害。,三、医药领域成效显著 1.通过“工程菌”（或细胞）和转基因生物，高效地生产各种高质量、低成本的生化药品。 2.用生物技术向各种不治之症展开挑战 。 3.现代生物技术的开发应用，使诊断技术有了新发展 。,第四节 现代生物技术的深远影响 一、克隆人加深了伦理危机 二、生物武器的负面效应 三、基因工程作物的安全性,第九章 现代人工智能技术 第一节 人工智能的研究 一、人工智能的兴起 “人工智能”是二十世纪50年代产生的一门新兴科学。 真正称得上人工智能研究工作的第一个奠基人是英国的阿兰图灵。 1956年夏，在美国达特码斯大学正式以人工智能的名义召开了一次学习讨论会，标志着人工智能这门新兴学科的正式诞生。,二、什么是人工智能 “人工智能”技术一方面是揭露智能和大脑的工作原理；另一方面是研制更接近于人类的解题、求知、学习、判断规律的计算机，这就是当代“人工智能”的主要研究范畴。,第二节 机器人研究的发展过程 一、第一代机器人 第一代机器人实际上只有“手”，它按照固定程序或可编程序工作，不能对外界的信息作出反馈。 二、第二代机器人 第二代机器人具有感觉装置，能适应外界条件变化，它能根据感觉器官获得信息并对自己的动作作出调整。,三、第三代机器人 第三代机器人即智能机器人，能够再现人的感觉、行动，并能够自主地处理意外事件，从事复杂的作业。 四、我国的机器人研究状况 1995年，我国科研人员在太平洋航行中首次使用了我国自行研制的具有国际先进水平的“6000米水下多金属结核观察系统”，对海底进行了小范围的详细观察。,第三节 人工智能技术的进展及展望 一、符号主义 符号主义有称逻辑主义，是目前