自然科学基础（小学教育专业）全套教学课件

共六篇：绪论、多姿多彩的物质世界、奇妙的生命世界、地球科学、环境与我们、现代高新技术与人类社会。全套可编辑PPT课件科学自然科学01科学与自然科学科学一词在中国古汉语中意为“科举之学”“学问”“物理”，自明代时称为“格致”，即格物致知，英文为“science”。“science”一词来源于拉丁文“scientia”，意为“知识”“学问”。明治时代，日本启蒙思想家西周使用“科学”作为“science”的对应译词。到了1893年，康有为引进并使用“科学”两字。此后，“科学”两字便在中国广泛运用。（一）自然科学的研究领域（1）基础科学是指以自然现象和物质运动形式为研究对象，探索自然界发展规律的科学。（2）技术科学是指研究生产技术和工艺过程中的共同性规律的科学。（3）工程科学工程科学具体研究把基础科学和技术科学转化为生产技术、工程技术和工艺流程的原则和方法。（二）自然科学三大研究领域的相互关系（1）三者相辅相成、密不可分。（2）基础科学是技术科学、工程科学的先导。（3）技术科学推动工程科学的迅速进步。（4）工程科学的发展，必将丰富、完善技术科学和基础科学。古代科技成就近代自然科学成就02自然科学发展的历程现代自然科学技术的发展趋势（一）中国古代自然科学成就1．天文学方面（1）我国历法的精密度一直名列世界前茅。（2）我国古代在大量观测恒星、行星、日月和异常天象等方面积累了世界上最丰富、最完整的天象资料。（3）我国古代的天文观测仪器也独具特色。（4）我国古代也曾提出过“盖天说”“浑天说”和“宣夜说”等宇宙结构理论，对后来的天文观测和天文仪器的制作影响较大。图1-2浑天仪图1-3候风地动仪（一）中国古代自然科学成就2．农学方面（1）（2）最早的农学著作《吕氏春秋》成书于公元前239年前后。两汉时期汜胜之的《汜胜之书》、北魏贾思勰所著的《齐民要术》、南宋初年陈敷的《农书》、元代王祯的《王祯农书》等涉及农业生产的不同地区、不同环节、不同方面。

明末杰出的科学家徐光启编写的《农政全书》，汇总了祖国历代农学各方面的经验知识，是一部我国古代农业科学的百科全书。（一）中国古代自然科学成就3．中医药学方面（1）葬于公元前168年的马王堆汉墓出土了我国至今最早的医学类著作，但均无标题。（2）《神农本草经》是中国最早的药物学专著，其成书年代不确切，史学家多认为出自东汉。（3）《伤寒杂病论》是中国医圣张仲景（公元2世纪中—3世纪初）所著。（4）公元610年，巢方编纂的《诸病源候论》不涉及治疗，专对疾病症性状进行分类描述，比西方同类著作早1000年。（5）中药学方面的代表作是明朝李时珍所著的《本草纲目》（见图1-4）。（6）中国在16世纪中叶，就首先应用人痘接种来预防天花；从北宋初期起，我国就可以从尿中提取激素。图1-4本草纲目（二）外国古代自然科学成就古埃及人创造了人类历史上最早的太阳历，把l年确定为365天。埃及在公元前两千多年修建的国王陵墓——金字塔（见图1-5），是古代建筑的奇迹，是古埃及人聪明智慧的象征。1．古埃及图1-5埃及金字塔（二）外国古代自然科学成就古印度在自然科学方面最杰出的贡献是发明了目前世界通用的计数法，创造了包括“0”在内的10个数字符号。2．古印度古巴比伦有着较为发达的数理天文学体系。他们发明了阴历历法，编制了日月运行表，可计算月食出现的周期。他们还发明了最早的冶铁技术，建造了世界上最雄伟气派的城市——新巴比伦城和“空中花园”。3．古巴比伦著名天文学家托勒密写出了13卷的《天文学大成》，使“地心说”成为一套完整的严密的理论体系。阿基米德（公元前287—前212年）创立的力学原理是古希腊力学的高峰。其代表作有《论浮体》《论平板的平衡》《论杠杆》《论重心》等，其中提出的杠杆原理、浮体定律最著名。古希腊早在公元前1200年时，就掌握了较高的造船技术，挂有帆的大船已能航行到非洲。古希腊的建筑别具一格，在公元前500年，古希腊就已采用高大华丽的列柱技术建造高大的神庙，对日后整个西方建筑的发展有着重要影响。4．古希腊、罗马（二）外国古代自然科学成就（一）近代自然科学的发展1．天文学1）哥白尼“日心说”的创立2）开普勒创立行星运动三定律行星运动第一定律：行星运动第二定律：行星运动第三定律：3）康德—拉普拉斯星云假说（一）近代自然科学的发展2．物理学1）运动学的创立

自由落体定律

惯性定律

加速度定律2）经典力学体系的创立（1）牛顿三大定律。（2）万有引力定律。3）热力学两大定律的发现4）电磁学的建立5）经典电磁学的确立图1-6伏打电池（一）近代自然科学的发展3．化学1）化学元素概念的提出2）氧化理论的建立3）原子-分子论的提出（1）原子是组成物质或元素的最小粒子，它们极其微小，是看不见的，是既不能创造、也不能毁灭的，也是不可再分的。（2）同一元素的原子，其形状、质量和各种性质相同；不同元素的原子，质量和性质不同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。（3）不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成了化学中的化合现象。（一）近代自然科学的发展3．化学4）有机化学的兴起18世纪后期，德国著名化学家舍勒亲自提取了大量纯净的有机酸。5）元素周期律的发现1869年，俄国化学家门捷列夫（1834—1907）和德国化学家迈尔（1830—1895）各自独立地发现了元素周期律，制成了一个化学元素周期表，并预言了一些还未被发现的元素。后来，这些预言都被证实。（一）近代自然科学的发展4．生物学1）细胞学说的建立1）细胞学说的建立1）细胞学说的建立1）细胞学说的建立2）血液循环的发现3）生物分类学的形成4）达尔文的进化论（一）近代自然科学的发展5．生理学与遗传学1）生理学博雷利（1608—1697）是医学物理学的奠基人，他认为人的生理是一种单纯的机械运动。贝尔纳（1813—1878）提出了“内环境恒定”的生理学概念，他的《实验医学研究导论》成为生理学发展史上的一个里程碑。2）遗传学在遗传学上作出重大贡献的是奥地利人孟德尔（1822—1868），被称为现代遗传学之父。德国生物学家魏斯曼（1834—1914）在《作为遗传理论基础的物质连续性》的论文中指出：遗传是由具有一定分子性质的物质（染色体），从亲代向子代传递实现。魏斯曼的研究成了现代分子生物学的基础。（一）近代自然科学的发展6．地质学1)“水成论”与“火成论”2)“灾变论”与“渐变论”“灾变论”的主要代表是法国地质学家居维叶（1769—1832）。“渐变论”的主张者是英国著名地质学家赖尔（Ryle）。18世纪末，德国矿物学家维尔纳主张“水成论”，指出地球表面最初是一片汪洋，所有岩层都是在海水中经沉淀、结晶而形成，后来由于全球水位突然下降，才使岩层露出水面，形成高山和陆地。苏格兰地质学家赫顿（1726—1797）则极力主张“火成论”，他认为地心是熔融的岩石，当能量达到一定程度时，熔融的岩石就会冲破地壳喷发出来，固化为新岩层。（二）近代技术革命第三次技术革命开始于20世纪50年代，其主要技术标志是原子能、微电子技术、电子计算机、遗传工程等领域取得的重大突破。第一次技术革命也叫第一次产业革命，发生于18世纪60年代的英国，主要标志是蒸汽机的发明。第二次技术革命也叫电力技术革命，发生于19世纪中叶的西方，其主要技术标志是电气化。21世纪，自然科学技术正以它从未有过的力量改变着世界面貌，主导着社会文明的前进。特别是以计算机技术、通信技术为主体，以微电子技术为核心的现代信息技术的出现和快速发展，更是日新月异地改变着人们的日常学习、工作、生活和思维方式。1．引领时代潮流的信息技术2．扮演上帝角色的生物技术图1-7全球第一只克隆羊多利3．促进新技术革命的新材料技术4．保障人类生存和发展的新能源技术图1-8我国神舟七号飞船发射5．探索宇宙的航天技术6．造福人类新世纪的海洋技术回归生活世界的科学教育改革走进科学研究世界的科学教育01世界范围内科学教育的新变化与新进展面向科学历史世界的科学教育生活世界是指普通人日常所感觉到并在其中生活着的世界。离开学生的生活情景，科学教育中的知识容易丧失其意义基础。国内外大量科学教育实践研究发现：许多学生虽然在学校科学课程中学习了科学，能说出科学名词，能记忆公式并通过考试，却仍然与真实的生活世界疏远，不理解生活中的科学问题，并没有发展出基本的科学概念。科学教育改革不能忽视与科学教育相连的生活世界。

我国当下的科学课程改革也开始重视学生生活世界中的问题。1重视培养学生的问题意识科学研究起始于人类活动中的真实问题。没有生活中的真正的问题，学生就不可能形成探索问题的动机。科学教育改革一直强调培养学生发现与解释问题的能力，这比单纯强调机械记忆应该是个进步，但是，这些“问题”多是习题中的问题，实质上还是虚拟性的问题，有的甚至是假问题。培养学生发现真问题的意识和能力，应该是科学教育走向科学研究世界的起点。科学研究是一项十分复杂的活动，科学家不是神而是人；科学探索有成功，也有挫折和失败；科学结论有正确的，也有错误和失误的；有的科学成果有益于人类的生存和发展，有的则带来诸多的问题，利弊均有。在科学教育中，科学教师应该做到以下两点。2重视培养学生科学探究的程序和方法学生的学习过程和科学家的认识过程具有相同的本质属性，儿童应该像科学家那样探索和思考。我国在基础教育的科学科目的课程标准中，也对探究在科学学习和科学教学中的重要地位给予了充分的重视。科学发展史是人类精神的资源宝库，进行科学史的教育，可以更好地促进学生的人性发展。但是，科学教育对科学史的忽视，容易导致学生不能历史地把握科学的本质，科学中的精神资源不能有效地转化为学生的精神财富。重视科学史的教学，已成为国际上科学教育改革的一个发展趋势。我国小学科学教育课程改革的发展历程我国小学科学教育课程改革的重要转变02我国小学科学教育课程改革

第一次改革浪潮从1978年开始至20世纪80年代中期，党的十一届三中全会之后，中国进入了一个新的历史发展时期，党的工作重点转移到以经济建设为中心。要搞“四化”建设需要各种各样的人才，“提高全民族的科学文化水平”成为迫切需要。

改革开放以来，我国基础科学教育经历了三次改革浪潮，差不多每隔10年就要进行一次科学教育改革。第二次科学教育改革从20世纪80年代中期至90年代，其特点是：开始重视幼儿园与小学的科学教育改革（当时叫自然学科改革），降低科学课程的难度，同时追求科学课程的本土化；改进了统编教材，使原先引进的过于理论化、抽象化和高难度的科学教材内容逐渐变成适合我国国情和学生需要的科学教材，这实际上是由20世纪80年代国际化到90年代本土化的一次转换。

第三次科学教育改革始于世纪之交，至今仍在进行之中。其特点是：进一步与国际科学教育改革接轨，试图衔接小学与初中的科学教育，促使义务教育阶段科学教育课程与教学改革一体化，面向全体学生，以科学素养为目标，注重培养学生的科学探究能力等。1．教育目标的转变

当今小学科学教育目标是建立在“科学素养”这一重要理念上的。“科学教育”不仅包含了传授知识，而且还包含了更广阔深远的含义，如培养儿童的科学精神、科学探究能力、兴趣、态度，以及了解科学、技术和社会的关系等。2．教学方式的转变

科学学习要以探究为核心。在“科学”课教学中，不能采用“填鸭式”教学方式，不应当使学生被动地学习；而应当尽力引导学生主动地学习，进行探究。这种教学方式被广大教育工作者定义为“卷入解决未明确事物的过程”。3．教学评价的转变科学课程的评价目的是促进学生科学素养的提高，在教学工作结束后要评价，在教学的过程中也应当随时进行评价。教师要随时关注学生的学习情况，及时与家长、校外人士建立联系，引导学生随时对自己的学习进行评价，鼓励和指导学生解决存在的问题，不断进步。科学知识的评价重点是对科学的认识以及对统一科学概念的理解和领会，不是检查学生记住了多少学科的具体知识。3．教学评价的转变评价要通过教师对学生的观察多元地进行，评价的标准是：对自然现象的好奇心和求知欲；对科学原理的尊重和对科学的兴趣；对事实和他人的尊重，科学创新意识；对社会的责任感，用知识为祖国、为人民服务的意识等。

评价时的主要依据是学生在科学课程各类活动中的表现，如是否积极参与、是否热情关注、记录实验数据是否实事求是、是否有学习科学的兴趣等，以评价学生在科学态度、情感与价值观上的变化。构成物质世界的砖石揭开原子微观世界的神秘面纱01物质微观结构的探索原子结构模型探索质子、中子的发现基本粒子大家族

近代以来的物理学研究发现，物质是由不同层次的微粒构成的，就微观结构来说呈现“梯级结构”模式。二三百年前，人们发现物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。到19世纪末，在科学实验基础上，科学家认识到原子由原子核和核外电子构成。20世纪30年代，人们发现原子核又是由质子和中子组成的。到此，曾有人以为找到了构成物质的最小“砖石”，这就是微观世界的终极。然而，不久人们就发现了这种认识的局限性。对来自更外层空间的宇宙射线的观察分析，以及通过高能加速器的一系列实验，比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子、夸克等，接二连三地猛然撞进我们的眼帘。人们发现了物质结构的更深的层次，质子和中子等所谓基本粒子大都是由叫做夸克的更小的粒子组成的。许多人相信，随着实验手段的改进，有可能发现更为基本的微观层次。这种认识的深化和递进，永远不会有终结。1895年11月8日夜晚，德国著名的物理学家伦琴（W.K.Rontgen，1845—1923）又和往常一样，独自一人来到实验室做阴极射线管中气体放电的实验（见图3-1）。实验室里一片漆黑，为了防止漏光，伦琴又用黑纸将阴极射线管包裹严实。当接通电路以后，他意外地发现，放在1米外的一块荧光屏（涂有荧光材料铂氰酸钡）在闪光。他发现这一射线有极强的穿透力，能够穿透书本、木板、衣料，还能够透视人体。因为伦琴弄不清它的本性，就称它为X射线。为了纪念这位科学家的发现，X射线也称为“伦琴射线”。1．X射线的发现图3-1阴极射线管中气体放电实验

伦琴把他的发现写成论文，于1895年12月28日在德国的科学杂志上发表。伦琴的发现立刻震动了世界，不仅在科学界，社会上也轰动了，各种报纸和杂志都在讲X射线，有的还刊载了第一张X射线照片——伦琴夫人的手（见图3-2）。X射线在医学上有很高的价值。据说传到美国才4天，美国外科医生就用X射线为一名伤员找出了腿上的子弹。1．X射线的发现图3-2伦琴夫人手的X射线照片1896年，法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becquerel，1852—1908）在研究荧光矿物的性质时，发现铀盐会导致黑纸包裹着的照像底片感光。进一步的实验使贝克勒尔逐渐明白，促使底片感光的是一种人们从未研究过的新射线，其射线源就是铀。这是人类第一次发现某些元素自身具有自发辐射现象，这种现象称为天然放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。贝克勒尔的发现是19世纪末最伟大的发现之一，成为人类打开原子大门的钥匙。放射性现象发现后不久，经过科学家们的精确分析，弄清了放射性元素发出的射线中包含着α、β、γ三种射线。这三种射线均可根据它们在电场或磁场中的不同轨迹来区分，如图3-3所示。2．天然放射性现象的发现图3-3三种射线在磁场中发生不同的偏转1878年，英国科学家克鲁克斯研究发现，当管内阴极前面放有障碍物时，对面发光的玻璃上便会出现阴影（见图3-4）；若放一个可以转动的小叶轮，那叶轮就会转动起来（见图3-5）。这就证明，从阴极发射出来的是一束看不见的、具有一定质量和速度的粒子流。3．电子的发现图3-4阴极射线可以生成影子图3-5阴极射线使叶轮转动人们从实验中还发现，阴极射线在电场或磁场中会发生偏转（见图3-6）。在电场中，射线偏向正极。这就进一步说明，阴极射线是带负电的微粒流。3．电子的发现图3-6阴极射线在磁场中偏转1903年，也就是发现电子6年以后，汤姆逊总结已经发现的事实，第一个提出了原子结构的理论。他给原子王国描绘了这样一幅图像：原子是一个均匀的带正电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的负电，正好与这个球所带的正电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的正电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的负电荷就过多了，形成阴离子。在汤姆逊提出的这种原子模型中，电子镶嵌在正电荷液体中，就像葡萄干点缀在一块蛋糕里一样，所以又被人们称为“葡萄干蛋糕模型”，如图3-7所示。1．汤姆逊的葡萄干蛋糕模型图3-7汤姆逊葡萄干蛋糕模型卢瑟福是英籍新西兰物理学家，1895年他来到英国成为了汤姆逊的一名研究生。由于在放射性研究方面的出色成果，早在1908年他就获得了诺贝尔化学奖。1909年，卢瑟福指导他的学生盖革、马斯登等进行了著名的α粒子散射的研究。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子（410-7m厚的金箔）时，从大量的观察记录中，发现绝大多数α粒子直接穿过了金箔，居然约有八千分之一的α粒子偏转90，甚至有少数被弹回来（约占总数的1/20000）（见图3-8）。2．卢瑟福的原子有核模型图3-8α粒子的散射图像经过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的“有核结构模型”，如图3-9所示。卢瑟福所设想的原子模型是这样的：原子内部并非是均匀的，它的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的全部正电荷都集中在这个核上。带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。2．卢瑟福的原子有核模型图3-9卢瑟福的有核结构模型卢瑟福的有核原子模型，其主要困难为不能解释原子的稳定性。根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上，如图3-10所示。这样一来，原子就被破坏了。实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这该怎样解释呢？3．玻尔的原子结构模型图3-10电子轨道半径不断缩小玻尔作为卢瑟福的学生，他相信原子有核结构的猜想是正确的，但又认为建立在实验基础上的卢瑟福模型同当代的物理学说是水火不相容的，这种矛盾并不表示卢瑟福模型不行，而是预示着在原子世界中存在着全新的物理规律，这种规律是经典物理学所不能解释的，必须从根本上另找出路。于是，他毅然决定不应该再把经典电磁理论的规律强加于原子。他想到了普朗克的能量子假说，他把有核结构的思想与能量子假说结合起来，对卢瑟福的模型加以修正，于1913年提出了他的原子结构能级模型（见图3-11），迈出了革命性的一步。3．玻尔的原子结构模型图3-11玻尔的能级模型1919年，卢瑟福首先做了用α粒子轰击氮原子核的实验，实验装置如图3-13所示。容器C里有放射性物质A，从A射出的α粒子射到铝箔F上，在F后面放一荧光屏S，用显微镜M来观察荧光屏上是否出现闪光。适当选取铝箔的厚度，使容器C抽成真空后，α粒子恰好被F吸收而不能透过，于是在显微镜M中看不到荧光屏上的闪光。然后通过阀门T往容器C里通入某种气体，看看α粒子能不能从气体的原子核中打出什么粒子。卢瑟福曾用不同的气体做了实验。当容器C里通入氮气后，卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光，他断定这闪光一定是α粒子击中氮核后从核中飞出的新粒子透过铝箔打到荧光屏上引起的。卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定它就是氢原子核。1．质子的发现图3-13卢瑟福人工核反应实验装置图这一年是1932年，见到德国和法国同行的实验结果后，查德威克意识到这种新射线很可能就是多年来苦苦寻找的中子。他指出，γ射线没有质量，根本就不可能将质子从原子核里撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能。其次，查德威克想办法测量了这种粒子的质量，还确证了它确实是电中性的。中子就这样被发现了，核反应方程为：查德威克因发现中子而荣获了1933年诺贝尔物理学奖。2．中子的发现前面介绍了电子、质子和中子，而且一切实物都是由这三种粒子组成。除此以外，电磁理论的发展结果还使我们知道有另一种粒子——光子，它是构成电磁场的基本单元。人们便将这4种粒子——质子（p）、中子（n）、电子（e）、光子（r），统称为“基本粒子”，由它们构成物质世界中的一切实物与场，物质世界的这幅构成图式如图3-14所示。图3-14物质世界的基本粒子构成正电子（e+）的发现和电子不同，它是先有理论预言，然后才被实验证实。

这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的反电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。实验证实了理论，在诺贝尔奖金获得者的名单上又增添了安德森、狄拉克。（一）几种重要基本粒子的发现1．正电子的发现凡是质量、寿命等性质与某种粒子完全相同，但电荷以及一些量子数与这种粒子异号的粒子，称为这种粒子的反粒子。例如，正电子就是电子的反电子。原来在我们的周围世界，反物质只要一露头，就会与正物质相结合，并迅速湮没。因此，在我们这个物质世界里，是很难找到反物质的。狄拉克说过，在宇宙空间，有的星球可能是反物质构成的。相信狄拉克这一大胆预言的大有人在，而不相信狄拉克的预言的人也不是少数，他们坚持，只有找到了反物质组成的星球，才能相信狄拉克的预言是正确的。（一）几种重要基本粒子的发现2．诸多反粒子的发现原子核的β衰变现象被发现以后，物理学家对它进行了认真的研究，发现衰变后的总能量比衰变前少。奥地利物理学家泡利1931年大胆提出一个假设，如果β衰变遵守能量守恒定律的话，那么在衰变过程中应当还有一种质量极小又不带电荷的粒子存在。泡利的假设提出后不久，1933年费米就在此基础上提出了β衰变理论，并把泡利预言的这样一种不带电的、质量极小的粒子命名为“中微子”，以区别中子，并用v表示。他认为根据中微子假设，β衰变实际上是中子转变为质子、电子和中微子的过程。后来人们知道，费米所说的中微子其实是“反中微子”。（一）几种重要基本粒子的发现3．中微子的发现1936年，安德森在研究宇宙射线时，发现一种具有中等质量的粒子，它只比汤川所预言的介子轻一点点。当时大家以为这就是期待已久的介子，但是进一步的研究表明，这种粒子并没有汤川所预言的性质。对此，日本理论物理学家坂田昌一等人在1942年又提出了“两种介子”的假说：汤川所预言的是一种介子，它是核力的携带者，参与强作用。而安德森发现的则是另一种介子，它与原子核几乎不发生相互作用（即“μ子”）。到1947年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙射线中发现了汤川所预言的介子，即π介子。为此，汤川于1949年、鲍威尔于1950年获得了诺贝尔物理奖。（一）几种重要基本粒子的发现4．介子的发现迄今为止，人们已发现300多种基本粒子，而且还在不断增加。这么多粒子会不会都是“基本”粒子呢？近20年来，大量的实验结果和理论研究都认为：基本粒子并不基本，是有内部结构的。然而，探索基本粒子结构并不是一件轻而易举的事情。目前，对基本粒子结构的探索仍然限于提出一些模型的阶段。（二）基本粒子结构的探索元素同位素02化学上最伟大的发现之一元素周期律元素周期律元素就是具有相同核电荷数（即核内质子数）的一类原子的总称。元素可以分为金属和非金属两类。元素中约有1/5是非金属，包括所有的气体，一种液体（溴）和数种固体（如碘）；4/5是金属，金属元素除了汞（Hg，见图3-15）以外，全部都是固体。在元素周期表中，梯形分界线附近的元素同时拥有金属和非金属的性质，称为半金属，如硼和硅。图3-15金属汞不同的物质，组成不同。地壳是由沙、黏土、岩石等组成，其中含量最多的元素是氧，其他元素含量从高到低依次是硅、铝、铁、钙等，如图3-16所示。海洋占地球表面的71%，其中含量最多的元素也是氧，其次是氢，这两种元素约占海水总量的96.5%。水占人体体重的70%左右。人体的元素中含量最多的是氧，其次是碳、氢、氮。人体的元素组成与海水很接近，这也许是“海是一切生命的发源地”的一种证明，如图3-17所示。太阳中最丰富的元素是氢，其次是氦，还有碳、氮、氧和多种金属元素。图3-16元素在地壳中的分布图3-17元素在人体中的分布人们把质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。把具有一定数目的质子和一定数目中子的一种原子叫做核素，如、、是氢元素的三种不同的核素，这三种核素均是氢的同位素。这里的“同位”是指这几种核素的质子数（核电荷数）相同，在元素周期表中占据同一个位置的意思。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反应了元素之间的相互联系的规律，是对元素的一种很好的自然分类，是我们学习和研究化学的一种工具。我们可以利用元素的性质，及其在周期表中的位置和原子结构三者之间的密切关系，来指导我们对化学的学习和研究。物质的变化探索化学反应的证据03化学反应描述化学反应控制化学反应（一）物质的变化1．物理变化2．化学变化

并不是所有的变化都会产生新物质。仅在外形和状态上发生变化，但没有生成新物质的变化称为物理变化（physicalchange）。在变化时生成了新物质的变化称为化学变化（chemicalchange）。新物质与原物质相比，元素种类和原子总数相同，但其组合不同，因为元素的原子重新排列而产生了新物质。单质可以组成化合物，化合物既可以分解为单质，也可转变成其他化合物。（二）观察化学反应通过观察物质性质的变化，可以检验化学反应。化学变化的结果是新物质的生成，但你怎样知道生成了新物质呢？有时产生气体，如可以在液体中看到气泡；有时两种溶液混合，出现了固体，产生气体、沉淀，颜色或者其他性质发生了变化，这些都表明可能生成了新物质。在反应过程中，能量也会发生变化，通常能量变化以温度变化的形式表现出来。1．沉淀生成两种透明溶液混合，生成沉淀，沉淀的出现表明化学变化已发生。2．颜色改变颜色改变常常是化学反应发生的标志。3．气体产生在光合作用过程中，植物的叶子上有氧气气泡生成，氧气是由二氧化碳和植物细胞内的水反应得到的。（一）化学反应的现象4．温度变化反应过程中的能量变化使温度升高或降低。例如，天然气燃烧产生的热量使水沸腾。5．性质变化把面粉、水和其他配料烤成一个光亮的面包，咀嚼时“吱吱”发响的表皮和当初放进炉中的柔软面团已经完全不同。（一）化学反应的现象（二）化学反应的微观认识1．原子和分子所有的物质都是由肉眼看不见的粒子组成的。元素的最小单元是原子（atom）。一种元素的所有原子具有相同的化学性质，不同元素的原子具有不同的化学性质。两个或两个以上的原子组成分子（molecule）。2．化学键和化学反应把原子和原子结合在一起的力称为化学键（chemicalbond）。化学键决定物质的性质，化学反应就是一些化学键断裂和另一些化学键的生成。当旧的化学键断裂、新的化学键生成时，原子重新组合，就得到了性质不同的新物质。（一）化学方程式的书写1．化学式

大多数元素的符号是它们英文名称的前一个或两个字母，也有一些是希腊文、拉丁文或阿拉伯文名称的缩写。化学式是用元素符号表示的化合物分子中各元素的原子种类及个数。（一）化学方程式的书写2．化学方程式的结构一个化学方程式概括了化学反应中的变化，它可以表明用来反应的物质和最后得到的物质。开始反应的物质称为反应物（reactant），反应后生成的新物质就是产物（product）。化学方程式的书写方法如下：用化学式描述化学反应中的反应物与产物；反应物写在方程式的左边，产物写在方程式的右边。即反应物+反应物

→

产物+产物（一）化学方程式的书写3．质量守恒不管有多少反应物或产物，所有参与反应的原子在反应结束时仍然全部存在。原子以与开始时同样的原子形式存在，但它们相互组成分子的方式发生了变化。由于化学反应中物质的总量没有发生变化，所以反应物的总质量等于产物的总质量，这一定律称为质量守恒定律。这一定律表明，在化学反应中，物质的总质量不会发生变化。（一）化学方程式的书写例如：铁屑与硫粉混合加热生成硫化亚铁，这一过程也遵循质量守恒定律，如图3-18所示。表面上看来，某些反应似乎违背了质量守恒定律。例如，木材燃烧后，木材燃烧后，如果只称冷却后的灰烬（见图3-19），则其质量与原先的木材相比减少了。（见图3-19）图3-18铁屑与硫粉混合加热生成硫化亚铁图3-19木材燃烧后剩下的灰烬（二）化学方程式配平对于化学方程式来说，质量守恒定律意味着什么呢？化学反应中，反应物的总质量等于生成物的总质量，这是因为反应前后，元素的原子个数保持不变。因此，要准确反映一个化学反应，化学方程式两边同种原子的数目必须相等，化学上称之为配平。（三）化学反应分类1．化合反应两种或两种以上的物质（单质或化合物）反应，生成一种较复杂物质的反应就是化合反应（conbinationreaction）。化合的意思就是把物质合起来，如氢气和氧气作用生成水的反应就是一种化合反应，它由两种物质合成一种化合物。（三）化学反应分类2．分解反应与化合反应相反，分解反应（decomposition）是把复杂的化合物分成几种较简单的化合物或单质。汽车中的安全气囊（见图3-20）也是根据分解反应的原理制成的。当汽车撞击时，气囊中的雷管发生爆炸，引起一种由钠与氮组成的化合物快速分解，产生大量的氮气。图3-20安全气囊（三）化学反应分类在化学反应中，一种单质与一种化合物反应生成另一种单质和另一化合物，这类反应称为置换反应（replacementreaction）。例如，纯铜是通过加热含氧化铜的矿石和焦炭制得的，其化学方程式为：3．置换反应2CuO+C＝2Cu+CO2↑加热（三）化学反应分类在化学反应中，还有一类反应是两种化合物相互交换成分生成另外两种化合物，这种反应称为复分解反应。其实质是：发生复分解反应的两种物质在水溶液中相互交换离子，结合成难电离的物质——沉淀、气体、水，使溶液中离子浓度降低，化学反应即向着离子浓度降低的方向进行。复分解反应可简记为AB+CD＝AD+CB。例如，往少量的氢氧化钠溶液中加入适量的盐酸，会发生酸碱中和反应，生成盐和水，其化学方程式为：4．复分解反应HCl+NaOH＝NaCl+H2O化学反应并不总是以同样的速率发生。有些反应很快，如爆炸；而有些反应就相当慢，如铁的腐蚀。同一个反应，由于条件不同，反应速率也会不一样。化学反应速率的大小取决于反应物粒子相互结合的难易程度。如果想加快一个化学反应，就应使反应物粒子有尽可能多的机会碰撞；反之，应可能减少反应物粒子碰撞的机会。化学家可以通过控制反应条件达到控制化学反应速率的目的。影响化学反应速率的因素有以下几种。1．浓度增大反应速率的途径之一是提高反应物的浓度。浓度是指某一物质在特定体积的另一物质中的百分比。2．表面积当固体与气体或液体反应时，只有固体表面上的粒子与其他反应物接触。假设将固体研碎，情况会怎样呢？固体的表面积增大了。反应物的表面积越大，反应速率就越大。3．温度提高反应速率的第三种方法是加热。当加热某物质时，它的粒子运动加快，快速运动的粒子可以通过两种途径提高反应速率。第一，接触机会增加，使它们有更多可能参加反应；第二，高速运动的粒子有更高的能量，这些能量使反应物较容易克服活化能能垒。有些时候，我们需要使用一些物质使反应缓慢进行。这种降低化学反应速率的物质称为阻化剂。阻化剂的发现曾对建筑行业产生了重要影响。硝化甘油是一种能快速分解并释放出巨大能量的烈性炸药，纯净的硝化甘油只要轻轻一摇就可能爆炸。控制反应速率的又一途径是改变化学反应的活化能。如果能降低反应活化能，则反应速率加大。催化剂就是一种通过降低反应活化能来提高化学反应速率的物质。催化剂可以加快化学反应，但其本身在化学反应前后不会发生改变。4．催化剂5．阻化剂运动的描述几种常见的力01运动和力力的合成与分解牛顿运动定律宇宙间一切物体都在不停地运动，要描述一个物体的运动，需要以某个物体作为参考，这个被选作参考的物体叫做参考系。参考系的选取可以是任意的，许多认为“不动”的物体，是因为选取的参考系不同产生的。同一个物体的运动，参考系不同，运动描述的结果也不同。如坐在行驶着的火车里的人，以火车为参考系人是静止的，以地面为参考系人是运动的。（一）运动的相对性1．参考系在选定参考系以后，为了定量地描述物体的位置和位置随时间的变化，必须在参考系上选择一个坐标系。（一）运动的相对性2．坐标系直线坐标系：研究物体沿直线运动时，可用直线坐标系来确定物体在各个时刻的位置。平面直角坐标系：研究物体在平面上运动时，可用平面直角坐标系来确定物体在各个时刻的位置。空间直角坐标系：研究物体在空间里运动时，可用空间直角坐标系来确定物体在各个时刻的位置。任何物体都具有一定形状和大小。物体上各点在空间位置不同，在运动中，物体上各点在空间位置变化一般来说也不相同，所以要详细描述物体的位置及位置变化并不是一件简单的事情。但是在某些情况下，可不考虑物体的形状和大小，从而简化问题，把物体看作一个有质量的点，这个代替物体有质量的点称为质点。（二）质点研究物体时，通常要知道物体经过的路程，路程是物体运动轨迹的长度。例如，计算从北京运往上海的货物运费时，就要知道火车从上海到北京运动轨迹的长度。这个轨迹的长度，就是它的路程。从物体的初始位置指向末位置的有向线段，叫做物体的位移。如图4-1所示（三）路程和位移图4-1运动员的位移大家都知道兔子比乌龟跑得快，但是在“龟兔赛跑”的放事中兔子却输了。到底它们谁运动得快呢？要说清楚这个问题，必须研究运动快慢的描述方法。大家已经知道，物理学中用速度表示运动的快慢。物体的位移与发生这一位移所用的时间的比值，叫做物体运动的速度，即式中V表示质点的速度，s表示质点的位移，t表示发生这个位移所用的时间。（四）速度力是物体对物体的作用，产生力的作用时，总有两个物体。例如，马拉车，马对车施了力：磁铁吸铁，磁铁对铁施了力。当一个物体受到力的作用时，一定有另一个物体对它施加这种作用。施加力的作用的物体，叫做施力物体；受到力的作用的物体，叫做受力物体。缺少施力物体或缺少受力物体，都不会有力的作用。图4-2表示作用在弹簧秤上的力，方向水平向右，大小是30N。图4-2作用在弹簧秤上的力重力是指由于地球的吸引而使物体受到的力。地球上的一切物体都受到重力。物体所受重力G的大小与物体的质量m成正比，用公式表示为：G=mg式中，g表示重力加速度，也就是自由落体加速度。1．重力图4-3用弹簧秤测重力图4-4用悬挂法测重心用手拉弹簧，使弹簧伸长，手会感到弹簧对手有拉力；用手压弹簧，使弹簧缩短，手会感到弹簧对手有压力。发生弹性形变的物体由于要恢复原状而对阻碍它的物体产生力的作用，这种力叫做弹力。拍网发生弹性形变，对网球产生弹力，同时，球也发生形变，对拍网也产生弹力，如图4-5所示。放在桌子上的书压在桌面上，使桌面发生微小形变；发生形变的桌面对书产生向上的弹力，这就是桌面对书的支持力，如图4-6所示。2．弹力图4-6桌面弹力图4-5拍网弹力摩擦是常见的现象。例如，关闭发动机的汽车，在马路上行驶一段距离后总要停下来，原因之一就是汽车轮胎和马路之间有摩擦。当一个物体在另一个物体表面上滑动的时候，要受到另一个物体阻碍它滑动的力，这种力叫做滑动摩擦力。滑动摩擦力的大小与两物体间的压力有关。大量实验表明：两个物体间的滑动摩擦力的大小与这两个物体表面压力的大小成正比。如果用F表示滑动摩擦力的大小，用FN表示压力的大小，二者之间的关系可用公式表示为：F=μFN式中，μ是比例常数，叫做动摩擦因数，它的大小与相互接触的材料以及接触面的光滑程度有关。在压力相同的情况下，滑动摩擦力的大小取决于材料间的动摩擦因素的大小。3．摩擦力物体所受滑动摩擦力的方向总是与它发生滑动的方向相反，图4-7表示在地面上滑动的木块受到的滑动摩擦力的方向。在日常生活中，有时会遇到这种情况：用力推箱子，但箱子没有被推动，箱子和地面间虽然有相对运动的趋势，但仍然保持静止。我们可以用实验模拟这个事实。在桌面上放一个木块，用弹簧秤去拉它（见图4-8）。3．摩擦力图4-8静摩擦力

图4-7滑动摩擦力的方向

摩擦力的作用随处可见。例如，许多车辆采用摩擦达到减速的目的，这利用了摩擦力对物体相对运动的阻碍作用。手能拿住瓶子不滑落，织成布的纱线不散开，靠的是静摩擦力的作用。在粮库、码头安装的皮带运输机（见图4-9）上，是靠货物和传送皮带间的静摩擦力来工作的。3．摩擦力图4-9皮带运输机（一）力的合成如果一个力作用在物体上产生的效果与几个力共同作用的效果相同，这个力就叫做那几个力的合力，而那几个力就叫做这一个力的分力。求几个已知力的合力，叫做力的合成，求一个已知力的分力，叫做力的分解。1．一条直线上的力的合成当两个力沿着一条直线作用时，如果两个力的方向相同，合力的大小等于两个分力大小之和，合力的方向与两个分力的方向相同；如果两个力的方向相反，合力的大小等于两个分力的大小之差，合力的方向与分力中数值较大的那个分力的方向相同，如图4-10所示。用公式表示为：F1与F2同向，F=F1+F2（F与F1、F2的方向相同）F1与F2反向，F=F1-F2（F与大的力的方向相同）图4-10一条直线上的力的合成2．互成角度的力的合成如果两个力互成一定角度，怎样确定它们合力的大小和方向呢？通过实验可以证明，互成角度的两个力的合力，能够用平行四边形定则得出：以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形，经过这两条有向线段的交点的对角线就代表这两个力的合力，如图4-11所示。图4-11用平行四边形定则求合力（二）力的分解力的分解是力的合成的逆运算，根据力的等效原则和平行四边形定则，在知道已知两个分力的方向或已知一个分力的大小和方向的情况下，可以把力分解为唯一的一对分力。许多情况下，分力的方向是可以判定的。例如，把两条互成角度的绳子挂起来，物体对绳子产生拉力F（F的大小等于物体所受的重力G），F作用的效果是使两根绳子被拉长。由此知道，沿着两绳伸长的方向有两个力FA和FB，这两个力就是力F的两个分力。根据平行四边形定则，按一定比例作图，就可以求出这两个分力的大小，如图4-12所示。图4-12力的分解（二）力的分解又如，把物体放在斜面上（见图4-13），这时作用在物体上的重力产生两个作用：一个是物体压迫斜面使它发生微小形变，另一个作用是使物体沿斜面方向向下滑动。可见，重力G的两个分力一个在垂直于斜面的方向，另一个在平行于斜面的方向。因此，从物体的重心O按一定比例画出重力G，根据平行四边形定则，就可以求出两个分力F1和F2。图4-13力的分解（2）1．牛顿第一定律一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改这种状态为止。这就是牛顿第一定律。物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性，牛顿第一定律又称惯性定律。2．牛顿第二定律牛顿通过实验发现：物体的加速度与所受的作用力成正比，与它的质量成反比。这就是牛顿第二定律。用公式表示为：也可以写成式中，k是比例常数，它的值决定于公式中各量所用的单位。在国际单位制中，质量的单位是千克（kg），加速度的单位是米每二次方秒（m/s2）。根据上述公式可以规定力的单位：将质量是1kg的物体产生1m/s2的加速度所需要的力定义为力的单位，叫做牛顿，符号是N。即：1N=1kg·m/s2。这样，国际单位制中，牛顿第二定律公式中的比例系数k=1，于是公式可以简化为F=ma3．牛顿第三定律如果你穿着布鞋，用脚尖猛踢足球，脚对球的作用力会使球飞向远处，但也使你的脚尖疼得不敢着地（见图4-14（a））。用手拉弹簧，弹簧受到手的拉力，手也受到弹簧的拉力。在平静的湖面上，如果人在一只船上用力推另一只船，在另一只船受到推力远离的同时，自己的船也会向相反的方向运动。滑过冰的同学可能经验更多，穿着旱冰鞋的两个同学，不论谁推谁，两个人都同时被推动（见图4-14（b））。（a）

（b）

图4-14作用力与反作用力3．牛顿第三定律作用力和反作用力之间存在什么关系呢？请同学自己做实验来研究一下。两个同学一组，用两个弹簧秤分别做以下实验（见图4-15），每次实验中可以改变拉力的大小，同时观察两个弹簧秤的示数。从实验中可以看到，不论哪一种情况，两个弹簧秤的示数总是同时出现、同时消失，并且示数相同。这表明，弹簧秤A拉弹簧秤B的同时，弹簧秤B也拉弹簧秤A。这两个力分别作用在两个物体上，总是同时出现、同时消失，并且大小相等。再注意一下这两个力的方向，就知道它们是相反的，而且作用在一条直线上。图4-15作用力与反作用力实验3．牛顿第三定律大量实验表明：物体之间的作用力和反作用力的大小相等、方向相反，作用在一条直线上。这就是牛顿第三定律。为了方便，常常用F表示作用力，用F’表示反作用力，于是，这两个力的关系用公式表示为：式中的负号表示它们的方向相反。3．牛顿第三定律牛顿第三定律在实际中应用很广。例如，人走路时用脚蹬地，脚对地面施加一个向后的作用力，地面同时也给人一个大小相等的向前的反作用力，使人前进。轮船的发动机带动螺旋桨高速旋转时，螺旋桨对水施加一个向后的作用力，水同时也给船一个大小相等的向前的反作用力，使船前进。应用牛顿第三定律分析物体的运动时要注意，作用力和反作用力不能相互抵消，因为它们分别作用在两个物体上，不是作用在同一个物体上的一对平衡力，如图4-16所示。图4-16作用力和反作用力不能相互抵消什么是浮力浮力产生的原因02沉和浮影响浮力大小的因素物体的浮沉条件浮沉条件在技术上的应用图4-17中，把手放入水中，感到水对手有向上的托力；图4-18中，游泳的人可浮在水面上，也感到水对人有向上的托力。像这样，浸在液体中的物体受到液体向上的托力，这个向上的托力叫浮力。

图4-17水对手的浮力

图4-18水对游泳的人的浮力图4-19是用弹簧秤测铁块，A空气中重力G=4N，再将铁块浸入水中，发现弹簧秤示数变小，F=3N，说明铁块受一个向上的力，即浮力F浮=G-F=1N。所以在液体中下沉的物体也受浮力。用弹簧测力计测浮力。图4-19用弹簧秤测浮力图4-20中放有一个小盒子，由于液体内部同一深度的压强相等，液体对小盒子四周侧面没有压力差；不同深度的压强不同，深处压强大，浅处压强小，对其上表面产生一个向下的较小的压力，液体对其下表面产生一个向上的较大的压力，上、下表面存在一个压力差，这个压力差就是产生浮力的原因。图4-20浮力产生的原因图4-21是利用测力计探究浮力与深度的关系。结果发现：a、b、c处测力计读数不等，且a>b>c>d，可见，当砝码由水面进入水中时，随着砝码进入深度的增大，砝码受到的浮力越大。d、e处测力计读数相等，当砝码完全浸没在水中时，砝码受到的浮力与深度无关。图4-22是利用测力计探究浮力与液体的密度的关系。结果发现：砝码在盐水中比在水中受到的浮力要大。可见，当砝码完全浸没在不同液体中时，液体的密度越大，砝码受到的浮力越大。图4-21利用测力计探究浮力与深度的关系

图4-22利用测力计探究浮力与液体的密度的关系图4-23是利用测力计探究浮力与物体排开液体体积的关系。结果发现：浮力与物体排开液体体积成正比，且浮力与物体排开液体的重力相等。图4-23利用测力计探究浮力与物体排开液体体积的关系综上所述：浸入液体中的物体所受的浮力与液体的密度和物体排开液体的体积有关，与物体浸没在液体中的深度，物体的密度、质量、体积和形状等无关。图4-20中，设小盒子上表面离水面的距离为h，小盒子的高为L，上、下表面的面积相等，均为S。液体内部h深处的压强公式为：这就是阿基米德原理：浸入液体中物体所受浮力大小等于物体排开液体所受的重力。即：则图4-24中，将鸡蛋放入清水中，然后不断加盐，改变水的密度，直到鸡蛋上浮到液面。在此过程中，鸡蛋的浮沉有四种情况：当F浮<G时，下沉；当F浮>G时，上浮；当F浮=G时，悬浮、漂浮，如图4-25所示。图4-24鸡蛋与浮力

图4-25鸡蛋的浮沉情况潜艇能在水中上浮和下潜，也可以在水下航行。它是利用改变自身重量的方法来控制沉浮的，如图4-26所示。图4-26潜艇及其浮沉原理声音的产生和传播超声波和次声波03声与听觉人的发声和听觉1．声音的产生仔细考察日常生活中听到的各种声音，可以发现它们都是由相关的物体受振动而发出的。这种振动的物体，称为声源。

固体、气体振动会发声，即使是液体振动，也一样可以发出声音，如瀑布所发出的声就是液体振动时的声音。人发声是由于声带的振动。鸟鸣声是由于其气管和支气管交界处鸣管、发声肌膜的振动，蝉的叫声是由于其翅膀的抖动（见图4-28）。图4-28蝉通过翅膀的振动发声

2．声音的传播声音是由物体的振动产生的，它又是如何传到我们的听觉器官的呢？现将一个正响着的电铃置于有抽气机的玻璃罩内（见图4-29），这时，虽有隔绝，但仍可听见电铃声；若将玻璃罩内的空气逐渐抽出，电铃声便逐渐变弱，当罩内的空气仅余少许时，则电铃声减弱到几乎听不见。若再把空气徐徐放入罩内，则电铃声又逐渐增强。这个实验表明：物体的振动所发出的声音需要通过传递声音的媒质来传播到听觉器官——耳，这媒质通常是空气。若没有传声的媒质（如气体、液体、固体等），声音是不能传播开来的。图4-29真空罩中的闹钟2．响度和振幅声音的响度与声波运载的能量有关，是听者对声波主观上感觉到的声音强弱，它与声源振动的幅度及振幅有关，振幅越大，响度越大。3．音色两种声源发出的声音，有时音调和响度都相同，但我们仍能辨别声源的不同发声体。1．音调和频率音调就是乐音的高低，它与声源振动的快慢有关。（一）声音的要素（二）超声波及其应用频率高于20000Hz的声波称为超声波。超声波在自然界中是存在的，例如，风声和海浪声中除了有我们能够听到的声波以外，也含有超过我们听觉范围的声波。有些动物的器官如蝙蝠、蟋蟀、纺织娘等都能发出超声波。与可听声波相比，超声波具有以下独特性能：（二）超声波及其应用束射性：超声波可以像光一样聚集成为一束能量高度集中的波束，向着一定的方向直线传播出去，这种性能使波具有较好的方位分辨力和较远的作用距离。频率越高，束射性越好。高能性：由于频率高所引起的质点振动，即使振幅很小，但加速度也很大，因此可以产生很大的力，使它所传播的能量比可听声波大得多，106Hz的超声波所传播的能量相当于振幅相同的103Hz的可听声波的106倍。穿透性：实验证明，超声波在液体里传播，损耗很小，在固体里传播，损耗更小。因此，超声波对液体和固体有很强的穿透性，可以利用它来对液体或固体的深部进行探测。（二）超声波及其应用由于超声波具有以上特性，它在近代的科学研究和技术上得到日益广泛的应用，我们可以用人工方法制造许多形式不同的超声波发射器，它们的频率变化从2万～10亿Hz不等，同时也能制造相应的各种形式不同的超声波接收器，用它们接受各种超声波信号。因此，可以利用它来测量海的深度：记录发送和接收时间间隔，再根据声波在水中的传播速度，就可以计算出反射处的距离，反复测量多次，最终画出海底的地形图。按相同的道理，超声波也能用来帮助探索鱼群、暗礁、潜水艇（见图4-30）等。图4-30利用超声波探测潜水艇（三）次声波及其应用频率低于20Hz的声波称为次声波。次声波的应用近年来也有发展。建立次声波接受站，可以监听几千里外的核武器试验、导弹的发射。仿生学专家模拟水母耳研制出的台风预报仪（称作“水母耳”）可以预报海啸、地震和台风。最近，也有科学家利用次声波对人体产生作用的特点，探索研制一种能导致神经麻痹的“武器”——“次声炸弹”。1．人的发声人的颈部有一种产生声音的结构，叫做喉（见图4-31）。它的内部有一个空腔，称为喉腔，喉腔中部连着两块能够振动发声的肌肉——声带。它们紧密地并列在一起，而且像橡皮筋一样，拉得越紧，反弹的声音越大。在两根声带中间有一条裂缝，叫做声门裂。随着声带的一紧一松，声门裂也忽长忽短、忽大忽小。图4-31喉的结构2．听觉听觉是声波作用于听觉器官，使其感受细胞兴奋并引起听神经的冲动发放传入信息，经各级听觉中枢分析后引起的感觉。外界声波通过介质传到外耳道，再传到鼓膜。鼓膜振动，通过听小骨传到内耳，刺激耳蜗内的毛细胞而产生神经冲动。神经冲动沿着听神经传到大脑皮层的听觉中枢，形成听觉。耳包括外耳、中耳和内耳三部分（见图4-32）。听觉感受器和位觉感受器位于内耳，因此耳又叫位听器。图4-32耳的结构光的反射和折射透镜成像04光与视觉眼睛及视觉的形成（一）光的量度有许多物体，如太阳、电灯、萤火虫、水母等，它们都能自己发光，而月亮、星星，虽然看上去很亮，但这不是它们自己发出的光。习惯上，我们把自己能够发光的物体叫做发光体，也称为光源。1．光源有时候，光源利用适当的装置后，发出的光不是发散的，而是平行的光束（如探照灯，见图4-34），这种光源称为平行光源。图4-34探照灯的光束（一）光的量度不同光源的发光强弱是不同的，即使是同一个光源，沿着不同的方向，其发光强弱也可能不同。发光强度就是表示光源发光强弱的量。光源发光时，总要消耗其他形式的能量。从光源向空间不断辐射出去的可见光具有一定的能量。我们把光源在单位时间内向各个方向发出的全部光能，称为光源的光通量。发光体在单位面积上发出的光通量，称为发光体的发光亮度。发光体的发光强度相同，但发光面积不同，发光亮度也不同。2．发光强度、光通量和发光亮度（一）光的量度在日常生活中，我们能不能看清楚一个物体，或能否辨别物体上及其细微的部分，这与物体表面被照明的程度有关系，在受照物体表面上得到的光通量与被照射的面积之比，称为这个表面的照度，也称为光通密度。它描述的是物体表面被照明的程度，当物体表面积一定时，表面得到的光通量越多，表面的照度就越大，如果表面所得到的光通量一定，则在均匀照射的情况下，被照射的面积越大，照度越小。3．照度（二）光的反射与折射1．光的反射和反射定律光的反射是指光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，如图4-35所示。光在反射时，具有一定的规律。根据实验结果，得出光的反射定律：图4-35光的反射（1）在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内。（2）反射光线，入射光线分居法线两侧。（3）反射角等于入射角。上述定律可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。（二）光的反射与折射2．光的折射和折射定律光的折射是指光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生变化的现象，如图4-36所示。光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是反射光返回原介质中，而折射光则进入到另一种介质中，由于光在两种不同的物质里传播速度不同，故在两种介质的交界处传播方向发生变化，这就是光的折射。光在折射时，也有一定的定律。图4-35光的折射（二）光的反射与折射2．光的折射和折射定律根据实验结果，得出光的折射定律：（1）光从空气斜射入水或其他介质中时，折射光线与入射光线、法线在同一平面上，折射光线和入射光线分居法线两侧。（2）当光线垂直射向介质表面时，传播方向不变，在折射中光路可逆。（3）入射角的正弦与折射角的正弦的比值，对于给定的两种媒质是一个常数（这个常数称为光线由一种媒质射入第二种媒质时的折射率），它等于光在这两种媒质中的光速之比。实验还表明：光在任何媒质里的传播速度都比在真空中的传播速度小，所以任何媒质的折射率都大于1。光速在空气中和在真空中极为接近，可看成近似相等，即空气的折射率近似等于1。（三）全反射1．全反射现象光从一种媒质射入另一种媒质时，一般是同时发生反射现象和折射现象的。当光线从折射率较小的媒介（光在其中的传播速度较大）进入折射率较大的媒质（光在其中的传播速度较小）时，折射角小于入射角，它就朝向法线折射；当光线从折射率较大的媒质进入折射率较小的媒质时，折射角大于入射角，它就远离法线折射。如果入射角为小于90°的角时，折射角刚好等于90°，折射光恰好掠过界面，与界面平行，这时的入射角称作临界角；（三）全反射1．全反射现象如果入射光线的入射角再继续增大，大于临界角，那么，光线全部从媒质分界面上返回折射率较大的媒质，这种现象称为全反射。发生全反射的条件是：①光线从折射率比较大的媒质射入折射率比较小的媒质；②入射角大于临界角。（三）全反射2．全反射现象的应用近年来发展起来的光导纤维，就是全反射的一种运用。光导纤维在医学上也获得了应用。例如，病人胃的内部可通过插入整齐排列的光导纤维束来进行检查。这样，可以不做外科手术而对胃内的病变进行诊断和治疗。1．凸透镜成像规律在光学中，由实际光线汇聚成的像称为实像，能用光屏承接；反之，则称为虚像，只能由眼睛感觉。物体放在焦点之外，在凸透镜另一侧成倒立的实像，实像有缩小、等大、放大三种。物距越小，像距越大，实像越大。物体放在焦点之内，在凸透镜同一侧成正立放大的虚像。物距越大，像距越大，虚像越大，如图4-38所示。图4-38凸透镜成像图2．凹透镜成像规律对于薄凹透镜，当物体为实物时，成正立、缩小的虚像，像和物在透镜的同侧，如图4-39所示；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）以内时，成正立、放大的实像，像与物在透镜的同侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）时，成像于无穷远；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距以外两倍焦距以内（均指绝对值）时，成倒立、放大的虚像，像与物在透镜的异侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为两倍焦距（指绝对值）时，成与物体同样大小的虚像，像与物在透镜的异侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为两倍焦距以外（指绝对值）时，成倒立、缩小的虚像，像与物在透镜的异侧。图4-39平等光线经凹透镜后的屈光现象（一）人眼构造眼睛可以分为三部分：眼球、眼附属器和视觉通路。眼球接受外界光线的刺激；视觉通路把视觉冲动传至大脑的视觉中枢，获得视觉形象；眼附属器则主要对眼球及视觉通路起保护作用。在这些结构中，最重要的是眼球，下面重点介绍它的构造，如图4-41所示。图4-41眼球构造1．眼球壁它由外向内可分为三层：外层为纤维膜，中层为葡萄膜，内层为视网膜。（1）外层纤维膜由纤维组织构成，坚韧而有弹性。前1/6透明的角膜和后5/6乳白色的巩膜共同构成完整、封闭的外壁，起到保护眼内组织、维持眼球形状的作用。（3）（2）中层葡萄膜具有丰富的色素和血管，所以又叫色素膜，具有营养眼内组织及遮光的作用。内层视网膜是一层透明的膜，具有感光作用，是视觉形成的神经信息传递的最敏锐的区域。其作用好比照相机的底片。2．眼内容物眼内容物即眼球内的组织，包括房水、晶状体和玻璃体。三者均为屈光间质，有曲折光线的作用。为无色透明的液体，充满前后房，由睫状体的睫状突产生，具有营养角膜、晶体及玻璃体，维持眼压的作用。房水：位于虹膜、瞳孔之后，玻璃体之前，借助悬韧带与睫状体相连。形状如双凸透镜，是一种富有弹性、透明的半固体，能改变进入眼内光线的屈折力，相当于照相机调焦的作用。晶状体：位于晶状体后面，充满眼球后部的4/5空腔，为透明的胶质体，主要成分为水。具有屈光和支撑视网膜的作用。玻璃体：（二）视觉的形成图4-42所示为人的视觉成像过程。外界物体反射来的光线带着物体表面的信息经过角膜、房水，由瞳孔进入眼球内部，经聚焦在视网膜上形成物像（见图4-42（a））。物像刺激了视网膜上的感光细胞，这些感光细胞产生的神经冲动沿着视神经传入到大脑皮层的视觉中枢，即大脑皮层的枕叶部位，在这里把神经冲动转换成大脑中认识的景象（见图4-42（b））。这些景象经过加工，“角度感”“形象感”“立体感”等协同工作，并把图像根据摄入的信息在大脑虚拟空间中还原，还原等于把图像往外又投了出去（见图4-42（c））。虚拟位置大致与原实物位置对准，这才是我们所见到的景物（见图4-42（d））。图4-42视觉的形成（三）眼睛的缺陷及其矫正近视眼是指眼在不使用调节时，平行光线通过眼的屈光系统屈折后，焦点落在视网膜之前的一种屈光状态，如图4-43所示。所以近视眼不能看清远方的目标。近视多发生在青少年时期，遗传因素有一定影响，但其发生和发展与灯光照明不足、阅读姿势不当、近距离工作较久等有密切关系。图4-43近视眼的成像1．近视眼（三）眼睛的缺陷及其矫正1）近视眼的分类按照近视的程度来分，3.00D以内者称为轻度近视眼；3.00D～6.00D者为中度近视眼；6.00D以上者为高度近视眼，又称病理性近视。按照屈光成分来分，由于眼球前后轴过度发展所致，称为轴性近视眼；由于角膜或晶体表面弯曲度过强所致，称为弯曲度性近视眼；由屈光间质屈光率过高所致，称为屈光率性近视眼。1．近视眼（三）眼睛的缺陷及其矫正2）矫正近视的方法1．近视眼角膜屈光性手术：包括放射状角膜切开术（RK）、准分子激光切削术（PRK）、准分子激光原位角膜磨镶术（LASIK）等。眼内屈光手术：包括透明晶体摘除术、有晶体眼的人工晶体植入术等。镜片矫正：包括框架眼镜、角膜接触镜。（三）眼睛的缺陷及其矫正处在休息状态的眼使平行光的视网