现代科技发展概论

反思与回顾1、科学技术的哲学内涵和发展脉络2、世界科技强国发展简史3、现代物理学的两大支柱：相对论与量子论4、宇宙学与空间技术概论5、粒子物理学与物质基本结构6、新材料技术与微型机械技术7、生命本质与现代生物技术1、科学技术的哲学内涵和发展脉络科学与技术的概念科学与技术的关系（重点）科学技术的体系结构与发展趋势（重点）科学技术的基本功能与作用科学与技术的关系科学与技术的区别：

1、目的：科学是揭示自然规律；技术是利用自然规律

2、科研选题：科学来自于科学自身发展中的矛盾以及人们对自然现象及其本质认识的需要；技术来自于生产实践中迫切需要解决的问题。

3、科研过程：科学研究的目的、劳动时间和成本相对不确定；技术一般有较明确的方向、步骤和经费预算，计划性较强。

4、科研成果：科学的成果主要是知识形态，称“发现”；技术的成果主要是物质形态，称“发明”。

5、科研价值：科学是宽泛的、长远的；技术追求实用性和直接的效益。科学与技术的联系：

1、科学与技术相互依存、相互作用。

2、科学与技术相互渗透、相互转化。

科学本身不是生产力，但科学技术是生产力，而且是第一生产力。现代科学技术的体系结构与发展趋势1、现代科学技术的体系结构：基础科学、技术科学、应用技术构成了现代科学技术的整体框架结构。科学技术的研究分为三个阶段：基础研究阶段、技术研究阶段和应用开发研究阶段。基础科学＋实验设备基础研究技术科学＋专业设备技术研究应用技术＋生产设备应用开发研究现代科学技术科研过程2、现代科学技术的发展趋势（1）高速多元化（2）快速普及化（3）国际合作化（4）综合系统化

创新是科学技术的生命和灵魂。科学技术的创新主要包括知识创新和技术创新。知识创新是技术创新的基础，技术创新又为知识创新提供了物质基础。科学技术具有乘法效应，它可以对生产力的其它要素产生成倍放大的作用。因此，现代科学技术是推动生产力发展的第一要素。生产力＝科学技术×（劳动力＋劳动工具＋劳动对象＋生产管理）

2、世界科技强国发展简史古代科学技术（15世纪以前）近代科学技术（16~19世纪）（重点）现代科学技术（20世纪至今）第二节近代世界科技强国

－意大利、英国、法国、德国

一、16世纪意大利科学技术的发展

16世纪，意大利成为近代欧洲的第一个科技强国。意大利也是近代大学的发祥地，建立了波伦亚大学和帕多瓦大学。近代自然科学的奠基人：哥白尼(地心说与日心说）和伽利略以及德国的开普勒。世界科学技术中心在意大利的时间约70年（1540~1610）。

第二节近代世界科技强国

－意大利、英国、法国、德国二、17世纪英国科学技术的发展英国著名的科学家：牛顿、胡克、波义耳（同时代的他国著名科学家还有笛卡尔、惠更斯等）牛顿的三大贡献：1、创立了牛顿力学体系2、流数术3、牛顿光学英国科学的发展，推动了技术的进步，爆发了产业革命，迎来了“蒸汽时代”，获得了“世界工厂”的称号。技术革命：①纺织技术②钢铁技术③蒸汽机的发明和应用英国成为世界科技中心达70年之久（1660~1730年),拥有杰出科学家60多名，占全世界36%以上，科研成果占全世界40%以上。

第二节近代世界科技强国

－意大利、英国、法国、德国

三、18世纪法国科学技术的发展

18世纪，法国爆发了资产阶级革命，建立了拿破仑统治。通过留学办学、发展教育事业，赶上并超过了英国。从1770年至1830年成为世界科学中心。法国著名的科学家：库仑、安培、卡诺、毕奥、萨伐尔、拉普拉斯等

第二节近代世界科技强国

－意大利、英国、法国、德国

四、19世纪德国科学技术的发展

19世纪，德国大力发展高等教育，提出了“高等教育要实行教学与研究相结合的原则”，发挥大学的三大功能：育人功能、科研功能、服务功能。创立了柏林大学。

德国科学史上最辉煌的一页：普朗克提出量子论的、爱因斯坦提出相对论。从19世纪初到20世纪初，德国当之无愧地成为世界科技强国，兴隆期长达110年。第三章相对论与量子论（重点章节）绪论：现代物理学的发展状况第一节揭开现代物理学发展序幕的“三大发现”第二节相对论与现代时空观第三节量子论与现代高新科技第一节揭开现代物理学发展序幕的“两朵乌云”和“三大发现”19世纪末，物理学实验中的两朵乌云：（1）热辐射实验中出现的“紫外灾难”问题；（2）迈克尔逊－莫雷实验所研究的“以太”问题。真空放电实验阴极射线发现X射线(伦琴）和电子（汤姆逊）研究天然放射性的发现（彭加勒、贝克勒尔、居里夫妇）对X射线的研究第二节相对论与现代时空观相对论狭义相对论----一种新的时空理论广义相对论----一种新的引力理论一、狭义相对论

1、狭义相对论的创立（1905）

2、狭义相对论的两个基本原理

（1）狭义相对性原理（2）光速不变原理

3、主要方法：伽利略变换→洛伦兹变换

4、重要结论：质速关系、质能关系二、广义相对论

1、广义相对论的两个基本原理广义协变原理：宇宙中不存在严格意义的惯性系，自然规律对于任何参照系而言都应具有相同的数学形式。等效原理：匀加速参照系与引力场中静止的参照系等效。即：非惯性系与某一引力场等效。（电梯实验）原理基础：惯性质量＝引力质量

2、主要结论：时空效应（引力本质）（1）引力大的地方时钟走的慢（黑洞）（2）引力导致空间弯曲。（引力透镜现象、虫洞）3、核心方法欧式几何→黎曼几何

第三章宇宙学与空间技术（重点章节）

一、宇宙概貌二、宇宙的起源与演化（重点）三、太阳系起源与演化四、21世纪宇宙学面临的问题（重点）现代天文学的三大特点一、全电磁波段观测（望远镜与观测站）

二、空间探测的突破（空间探测技术）三、天文与物理的紧密结合（量子力学、广义相对论和高能物理学）二、宇宙的起源与演化遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？

—屈原：《天问》2.1宇宙大爆炸的理论来源

2.2宇宙大爆炸的最初状态

2.3宇宙大爆炸的科学论据

2.4宇宙大爆炸的后期线索宇宙大爆炸的科学论据（重点）2.1宇宙大爆炸的理论来源1、变革：静止宇宙观（爱因斯坦）→膨胀宇宙观（哈勃）2、模型：勒梅特（原生原子）、伽莫夫（火球）膨胀宇宙模型延伸：霍伊尔提出“大爆炸”概念3、争鸣：宇宙是否具有开端？2.2宇宙大爆炸的最初状态刹那芳华——宇宙初期的图景：1、普朗克时代（理论盲区）2、暴涨时代（宇宙温度大同小异的解释）3、火球时代（伽莫夫的“大爆炸宇宙”）4、反粒子失踪时代(狄拉克）5、原子核材料构成时代6、放晴时代7、恒星诞生时代2.4宇宙大爆炸的后期线索

——元素的超时空派对

引论：元素周期表与氢、氦丰度之谜自然元素形成的方式

1、大爆炸时期

2、恒星内部时期(3α反应）

3、超新星爆发时期（引力坍缩与聚星系）

4、红巨星时期（β衰变与S过程）

4、中子星碰撞时期（r过程）

五、物质基本结构与微型机械（重点章节）一、物质结构探索的发展史二、物质结构的研究内容三、粒子物理研究的实验设备一、物质结构探索的发展史微观世界的三个层次：分子原子、原子核、基本粒子大分子→原子→原子核→夸克、轻子尺度（cm）：10-6-10-7→

10-8→

10-13→＜10-17

1、对分子、原子层的认识过程背景：亚里士多德的元素理论与药学化学家的要素理论（一）1661玻义耳微粒哲学（二）1774拉瓦锡燃素学说→氧化燃烧（三）1803道尔顿原子构成体系（四）1811阿伏加德罗原子-分子学说（五）1871门捷列夫元素周期表一、物质的基本结构2、对原子核层次的再认识（一）1897汤姆逊发现电子

1913密立根油滴实验（二）卢瑟福1911原子行星学说

1914发现氢原子核-质子

1919证实质子存在（三）查得威克1932发现中子（四）伊万柯宁海森堡原子核的质子中子模型（五）玻尔原子能态的跃迁原理一、物质的基本结构3、对基本粒子的认识过程（一）1936安德森正电子的发现（二）一系列的粒子发现：

（1）1935汤川秀树π介子预言（2）1937安德森发现μ子（3）1947鲍威尔发现π介子（4）二十世纪40年代末发现强作用力和强子（5）1956发现中微子（1933泡利）宇称不守恒律（推翻诺特定理）

一、物质的基本结构3、对基本粒子的认识过程（三）强子的夸克模型（1）1964盖尔曼三种夸克的强子结构：上、下、奇异（2）1974丁肇中里克特发现J/ψ粒子提出粲夸克

（3）1977莱德曼发现Υ粒子，提出底夸克（4）1995费米实验室发现顶夸克电荷类型：上型夸克和下型夸克难题未解：“夸克禁闭”

二、物质结构的研究内容1、微观粒子的物理性质（1）尺度微小：电子显微镜→粒子探测器（2）质量微小：兆电子伏特（MeV）吉电子伏特（GeV）（3）衰变期：长寿家族光子、质子短命家族中子、介子粒子寿命取决作用力的形式（4）自旋性：光子自旋系数为h/2πh/2π

由此分类：费米子（半整数倍质子、中子、电子）玻色子（整数倍光子、介子）二、物质结构的研究内容2、粒子间的四种基本作用力(一)引力长程力适用于宇观、宏观（二）电磁力长程力原子稳定性、分子形成、化学反应（三）强力短程力原子核稳定性核反应

(四)弱力短程力中子衰变反应强度：强力＞电磁力＞弱力＞引力范围：引力＞电磁力＞强力＞弱力

格拉肖1961弱电统一模型二、物质结构的研究内容2、粒子间的四种基本作用力(一)引力长程力适用于宇观、宏观（二）电磁力长程力原子稳定性、分子形成、化学反应（三）强力短程力原子核稳定性核反应

(四)弱力短程力中子衰变反应强度：强力＞电磁力＞弱力＞引力范围：引力＞电磁力＞强力＞弱力

格拉肖1961弱电统一模型二、物质结构的研究内容3、粒子的分类（一）基本粒子分类：轻子、夸克、传播子（1）轻子（6种）电子、电中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子（2）夸克（6钟）：6味3色上、下、粲、奇异、顶、底（3）传播子（4种）光子、中间波色子（3种）、胶子（8种）和引力子（未发现）已发现60种，尚未发现引力子和希格斯粒子2种

二、物质结构的研究内容3、粒子的分类（二）粒子的三种类别（1）强子类：参与强相互作用，由夸克及其反粒子构成强子可分为介子和重子；重子可分：核子和超子（2）轻子类：不直接参与强作用力，只参与弱力、电磁力及引力，质量轻于强子（3）传播子：通过粒子相互作用并独立存在：强力：胶子弱力：中间波色子电磁力：光子引力：引力子二、物质结构的研究内容4、微观粒子的基本特征（一）波粒二象性1924德布罗意物质波（二）测不准原理1927海森堡（三）不相容原理泡利（费米子有效波色子无效）（四）量子化

5、前沿课题（一）夸克禁闭（二)夸克、轻子的内在结构

(三）夸克和轻子的质量来源（四）宇称不守恒的原因

(五）真空性质（六）希格斯波色子和引力子之谜

(七）夸克、质子代的基源

三、粒子物理研究的实验设备1、粒子加速器按能量分类：低能、中能、高能、超高能按运动轨迹分类：直线、圆形、椭圆回顾：粒子加速器研制史1、1879布劳恩阴极射线管2、1924维德罗β加速器3、1972IRS（双循环质子对撞机）1976升级为31.4GEV4、1983费米实验室tevatron加速器5、2008布鲁克海文实验室相对论重粒子对撞机（LHC）

三、粒子物理研究的实验设备2、粒子探测器

常见：威尔逊云室适用：带电粒子发现：正电子、μ子照相乳胶适用：宇宙射线发现：π介子气泡室适用：反物质发现：反质子多丝正比室适用：强子发现：粲夸克硅微条参测器当今前沿探测器第六章新材料技术与微型机械

一、新型金属材料（重点）二、高分子合成材料（重点）三、新型无机非金属材料（重点）四、复合材料五、生物材料六、光电子材料七、纳米材料新材料的七大类型新材料新型金属材料合金、稀有金属高分子合成材料合成橡胶、塑料化学纤维新型无机非金属材料工业陶瓷、光导纤维半导体材料复合材料纳米材料光电子材料一、新型金属材料合金材料：新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属合金等等其他新型金属功能材料如贮氢合金等歼-11机体制造中使用大量钛合金材料

镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放形状记忆合金在太空自然恢复原状一、新型金属材料超导金属材料：在特定条件下，电阻完全消失，产生超导电性的材料。具有零电阻、完全抗磁性和载流能力强三个基本特征。超导技术的应用：制造磁性极强的超导磁铁，用于磁约束核聚变反应、大容量储能设备、高能加速器、超导发电机、电力工业输电和交通运输工具等。如美国实现超导输电，每年可以节省100亿美元的电力；制造超高速计算机和高灵敏度的探测设备、通信设备、航天系统等。如1989年日本研制出世界第一台超导电子计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，运算速度达每秒10亿次，功耗6.2毫瓦，仅为常规电子计算机功耗的千分之一

超导磁悬浮列车原理（迈斯纳效应）二、高分子合成材料高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。高分子材料特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化

二、高分子合成材料合成塑料：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，全球总产量在1亿吨左右。透光性好的有机玻璃（亚克力,Acrylic）

“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等二、高分子合成材料合成塑料：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，全球总产量在1亿吨左右。透光性好的有机玻璃（亚克力,Acrylic）

“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等二、高分子合成材料合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”可做宇航服、耐超热超冷的芳纶1313；可做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414；可耐400℃高温和负273℃超低温的聚酰亚胺纤维；可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维；可做新式伪装服的多色纤维；可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。芳纶1313莫代尔涤纶晴纶高分子人造血管合成革复合纤维棉内胆二、高分子合成材料合成橡胶：将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料，填补天然橡胶的不足；发展极快。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等发展前途看好硅橡胶、氟橡胶能在零下50度不变形，又可耐250度高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。氟橡胶零件硅橡胶手镯三、新型无机非金属材料陶瓷材料：新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破。氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等装置陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等

陶瓷零件

玻璃材料：改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性，研制出具有“特异功能”的新品种，如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。光导纤维：纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传输高强度的激光；制作光纤传感器三、新型无机非金属材料防弹玻璃

防辐射高铅玻璃

由光导纤维构成的光缆

光导纤维工艺品

三、新型无机非金属材料半导体材料：20世纪40年代发展起来的重要信息材料，通过近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展的基础。锗材料不需要加热、功耗低、可靠性高、转换速度快、功能多样和体积小，取代电子管硅材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机（10倍）第一台晶体管收音机仅包含4只锗晶体管

半导体器件

第七章生命本质与现代生物技术一、生命的表现形式（重点）二、生命的起源（重点）三、生命的物质基础微生物10万多种;植物35多万种;动物130多万种E.Haeckel三界学说生命的划分Whittaker五界分系统六界分系统生命的基本结构——细胞细胞发现史：1665英国学者胡克首次发现细胞1838德国生物学家施莱登施旺细胞理论细胞是生命体的基本结构单位。生物个体绝大多数由细胞构成，生命开始于细胞，细胞是生命的基石；细胞是生命体的基本繁殖单位，生命的新陈代谢是细胞中物质交换和能量交换后成的，生命活动只有在细胞结构中才能实现，一旦细胞死亡，生命就会停止。细胞是由分子构成。核酸和蛋白质是细胞中两种重要的生物大分子，决定了细胞的基本性质。（一）细胞结构细胞可分为原核细胞和真核细胞两大类原核细胞：没有典型核结构，遗传信息的载体为环状DNA。原核细胞构成的生物为原核生物，多为单细胞生物：衣原体、支原体、细菌、放线菌真核细胞具有完整细胞核，结构复杂，构成绝大多数动植物。真核细胞的三大系统（二）细胞的增殖细胞只能通过自我分裂来繁殖，生命依靠细胞分裂延续。细胞增殖是生命的重要特征。细胞分裂方式有：无丝分裂、有丝分裂和减数分裂高等生物体的细胞增值情况：主要分为：周期细胞、休眠细胞和分化细胞。（二）细胞的增殖细胞只能通过自我分裂来繁殖，生命依靠细胞分裂延续。细胞增殖是生命的重要特征。细胞分裂方式有：无丝分裂、有丝分裂和减数分裂高等生物体的细胞增值情况：主要分为：周期细胞、休眠细胞和分化细胞。（三）细胞社会学细胞可独立生活，但大多数是群体生活。细胞在群体中有分工、协作、联系和制约组成细胞社会。细胞具有识别功能，通过互相识别，会形成稳定的细胞聚合，然后形成不同形式的固定连接。争鸣:多细胞生物体内各个细胞之间的独特联系靠生物电维持，其作用机理是什么？1.化学成分的同一性组成生物体的化学元素：主要有C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn等45-60种元素组成生物的基础生物大分子，包括4种核苷酸、20种氨基酸，以及糖类、脂类等

生命的基本特征：这些成分是生物构建和一切生命活动赖以进行的基础2、结构层次的高度有序性结构上：细胞是生物的基本组成单位（病毒除外）DNA-RNA-蛋白质是生命有序性的基础与核心从细胞-组织-器官-有机体-种群-群落-生态系统到生物圈，整个生物界组成一个多层次的有序结构3、新陈代谢生物体处在与外界不断进行物质和能量交换的状态中。合成作用（anabolism）

从外界摄取物质和能量，将它们转化为生命本身的物质和贮存在化学键中的化学能。分解作用（catabolism）

分解生命物质，将能量释放出来，供生命活动之用。

5、繁殖与遗传4、生长发育

生物接受外界刺激后会发生反应，高等动物的运动受神经系统的控制。6、应激性表现出明确的不断演变和进化的趋势7、进化

思考：生命的界定及范式