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1、自然科学发展简史第1页，本讲稿共32页一、一、一、一、2020世纪初的物理学革命世纪初的物理学革命世纪初的物理学革命世纪初的物理学革命0.19000.1900年英国物理家凯尔文勋爵对物理学的展望和年英国物理家凯尔文勋爵对物理学的展望和年英国物理家凯尔文勋爵对物理学的展望和年英国物理家凯尔文勋爵对物理学的展望和新世纪物理学的新发展，新世纪物理学的新发展，新世纪物理学的新发展，新世纪物理学的新发展，电子、电子、电子、电子、X X射线、放射性等的射线、放射性等的射线、放射性等的射线、放射性等的发现所带来的冲击与兴奋。发现所带来的冲击与兴奋。发现所带来的冲击与兴奋。发现所带来的冲击与兴奋。1.1.“电
2、子电子电子电子”一词，最早使用在一词，最早使用在一词，最早使用在一词，最早使用在18911891年，年，年，年，是英国科学家是英国科学家是英国科学家是英国科学家斯托内在斯托内在斯托内在斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人类发现的他的研究成果中提出的。电子是人类发现的他的研究成果中提出的。电子是人类发现的他的研究成果中提出的。电子是人类发现的第一代第一代第一代第一代基本粒子。基本粒子。基本粒子。基本粒子。2.18762.1876年，德国物理学家年，德国物理学家年，德国物理学家年，德国物理学家戈德斯坦戈德斯坦戈德斯坦戈德斯坦提出，玻璃管提出，玻璃管提出，玻璃管提出，玻璃管壁上的辉光是由阴极产生的
3、某种射线所引起的，他壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为把这种射线命名为把这种射线命名为把这种射线命名为阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线。第2页，本讲稿共32页 3.203.20世纪的热电子发射、世纪的热电子发射、光电效应光电效应的实验，进一的实验，进一步证明了任何原子都包含着步证明了任何原子都包含着电子的结论。电子的结论。4.4.德国人伦琴德国人伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。现象。18951895年，他发现了高真空管放电时能产生年，他发现了高
4、真空管放电时能产生X X射射线的现象。线的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有见它的穿透性使人们看到了许多过去没有见过的新东西。过的新东西。5.18965.1896年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现了铀元素的了铀元素的天然放射性天然放射性。它能使不透光的底片暴光。它能使不透光的底片暴光。第3页，本讲稿共32页6.著名的法国科学家皮埃尔著名的法国科学家皮埃尔 居里和他的居里和他的妻子玛丽居里，经过多年的研究和实验，发现了钍、钋、镭的放射性放射性。7.7.电子、电子、X射线和放射性现象，这三大发射线和放射性现象，这三大发现是现是1919世纪末物理学的重
5、要成就。在此基础世纪末物理学的重要成就。在此基础上，上，2020世纪初产生了世纪初产生了原子物理学。原子物理学。第4页，本讲稿共32页8.英国物理学家汤姆生，在证实了电子的英国物理学家汤姆生，在证实了电子的存在以后，于存在以后，于1904年，提出了他关于年，提出了他关于原子原子结构的结构的“面包夹葡萄干面包夹葡萄干”的原子模型。的原子模型。9.英国人卢瑟福在英国人卢瑟福在1911年经过实验，得年经过实验，得出结论：原子中有一个非常非常小的核，它出结论：原子中有一个非常非常小的核，它集中了原子集中了原子99.99%的质量。他提出了原子的质量。他提出了原子有核模型有核模型-行星行星模型。模型。第5
6、页，本讲稿共32页10.爱因斯坦一生最重要的贡献就是相对论。他在1905年发表的年发表的论动体的电动力学一文中首先创立了狭义相对论。第一，对于一切惯性系，一切自然定律都同样对于一切惯性系，一切自然定律都同样适用，适用，-相对性原理。第二，对于任何惯性系，自由空间中的光速都对于任何惯性系，自由空间中的光速都是相同的，是相同的，-光速不变原理。光速不变原理。一系列结论：P232-233P232-233第6页，本讲稿共32页普朗克的量子理论普朗克的量子理论物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化；能量也是由一份份能量也是由一份份“能量原子能量原子”构成。构成。普
7、朗克常数h“能量子”e=hv第7页，本讲稿共32页光电效应光电效应 P237P23719世纪80年代，赫兹等科学家发现，当光照射到金属上会使金属表面有电子逸出，这就是光电效应。1.入射光的强度越大，它从金属表面打出的电入射光的强度越大，它从金属表面打出的电子越多；子越多；2.被光辐射打出的电子的运动速度与入射光的频率成正比，与光的强度无关；3.如果光的频率小于某一截止频率，无论光的强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应。第8页，本讲稿共32页物质波和波粒二象性物质波和波粒二象性法国物理学家德布罗意提出了实物粒子也具有波动性-物质波物质波的概念；1927年，美国科学家戴维逊证实了电子衍射-电
8、子也是波；电子也是波；入入=h/pv=E/hP是动量，E是能量，“入”是波长第9页，本讲稿共32页海森堡在海森堡在海森堡在海森堡在1927年，推出了测不准原理和公式年，推出了测不准原理和公式年，推出了测不准原理和公式年，推出了测不准原理和公式薛定谔和海森堡所给出的量子力学的数学方程，以令人满意的逻辑方式把不表现相对论效应所有现象都概括在内。由于由于薛定谔、海森堡、波恩、狄拉克以及泡利等人的努力，量子力学在的努力，量子力学在19世纪3030年代初已经形成完整的体系。20世纪的物理革命，在时间、空间、运动、质量、能量、连续与非连续、必然与偶然、物质结构等一般的关系上都提出了许多崭新的见解。第10页
9、，本讲稿共32页19世纪末和20世纪初，物理学发展中的另一个重大的突破是量子论的产生和在此基础上建立起来的量子力学。人们把能够全部吸收辐射而无任何发射或透射的物体叫“理想黑体”。第11页，本讲稿共32页如何从如何从“曼哈顿工程曼哈顿工程”去理解爱因斯坦去理解爱因斯坦“科学是一把双刃剑科学是一把双刃剑”的伟大意义。的伟大意义。P P247247 要点：要点：美美国国政政府府为为了了研研究究和和制制造造原原子子弹弹，实实施施了了代代号号为为“曼曼哈哈顿工程顿工程”的计划。的计划。原原子子弹弹给给人人类类带带来来了了不不幸幸；虽虽然然它它是是2020世世纪纪以以来来核核物物理学的重要成果的应用。理学
10、的重要成果的应用。爱爱因因斯斯坦坦“科科学学是是一一把把双双刃刃剑剑”的的观观点点，是是对对科科学学的滥用和恶用的有力批判。的滥用和恶用的有力批判。第12页，本讲稿共32页第第13章章现代自然科学的新进展现代自然科学的新进展粒子世界的新发现 现代物理学的两大理论基石，是现代物理学的两大理论基石，是量子力学和相对论。它们引起了物理学的重大变革。1930年1932年间，发明了能够获得高速粒年间，发明了能够获得高速粒子的回旋加速器、静电加速器和高压倍加器，子的回旋加速器、静电加速器和高压倍加器，为为核物理研究核物理研究提供了强有力的工具。第13页，本讲稿共32页美国的费米和德国的哈恩发现了人工核裂变
11、反应，铀裂变时又放出中子，形成链式反应，发出大量能量，由此开始了原子能的利用。“宇宙射线”是天然的“实验室”P252P252第一，正电子的发现第二，正负电子对与光子的相互转化第二，正负电子对与光子的相互转化第三，介子的发现，日本的汤川秀树第三，介子的发现，日本的汤川秀树费米的中微子费米的中微子第14页，本讲稿共32页基本粒子基本粒子第一代基本粒子：光子、轻子、重子、正负电第一代基本粒子：光子、轻子、重子、正负电子等，到子等，到19471947年，约有14种。第二代基本粒子：反中子、反质子等，到1960年，约有年，约有30种。种。第三代基本粒子：是一批寿命极短的共振态的粒子。19641964年，
12、美国物理学家盖尔曼提出年，美国物理学家盖尔曼提出“夸克夸克”的的新概念。新概念。第15页，本讲稿共32页凝聚态物理固体物理学凝聚态物理固体物理学 凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空、超凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空、超高温、超低温、强磁场等特殊条件的获得有关。高温、超低温、强磁场等特殊条件的获得有关。超导现象；超导现象；钕铁硼强磁铁；钕铁硼强磁铁；半导体材料和晶体管的发明；半导体材料和晶体管的发明；大陆板块和漂移学说；大陆板块和漂移学说；大陆漂移说在被冷落了大陆漂移说在被冷落了40-5040-50年后，又重新被人们所重视。而板块学说指明了地球形年后，又重新被人们所重视。而板块学
13、说指明了地球形成和发展的基本面貌，使大陆漂移学说以新的形式出现。成和发展的基本面貌，使大陆漂移学说以新的形式出现。太阳，地球等天体的形成和演变。太阳，地球等天体的形成和演变。第16页，本讲稿共32页宇宙探测器和宇宙飞船对科学研究的贡献宇宙探测器和宇宙飞船对科学研究的贡献1959年前苏联发射第一颗月球探测器；年前苏联发射第一颗月球探测器；太阳的热核反应和核聚变；美国天文学家哈勃和哈勃望远镜；宇宙大爆炸学说P262P262 19311931年年19321932年，人们第一次接收到宇宙射电的信年，人们第一次接收到宇宙射电的信号，并在号，并在19361936年研制成功射电望远镜，打开了观测年研制成功射
14、电望远镜，打开了观测宇宙的又一个窗口。宇宙的又一个窗口。第17页，本讲稿共32页量子力学建立以后，人们开始用量子力学的原量子力学建立以后，人们开始用量子力学的原量子力学建立以后，人们开始用量子力学的原量子力学建立以后，人们开始用量子力学的原理来研究分子的微观结构，由此而产生了一门新的理来研究分子的微观结构，由此而产生了一门新的理来研究分子的微观结构，由此而产生了一门新的理来研究分子的微观结构，由此而产生了一门新的学科学科学科学科-量子化学量子化学量子化学量子化学。2020世纪世纪世纪世纪3030年代年代年代年代，人们把量子力学的原理推广到，人们把量子力学的原理推广到，人们把量子力学的原理推广到
15、，人们把量子力学的原理推广到多原子分子的研究上来。建立了两种化学键理论，多原子分子的研究上来。建立了两种化学键理论，多原子分子的研究上来。建立了两种化学键理论，多原子分子的研究上来。建立了两种化学键理论，它们是它们是它们是它们是 价键理论价键理论价键理论价键理论和和和和分子轨道理论分子轨道理论分子轨道理论分子轨道理论。量子化学的推广和应用，量子化学的推广和应用，量子化学的推广和应用，量子化学的推广和应用，“分子设计分子设计分子设计分子设计”出新材出新材出新材出新材料、新药物。料、新药物。料、新药物。料、新药物。晶体化学的诞生。晶体化学的诞生。晶体化学的诞生。晶体化学的诞生。有机合成化学和高分子
16、化学有机合成化学和高分子化学有机合成化学和高分子化学有机合成化学和高分子化学的建立，是现代化学发展的又一重要内容。的建立，是现代化学发展的又一重要内容。的建立，是现代化学发展的又一重要内容。的建立，是现代化学发展的又一重要内容。有机物的提取，维生素有机物的提取，维生素有机物的提取，维生素有机物的提取，维生素A.B.C.D.E.K.A.B.C.D.E.K.的合成。的合成。的合成。的合成。第18页，本讲稿共32页1909年，美国生物学家摩尔根在孟德尔遗传年，美国生物学家摩尔根在孟德尔遗传学说的基础上，提出了基因说，把基因看作是位学说的基础上，提出了基因说，把基因看作是位于染色体上的于染色体上的球状
17、颗粒。球状颗粒。从从1919世纪发现细胞并把它作为生命的基本单位以后，世纪发现细胞并把它作为生命的基本单位以后，人们便开始研究细胞内部的结构和功能人们便开始研究细胞内部的结构和功能。在生物化学、生物物理、细菌学、病毒学等的相互渗透在生物化学、生物物理、细菌学、病毒学等的相互渗透中，诞生了一门新的学科中，诞生了一门新的学科-分子生物学分子生物学 18681868年瑞士科学家米希尔首先从细胞核中发现了一种物年瑞士科学家米希尔首先从细胞核中发现了一种物质叫核酸。它又可以分为去氧核糖核酸质叫核酸。它又可以分为去氧核糖核酸DNADNA和和 核糖核酸核糖核酸RNARNA。第19页，本讲稿共32页蛋白质是生
18、命系统中最重要的物质蛋白质是生命系统中最重要的物质1926年，美国科学家指出：生物催化剂酶是蛋白质；生物分泌的激素也是蛋白质；核酸DNA，RNA也是蛋白质。第20页，本讲稿共32页促成分子生物学诞生的几个方面促成分子生物学诞生的几个方面P270P270第一，1945年，美国生化学家用实验的方法年，美国生化学家用实验的方法证明了基因与酶的关系。证明了基因与酶的关系。第二，关于DNA是携带遗传信息载体的发现。DNADNA双螺旋结构的发现被称为是双螺旋结构的发现被称为是双螺旋结构的发现被称为是双螺旋结构的发现被称为是2020世纪生物学最伟世纪生物学最伟世纪生物学最伟世纪生物学最伟大的发现，是分子生物
19、学诞生的标志。大的发现，是分子生物学诞生的标志。大的发现，是分子生物学诞生的标志。大的发现，是分子生物学诞生的标志。诺贝尔奖得主中生物学家多；诺贝尔奖得主中生物学家多；诺贝尔奖得主中生物学家多；诺贝尔奖得主中生物学家多；19651965年，我国的科学年，我国的科学年，我国的科学年，我国的科学家人工合成含有家人工合成含有家人工合成含有家人工合成含有5151个氨基酸的胰岛素。个氨基酸的胰岛素。个氨基酸的胰岛素。个氨基酸的胰岛素。第21页，本讲稿共32页第第14章章现代科学的技术化与技术的科学化现代科学的技术化与技术的科学化原子能技术原子能技术：美国科学家费米用中子轰击铀，实现了核裂变以后。在第二次
20、世界大战期间，爱因斯坦建议美国试制原子弹。“曼哈顿工程”。19541954年，苏联和美国建造了试验性核电站，揭开了核电应用的序幕。到6060年代，核发电逐步进入使用阶段。核电站是现代“知识工业”的一个典型，它需要大量高深的科学知识。第22页，本讲稿共32页空间技术：空间技术：在第二次世界大战期间，在德国的贝尼明恩迪建在第二次世界大战期间，在德国的贝尼明恩迪建立了火箭研究所，立了火箭研究所，19421942年试验发射了重达年试验发射了重达1313吨的吨的V-V-2 2火箭，最大时速火箭，最大时速55005500公里。公里。19571957年，前苏联发射了第一颗人造地球卫星。年，前苏联发射了第一颗
21、人造地球卫星。19601960年，美国第一次回收从卫星上弹射出来的回收仓。年，美国第一次回收从卫星上弹射出来的回收仓。19691969年，年，“阿波罗登月计划阿波罗登月计划”2020世纪世纪7070年代，通信卫星、气象卫星、资源卫星为年代，通信卫星、气象卫星、资源卫星为代表的空间技术开始转为民用。代表的空间技术开始转为民用。第23页，本讲稿共32页激光技术：激光技术：1960年，美国加利福尼亚的休斯研究所的梅曼，使用人造红宝石创造出第一个红宝石激光器。受激辐射输出的光将使入射光得到补充和加强，即实现了光放大。所谓激光，就是受激辐射光放大的简称。后来人们把它叫做莱塞。激光的应用：激光制导，激光加
22、工，激光传输等方面。第24页，本讲稿共32页生物工程：生物工程：四个方面：P P282-283282-283A遗传工程；B细胞工程也叫细胞融合技术；C发酵工程也叫发酵技术；D生物转化工程也叫酶工程。克隆技术：“多利”羊；“艾米”牛生物制药技术：干扰素等第25页，本讲稿共32页电子技术和计算机技术的发展电子技术和计算机技术的发展 19451945年，美国的莫尔研究小组制造出了世界上第一年，美国的莫尔研究小组制造出了世界上第一年，美国的莫尔研究小组制造出了世界上第一年，美国的莫尔研究小组制造出了世界上第一台电子计算机，被命名为台电子计算机，被命名为台电子计算机，被命名为台电子计算机，被命名为“电子
23、数值积分和计算机电子数值积分和计算机电子数值积分和计算机电子数值积分和计算机”，又称为，又称为，又称为，又称为 ENIACENIAC。美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比，美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比，美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比，美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比，首先发明了能够包容晶体管和电阻、电容等元件的首先发明了能够包容晶体管和电阻、电容等元件的首先发明了能够包容晶体管和电阻、电容等元件的首先发明了能够包容晶体管和电阻、电容等元件的集成电路集成电路集成电路集成电路。第二次世界大战后，电子计算机的出现，为机械工第二次世界大战后，电子计算机的出现，
24、为机械工第二次世界大战后，电子计算机的出现，为机械工第二次世界大战后，电子计算机的出现，为机械工业注入了新的活力。自动化机床中的数控机床出现业注入了新的活力。自动化机床中的数控机床出现业注入了新的活力。自动化机床中的数控机床出现业注入了新的活力。自动化机床中的数控机床出现在在在在 19521952年年年年。第26页，本讲稿共32页在电子计算机的发展过程中，经过了五代：在电子计算机的发展过程中，经过了五代：P P287287第一代，电子管计算机；第二代，晶体管计算机；第三代，集成电路计算机；第四代，大规模集成电路计算机；目前正在进入第五代，用超大规模集成电路装备的具有人工智能的巨型计算机和微型机
25、。第27页，本讲稿共32页在高度自动化的企业中，以从事脑力活动为主的在高度自动化的企业中，以从事脑力活动为主的在高度自动化的企业中，以从事脑力活动为主的在高度自动化的企业中，以从事脑力活动为主的“白领工人白领工人白领工人白领工人”的人数比例大于从事体力劳动为主的人数比例大于从事体力劳动为主的人数比例大于从事体力劳动为主的人数比例大于从事体力劳动为主的蓝领工人。的蓝领工人。的蓝领工人。的蓝领工人。1948年，美国数学家维纳发表了年，美国数学家维纳发表了控制论控制论一书，并称控制论是关于在动物和机器中控一书，并称控制论是关于在动物和机器中控制和通讯的科学。制和通讯的科学。第28页，本讲稿共32页工
26、业发达国家的机械业都很重视材料的质量，工业发达国家的机械业都很重视材料的质量，同时认真研究成型方法同时认真研究成型方法同时认真研究成型方法同时认真研究成型方法。以节约原材料。以节约原材料。20世纪初，人工制造的高分子材料已经开始世纪初，人工制造的高分子材料已经开始生产。由于有机化学、固体物理、合成化学、生产。由于有机化学、固体物理、合成化学、高分子化学等学科的发展，高分子化学等学科的发展，使高分子材料随工使高分子材料随工使高分子材料随工使高分子材料随工农业生产和日常生活的需要而迅猛发展。农业生产和日常生活的需要而迅猛发展。农业生产和日常生活的需要而迅猛发展。农业生产和日常生活的需要而迅猛发展。
27、第29页，本讲稿共32页现代化生产在农业上也有了大发展，现在许现代化生产在农业上也有了大发展，现在许多国家的种植业的产值已经同畜牧业产值相多国家的种植业的产值已经同畜牧业产值相等，有的国家后者还超过了前者。等，有的国家后者还超过了前者。农业是最古老的产业。在法国、丹麦等农业农业是最古老的产业。在法国、丹麦等农业发达国家，只有受过中学教育和农业基础学发达国家，只有受过中学教育和农业基础学校教育，并在农场经过实践，再通过考试取校教育，并在农场经过实践，再通过考试取得得“绿色教育证书绿色教育证书”的人，才能经营农场。的人，才能经营农场。第30页，本讲稿共32页美国大约用了美国大约用了美国大约用了美国
28、大约用了30年的时间基本上实现了农业生产年的时间基本上实现了农业生产的机械化。而日本从的机械化。而日本从19501950年开始，用了大约年开始，用了大约10年年的时间全面实现了农业机械化。的时间全面实现了农业机械化。近几十年来，土壤学、农业化学、遗传生理学、近几十年来，土壤学、农业化学、遗传生理学、气象学、作物栽培学、等农业科学成果。气象学、作物栽培学、等农业科学成果。控制论、信息论和系统科学揭示了自然界、社会控制论、信息论和系统科学揭示了自然界、社会和人类思维这三个领域中许多现象的一致性。和人类思维这三个领域中许多现象的一致性。第31页，本讲稿共32页今天的社会是信息革命的社会，因今天的社会是信息革命的社会，因为如果没有信息和学习传递就不会为如果没有信息和学习传递就不会有组织的系统，也不会有有秩序的有组织的系统，也不会有有秩序的能量转化和物质交换能量转化和物质交换。第32页，本讲稿共32页