现代科学技术概论

第五讲现代科学技术概论自然科学概论5/9/20241现代科学技术概论.一、数学(一)纯粹数学的主要趋势1、现代数学研究的三大方向：(1)纯粹数学的主要趋势；(2)应用数学的发展和计算机的影响；(3)现代数学成果及特征。2、20世纪的序幕：1900年8月，德国数学家希尔伯特在巴黎国际数学家大会上作了题为《数学问题》的著名演讲。提出了23个数学问题。这些问题的研究与解决大大推动了数理逻辑、几何基础、群论、数学物理、数论、概率论、函数论、代数几何、常微分方程、偏微分方程、黎曼曲面论、变分法等一系列数学分支的发展。3、更高的抽象性：集合论观点的渗透和公理化方法的运用。4、更强的统一性第四部分：现代科学技术5/9/20242现代科学技术概论.(二)空前发展的应用数学1、应用数学的新时代(1)数学的应用突破了传统的范围而进入向人类几乎所有的知识领域；(2)纯数学几乎使所有的分之都获得了应用，其中最抽象的一些分之也参与了渗透；(3)现代数学对生产技术的应用变得越来越直接(4)现代数学在向外渗透的过程中，产生了一些相对独立的应用学科，这些学科以数学方法和数学理论为基础。2、数学向其它科学得渗透3、计算机于与现代数学5/9/20243现代科学技术概论.二、物理学(一)物理学革命的发端

——X射线、元素放射性和电子的发现。1、X射线的发现迅速应用于医学；发现了元素放射性和电子，利用核能才得以可能。2、元素放射性的发现证明原子也是科可分的；利用核能成为现实。3、电子的发现量子力学的产生。5/9/20244现代科学技术概论.(二)现代物理学的基本理论1、狭义相对论和相对论力学(1)“以太漂移”实验和相对论的先驱寻找“以太”~迈克尔逊-莫雷实验~无果而终。(2)爱因斯坦建立相对论相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论。相对性原理：在所有的惯性系里，无论是力学定律还是热学定律、电磁学定律、光学定律等等物理定律在任何惯性参照系中都同样成立，不存在特殊的惯性参照系。光速不变原理：光在真空中传播速度是一个恒定的常数，它和光源的移动速度(指匀速直线运动)无关，和观察者的运动速度也无关。推论：运动中尺子缩短；运动中时钟走慢；光速是极限速度。5/9/20245现代科学技术概论.2、广义相对论

引力场中时空产生弯曲：引力场中物质的分布多少决定时空的弯曲程度广义相对论提出了三个可供检验的预言：①水星的近日点的进动幅度。理论计算值与当时的观测值只有千分之二的误差。

②光线在引力场中将会产生偏转。被星光经过日全食太阳时发生偏转证实。

③引力频移，即当光线在引力场中传播时频率会发生变化。1925年被亚当斯对天狼伴星的光谱线的观测。5/9/20246现代科学技术概论.3、“紫外灾难”与量子力学的创立19世纪末期，物理学家开始深入地研究黑体的辐射强度分布。所谓的黑体指的是这样一种理想的物体，它对于外部射来的辐射全部吸收而不反射。真正的黑体是不存在的，一般用用任何辐射、开有一个小孔的器壁围成的空腔来代替。通过黑体来研究热辐射，寻找黑体辐射波长与温度之间的关系。5/9/20247现代科学技术概论.“紫外灾难”引出“能量子”①维恩公式~长波部分与实验不符。②瑞利-金斯公式~短波(紫外)部分与实验不符。但瑞利-金斯等人得出的共识，是根据经典物理的理论严密推导的，瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾难”。经典物理学陷入困境。5/9/20248现代科学技术概论.为了找到普遍的公式，物理学家们绞尽脑汁。两个公式肯定都有合理之处，但是他们在数学上是那么的格格不入，实在很难把两个公式统一在一起并给出合理的解释。1896年开始,普朗克也加入了寻找一个统一的黑体辐射公式的行列并且进行了艰难而细致的研究。由于此人的数学功底非常扎实，在紫外和红外两个公式的启发下，普朗克天才地用数学方法拼凑出了一个普遍适用的黑体辐射强度公式——普朗克公式。但是解释这个公式同样让人头疼，在波尔兹曼观点的启发下，他认识到必须抛弃能量连续的观念，认为物体在吸收或放出的能量时是一份一份不连续地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子。从而提出了普朗克量子假设。5/9/20249现代科学技术概论.1900年普朗克提出“能量子”假说不连续的能量单位，是一份一份跳跃式地进行的，每份能量为：E=hv，其中h代表普朗克常数。当ν→０，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利-金斯公式。当ν→∞，即在短波范围，又与维恩定律一致。将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值与实验结果符合得较好。1918年普朗克由于对量子理论的贡献获得诺贝尔物理学奖。

5/9/202410现代科学技术概论.1905年爱因斯坦受能量子启发，提出光量子即光子的概念，认为光本身也是不连续的，在吸收、发射和传播过程中都是不连续的。标志着量子理论的产生。确认了光的波动说。确认了光的粒子说，即光电效应。所以，光具有波粒二像性5/9/202411现代科学技术概论.三、化学(一)化学的学科分类：共有7个二级学科。1、无机化学2、有机化学3、分析化学4、物理化学5、高分子化学6、化学工程7、边缘学科(如计算化学、固体化学、激光化学、地球化学等)5/9/202412现代科学技术概论.(二)化学的新成就1、量子化学的产生2、催化作用的研究3、结构化学的建立4、分子工程学的出现(三)化学的应用及发展方向1、化学与农业2、化学与能源3、化学与新材料4、化学与生物医药5/9/202413现代科学技术概论.二十一世纪人类社会面临的挑战：人口剧增食品短缺资源匮乏环境污染加剧疑难病治疗等重大问题四、生命科学生物工程显示了强大的生命力：生物资源的可再生性，在常温常压下生产珍贵产品节约能源和资源，减少环境污染；增加粮食生产，开辟食物的新来源；解决疑难病的治疗；对传统的旧行业技术改造……5/9/202414现代科学技术概论.(一)分子生物学的创立、发展及重大意义1、生命的基础物质和本质特征A、什么是生命？以核酸和蛋白质为主，具有自我更新、自我复制和自我调节的复杂而有序的多分子体系。B、生命的基础物质元素：主要是碳、氢、氧、氮、硫、磷等化合物：无机物(水和无机盐)、有机物(蛋白质、核酸、糖类和脂肪)C、生命的本质特征具有自我更新的新陈代谢的能力具有自我复制的繁殖能力具有自我调节的反应能力5/9/202415现代科学技术概论.2、分子生物学的创立与发展(1)准备与酝酿阶段：A、确定了蛋白质是生命的主要基础物质；B、确定了生物遗传的物质基础是DNA。(2)现代分子生物学的建立和发展阶段A、DNA双螺旋结构的发现B、遗传中心法则的建立5/9/202416现代科学技术概论.DNA双螺旋结构模型遗传学中心法则(geneticcentraldogma)：描述从一个基因到相应蛋白质的信息流的途径。遗传信息贮存在DNA中，DNA被复制传给子代细胞，信息被拷贝或由DNA转录成RNA，然后RNA翻译成多肽。不过，由于逆转录酶的反应，也可以以RNA为模板合成DNA。5/9/202417现代科学技术概论.(3)初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段其重大成就有：重组DNA技术的建立与发展；基因组研究的发展；单克隆抗体及基因工程抗体的建立与发展；基因表达调控机理研究；细胞信号转导机理研究成果。5/9/202418现代科学技术概论.(二)生物技术的种类及发展

1、细胞工程

(1)细胞培养技术

(2)细胞融合技术

2、发酵工程

3、酶工程

4、遗传工程

5、蛋白质工程5/9/202419现代科学技术概论.细胞工程有目的，有计划地改造细胞，能达到细胞产物及组织本身的规模生产。包括动物植物细胞和组织培养技术；细胞融合技术；细胞核及细胞器移植技术。应用：植物体细胞组织培养技术-试管苗；茎尖脱毒技术；单克隆抗体；细胞核移植技术。5/9/202420现代科学技术概论.

发酵工程(也叫微生物工程)

给微生物一个最适合生长的条件，利用微生物的代谢功能，通过现代化工程手段生产人类所需的产品。发酵工程利用生物材料(来自自然界的微生物，基因重组微生物等各种来源的动物细胞和植物细胞)生产有用物质，服务人类的一门综合科学技术。是生物工程的主要基础和支柱。5/9/202421现代科学技术概论.

发酵工程技术目的生物体微生物植物细胞动物细胞选育技术常规技术细胞融和技术基因重组技术培养技术工程放大过程控制和优化生物反应器设计分离精制技术固液分离技术膜分离技术层析分离技术其他分离技术→→→→目标产品5/9/202422现代科学技术概论.发酵工程技术的特点：在常温常压下进行，耗能少，相对投资少，见效快发酵工程技术的应用：食品制药：青霉素，抗生素，基因工程技术药物替代化工合成用微生物发酵的方法开发能源环境污染的防治5/9/202423现代科学技术概论.酶工程酶工程即利用酶、细胞或细胞器所具有的某些特异催化功能，借助生物反应器和工艺过程，生产人类所需要产品的一种技术。应用：基因重组技术的必要工具限制性核酸内切霉

DNA连接霉和DNA聚合霉食品工业，医药工业，造纸工业等含酶洗涤剂其它方面5/9/202424现代科学技术概论.基因工程微生物工程菌发酵工程动植物细胞细胞融合原料酶工程生物反应器中进行产品基因重组技术和细胞融合技术结合创造具有特殊功能和多功能的工程菌和超级菌，再通过微生物发酵生产新的有用的物质。酶工程和发酵工程相结合可以改革发酵工艺，提高产量，增加经济效益。生物工程：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程生物反应器中进行5/9/202425现代科学技术概论.(三)现代生物技术对经济社会发展的影响1、改善农业生产，解决食品短缺

A、提高农作物的产量及其品质

B、植物种苗工厂化生产

C、提高粮食品质

D、生物固氮，减少化肥使用量

E、培育动物优良品系，发展畜牧业生产2、提高生命质量，延长人类寿命

A、新药开发

B、疾病的预防与诊断

C、基因治疗3、解决能源危机，治理环境污染

A、解决能源危机

B、环境保护5/9/202426现代科学技术概论.

现代高科技一、电子计算机技术二、信息技术三、材料技术新材料：指那些新近发展或正在发展中的、具有优异性能和特殊功能，对加速科学技术进步、促进国民经济的发展、增强国防实力具有重大推动作用的材料。5/9/202427现代科学技术概论.新材料的分类：A、按物质结构：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料；B、按材料的使用：结构材料和功能材料；C、按物质形态：单晶体材料、多晶体材料、非晶体材料和复合材料；D、按材料的加工：天然材料和人工复合材料。特性：性能超群、应用广泛，对发展经济、科技、国防都有特殊重要的作用。5/9/202428现代科学技术概论.(一)金属材料1、黑色金属材料—各种钢铁材料，包括单独冶炼的铁金属，也包括铁、铬锰等金属和碳、硅、硫等非金属元素混合冶炼所得的材料。特性：具有良好的物理、机械性能，资源丰富，价格低廉，工艺性能好，便于加工，能够耐高压、腐蚀，强度高、耐高温、重量轻。2、有色金属材料—即指铁、铬、锰三种金属以外的所有金属，主要指铜、铝、铅和镍等。(二)无机非金属材料(或者称硅酸盐材料)，主要包括：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料。5/9/202429现代科学技术概论.(三)有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物，它的分子量常高达成百上千甚至到几百万，这种高分子化合物一般具有长链结构。三大合成材料：

1、合成塑料；2、合成橡胶；3、合成纤维(四)新型复合材料是指20世纪60年代以来航空、航天工业的需求，人们通过先进科技制造的比强度和比横量大于特定量值的多层结构复合材料。包括玻璃钢、碳纤维复合材料等。5/9/202430现代科学技术概论.(五)特种材料

1、人体材料；2、电子材料；3、超导材料;4、纳米陶瓷；5、泡沫材料；6、啤酒材料;7、特殊水泥。(六)新材料展望朝高功能化、高性能化、复杂化和智能化方向发展。

1、信息功能材料是最活跃的领域；

2、新结构材料受到重视；

3、符合材料是改善性能、节约资源的有效途径；

4、能源材料是一个开阔的新领域；

5、材料科学技术的其他活跃领域。5/9/202431现代科学技术概论.四、能源工程1、能源：能源是指人类用来获取能量的自然资源。2、能源的分类①

按来源不同可把能源分为三类：来自地球以外天体的能量(直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳的能源如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等)；地球本身蕴藏的能量资源(如地热能等)；地球与其他天体相互作用而产生的能量(如潮汐能等)。②按形成条件不同，可把能源分为两类：一次能源：指天然存在的、可直接利用的(如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等)；二次能源：在一次能源基础上加工而成的(如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等)。5/9/202432现代科学技术概论.③按能否反复利用，可把能源分为两类再生能源（如太阳能、风能、水力等）；非再生能源（煤炭、石油、天然气等）。④

按开发使用的程度不同，可把能源分为两类常规能源，指已被广泛利用的能源；新能源，指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。5/9/202433现代科学技术概论.3、全球能源危机有关资料显示：目前在世界初级能源的产量和消费中，居第一位的是石油，其次是煤炭、天然气。石油的开采历史已超过140年；目前全球每天消耗石油量达7700万桶，且以每年1~2%的速度增加；目前世界石油总储量为3000~8000亿吨，可开采40~100年。煤炭每年开采量为35亿吨；全球可供开采的煤炭储量为7000~17000亿吨；可供开采和使用的年限为200~500年。乐观估计，目前全世界可开采的天然气总储量为280亿立方米；能满足170年的需求。5/9/202434现代科学技术概论.石油、煤炭、天然气等常规化石能源的储量日益减少，在可预见的不长时间内将被消耗殆尽，全球面临着严重的能源危机。如果新的替代能源没有届时被发现，人类的生存面临严重挑战！近20年来，世界上发生的许多危机、冲突都是围绕争夺能源引发的(如两伊战争，前苏联出兵阿富汗，海湾战争，科索沃战争，美国推翻塔利班，伊拉克战争等)。美国、俄罗斯、日本、欧盟、中国等许多国家针对中东、里海等石油资源展开了激烈的较量和错综复杂的斗争。5/9/202435现代科学技术概论.我国煤炭储量居世界第3位，人均为世界平均水平的50%；石油储量居世界第6位，人均为世界平均水平的17%；人均石油产量与消费量占世界平均水平的21%~22%；我国天然气储量居世界第16位，人均为世界平均水平的10%。目前我国人年均能源消耗是1000公斤标准煤，美国是11000公斤，英、德、法等国家为5000~6000公斤；2030年以后，我国人年均能源消耗是2000~3000公斤标准煤，人口达15亿以上。从1996年开始，我国由原油出口国变成原油进口国；2000年我国进口石油占消耗量的20%，2010年将达到40%以上。美日等发达国家都建立了战略石油储备制度，可提供3~6个月的石油供应；我国没有战略石油储备。解决我国及世界能源危机的途径：一是节约使用能源，二是加强新能源技术的研究、开发和利用，不断扩大利用新能源的比重。5/9/202436现代科学技术概论.4、新能源技术A、核能；B、太阳能；C、地热能；D、风能；E、海洋能；F、生物能；G、氢能。5/9/202437现代科学技术概论.A、核能核能又称原子能。它是指原子核结构发生变化(核裂变、核聚变)时释放出的能量。核能比化石燃料燃烧放出的能量大得多。1kg铀235=1800t石油或2800t标准煤。核裂变反应是指一个重原子核分裂成2个较轻的新原子核的过程，有自发和诱导两种，一般指后者。用来进行核裂变反应并连续释放能量的物质，称核裂变燃料。如果核裂变反应中产生的中子再引起其它的铀核裂变，就可使核裂变反应不断地进行下去，称为“链式反应”。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2x10-14秒。5/9/202438现代科学技术概论.核电站：利用核能来发电的装置称为核电站，目前大多数核电站是利用核裂变能来发电的；核电站的核心是核反应堆，核反应堆有多种类型，目前运行的核电站以热中子轻水堆居多；1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。5/9/202439现代科学技术概论.(4)核电第二代—快中子增殖反应堆热中子反应堆对天然铀的利用率很低(只有0.7%)，快中子增殖反应堆以钚239为裂变燃料组成堆芯，以铀238包围在堆芯周围作为增殖层，使铀的利用率达到60%~70%。(5)受控核聚变—

是指两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核的反应。核聚变燃料主要是氢及其同位素氘和氚。受控核聚变具有以下优点：

①能质比高，是同质量核裂变释放能量的4倍；

②原料足，从海水中可大量提取氘和氚；

③无放射性，安全、清洁、不污染。核聚变能的和平利用目前尚处于研究阶段。5/9/202440现代科学技术概论.B、太阳能利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出现，为太阳能的广泛应用奠定了基础。目前，直接利用太阳辐射能有三种方式：光-热转换：就是把太阳辐射能通过各种集热装置(集热器)转变成热能。如太阳能热发电；太阳能高温炉冶炼高温材料；太阳能节能建筑—太阳房；利用太阳能使海水淡化；太阳池(盐湖水太阳能发电技术)；太阳能热水器。光-电转换：通过太阳能电池(光电池、光伏电池)将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池的工作原理是光电效应。太阳能电池已广泛应用于宇宙飞行器、交通工具、自动控制领域、光伏发电等。光-化学转换：用光和物质相互作用引起化学变化的过程。如植物光合作用、光化学电池制氢。光-化学转换目前还仅限于实验室试验。5/9/202441现代科学技术概论.C、地热能：地球内部蕴藏着的热能称为地热能，来自高温岩浆、岩石中放射性元素衰变。在地球上所有的能源中，地热能仅次于太阳辐射能(火山爆发、地震和其他地壳变动)。地热资源按存在形式可分为五大类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。地热能廉价、清洁，利用前景十分广阔。D、风能：是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。风能主要靠风力机把风能转化为机械。利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。E、海洋能：是指海水在运动过程中产生的能。它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。海洋中除有巨大的海洋能外，还有丰富的海洋矿物资源、海水资源和海洋生物资源。人类有可能在21世纪进入全面、综合、立体开发海洋的“海洋经济时代”。5/9/202442现代科学技术概论.F、生物能：也叫生物质能，它是指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。生物质能的种类繁多，目前可被利用的大致有六大类：

(1)木材和森林工业废弃物(树枝、树叶、树根等)；

(2)农业废弃物(秸杆、果核、玉米芯等)；

(3)水生植物(藻类等)；

(4)油料作物(棉籽、麻籽、油桐等)；

(5)城市与工业有机废弃物(垃圾和食品、屠宰、制酒、制纸工业的排泄物等)；

(6)粪便。5/9/202443现代科学技术概论.G、氢能：是指氢在发生化学变化和电化学变化过程中产生的能量。氢作为能源的优点是储量丰富、热值高和清洁无污染。氢的利用：

(1)直接用作燃料（如发射火箭等）；

(2)用作燃料电池（如用于航天飞机）；

(3)用作能源转换介质（能源中间载体）。5/9/202444现代科学技术概论.5、航天工程航天：指人造卫星、宇宙飞船等飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。航天工程：探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术：包括喷气推进技术、火箭制导和控制、航天器轨道控制及姿态控制、空间通信、空间遥感、生命保障、火箭设计、航天器设计、机械制造、材料工程、航天器发射与返回等。人类活动的四个领域，即第一、第二、第三和第四环境：①地球上的陆地；②海洋；③大气层空间；④宇宙空间。5/9/202445现代科学技术概论.航天技术的历史：莱特兄弟的动力飞机——航空事业不足100年；现代火箭V2——航天事业只有50多年；第一颗人造卫星——40多年；人类梦想飞天的历史——得用万年来计算；从我国古代火箭诞生——1000年；“万户飞天”——600多年。三个宇宙速度：通常把航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为第一宇宙速度(V1=7.9km/s)、第二宇宙速度(V2=11.2km/s)和第三宇宙速度(V3=16.7km/s)。5/9/202446现代科学技术概论.中国航天技术成就1970.04.24：“东方红1号”人造地球卫星。1975.11.26：返回型遥感卫星(是世界上第三个掌握卫星回收技术的国家)。1981.09.20：一箭三星发射成功。1984：发射首枚地球同步卫星。1988：发射首枚太阳同步卫星。1999.11.20：试验飞船发射成功，揭开载人航天的新一页。2002.3.25：“神舟”三号飞船发射成功。2005年10月12日上午9时整，神州6号载人飞船成功发射，我国首次实现双人多天飞行。5/9/202447现代科学技术概论.我国首次载人航天飞行圆满成功5/9/202448现代科学技术概论.1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星从酒泉卫星发射中心升空，在太空昼夜不停地向全球播放“东方红”乐曲和