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1、文科物理科普第文科物理科普第4讲近代科学之父近代科学之父牛牛顿课程标准课程标准 了了解解牛牛顿顿成成长长历历程程及及主主要要科学成就科学成就 认认识识他他在在社社会会发发展展中中的的作作用用自然界和自然规律自然界和自然规律隐藏在黑暗中，隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：让牛顿出生吧！让牛顿出生吧！于是，一切都变得光明。于是，一切都变得光明。英国诗人波普曾经这样写道：英国诗人波普曾经这样写道：知识网络知识网络一、早期科学发明与创造一、早期科学发明与创造 1 1、自幼好学、自幼好学 （1 1）童年时代：）童年时代：16421642年年 英国伍尔索普英国伍尔索普 善于思考观察和发明创造善于思考观察和发明
2、创造 牛顿的出生地：林肯郡向下伍尔索普庄园牛顿的出生地：林肯郡向下伍尔索普庄园知识网络知识网络一、早期科学发明与创造一、早期科学发明与创造 1 1、自幼好学、自幼好学 （2 2）求学）求学 中学时代，开始进行科研与实验中学时代，开始进行科研与实验 大学生活，剑桥大学，师从巴罗教授大学生活，剑桥大学，师从巴罗教授自学笛卡尔等人的数学著作自学笛卡尔等人的数学著作 牛顿的母校牛顿的母校英国剑桥大学英国剑桥大学牛顿数学桥是剑桥大学城牛顿数学桥是剑桥大学城里的一大景观，全桥由里的一大景观，全桥由71777177根根大小不一的木头衔接而成，有大小不一的木头衔接而成，有1029910299个接口，如果以一个
3、接口个接口，如果以一个接口用一枚铁钉来计算，那么至少用一枚铁钉来计算，那么至少需要需要 1029910299枚铁钉。但牛顿把枚铁钉。但牛顿把所有铁钉都倒进了河里，整座所有铁钉都倒进了河里，整座桥没用一枚铁钉，这就是数学桥没用一枚铁钉，这就是数学的奇妙。多少年来，剑桥数学的奇妙。多少年来，剑桥数学系的高才生们都梦想解破数学系的高才生们都梦想解破数学桥的奥秘，换句话说就是想在桥的奥秘，换句话说就是想在纸头上造一座跟数学桥一模一纸头上造一座跟数学桥一模一样的桥。但如愿者无一。多数样的桥。但如愿者无一。多数人设计出来的桥至少需要上千人设计出来的桥至少需要上千枚铁钉才能达到原桥同等效果，枚铁钉才能达到原
4、桥同等效果，只有少数几人把铁钉数量减少只有少数几人把铁钉数量减少 到千枚数之内。有个冰岛人，到千枚数之内。有个冰岛人，他创造了有史以来的最好成绩，他创造了有史以来的最好成绩，把铁钉数减少到把铁钉数减少到561561枚。枚。牛顿的老师巴罗牛顿的老师巴罗(1630(1630 1677),1677),曾任剑桥大学第一曾任剑桥大学第一任任“卢卡斯教授卢卡斯教授”,三一学三一学院院长和剑桥大学副校长院院长和剑桥大学副校长 ，是当时顶尖的数学家和科学是当时顶尖的数学家和科学家，剑桥大学的首席教授席家，剑桥大学的首席教授席位就是专门为他设立的，位就是专门为他设立的，但但他在他在3939岁时就主动退休了，岁时
5、就主动退休了，因为他要将席位让给当时只因为他要将席位让给当时只有有2828岁的牛顿，以给牛顿更岁的牛顿，以给牛顿更大的发展空间。大的发展空间。牛顿果然没有辜负恩师牛顿果然没有辜负恩师的厚望，大放异彩，成果累的厚望，大放异彩，成果累累，在谈到自己成功的原因累，在谈到自己成功的原因时，他非常感激地表示，因时，他非常感激地表示，因为自己站在巨人的肩膀上。为自己站在巨人的肩膀上。笛卡尔笛卡尔(Descartes,Rene du Perron)(Descartes,Ren)(Descartes，Rene)(1596-1650)，法国哲学家，数学家，法国哲学家，数学家，物理学家，解析几何学物理学家，解析几
6、何学奠基人之一奠基人之一。知识网络知识网络一、早期科学发明与创造一、早期科学发明与创造 2 2、数学方面、数学方面(大学毕业前大学毕业前)提出二项式定理以及微积分的初步提出二项式定理以及微积分的初步算法算法一、早期科学发明与创造一、早期科学发明与创造 3 3、光学方面、光学方面 制制造造折折射射望望远远镜镜证证明明日日光光由由七七色色光光组成，奠定了光谱学的基础组成，奠定了光谱学的基础 制造了世界上第一架制造了世界上第一架反射望远镜反射望远镜 推动人类对天体观察进入新阶段推动人类对天体观察进入新阶段 发表发表关于光和色的新理论关于光和色的新理论论文论文 提出了光的本质是微粒的见解提出了光的本质
7、是微粒的见解 牛頓所設計的反射式望遠鏡繪圖牛頓所設計的反射式望遠鏡繪圖 观观测测太太阳阳系系的的牛牛顿顿 牛牛顿顿用用自自己己亲亲手手设设计计的的望望远远镜镜来来观观测测太太阳阳系系的的行行星星。“我之所以我之所以能比别人看得远些，能比别人看得远些，是因为我站在巨人是因为我站在巨人们的肩上。们的肩上。”在发现在发现万有引万有引力定律的力定律的过程中，过程中，有哪些巨人的肩膀有哪些巨人的肩膀托起了牛顿？托起了牛顿？开普勒开普勒伽利略伽利略哥白尼哥白尼知识网络知识网络二、发现万有引力定理二、发现万有引力定理 1 1、力学方面、力学方面 （1 1）提出万有引力定律）提出万有引力定律 推推动动了了对对
8、天体运天体运动动的研究的研究对于科学家而言，牛顿家乡的那棵苹果树，也许是对于科学家而言，牛顿家乡的那棵苹果树，也许是世间最神圣的树了。世间最神圣的树了。海王星海王星另外，牛顿力学理论能够预见新的物理现象，并另外，牛顿力学理论能够预见新的物理现象，并能以天文观测或试验论证其正确性，如：能以天文观测或试验论证其正确性，如：知识网络知识网络二、发现万有引力定理二、发现万有引力定理 1 1、力学方面、力学方面 （2 2）自然哲学中的数学原理自然哲学中的数学原理 出版：出版：16871687年年内容：内容：提提出出物物体体运运动动三三大大定定律律，阐阐明明了了万万有有引引力概念力概念 解释了潮汐现象，地
9、球圆扁形状等问题解释了潮汐现象，地球圆扁形状等问题 知识网络知识网络二、发现万有引力定理二、发现万有引力定理 3 3、意义、意义 采用数学表达方式采用数学表达方式构成了完整的力学理论体系构成了完整的力学理论体系牛顿力学成为经典力学，标志着近代牛顿力学成为经典力学，标志着近代科学的形成科学的形成 鼓勵並協助牛頓鼓勵並協助牛頓出版出版原理原理一書一書的哈雷，其後利用的哈雷，其後利用牛頓的運動學原理牛頓的運動學原理發現了哈雷彗星的發現了哈雷彗星的7676年週期。年週期。知识网络知识网络三、勤奋的探索与科学的研究方法三、勤奋的探索与科学的研究方法1 1、专心致志：、专心致志：善于思考，精神专注善于思考
10、，精神专注 2 2、方法科学：、方法科学：注重实验，获取结论注重实验，获取结论“归纳演绎归纳演绎”法法总结：牛顿在科研领域中的成就总结：牛顿在科研领域中的成就1.1.数学：数学：提出二项式定理、微积分的初步算法；提出二项式定理、微积分的初步算法；2.2.光学：光学：制造折射望远镜，奠定了光谱学的基础；制造折射望远镜，奠定了光谱学的基础；16721672年发表年发表关于光和色的新理论关于光和色的新理论论文，提出了光的论文，提出了光的本质是微粒的见解；本质是微粒的见解；3.3.天文学：天文学：16681668年制造了世界上第一架反射望远镜，促使人类年制造了世界上第一架反射望远镜，促使人类对天体观察
11、进入新阶段；对天体观察进入新阶段；万有引力定律。万有引力定律。4.4.力学：力学：16871687年年,牛顿发表牛顿发表自然哲学中的数学原理自然哲学中的数学原理，确，确定了物体运动三定律定了物体运动三定律牛顿为什么获得如此巨大的成就？牛顿为什么获得如此巨大的成就？思考思考主观条件主观条件牛顿获得巨大成就的原因牛顿获得巨大成就的原因西欧思想解放运动西欧思想解放运动（？）提供思想基础；？）提供思想基础；英国英国资产阶级革命资产阶级革命的洗礼；的洗礼；前人的研究成果前人的研究成果为牛顿提供很好的条件；为牛顿提供很好的条件；具有虚怀若谷、谦虚具有虚怀若谷、谦虚好学精神好学精神；尊重他人的科研成果有尊重
12、他人的科研成果有勇于探索精神勇于探索精神；甘于寂寞，甘于寂寞，献身科学的精神献身科学的精神等；等；客观条件客观条件随着科学声誉的提高，随着科学声誉的提高，牛顿的政治地位也得到了牛顿的政治地位也得到了提升。提升。1689年，他被当选年，他被当选为国会中的大学代表。作为国会中的大学代表。作为国会议员，为国会议员，牛顿逐渐开牛顿逐渐开始疏远给他带来巨大成就始疏远给他带来巨大成就的科学的科学。他不时表示出对。他不时表示出对以他为代表的领域的厌恶。以他为代表的领域的厌恶。这就给他后半生带来不少这就给他后半生带来不少争论和麻烦。争论和麻烦。晚年的困惑晚年的困惑晚年的牛顿晚年的牛顿开始致力于对神开始致力于对
13、神学的研究学的研究，他否定哲学的指导作，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，竟提出难以解释的天体运动时，竟提出了了“神的第一推动力神的第一推动力”的谬论。的谬论。他说，他说，“上帝统治万物，我们上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他。是他的仆人而敬畏他、崇拜他。”40岁以后，他把兴趣逐渐转岁以后，他把兴趣逐渐转向政治、化学（贱金属变成黄金）向政治、化学（贱金属变成黄金）神学问题，写了近神学问题，写了近200万言的著万言的著作，毫无价值。作，毫无价值。17271727年年3
14、3月月2020日，牛顿去世，终年日，牛顿去世，终年8585岁岁以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂他把大量的时间花费在了和他把大量的时间花费在了和同时代的著名科学家如胡克、莱同时代的著名科学家如胡克、莱布尼兹等布尼兹等进行科学优先权的争论进行科学优先权的争论上。例如，关于万有引力发现权上。例如，关于万有引力发现权等问题，胡克与他争辩不休，差等问题，胡克与他争辩不休，差点影响了点影响了原理原理的出版；关于的出版；关于微积分发明权的问题，与莱布尼微积分发明权的问题，与莱布尼兹以及德英两国科学家争吵不止，兹以及德英两国科学家争吵不止，给内向的牛顿带来极大的痛苦。给内向的牛顿带
15、来极大的痛苦。的确，牛顿也有自己的的确，牛顿也有自己的缺点：胆缺点：胆小，害羞小，害羞、不擅长演讲。、不擅长演讲。还曾被还曾被认为患过临时性的精神错乱症。认为患过临时性的精神错乱症。到了到了50岁时，他已病得很厉害，岁时，他已病得很厉害，既有精神上的，也有生理上的。既有精神上的，也有生理上的。他他在在辞辞世世之之前前曾曾简简短短地地评评价过自己：价过自己：“我我不不知知道道世世人人怎怎样样看看我我，但但我我自自己己以以为为我我不不过过像像一一个个在在海海边边玩玩耍耍的的孩孩子子，不不时时为为发发现现比比寻寻常常更更为为美美丽丽的的一一块块卵卵石石或或一一片片贝贝壳壳而而沾沾沾沾自自喜喜，至至于
16、于展展现现在在我我面面前前的的浩浩翰翰的的真真理理海海洋洋，却全然没有发现。却全然没有发现。”对牛顿的评价对牛顿的评价英国著名诗人在他的墓碑上英国著名诗人在他的墓碑上镌刻着铭言：镌刻着铭言：让人们欢呼这样一让人们欢呼这样一位多么伟大的巨匠，人类荣耀曾位多么伟大的巨匠，人类荣耀曾经因他而在世界上存在过。经因他而在世界上存在过。对牛顿的评价对牛顿的评价1942年爱因斯坦为纪念牛顿年爱因斯坦为纪念牛顿诞生诞生300周年而写的文章，对牛周年而写的文章，对牛顿的一生作如下的评价：顿的一生作如下的评价：“只有只有把他的一生看作为永恒真理而斗把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上一幕才能理解他争的舞台上一幕
17、才能理解他”。结合以上材料和所结合以上材料和所学知识，就应该怎学知识，就应该怎样评价牛顿谈谈你样评价牛顿谈谈你的看法。的看法。对牛顿的评价对牛顿的评价剑桥大学校园剑桥大学校园对牛顿的评价对牛顿的评价“人无完人，金无足赤人无完人，金无足赤”。瑕不掩瑜瑕不掩瑜牛顿终归是伟大的牛顿，牛顿终归是伟大的牛顿，他的科学贡献将永载史册。他的科学贡献将永载史册。课堂练习课堂练习直接引导牛顿对解析几何与微积分研究的是（直接引导牛顿对解析几何与微积分研究的是（）A.A.巴罗的著作巴罗的著作 B.B.笛卡儿的著作笛卡儿的著作 C.C.伽利略的著作伽利略的著作 D.D.惠更斯的著作惠更斯的著作牛顿在剑桥大学读书期间，
18、取得的科研成就有（牛顿在剑桥大学读书期间，取得的科研成就有（）A.A.提出了提出了“二项式定律二项式定律”B.B.制作了折射望远镜制作了折射望远镜 C.C.预言地球不是正球体预言地球不是正球体 D.D.提出光的本质是微粒的见解提出光的本质是微粒的见解B BA A课堂练习课堂练习牛顿反射望远镜的发明牛顿反射望远镜的发明（）A.A.奠定了光谱学的基础奠定了光谱学的基础 B.B.使人类对天体的观察进入了一个新阶段使人类对天体的观察进入了一个新阶段 C.C.进一步说明了物体颜色的形成原理进一步说明了物体颜色的形成原理 D.D.发现了万有引力定律发现了万有引力定律B B课堂练习课堂练习17171818世
19、纪，西方物理学界关于光的两大基本理论的世纪，西方物理学界关于光的两大基本理论的提出者是（提出者是（）牛顿牛顿 惠更斯惠更斯 麦克斯韦麦克斯韦 爱因斯坦爱因斯坦A A B B C C D D 与奠定牛顿与奠定牛顿“光谱学光谱学”理论基础无关的是理论基础无关的是()A.A.伽伽利利略略等等人人的的实实验验成果实成果实 B.B.折射望远镜的制作折射望远镜的制作C.C.反射望远镜的制作反射望远镜的制作 D.D.对物体颜色形成原理的研究对物体颜色形成原理的研究A AC C课堂练习课堂练习“地球不是正球体地球不是正球体”的预言，最初出现于的预言，最初出现于()A.A.通过折射望远镜的观察通过折射望远镜的观
20、察 B.B.通过反射望远镜的观察通过反射望远镜的观察 C.C.关于光和色的新理论关于光和色的新理论论文中论文中 D.D.万有引力定律中万有引力定律中促使人类对天体观察进入新阶段的创造发明是促使人类对天体观察进入新阶段的创造发明是()A.A.牛顿制成折射望远镜牛顿制成折射望远镜 B.B.牛顿制成反射望远镜牛顿制成反射望远镜 C.C.牛顿发表牛顿发表关于光和色的新理论关于光和色的新理论 D.D.牛顿提出牛顿提出“万有引力万有引力”理论理论B BB B课堂练习课堂练习1717世纪，牛顿力学体系产生的主要原因有（世纪，牛顿力学体系产生的主要原因有（）当时生产力水平发展到一定的高度当时生产力水平发展到一
21、定的高度 牛顿自己勤奋的探索牛顿自己勤奋的探索 对伽利略、开普勒、爱因斯坦等人理论的继承与发展对伽利略、开普勒、爱因斯坦等人理论的继承与发展 一批科学家共同的参与一批科学家共同的参与A B.C.D A B.C.D D D课堂练习课堂练习 自自然然哲哲学学中中的的数数学学原原理理一一书书涉涉及及面面很很广广,但但不不包括包括()A.A.万有引力的概念万有引力的概念 B.B.量子力学量子力学 C.C.潮夕现象潮夕现象 D.D.地球的形状地球的形状B B课堂练习课堂练习 最早的可以用于科学解释地球圆扁问题的学说是最早的可以用于科学解释地球圆扁问题的学说是（）A A 地球中心说地球中心说B B 日心说
22、日心说 C C 万有引力定律万有引力定律D D 相对论相对论 下列科学研究方法中，可以真正称得上是近代科下列科学研究方法中，可以真正称得上是近代科学研究方法的是（学研究方法的是（）A A 观察法观察法B B 演算法演算法 C C 实验法实验法D D 猜想法猜想法C CC C课堂练习课堂练习有利于解释彗星轨道问题的理论是有利于解释彗星轨道问题的理论是（）A.A.牛顿的万有引力定律牛顿的万有引力定律 B.B.折射望远镜的制成折射望远镜的制成 C.C.反射望远镜的制成反射望远镜的制成 D.D.牛顿发表牛顿发表关于光和色的新理论关于光和色的新理论A A课堂练习课堂练习对对自然哲学的数学原理自然哲学的数
23、学原理的评价正确的是（的评价正确的是（）A A第一次提出了二项式定理第一次提出了二项式定理 B B提出了物体运动的三大定律和万有引力定律提出了物体运动的三大定律和万有引力定律 C C提出了光的本质是微粒提出了光的本质是微粒 D D提出了行星按一定的轨道运行的理论提出了行星按一定的轨道运行的理论近近代代经经典典力力学学理理论论是是许许多多科科学学家家理理论论智智慧慧的的结结晶晶，但但不包括（不包括（）A A牛顿力学理论牛顿力学理论 B B伽利略理论伽利略理论 C C开普勒理论开普勒理论 D D爱因斯坦理论爱因斯坦理论B BD D课堂练习课堂练习 能使牛顿做出科学史上伟大发现的主要原因有（能使牛顿
24、做出科学史上伟大发现的主要原因有（）严肃的科学态度严肃的科学态度 勤奋的探索精神勤奋的探索精神 对伽利略、开普勒、爱因斯坦等人理论的继承与发展对伽利略、开普勒、爱因斯坦等人理论的继承与发展 A.B.C.D.A.B.C.D.牛顿的研究反复被后人归纳为（牛顿的研究反复被后人归纳为（）A A归纳归纳演绎法演绎法 B B逻辑推理法逻辑推理法 C C实验与论证法实验与论证法 D D数学推理法数学推理法A AA A课堂练习课堂练习 下列成就不属于牛顿的是（下列成就不属于牛顿的是（）A A奠定光谱学基础奠定光谱学基础 B B第一个充分使用实验方法的科学家第一个充分使用实验方法的科学家C C发明世界上第一架反
25、射望远镜发明世界上第一架反射望远镜D D提出光速不变原理提出光速不变原理 根据以下几个片段推断，此人是（根据以下几个片段推断，此人是（）观察苹果落地观察苹果落地 确立了万有引力定律确立了万有引力定律 建立了完整的力学理论体系建立了完整的力学理论体系 A A爱因斯坦爱因斯坦 B B爱迪生爱迪生 C C牛顿牛顿 D D达尔文达尔文D DC C“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。来，开始用自己理性的眼光打量世界。”这主要这主要说明牛顿的发现（
26、说明牛顿的发现（）A A 推动了天文学的发展推动了天文学的发展 B B 使人类彻底摆脱了神学的影响使人类彻底摆脱了神学的影响 C C 促进了人类的思想解放促进了人类的思想解放 D D 使人类开始关注现实世界使人类开始关注现实世界D 阅读材料阅读材料 爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的惟一一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的惟一道路；牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物道路；牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学思想。理学思想。请回答：请回答：“牛顿时代牛顿时代”是什么样的时代？是什么样的时代？牛顿在
27、数学和力学方面有什么贡献？牛顿在数学和力学方面有什么贡献？1717世纪中叶至世纪中叶至1818世纪世纪2020年代；处于资本主义手工年代；处于资本主义手工工场时期，资产阶级文化在逐渐发展。工场时期，资产阶级文化在逐渐发展。数学方面，建立微积分学，使精密的测量数学方面，建立微积分学，使精密的测量和变量计算有了可能。和变量计算有了可能。力学方面，提出物体机械运动的三大定律力学方面，提出物体机械运动的三大定律和万有引力定律，是人类认识史上对自然规和万有引力定律，是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。律的第一次理论性的概括和综合。阅读材料阅读材料 爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位
28、具有爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的惟一道路；牛最高思维能力和创造力的人所能发现的惟一道路；牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学思想。顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学思想。请回答：请回答：有人认为相对论的建立使牛顿在历史上有人认为相对论的建立使牛顿在历史上的光辉被抹掉了。你认为这种观点是否正确？为什么的光辉被抹掉了。你认为这种观点是否正确？为什么？不正确。不正确。因为牛顿力学体系的建立是近代科学形因为牛顿力学体系的建立是近代科学形成的标志，牛顿在科学史上有杰出贡献；成的标志，牛顿在科学史上有杰出贡献；牛顿所创牛顿所创造的概念，至今
29、仍指导着我们造的概念，至今仍指导着我们的物理学思想的物理学思想。回答问题回答问题 牛顿是位多才多艺的科学家，请扼要归纳他在科研牛顿是位多才多艺的科学家，请扼要归纳他在科研领域所涉及的成就，并分析取得这些成就的主要原因。领域所涉及的成就，并分析取得这些成就的主要原因。主要原因：主要原因：自身具有聪明的智慧；自身具有聪明的智慧；刻苦学习，善于思考的牛顿，不仅是一位十分专刻苦学习，善于思考的牛顿，不仅是一位十分专注的科学家，同时也是位勤奋的探索者注的科学家，同时也是位勤奋的探索者;能继承和发展前人的优秀成果能继承和发展前人的优秀成果;在科学研究上，牛顿将实验作为得出科学概念的在科学研究上，牛顿将实验
30、作为得出科学概念的主要途径，他在实验中得出结论后，还要在进一步的主要途径，他在实验中得出结论后，还要在进一步的中证明自己所得出的结论的正确性。中证明自己所得出的结论的正确性。这一切使牛顿能做在科学领域中取得了一这一切使牛顿能做在科学领域中取得了一系列的伟大成就。系列的伟大成就。牛顿在成长中遇到牛顿在成长中遇到哪些困难？他是怎样面哪些困难？他是怎样面对的？对的？家境贫寒，一度辍学；家境贫寒，一度辍学；初入大学，对高等数学知识初入大学，对高等数学知识大瘟疫，剑桥大学关闭大瘟疫，剑桥大学关闭提 示：？1666 1666年，牛頓發現陽光經過透鏡會產生色散，牛頓稱年，牛頓發現陽光經過透鏡會產生色散，牛頓稱之為譜線（之為譜線（SpectrumSpectrum）（取材自）（取材自The Search for The Search for Infinity,Mitchell BeazleyInfinity,Mitchell Beazley出版）。出版）。汇报结束谢谢大家!请各位批评指正