1、自然科学概论复习第零章 自然科学的发展的历史轨迹 古代自然科学(文明时期以后)近代自然科学(16世纪欧洲-19世纪)现代自然科学(20世纪开始) 四大文明古国 古巴比伦:(1)天文学和数学:阴历;10进制与60进制并用(2)医学和生物学:医疗立法;动物分类;人工授粉(3)建筑艺术:空中花园;巴比伦城 古埃及(1)农业和手工业技术(2)天文学和数学:太阳历【一年三季:淡水季,冬季,夏季】十进制记数法圆周率=3。01605 (3)解剖学和医药学:木乃伊外科手术(4)建筑:金字塔和神庙 古印度:(1)农业生产和农业技术:亩耕人工灌溉和施肥(2)数学和医学十进制“阿拉伯数字”藏医炼丹术 古希腊【奴隶社
2、会科学技术发展】 (1)泰勒斯:天文学【定365天为一年】数学【引入命题证明】哲学【水生万物,万勿复归于水;万物有灵】(2)毕达哥拉斯:数学天文学哲学;勾股定理;三角形内角和等于两个直角;世界的本原是数客观唯心主义(3)苏格拉底(古希腊哲学家)学生(4)柏拉图【数学,天文,音乐,哲学;理想国】学生(5)亚里士多德【哲学家,科学家,教育家三段论,形式逻辑学】【这三人是希腊三贤且都是唯心主义】(6)欧几里得:几何原本(7)阿基米德(8)托勒密:地心说(9)盖伦:医学大师,著名医生和解剖学家;“动气”“活气”(这人古罗马) 古代中国的四大实用科学体系 天文学:完善的立法授时制度;准确的天象观测记录;
3、先进的天文测量仪器“漏水转浑天仪”“水运仪象台” 农书:南北朝齐民要术元代王祯农书徐光启农政全书 医学:春秋战国黄帝内经东汉张仲冬伤寒杂病论汉神农本草经明本草纲目数学:九章算术 近代自然科学的诞生与产业革命的兴起 古代阿拉伯与中世纪欧洲的科学技术: 7世纪:巴勒斯坦,叙利亚,伊朗和埃及奴隶制的伍麦叶帝国 一个世纪后阿拔斯帝国取而代之全盛时期 1、科技史上特殊贡献(阿拉伯):沟通东西方科学文化古代四大发明以及丝织传到欧洲;保存古希腊学术典籍 2、科学成就:代数学和编制天文表,静力学,光学医学:希腊印度中国波斯 文艺复兴:1、教会的影响力慢慢下降2、大批希腊的古典著作和优秀思想得以进一步传播和发扬
4、,给近代自然科学发展提供丰富养料3、涌现了一大批文学家艺术家思想家对西欧资本主义发展的影响:1、资本的原始积累2、人性的探索与发现 近代自然科学的诞生 1、波兰自然科学家哥白尼天体运行论“太阳中心说” 2、伽利略【意大利】首开近代科学实验研究方法的第一位学者【科学与哲学分离,是近代科学之父】数学家天文学家哲学家物理学家【惯性】天平动:站在地球观察月球的情况周日天平动:由于自传所造成,一定方向,角度 3、培根:与笛卡尔同被成为思想家,科学方法论的首创者新工具“四假相说”即:“种族假象”、“洞穴假象”、“市场假象”和“剧场假象”。 4、笛卡尔法国哲学家科学家数学家解析几何的创始人“近代科学的始祖”
5、 19时机重大意义:能量守恒与转化定律,细胞学说,达尔文生物进化论,电磁感应,电磁场理论 5、揭开物理学序幕的三大发现【X射线,放射性,电子】 第一章绪论 第一节科学与技术 一、科学的概念科学是生产知识的活动是反映客观事实和规律的知识是反映客观事实和规律的知识体系科学提供科学的世界观、态度和方法科学是一项事业 三、科学与技术的关系 区别:科学的根本职能是认识世界,揭示客观事物的本质和运动规律,着重回答“是什么”“为什么”的问题技术的根本职能是改造世界,实现对客观世界的控制、利用和保护,着重回答“做什么”“怎么做”的问题。【科学成果:新现象,新规律,新法则的发现,技术成果:新工具,新设备,新方法
6、,新工艺的发明。】 联系:对于科学来说,技术是科学的延伸,对于技术来说,科学是技术的升华。科学的研究目标不确定,技术确定。 第二节宇宙的起源和演化 一、宇宙概观 天体系统,从小到大排列的层次:地月系,太阳系,银河系,河外星系。银河系和河外星系总称为总星系。 二、人类对宇宙的认识和探索 公元2世纪,亚历山大港的天文学家托勒玫的地心说认为宇宙是一个有限的球形体,地球静止居于中心。他写天文学大成,在1000多年,在欧洲和西亚内被奉为天文学的经典著作。波兰天文学家哥白尼经过三四十年的观测研究,终于断定托勒玫的地心体系是错误的,地球不是宇宙中心,他只是行星之一,地球和行星都在围绕太阳运行,天体的周日视运
7、动是地球自转的反应;月球是地球的卫星;恒星都是离地球很远的天体。哥白尼的伟大著作天体运行论1543年出版,从而引起人类思想上一次伟大的革命。他的日心说不仅奠定了现代天文学的基础,甚至味现代自然科学奠定了基础,学者布鲁诺由于宣扬日心说而在1600年2.17在罗马的繁花广场上被活活烧死,物理学家伽利略因为赞同和宣扬而受到反动教廷的迫害。 1608年发明了望远镜,1609年伽利略用自制的一具小望远镜和折反射望远镜的发明,电子学技术和无线电技术广泛应用,射电望远镜和雷达技术的应用,自动化技术和电子计算机的应用,加深了人类对宇宙的认识和了解。尤其是空间技术的发展,1957年10月4日苏联第一颗人造卫星上
8、天,开创了从太空观测,研究地球和宇宙的新时代。1969年,美国“阿波罗”宇宙飞船将人送上月球,宇宙探测器飞近水星、金星、火星。20世纪70年代“先驱者”号携带旨在与外星人联系的上有地球男女人形和太阳系结构的金属信息板飞向太空深处;“旅行者”2号携带地球之音:115张幻灯片(有我国雄伟的长城照)、擦木星、土星而过,现已经飞离太阳系,向宇宙深处飞去,以对“宇宙人”是否存在进行研究。1973年“天空实验室”上天,1981年航天飞机试飞成功,1990年发射了“哈勃”空间望远镜, 1998年建造了国际空间站,2004-2012年四个火星探测器先后登上火星实现了人类在没有大气层干扰的情况下,人对月球、大行
9、星的逼近观测和直接取样观测,以及对宇宙环境的直接观测,发现了地球大气磁层和宇宙中存在Z射线,伽马射线,红外线,紫外线,还测定了大行星表面的物理特征和化学成分,极大地充实和丰富了人类关于太阳系和宇宙的认识。 三、宇宙起源和演化 1、现代宇宙学的诞生 1916年爱因斯坦提出了广义相对论。这一理论主张时间和空间并不像人们一贯认为的那 样,只是一个让物体在其中运动而本身不受影响的容器,而更像是一个形状依赖其上所载的小球的弹性薄膜。自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短线运动,就像他们在小球引力作用下偏离直线运动一样。这种关于时间空间和引力的全新理论,不仅正确地预言了日全食时掠过太阳边缘的星光会发生1.
10、75【角秒】的偏折而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星今日电每百年前移43【角秒】的现象,因而逐步得到了人们的工人。1917年爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究,得到一个有限无界的静态宇宙模型,尽管后来发现他不可能保持稳定而被放弃,但毕竟是一次开创性的尝试,揭开了代宇宙学研究的序幕。 2、宇宙膨胀的证据 1924弗里德曼在广义相对论的框架下,从理论上论证了宇宙要么膨胀要么收缩,绝不会保持静止状态,就像太空中向四面抛出一把石子,要么继续分散开去,要么在相互引力的作用下聚拢回落,不可能在某个位置保持相对静止。1929年,天文学家哈勃观测到大多数星系光谱具有红移现象,其红移量大致与星
11、系的距离成正比。依据物理学的多普勒效应,如果有一面光源面向观测者运动,其发射的光谱线频率将向高频【即光谱蓝端】区移动,若背向观测者运动,其发射的光谱线频率将向低频【即光谱红端】。对星系红移的现象,最合理的解释是他们正在背离地球退行。而远区星系光谱红移量大是因为远区星系比近区退行速度大。由于在宇宙中所有观察者的地位都是平权的,我们有理由相信,所有的星系都在彼此远离,宇宙正在普遍的膨胀中。来自远近区域的光线实际上是不同年代星系所发出的,远区光谱红移最大,意味着早期宇宙膨胀速度大,而现在的宇宙膨胀速度正在减缓。 哈勃这一发现为弗里德曼宇宙模型提供了直接的观测依据,动摇了宇宙整个静止的传统观念,为进一
12、步研究宇宙的起源和演化扫清了道路,是20世纪天文学最重要的成就之一。3、宇宙起源的“大爆炸模型” 如果星系目前正在彼此远离,那么他们过去必定靠的更近。也就是说,较早时代的宇宙,物质密度会更高。宇宙膨胀的起点,宇宙的开端:宇宙处于物质密度极高。物质空间极小的状态。20世纪40年代,伽莫夫等人提出了宇宙起源于原始火球的“宇宙大爆炸模型”,这一模型认为,宇宙起源于150亿年前的大爆炸,大爆炸的瞬间,宇宙像突然腾起的炽热火球,物质时空急剧暴涨一段时间后,转为相对缓慢的膨胀和降温过程,直到形成今天的宇宙。以后,科学家们又利用不同的物理方法,测得现存最古老的横行物质存在的时间不超过50忆年,这对大爆炸宇宙
13、模型是十分有力的支持。 4、宇宙的演化 20世纪70年代以来,粒子物理学家和宇宙学者联手勾画出的宇宙演化史:宇宙发端于距今150亿年前的大爆炸。起初不仅没有任何天体,也没有粒子和镭射,只有一种单纯而对称的真空状态以指数方式膨胀着【称为暴涨】。今天我们知道的自然界中的4种基本作用力【引力强力弱力和电磁力】那时是不可区分的。随着宇宙膨胀和降温,真空发生一系列相变:在大爆炸后10-44s,发生超统一相变,引力分化,夸克和轻子可以互相转变;然后大爆炸后10-36s,大统一相变,是强力以及物质和反物质之间的不对称性【质子、电子这类物质多于反质子,正电子之类的反物质的现象】出现,然后大爆炸10-10s后弱
14、电相变发生,是弱力和电磁力分离(四种基本相互作用力区别开来),然后10-2s后,内部温度虽然比起初大为下降但是仍然高达1011K,宇宙开始进入由基本粒子生成氢原子核与原子的阶段。宇宙温度下降为109K,中子衰变为质子,剩下的中子都可直接组合到氦核中,造成氦核丰度26%,其余的质子只能成为氢核了。这是宇宙早期形成的遗迹,与如今关于宇宙中氢和氦【30%】丰度测量相近的,这是宇宙大爆炸理论的一个重要的观测支持。 宇宙中早期化学元素的形成过程大约持续了3min。在大爆炸后的1s时,宇宙温度降到1010K,内部只存在由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的密度极高的“宇宙汤”。随着宇宙进一步膨胀,温
15、度降至109K时,原有粒子间的平衡被打破,首先是中子失去自由 存在的条件,它们与其他质子合成氘核和氦核,以后又陆续生成氚、锂、铍等轻元素核。此后约在3MIN时,温度下降到了106K,宇宙开始进入相对缓慢的膨胀阶段,从大爆炸后3min 又经过了7*105年,宇宙温度降到3000K,这时电子已经能够与原子核结合成稳定的原子了【这个过程称为复合】,光子也不再被自由电子散射,从此,宇宙变得透明了。又经过几十亿年,原子气体靠引力作用结团形成恒星和星系,而恒星和星系的演化,其中的核聚变过程会产生更重的原子核。脱离了热耦合的光子气体称为宇宙背景辐射,温度下降到现在的 2.7K,由此天体演化开始。 四、星系
16、1、银河和银河系 银河不是一条河,他是由许许多多恒星组成的,由于星数太多,肉眼分辨不出单个的星,看起来便成了一条白茫茫的光带。恒星在天球上分布很不均匀,在一些天空区域恒星分布稀稀拉拉,在有的分布很稠密,最稠密的部分就是我们所说的银河。 聚集在银河中的恒星所构成的天体体系叫银河系。银河系是恒星和星际物质的巨大聚集体,它的总质量大约是太阳质量的1400亿倍。在这个总质量中,恒星约占90%,星际物质占10%。银河系约有2000亿颗恒星。银河系的星际物质主要是星际气体,特别是氢和氦;其次是星际尘埃。部分星际气体和星际尘埃聚集而成的星际云,即星云。 银河系的主要部分是一个又圆又扁的圆盘体,他的中部较厚,
17、四周较薄,就像铁饼,整个银盘在旋转中形成一些旋臂,太阳位于其中一个旋臂上。在圆盘体的外面,银河系还有银晕。银晕大体上球形。圆盘体分为核球和银盘两部分。核球是中心部分。 2、太阳在银河系的位置和运动 在银河系中,太阳位于银河系赤道面附近,故我们看银河为一个环状光带,太阳不在银河系的中心。各恒星在环绕银心转动的同时,还有相对于邻近恒星的相对运动。 3、星系 星系是河外星系的简称,有时也叫河外星云。是与银河系类似的,由大量恒星,星团,银河星云和星际物质构成的巨大的天体系统。第一个被发现的河外星系是1612年发现的仙女座大星云。(1)命名:发现者:大小麦哲伦;所在星座:仙女座;某星云星团表中的号数:仙
18、女座大星云在M表31好NGC中为224号,叫M31NGC224(2)分类椭圆星系旋涡星系不规则星系 4、总星系星系群-星系团-总星系【宇宙】:最丰富的是氢,以质量计算约占70%,其次是氦,30%,其他很少。年龄大约150亿年。 5、星系的形成和演化星系产生于宇宙连续膨胀过程中。当极早期的宇宙膨胀时,会出现一些物质分布不均匀的结构,随后又因为引力作用加剧了物质的聚集,最后坍缩成为致密的原始星云。其演化的过程大致是:开始由大量气体分子和星际尘埃形成原始星系云,随着宇宙膨胀,他们逐渐冷却,当彼此间引力作用超过膨胀向外的压力,星云开始收缩,一步步分裂成更小更密的碎片,这些碎片最终产生了第一代恒星。第一
19、代恒星内部会因收缩而产生足够引起热核反应的高温,而他燃尽自己的燃料后,又会通过爆炸形式吧反应中所合成的轻重元素抛向空间,形成新的星际物质,开始新的聚集、坍缩、产生第二代恒星。如此往复循环下去,最终出现了包含大量恒星和宇宙暗物质的庞大星系。由于形成时候物质条件不同,因此有不同形态的星系。 五、恒星 运动最快:开普坦星,巴纳德星 1、恒星的发光:小恒星可见光,能自身发光的天体质量至少要达到太阳的百分之几到百分之十。不同恒星,不同发展阶段,不同的光。通过光谱分析可以知道恒星不同类型,差别在于星光的颜色,而颜色是恒星温度的反应。蓝色温度高红色温度低。蓝色O型是40000K, 红色M型3000K,太阳是
20、G型,黄色,6000K 2、恒星的亮度和光度。亮度:天体在地球上的受亮程度光度:恒星本身发光视星等:亮度等级绝对星:光度等级 视星等和亮度有这样的关系:星等值越小,亮度越大视星等等差,亮度是等比,差五级亮度相差100倍所以相差一等,亮度相差R=2.512倍。最亮的太阳:-26.74视星等最暗的25等星 绝对星等是指天体在距离我们10秒差距【一秒是以天文单位的距离所张的角为1角秒时的距离】时的视星等,就是该天体的绝对星等,可以表达恒星的真正光度,10s差距距离下视星等和绝对星等是相等的。但是比这更近的恒星不多,因此对于大多数恒星来说绝对星等一般都大于视星等。在天文学中吧绝对性等即光度大的恒星叫巨
21、星,光度小的恒星称为矮星。光度比通常巨星大的恒星为超巨星。 3、恒星的多样性 少数恒星在某些方面与众不同,它们是双星和星团,变星、新星和超新星,巨星、超巨星和白矮星,脉冲星和中子星。 一般的恒星是单个存在,但是在已经认识的恒星中大约有1/3是成双成对的,成为双星。例如全天最明亮的天狼星就是一对双星。有些双星没有相互绕转的关系,称为光学双星。真正的双星(即物理双星)在相互扰转的过程中。有的双星有相互遮掩的情况,并且周期性地改变视亮度,叫做食双星。有的双星的一个或者两个成员本身也是双星。【南门二(半人马座星)ABC,AB双,同C又构成双,C比AB两星更接近,因而叫比邻星。】多个恒星聚集叫星团。【昂
22、星团,七姐妹星团,不止七个】 变星:在一定时间内会很明显的特别是周期性的变化。叫变星:脉动变星,几何变星,爆发变星。脉动:星体本身周期性膨胀和收缩而发生光度变化。膨胀变亮,收缩变暗。几何:几何位置变化:上面食双星就是一种并且被称为食变星爆发:因为星体本身爆发而光度变化。普通的叫新星,几天内可以突然增加九个星等以上,由暗星变成亮星,或者由看不见的变成明亮的恒星,爆发完后仍然是恒星。爆发规模超过新星的教超新星,光变幅度超过17哥星等,亮度增加千万倍或者万万倍,这是恒星世界已知的最激烈的爆发现象,爆发后留下一个高密度残骸,不再是恒星。 恒星的光度【绝对星等】和温度【光谱型】多种多样。恒星温度高。他们
23、光度大。这样的叫主序星。恒星光度还和表面积有关,主序星光度温度关系说明他们的表面积既不会特别大也不会特别小。 1937年人们发现新型变星,脉冲星,他们发出很强烈的短周期的无线电脉冲。周期很短0.03-4.3s,但是能量大,一次脉冲能量相当于目前全球全年用电量的一亿倍。具有一般恒星质量,但是体积要比一般恒星小了很多,所以他密度很高。除了密度高,他还有很强的磁场和快速的自传。人们认为:脉冲星实际上就是中子星,即由中子组成的恒星。特点:高温高压。 4、恒星的形成和演化:、“康德拉普拉斯星云说”、超密说:超高密度物质块从核心向四周演化灾变说:碰撞俘获说:从银河系折入 幼年期:超新星爆发启动的“原恒星”青壮年时期“氢闪”标志一颗恒星正式形成“主序星阶段”【比太阳质量大的蓝星,小的红星,主序星多的原因,恒星在主序阶段停留时间最长。】晚年期:10%氢消耗完的时候“红巨星【太阳】&超巨星【更大的】”【比太阳一半小的直接不经过红巨星阶段变成白矮星】衰亡期出现Fe 需要吸收大量热量“超新星爆发现象”恒星末态:白矮星中子星【大】黑洞【大】 星云原恒星【幼年】主序星【青壮年】红巨星【晚年】行星状星云白矮星黑矮星小质量恒星 继续阅读
