自然科学概论——总结与展望

2、海底扩张说 1960-1962美地质学家赫斯和迪茨： 要点：地球内部的地幔物质沿着海底洋脊上涌， 向两边溢流，推开原有海底物质，向两侧扩张，形成 新的海底。洋脊两侧地壳受挤压，不断向外运动，海 底处于扩张之中。海底扩张引起地壳的运动和变迁。 依据：洋底地层很年轻，没有早于中生代的沉积 物。地幔对流引起洋底地层不断更新。洋底两亿年更 新一次。 洋脊：海底山脉，地幔物质的溢流出口，全球性 洋脊 1956 年被发现。洋脊两侧存在对称的磁异常条 带。

恒星核心质量小于太阳1.44倍的恒星将会演化为 白矮星； 核心质量大于1.44倍太阳质量而小于3.2倍太阳质 量，整体为太阳8-15倍质量将演化为中子星； 核心超过3.2倍太阳质量，演化为黑洞。 25
白矮星
中子星
黑 洞
太阳的精细现象
太阳的精细现象主要指典型的太阳活动(太
阳活动指太阳大气中的一切活动)，它们是：黑
科学体系的层次结构图 科学是系统化的自然知识，是反映客观事实和规律 4 的知识体系。
3.科学是一种探求真理推进知识的活动。
达尔文花5年时间（1831-1836）遍游四大洲三 大洋，收集大量事实材料进行分析，于1859年发表 《物种起源》。
1888年“科学就是整理事实，以便得出普遍的 规律或结论”。 科学是把实践活动中的经验材料或感性认识进行 收集、整理、总结、归纳，经过“去粗取精、去伪 存真、由此及彼、由表及里”的加工改造，上升到 理性认识的过程。
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4.科学提供科学的世界观、态度和方法
自然科学根据其发展的阶段性大致可分为古代自然科 学、近代自然科学和现代自然科学。 原始社会、奴隶社会和封建社会早期，朴素、萌芽状 态的自然科学称为古代自然科学。 近代自然科学则是指从16～19世纪这一时期的自然科 学，又称为近代实验自然科学。 19世纪末和20世纪是现代自然科学发展的时期。 16、17世纪以来形成的一种特定的意识形态，包含着 对事物特定的看法、处理问题特定的方法、知识制造特定 的机制；它为人类规定了如何看待自然、研究自然、征服 和改造自然的方式。这个意识形态体系主要是在近代欧洲 成长起来的，常常称作近代科学。
1978年，贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊因首次测 量到3K宇宙背景辐射而获得诺贝尔物理学奖。
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恒星的演化
赫罗图 ：把恒星表面温度 （光谱）作为横坐标,绝对 星等作为纵坐标,将所有的 恒星都绘制在这同一幅坐 标图上。 丹麦天文学家赫茨普龙及 由美国天文学家罗素独立 提出 恒星的光谱型 O B A F G K M，记住口诀"Oh be A Fine Girl/Guy. Kiss Me!” 《08：8-18》 揭示恒星演化的重要规律
现代电子云模型
●1932年，质子和中子的发现
二、宇宙的起源和演化 宇宙概观 人们对宇宙的认识和探索 宇宙的起源和演化 星系 恒星 太阳和太阳系 地球
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地
球
太 阳 系
银 河外 河 + 星系 系
星 系 团
地球的半径约为 6,300公里, 质量约为6×1024千克 太阳的半径约为700,000公里, 质量约为2×1030千克 太阳系半径约为 6×109公里, 质量约为2×1030千克 银河系半径约为 5×104光年, 质量约为1.4×1011M⊙ 河外星系与银河系级别相同, 质量约为1011M⊙ 星系团包含成百上千个星系, 质量约为1014M⊙
地球的内部圈层：圈层同心
非梨亦非球——“煮熟的鸡蛋”？
地壳
地幔 地核
蛋壳 蛋白
蛋黄
三、板块构造运动的影响，理论和学说 1、大陆漂移说 1915 年 德 国 气 象 地 质 学 家 魏 格 纳 《 海 陆 的 起 源》。系统提出大陆漂移说。 要点：古生代地球一块大陆：联合大陆，周围 海洋。中生代以来，分裂，漂移，形成无数岛屿和 几块大陆。 依据：大西洋两岸陆地可拼合，欧非西海岸与 南北美东西海岸轮廓相似。大西洋两岸生物有亲缘 关系，两岸岩石类型、地层与褶皱构造相似。 缺陷：无直接证据能证明大陆曾发生断裂、漂 移。
爱德温·哈勃是继哥白 尼以后最伟大的天文学 家。 美国天文学家，是研究 现代宇宙理论最著名的 人物之一，是河外天文 学的奠基人。 他发现了银河系外星系 存在及宇宙不断膨胀， 是银河外天文学的奠基 人和提供宇宙膨胀实例 证据的第一人。
Edwin Hubble,1889-1953
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哈勃望远镜
1990年4月25日，由美国航天飞机送上太空轨道 的 “哈勃”望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨， 造价近30亿美元。 它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行，清晰度 是地面天文望远镜的10倍以上。 同时，由于没有大气湍流的干扰，它所获得的 图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性
元 素 周 期 表
对原子结构及基本粒子的深入研究
受益于19世纪末物理学上的三大发现，使人 们打开了原子结构及基本粒子的神秘之门 X射线、元素的放射性、电子
●原子模型的演进
1897，汤姆逊阴极射线实验，发现电子，打 破原子不可再分，葡萄干面包模型。 1911，卢瑟福粒子散射实验，确立原子核式 结构模型，证实原子由电子和原子核组成。 1913，玻尔原子壳层模型
光年（ly）：1光年=9.4605×1012公里
(94605亿公里) 。 质量单位：常用太阳质量为一个单位，用M⊙ 表示太阳的质量，M⊙= 2×1030千克。
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八大行星
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1917年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇宙学 所作的考查”一文中通过求解广义相对论引力场方 程，引入了宇宙常数项，建立了一个“静态、有限、 无界”的宇宙模型。 1922年苏联科学家弗里德曼重新求解了爱因斯坦 的引力方程，认为爱因斯坦引入的“宇宙常数项” 完全没有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”， 认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密 度有关。
自然科学概论
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第一节
科学与技术
一、科学是什么，怎样理解科学？
各种各样的定义：
1. Science，源于拉丁文的Scio，后来演变为scientia，其本 意是学问、知识。
2.明治时期日本人福泽谕吉把Science翻译为“科学”，即分科
的学问。经康有为、严复引入中国。 3. 科学是一种反映客观事实和规律的知识（体系）及其相关的 活动事业。
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哈勃发现星系红移
大概从1910年起，天文学家们在研究河外星系的光谱时，发现 有系统的红移现象。 红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因 波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移 动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用 于天体的移动及规律的预测上 到1917年，事情变得很清楚，除了少数几个离地球近的星系， 所有其他星系都显示出红移现象。星系越远，红移越显著。 1929年美国天文学家哈勃提出了著名的“哈勃定律”，宣布星 系的退行速度与距离大致成线性关系V=H0D，H0称为哈勃常数， 现在确定其值为50公里/（秒· 百万秒差距）。 一个星系与地球的距离每增加一百万秒差距（一秒差距约为 3．26光年），其远离地球的速度每秒就增加50公里 17
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三、大爆炸宇宙论的提出
1948年美籍苏联物理 学家伽莫夫提出“大爆 炸”宇宙学说。
宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇 宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。 频率属于微波范围。宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的 三十万年。大爆炸宇宙学说认为，发生大爆炸时，宇宙的 温度是极高的，之后慢慢降温，到现在（约150亿年后） 大约还残留着3K左右的热辐射 20
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5.科学是一种复杂的社会事业。
科学活动的规模随科学进步和社会发展而不断壮大。 20世纪40年代之前，科学基本处于“小科学”时期： 16世纪以伽利略为代表的个体活动时期； 17世纪牛顿的松散群众组织皇家学会时代； 18世纪到二战前的爱迪生“实验工厂”的集体研究时代。 20世纪美国的“曼哈顿计划”、“阿波罗计划”； 科学活动突破了以往的一切组织形式，进入到国家建制时代
水圈：连续包围地球表面的水层，包括液 态水、气态水和固态水。海洋水占总水量 96.5%，占地球表面积70.8% 。 生物圈：地球表层的生物有机体及其生存 环境的总称。上限地表上7-8Km，下限大洋10Km 。生物的形式有：植物、动物、微生物。 2．内三圈： 地壳、地幔和地核三个同心圈层。莫霍面 和古登堡面为其边界。地壳和地幔的顶部又称 为 岩 石 圈 ， 由 坚 硬 岩 石 组 成 ， 厚 度 达 70150Km 。
3、板块构造学说： 1968，法勒比雄，美摩根提出。 要点：地壳岩石圈下存在软流圈。岩石圈分为六大 板块，板块在不断运动，边移动边生长边位移。板块运 动的推动力是地幔对流。海底扩张是地幔对流的表现形 式。板块内部稳定，边缘是构造运动最活跃的地带，火 山，地震，断裂，下沉，挤压、褶皱等经常发生。 板块运动的三种形式： 相对运动：挤压性状态，形成造山带或者海沟 背向运动：牵引性状态，裂谷 相互运动：剪切性状态，剪切性痕迹。
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主序星：沿左上 方到右下方的对 角线主星序上的 恒星。它们亮度、 大小和温度间存 在稳定关系。化 学组成均匀和内 部氢核聚变。
白矮星：光度低，表面 温度高，是小而白热化 的天体。白矮星已耗尽 了核能，没有能量来源， 是靠冷却释放的能量而 发光。
体积大、温 度低、光度 大的一Βιβλιοθήκη Baidu星 叫巨星，氢 所剩不多外 层的热能使 它膨胀成为 巨大恒星， 它的外层成 为温度较低 的红色层， 称红巨星。 在巨星上方 是超巨星。
原子-分子论 1803年道尔顿原子论认为原子是最小的粒子
1811年阿佛加德罗提出分子假说
“原子是参加化学反应的最小粒子，分 子是能独立存在的最小粒子。”
化学元素周期律
1869年门捷列夫发现周期律实现了原子论从思辩性的自然 哲学向科学的转化 发现了大量元素，同时揭示了物质世界的根本性规律，奠 定了现代化学的基础。——元素周期律。 可以据此有计划、有目的的去探寻新元素；可以矫正以前测 得的原子量 ；使人类在认识物质世界的思维方面有了新飞跃。
二、科学与技术的关系，如何理解？
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第二章 现代自然科学的几个基本问题 一、 物质的微观结构
近代物质结构研究的进展 （1）科学原子论的发展 （2）现代原子结构的深入研究
近代物质结构研究的进展
●元素概念与化学的确立
1661年玻意尔提出科学的元素概念
元素是某些不由人和其他物 质所构成的、原始的、简单 的物质，而且是化学方法不 能再分解的实物。
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恒星的主要能源：是它们内部进行着的热核反应。 反应条件要求恒星内部有很高的温度 。 以质子-质子反应链（称为P-P链）为主 ：
结果是4个氢核在温度约为700万度的条件下聚为 一个氦核，放出两个电子，两个中微子和三个光 子。 （06:26—29）
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2.恒星的结局
恒星内部的热核反应的持续时间总是有限的，但 是恒星自身物质之间的巨大引力却永远存在，这就出 现了恒星结局的问题。 随着恒星内部热核反应的停止，尽管恒星外层部 分会出现膨胀、爆发等复杂的变动，核心部分却必定 在引力作有下发生急剧的收缩，即所谓引力坍缩。
2.119 1010 Km3
质量： 5.976 1027 g 平均密度： 5.52 g
cm3
三、地球的圈层结构
以地心为共同圆心的圈层结构球体。分为外三圈 和内三圈。 1．外三圈： 地球外部至地表平均 800Km 以内的圈层。包括大 气圈、水圈和生物圈。 大气圈：地球外部气体所组成，地表至星际空间 的过渡圈层，延续800Km以上。分为对流层、平流层、 高层大气（中间层、热层、逸散层）。 对流层：强烈大气对流（水平、垂直）、气候变 化、大气污染、温室效应、75%大气质量。 平流层：空气稀薄、水平对流。 中间层、热层：气体电离，呈等离子状态
子、光斑、米粒组织、耀斑、日珥、太阳风以及 太阳振荡等。
这些现象主要由太阳内部核反应能量通过
表面向外释放时引起的，是太阳物质大规模运动 的波动性体现。
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一、地球概况 位置：日地距离（ 1.496 108 km ，1个天文单位）适 宜的位置 形状：北极略突，南极略凹，赤道稍突出的橘状体 大 小 ： 平 均 半 径 6371km ， 赤 道 6378km ， 极 地 6357km 体积:
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1.科学反映了客观事实和规律。 在实践中获取知识，正确反映事实和规律，即 为科学 牛顿——牛顿运动规律和万有引力定律。
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2.科学是一种知识体系。 “科学是关于自然、社会和思维的知识体系”， 它是一个动态系统，随着实践的发展而不断变化。
辨证唯物主义哲学 历史唯物主 义 社会科学 辨证逻辑 思维科学 技术科学 自然辩证法 自然科学