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第1章 科学技术是生产力的历史进程 一、五次生产力高潮的形成 1、第一次生产力高潮 地点：中国 时间：313世纪 特点：以农业生产为主 2、第二次生产力高潮 地点：英国 时间：17世纪1830年 特点：以纺织工业为主，迎来了工业化新时代。 3、第三次生产力高潮 地点：德国 时间：19世纪中叶20世纪初 特点：以化工工业为主，迎来了化学合成时代。 4、第四次生产力高潮 地点：美国 时间：1879年1930年 特点：以电气化生产为主，迎来了电气化时代。 5、第五次生产力高潮 地点：日本 时间：开始于20世纪中叶 特点：技术综合创新，产业结构现代化。 二、三次技术革命的特点 1、第一次技术革命 又称蒸汽动力技术革命。 以蒸汽动力技术为主要技术。 以蒸汽动力取代人力、畜力、风力和水力。 动力机、传动机、工作机组成了机器生产系统。 2、第二次技术革命 又称为电力技术革命。 以电气发明和应用为中心的技术革命。 完成于实验室，由科学家自己实现。 不仅解决了生产文明（钢铁、化工和电力“三大技术”），还发展了生活文明（汽车、飞机和无线电“三大文明”）。 3、第三次技术革命 又称现代技术革命或信息技术革命。 六大高技术（信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术、空间技术和海洋技术）成为现代技术革命的主战场。 其中信息技术是先导。 用电脑代替人的部分脑力劳动。第2章 近代自然科学的发展1、经典力学体系的建立牛顿在前人研究的基础上提出了一整套力学的基本概念，建立了描述物体运动规律的牛顿力学三定律和万有引力定律。牛顿力学三定律和万有引力定律将天体运动和地上物体运动统一起来，建立起牛顿力学（经典力学）理论大厦。阐述经典力学体系的重要著作：自然哲学的数学原理。牛顿运动三定律和万有引力定律（略）。2、经典电磁理论的建立1820年奥斯特发现了电流的磁效应。1831年法拉第发现了电磁感应定律。法拉第是近代电磁学的创始人，提出了力线和场的重要概念。麦克斯韦完成了经典电磁学的理论总结： 1873年电磁学通论的出版，标志着电磁学理论的建立；麦克斯韦方程组；关于电磁波的预言。3、经典物理学理论的三次大综合牛顿力学把天上和地上物体的运动统一起来，把万有引力与牛顿运动三定律视为宇宙间一切物体运动所遵循的普遍规律，实现了物理学理论的第一次综合。能量守恒与转化定律揭示了自然界各种运动的统一性，实现了物理学理论的第二次综合。麦克斯韦总结的经典电磁理论，揭示了电、磁、光的统一性，实现了物理学理论的第三次综合。4、化学科学的建立波义耳提出科学的元素概念，使化学成为一门独立的自然科学。拉瓦锡提出科学的氧化燃烧理论。道尔顿的原子论和阿佛加德罗的分子论相结合，形成了科学的原子-分子论。（注意原子与分子的区别）门捷列夫提出化学元素周期律，排出第一张元素周期表。维勒用无机物人工合成了有机物-尿素，沟通了无机界和有机界的联系，成为有机化学发展史上的重要里程碑。5、细胞学说的建立1665年胡克用显微镜观察到木栓细胞。随着显微镜技术的改进，对细胞的观察取得了一系列的成果1835年，施莱登提出细胞是一切植物的基本构造，是一切植物赖以发展的基本实体。1839年，施旺将施莱登的观点推广到动物界，指出一切动物组织的构成基础也是细胞。细胞学说的内容及意义（略）。6、生物进化论的确立1809年，拉马克在动物哲学中首先提出生物进化论的观点，提出了生物进化的两条重要法则。1859年，达尔文在物种起源中系统地描述了生物界由简单到复杂，由低级到高级的进化过程，提出了自然选择学说，确立了生物进化论。自然选择是达尔文生物进化论的理论核心。达尔文生物进化论的要点及意义（略）。第3章 现代自然科学的重大成就及其特点1、量子论1900年，普朗克为解决黑体辐射的所谓紫外灾难提出了量子假说：黑体辐射能量的变化是不连续的，只能是最小能量单元 的整数倍。普朗克量子假说的提出宣告了量子论的诞生。1905年，爱因斯坦提出光量子论，指出光在传播过程中，其能量也是不连续的，并指出光既有波动性又有粒子性，即光具有波粒二象性。爱因斯坦的光量子论成功地解释了经典物理学无法解释的光电效应。1913年，玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态，提出了量子化的原子结构模型，成功地解释了经典物理学不能解释的原子结构的稳定性和氢原子的线状光谱。1923年，德布罗意提出实物粒子也具有波动性的假设，即实物粒子具有波粒二象性。德布罗意的假设于1925年被电子衍射实验所证实。1925年海森堡、1926年薛定锷分别创立了描述微观世界运动规律的量子力学。1927年，海森堡提出测不准原理，认为不能同时准确地测定微观粒子的位置和动量。2、狭义相对论为解决牛顿的 绝对时空观应用于电磁学领域时所出现的矛盾，1905年，爱因斯坦发表论动体的电动力学一文，文中提出了狭义相对论。狭义相对论的两条基本原理和五个结论（略）。狭义相对论提出了一种新的时空观：时间的快慢和空间的大小都不是绝对的，而是与运动状态有关。由于宏观物体的运动速度一般远远小于光速，相对论效应并不明显，可以忽略不计，因此用牛顿力学处理宏观低速物体的运动是完全可行的。3、基因论染色体的主要化学成分是核酸和蛋白质。核酸又有DNA（每个DNA分子含有很多基因）和RNA（主要在蛋白质合成中起作用）之分。基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。基因对生物性状的决定性作用是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。遗传信息从DNA传递给RNA（转录），再从RNA传递给蛋白质（翻译）。DNA是生物大分子，是遗传信息的载体，具有自我复制功能，具有双螺旋结构。4、物质结构及其夸克-轻子模型原子的组成：原子核（带正电）和电子（带负电）。原子核的组成：质子（带正电）和中子（不带电）。质子由两个上夸克和一个下夸克组成（三色）；中子由一个上夸克和两个下夸克组成（三色）。上夸克的电荷数为2/3；下夸克的电荷数为-1/3。按照现代物理理论，组成物质的最小单元是夸克、轻子和传播子。这些基本粒子分为两大类：有质实体（费米子）：6种轻子；6种夸克（每种都有三色）。在费米子间传递相互作用的传播子（玻色子）：传递强力的胶子（8种）；传递电磁力的光子；传递弱力的中间玻色子（3种）；传递引力的引力子（还未发现）。费米子（夸克和轻子）分为三代，第一代是构成普通物质的组成部分，第二、第三代寿命极短，通常只能在粒子实验中找到。四种基本力的特征（p33）第5章 生物技术1、基因工程基因工程又称DNA重组技术，是现代生物技术的核心部分。基因工程是将生物特定的基因按照人的意愿经过体外重组，再把重组后的DNA分子转入人们所操作的生命体内，使这个基因能在受体生物体内复制、转录、翻译、表达，从而产生出人们所期望的产物或达到某种目的。基因工程使人们可以克服物种之间的遗传屏障，按照人们的意愿创造出自然界中没有的新的生命形态或稀有物种。目前，基因工程已在转基因植物、转基因动物、基因工程药物和转基因食品等方面获得应用。2、人类基因组计划基因组是携带细胞或生物体的一整套遗传指令的核酸量，也就是生物体的全部DNA序列及每个基因的结构和功能。人类基因组就是人的46条染色体、30亿个碱基对的排列顺序。人类基因组计划的目的是要找出人体所有基因碱基对在DNA链上的正确位置，弄清各个基因的功能，对它们进行编目，最终绘制出包括人体全部遗传密码的图谱。实施人类基因组计划重大意义（四点，略）。3、DNA芯片DNA芯片又称基因芯片，是一种高密度的核苷酸阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术，将大量特定序列的DNA片段有序地固化在玻璃或硅衬底上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片主要是对生命信息进行储存和处理。利用DNA芯片可快速、高效地获取生命信息。DNA芯片应用的主要领域（略）。第6章 信息技术1、无线电波的几种传播方式地波传播是无线电波沿地球表面附近的传播。由于长波和中波能较好地绕过障碍物，且地面对其吸收较少，因而地波传播方式比较适合于长波和中波的传播。地波传播比较稳定。天波传播是无线电波通过电离层反射方式而进行的传播。由于微波和超短波会穿透电离层而不被反射，电离层的吸收作用随无线电波波长的增长而增大，因此天波传播方式最适合于短波的传播。天波传播很不稳定。空间波传播是无线电波象光那样沿直线的传播。空间波传播的特点是要建立许多中继站。空间波传播方式比较适合于微波和超短波的传播。卫星通信是利用人造卫星作为中继站进行无线电波的传播。卫星通信以微波作为载波。由于微波能穿透电离层，因此卫星很容易接收到此信号，并把它放大后发射回地面。卫星通信覆盖面大，不受地面形貌影响，廉价且方便。2、信号传输的基本原理将各种信号转变为电信号再进行传输。将需传输的电信号加到载波上，即调制。信息的传输量与载波的频率有关，载波频率越高（可获得的频率宽度更宽），所传输的信息量就越大。3、光纤通信全反射原理：当光由光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，将发生全反射现象。光纤通信是利用光波作为载波，利用全反射原理，使经调制的信号光束沿光纤传播。光纤通信的优点：通信容量大；损耗低；抗干扰能力强；保密性好；成本低；重量轻，占空间少，容易敷设。4、蜂窝移动通信技术的发展过程第一代移动通信（1G）传输的是模拟信号，采用FDMA连接方式。不足之处是：频谱利用率低；业务种类单一，只能提供区域性话音服务；通话质量差；保密性差。第二代移动通信（2G）开始，传输的信号由模拟信号改为数字信号，一般采用TDMA连接方式。较之1G，其优点是：频谱利用率较高；系统容量大；保密性好；话音质量好；业务种类多，可提供全球通话音服务，还可提供低速的数据服务。第三代移动通信（3G），其特点是：有更宽的带宽；更高的传输速率；更多的业务种类，除了提供话音业务，还能传输图象数据，提供快捷、方便的无线应用，提供全球漫游；能与多种网络互联，终端多样化。5、数字通信的优点抗干扰；不易失真；传输速率快；保密性强；能与计算机技术相结合，进行电话、电报、数据和图象等各种信息的传输。6、通信网的发展趋势传输不同的信息所需的传输速率是不同的。通常称通信速率小于或等于64Kbps数据的通信网为窄带网，而把那些不仅能传输低速信息（如电话）还能传输高速信息（如电影）的通信网称为宽带网。三网是指电信网、有线电视网和计算机网络。通信网的发展趋势是以三网合一为基础的B-ISDN，即宽带综合业务数字网。它可以快速、高质量地传输语音、数据和图象信号，能提供丰富多彩的通信业务。B-ISDN的主要特点（略）。7、信息处理技术信息处理主要是利用电子计算机进行的，当今的计算机已经发展为一种高速自动化的信息处理系统。电子计算机的迅速发展是建立在微电子技术发展的基础之上的。微电子技术以集成电路技术为代表，集成电路的发展是朝着集成电路规模越来越大的方向进行。电子计算机的组成和功能（略）。计算机的结构和功能将向着微型化、超强功能、智能化和网络化的方向进行。第8章 新能源技术1、太阳能是一种巨大、洁净、安全、可再生的能源。但利用率相对较低。直接利用太阳能的三种方式： 光热转换：通过集热器将太阳能转变为热能。太阳热发电：太阳能转变为热能，热能产生的蒸汽推动汽轮发电组发电。光电转换：利用太阳能电池将太阳能转换为电能。太阳能电池的工作原理（略）。光化学转换：利用光和物质相互作用引起的化学反应。如光化学电池、太阳能制氢等。2、潮汐能潮汐能是由于海水潮汐现象而产生的能量，是一种可再生的洁净能源。海水潮汐现象是由于月球以及太阳和其他天体对地球的引潮力的作用而造成的一种海水涨落现象。 开发利用潮汐能的主要方式是潮汐发电。利用涨、落潮位差，把潮汐能转化为动能，再通过水轮机进行发电。3、生物质能 绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量叫做生物质能。自然界生物质资源非常丰富，如薪柴、农业废弃物、水生植物、油料作物、工业和城市有机废物、动物粪便等。 生物质能的利用有多种形式 。4、氢能 是清洁的、可再生的二次能源 氢是一种理想的气体燃料，它具有许多优点：热值高 、易燃烧 、来源广、少污染 。氢的制备方法主要有：电解法、热化学法、太阳能制氢。5、原子核裂变能是重原子核裂变所释放的能量。利用中子激发所引起的核裂变，是人类迄今为止大量释放原子能的主要形式。核裂变燃料：天然存在的：铀-235；人工制备的：铀-233、钚-239。原子核裂变能和平利用的关键是可控链式反应的实现。两种堆型：热中子（慢中子）反应堆和快中子反应堆。热中子反应堆的核燃料是铀-235，裂变过程中，必须在反应堆里加入慢化剂，使裂变反应释放的中子（快中子）得到慢化。6、核电站原子核裂变能和平利用：核电站。核能是目前唯一可大规模替代化石燃料的能源。目前的核电站大多数是热中子反应堆。正在开发的新一代核电站是快中子增殖反应堆。核电站的安全措施：一般设有三道屏障。核能是安全的能源。核电站的优势（与燃煤电站相比）：成本低；污染少；安全可靠。7、核聚变能是原子核聚变反应所释放的能量。核聚变反应必须在极高的温度下进行，所以又称热核反应核聚变燃料主要是氢的同位素氘，其次是氚。氘的燃烧值是已知燃料中最高的，核聚变燃料储量极大，核聚变反应放射性污染极小，因此核聚变能是一种理想的新能源。当前研究的受控核聚变反应有两种主导方式：磁约束方式和惯性约束方式。两种可控核聚变反应目前还处于研究阶段。第9章 新材料技术1、形状记忆合金 形状记忆合金的共同特点：具有形状记忆效应；各自都有一个确定的“转变温度”。 形状记忆效应的微观解释：在转变温度之上时，形状记忆合金的晶体结构是一种稳定结构，把它冷却到转变温度之下时，晶体结构处于不稳定状态，金属原子可以离开自己原来的位置而跑到别处去，一旦加温到转变温度，由于获得一定的能量，这些金属原子又会回到原来位置，恢复到原来稳定结构的状态。 主要应用（略）。2、储氢合金氢的特点：一般情况是气体（-253低温下才能变为液体），易燃，比重小，渗漏性强。由于氢的这些特性，它的储存和运输都非常困难。氢能是清洁的、可再生的能源。为解决氢的储存和运输难题，科学家研制成储氢合金。储氢原理：储氢合金具有特殊的晶体结构，能够吸收氢气形成金属氢化物（放出热量），将氢储存起来。氢与金属的结合力很弱，在一定的温度、压力条件下，金属氢化物会吸收热量，分解出氢，以供使用。3、非晶态合金 化学成分是金属，原子排列象玻璃，故又称“金属玻璃”。 非晶态合金微观结构的特点：原子作不规则排列，整体呈现均匀性和各向同性。 非晶态合金具有比晶态合金更优异的性能，因而用途非常广泛。 主要应用（略）。4、高分子分离膜 是一种高分子薄层物，有固态和液态两种。是现代的膜分离技术的关键材料。 气体分离膜、反渗透膜、超滤膜。5、超导材料 超导电性：某些物质在温度极低的情况下电阻突然降为零的现象。它是由荷兰著名低温物理学家昂纳斯于1911年发现的。超导材料：具有超导电性的材料。超导态：电阻突然降为零的物质状态。超导临界温度：电阻突然消失时的温度。临界磁场：破坏超导态所需的磁场。临界电流：破坏超导态所需的电流。 当温度超过临界温度，或外磁场超过临界磁场，或超导体中通过的电流超过临界电流时，超导态都将受到破坏，而变成有电阻的正常态。 超导电性和迈斯纳效应是超导体的两个重要特征。 高温超导材料的“高温”是相对于传统超导材料的工作温度，即液氦温度（4.2K，-268.8）而言的，高温超导材料的工作温度是液氮温度（77K，-196）。超导材料的工作温度是指在此温度环境下，材料能保证处于超导态。 临界温度太低给超导材料的实际应用带来很大困难，因此，寻求更高的临界温度是超导材料能否大规模应用的关键。6、电子与光电子材料 电子材料是指在电子技术和微电子技术中使用的材料 ，较重要的是半导体材料。半导体材料中，硅和砷化镓是比较重要的。光电子材料是指光电子技术中所使用的材料。光电子材料的种类很多，比如半导体光电子材料、光纤材料、光储存材料、液晶材料等等。 7、纳米材料 是指由尺寸范围在0.1100纳米的超细颗粒所组成的材料的总称。 纳米材料与相应的普通材料相比，其化学成分完全一样，之所以会出现完全不同的性能，就是源于超细颗粒的奇异特性。 第10章 环境问题及其解决途径1、生态系统的结构和功能： 生态系统的组成包括非生物与生物两类成分。生物成分有生产者、消费者和分解者之分。 生态系统的主要功能包括能量流动与物质循环，两者同时进行，相互依存，不可分割。 生态系统中能量的根本来源是太阳，通过食物链这一渠道保持着能量流动，这种流动是单向性的，不构成循环，且能量在流动过程中逐级减少，必须不断从外界（太阳）获得能量。 生态系统内物质的流动形成闭合回路，构成物质循环。2、全球气候变暖大气中的某些气体，如水汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等能够使太阳的短波辐射穿过，允许它们通过大气层到达地球表面；又可吸收地球表面温度增高所放出的长波辐射，挡住地球表面能量的散失；同时，还可把热量以长波辐射的形式又反射给地面。这样，就使热量难以溢出高空而滞留于地球表面，从而使温度升高。大气中的这些气体被称为温室气体。当大气中温室气体的含量超过一定数量，就会引起地球热平衡失调，使温室效应加剧，导致地球温度升高。温室气体含量的增高主要是由于：化石燃料燃烧所放出的大量二氧化碳；煤矿的开采和化石燃料燃烧、稻田耕作、垃圾填埋所引起的大气中甲烷含量的提高；广泛用于制冷工业的，能吸收红外辐射的氟里昂的增加。3、植被减少 植被是植物群落的泛称，它为人类提供食物和林木资源，为动物和微生物提供特殊的栖息场所，植被还能调节气候，净化空气和涵养水源。 森林面积减少和草地退化将造成对生态系统的破坏，引起水土流失，土壤沙漠化，自然灾害加重。4、土壤数量与质量的下降 土壤是指位于地球陆地地表，包括浅层水地区的具有肥力、能生长植物的疏松层。土壤是养育万物之母，土壤数量与质量的下降严重损害了人类生态系统平衡。造成土壤退化的主要原因是水土流失和土地沙漠化，以及有害物质对土地的污染。5、淡水供给不足 地球上的水中96.5%是海洋咸水。3.5%的陆地淡水中，可供人类采用的河湖径流水和浅