1、2018/9/21,自然科学导论,1,自 然 科 学 导 论,2018/9/21,自然科学导论,2,目 录,绪 论第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章,力 学 概 论,热 学 基 础,电 磁 学,量 子 理 论,相 对 论 及 现 代 时 空 观,物 理 学 与 能 源 科 学,膨 胀 着 的 宇 宙,2018/9/21,自然科学导论,3,绪 论, 人类进步与自然科学概念, 自然科学的体系结构, 自然科学的历史演进, 自然科学的对象、性质和作用,2018/9/21,自然科学导论,4,食物 敌人 恐惧 花草 树木 。,饥饿 疼痛 黑暗 光明 等,古人类 一般动物 哺乳动物, 人
2、类进步与自然科学概念,-感受-非概念,人和动物的区别,人类生存环境,自然变迁,概念,2018/9/21,自然科学导论,5,多少 远近 日月星辰升落,数量 质量 距离 时间,数学及物理概念,1700万年前 四肢着地,700万年前 直立行走,人类诞生,概念 -语言,超越其它动物最明显特征,使用 制造工具,工具由简单到复杂,2018/9/21,自然科学导论,6,游牧方式,农耕-社会形成,畜牧,剩余 交换 贸易 计量单位,土地丈量,人类聚集,农作物,时间,距离 质量 时间等自然科学概念,2018/9/21,自然科学导论,7,稻（俗称水稻、大米）、 黍（ ，俗称黄米）、 稷（ ，又称粟，俗称小米）、 麦
3、（俗称小麦，制作面粉用）、 菽（俗称大豆）。,神农氏,农业 医药,一万年前,炎帝？,轩辕氏 黄帝,“五谷爷”、“农皇爷”。,2018/9/21,自然科学导论,8,2.长度的测量,步长,臂长,长杆,细化,刻度,丈 尺 寸,清 1丈 = 10尺, 1尺 = 10寸, 1寸 = 10分,秦代 度量衡统一,古英国 亨利一世,鼻尖到指尖距离为一尺,A foot,（裁衣尺:1尺=35.5厘米；量地尺:1尺=34.5厘米；营造尺:1尺=32厘米）现代 1丈=10尺, 1尺=10寸, 1寸=10分（1尺=33.33厘米）,2018/9/21,自然科学导论,9,1791年，法国决定把通过巴黎的子午线从赤道北极的
4、长度的10000000分之1，规定为1米。,1889年的第一界国际计量大会确定“米原器”为国际长度基准，它规定1米就是米原器在0摄氏度时两端的两条刻线间的距离。米原器的精度可以达到0.1 微米,第11界国际计量大会在废除旧的“米”的标准的同时，也规定了新的“米”的标准，它就是氪86同位素灯在规定条件下发出的橙黄色光在真空中的波长。,2018/9/21,自然科学导论,10,所以1983年10月，联合国度量组织在巴黎举行会议，规定了新的“米”的定义，即把光在真空中299792458 分之一秒所走的距离定为一个标准米。近几年来，各种激光尺已经相继问世，如激光比长仪、激光二坐标仪等等,兆米(Mm)、千
5、米(km)、分米(dm)、厘米(cm)、毫米(mm)、丝米(dmm)、忽米(cmm)、微米(m)、纳米(nm)、皮米(pm)、飞米(fm)、阿米(am)等。他们同米的换算关系如下：1Mm=1106m 1km=1103m 1mm=110(-3)m 1丝米=110(-4)m 1忽米=110(-5)m 1m=110(-6)m 1光年9.046531012km 1nm=110(-9)m 1pm=110(-12)m 1fm=110(-15)m 1am=110(-18)m,2018/9/21,自然科学导论,11,2. 时间的测量,日升日落,春夏秋冬,12时辰,1时辰 4时刻 12分,时 分 秒 伽利略 惠
6、更斯,2018/9/21,自然科学导论,12,3. 质量的测量,质量 kg 物质的量 mol,引力质量,惯性质量,使用摩尔时,基本单元应予指明,可以是原子,分子,离子,电子及其他粒子,或这些粒子的特定组合. 摩尔拉丁文的原意是大量和堆量.它是用宏观的量来量度微观粒子的一个单位.,2018/9/21,自然科学导论,13,国际单位制的基本单位为米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。,4.国际单位制,能量单位的换算表,温度单位的换算表,1kWh= 3.6106焦耳 J,1卡 cal = 4.1868焦耳 J,+273.15=K,(9/5) +32= F,华氏温标：标准仪器是水银温度计，选取氯化铵
7、和冰水混合物的温度为零度，为100度。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“F”。按照华氏温标，水的冰点为32F，沸点是212F。,2018/9/21,自然科学导论,14,1、自然科学的研究对象,二、自然科学的对象、性质和作用,自然界的物质形态、结构、性质和运动规律等,（1）物质的形态：,普通形态,场,等离子态,中子态,反物质态,2018/9/21,自然科学导论,15,2018/9/21,自然科学导论,16,即原子或分子发生了电离。,物质,气态,分裂,带电粒子浓度超过一定数量,大约需千分之一以上,带电粒子的作用成为主导,新的性质,像这样部分或完全电离的气体，其中自由电子
8、和正离子所带的负、正电荷量相等，而整体又呈电中性，行为受电磁场影响，称为“等离子体”。 “等离子态”称为物质的第四态。,2018/9/21,自然科学导论,17,中子态（或超固态）：,在地球之外，存在着一种粒子的集聚态，其原子和原子间的空隙、原子核和电子间的空隙均已消失，形成了一种密度特别大的物质 。如中子星就是由中子态物质构成，平均密度是每平方厘米1亿吨。,图片中央发出黄光的明亮星体就是“1E1207.4-5209”中子星。这张图象是X射线成像太空望远镜有史以来花费了最长时间（72小时）而观测到的结果。,2018/9/21,自然科学导论,18,中子星能够产生极强的磁场（1081012高斯 ）,
9、地球的磁场是1高斯，实验室中得到的最强磁场很难超过106高斯,2018/9/21,自然科学导论,19,反物质态,自然界除存在带负电的电子外，同时还存在正电子，这种正电子称为电子的反粒子，目前已发现300多种基本粒子都有它的反粒子，其区别在于电荷符号的不同，人们把它们称为反物质。,2018/9/21,自然科学导论,20,反物质这东西很神秘的，只要一露面，立即就会与正物质结合，瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生“湮灭”现象。 据估计，一克反物质与正物质结合时，放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。科学家预测假如利用反物质推动太空船，六星期到达火星将不是梦想。
10、但是，要利用反物质，就必须首先找到反物质，在地球上人们尚未找到可利用的反物质。令人可喜的是科学家发现在地球之外十分遥远的银河系中心存在一个反物质源，它喷射出一个“反物质喷泉”，这些反物质能不能为人类所利用至今还是个谜。,1906年 “世纪巨谜“的通古斯大爆炸,1979年 西非沿海一带的酷似强烈爆炸,1984年,日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时发现“蘑菇云“,2018/9/21,自然科学导论,21,（2）物质的结构和性质,不同的结构决定着物质具有不同的性质,2018/9/21,自然科学导论,22,2018/9/21,自然科学导论,23,(3)物质运动的形式和规律,自然界的六种基本运动形式：,微观物
11、质运动 - 微观物理学,化学运动 - 化学,宏观物理运动 - 宏观物理学,生命运动 - 生命科学,地球运动和宇宙天体运动 - 地学和天文学,2018/9/21,自然科学导论,24,2、自然科学的性质,（1）自然科学是关于自然的系统化的知识,自然科学不是零星知识的简单堆砌，而是根据一定的原则，对实验数据、资料、经验公式进行整理，从而得到的一个有机的知识整体。真正的自然科学是在近代才产生和发展起来的，并形成了自身的理论体系。,“如果诺贝尔奖在中国的古代已经设立，各项奖金的得主，就会毫无争议地全都属于中国人。”,数学 珠算 筹算的故乡 天文 黑子 哈雷彗星 云图 盖天说等 物理 墨经 化工 造纸 火
12、箭 漆制技术 医学 中医理论,2018/9/21,自然科学导论,25,第一段是：为什么在公元前一世纪到公元十六世纪之间，古代中国人在科学和技术方面的发达程度远远超过同时期的欧洲? 第二段是：为什么近代科学没有产生在中国，而是在十七世纪的西方，特别是文艺复兴之后的欧洲?,李约瑟 胚胎发育的生化研究而取得巨大成就,又以中国科技史研究的杰出贡献成为权威,在其编著的15卷中国科学技术史 中正式提出了著名的“李约瑟难题”,2018/9/21,自然科学导论,26,李约瑟从科学方法的角度得到的答案是： 一是中国没有具备宜于科学成长的自然观；二是中国人太讲究实用，很多发现滞留在了经验阶段；从科学方法看：满足表
13、面现象，虽有演绎法的萌芽，但没有严格意义下的实验和归纳法。例如，只有“勾三股四弦五”，却没有a2+b2=c2。三是中国的科举制度扼杀了人们对自然规律探索的兴趣，思想被束缚在古书和名利上，“学而优则仕”成了读书人的第一追求。李约瑟还特别提出了中国人不懂得用数字进行管理，这对中国儒家学术传统只注重道德而不注重定量经济管理是很好的批评。,爱因斯坦 爱迪生 孟德尔 门捷列夫,2018/9/21,自然科学导论,27,自然科学的特点：,客观性,其研究对象、内容和评价标准都是客观存在的，离开了客观性就不能称其为科学。,逻辑系统性,揭示了事物、现象和过程的本质联系，并把科学材料用准确的概念、范畴，通过判断和推
14、理的逻辑程序表示出来。,计量性,自然科学的研究离不开质量、长度、时间三个基本量纲，这是自然科学与其他科学部门的重要区别。,无阶级性,自然界的规律是在人类社会出现以前就已存在，不属于任何特定的阶级，是任何阶级所要共同遵守的，因此，自然科学知识具有鲜明的直接继承性。,2018/9/21,自然科学导论,28,（2）自然科学是认识自然的社会活动, 思维活动与实验活动紧密结合, 具有特定的研究方法, 具有特殊的组织形式,自然科学是在人的理性思维与实验相互作用中产生和发展起来的，思维结果依赖于实验的验证，实验活动又依赖思维的指导。,包括获取感性知识的观察和实验方法，进行理论思维的归纳与演绎、分析和综合方法
15、，建立理论体系的公理化方法，以及控制方法和各种现代综合性方法,具有强大技术基础的大型科学研究所和实验室，从而成为科学活动的现代化工业劳动，并需要雄厚的物质基础和昂贵的仪器设备支持。,2018/9/21,自然科学导论,29,三、自然科学的体系结构,1、自然科学结构的演化,-自然科学系统中各组成要素之间的有机结合方式。,(1)古代自然知识的排列,柏 拉 图(Plato，公元前427公元前347),（从客观唯心主义的理念出发 ）,辩 证 法,物 理 知 识,伦 理 说,2018/9/21,自然科学导论,30,亚 里 士 多 德 (Aristotle，公元前384公元前322),（以人的活动为准则 ）
16、,理 论 的 哲 学（纯认识活动的学问例如：数学、自然科学 ）,实 践 的 哲 学（研究人行为的学问例如：伦理学、经济学 ）,创 造 的 哲 学（有关艺术、创作、演讲等活动的学问）,2018/9/21,自然科学导论,31,伊 壁 鸠 鲁 (Epicurus，公元前342公元前270),从“哲学是要认识自然规律”的论断为出发点,物 理 学,规 范 学,伦 理 学,2018/9/21,自然科学导论,32,周礼（殷周时期 ）,将知识分为六艺，即：礼、乐、射、御、书、数。,礼-礼仪 乐-音乐 射-射箭 御-驾车 书-识字 数-计算,刘 歆（汉代 ）-古学鼻祖,将知识分类和图书分类联系在一起 七略：成辑
17、略、诸子略、诗赋略、兵书略、六艺略、数学略和方技略。,2018/9/21,自然科学导论,33,（2）近代科学结构,从15世纪后半叶到17世纪，在文艺复兴运动的推动下，自然科学得到了繁荣的发展,哥白尼(Copernics，14731543)-日心说（标志着近代科学的诞生）,科学得到了空前的发展，科学知识大量涌现，一系列知识门类应运而生，并先后从哲学中独立出现，成为一门门独立的学科。,2018/9/21,自然科学导论,34,培根(FBacon，15611626),根据人类思维方式的特征,记 忆 的 科 学,想 象 的 科 学,判 断 的 科 学,历史学、 语言学等,文学、 艺术等,哲学、 自然科学
18、等,2018/9/21,自然科学导论,35,圣西门(Saint-simon，17601825),提出以研究对象作为科学分类、揭示和描述科学体系结构的原则，把所见到的一切现象划分为四个方面：,圣西门把一切现象看成是孤立的表面的东西，没有把科学看成是揭示事物的本质联系，因此不可能把握各学科间的内在联系，是形而上学的。,2018/9/21,自然科学导论,36,黑格尔(GWFHegel，17701831),- 以发展的思想重新确立自然科学体系,把自然的、历史的和精神的世界描写成一个过程， 依次排列了各门学科，即数学、力学、物理学、化学、地质学、植物学和动物学等 。,但该分类体系是建立在客观唯心主义的基
19、础上，主观臆造出来的绝对精神的演变，这就从根本上否定了科学的客观内容，不能从根本上揭示学科之间真正的内在联系。,2018/9/21,自然科学导论,37,恩格斯 (FEngels，18201895),- 建立了科学的“解剖分类”理论,2018/9/21,自然科学导论,38,（3）现代科学结构,进入20世纪，科学发生了很大的变化，以相对论和量子力学为代表的新理论辨证地否定了原来的自然观和世界观。,牛顿的观念,爱因斯坦的统一 的四维时空连续观,2018/9/21,自然科学导论,39,二、自然科学的层次结构,层次结构也叫门类结构，主要说明各大门类的基本构成情况。现代自然科学一般可划分为三个层次：,基础
20、科学,技术科学,生产科学,是一般的基础理论，是研究自然界中物质的结构和运动的科学。,是将基础科学知识向实践应用的中间环节，是研究通用性技术理论的科学。,是研究基础科学和技术科学的理论在生产过程中的具体运用，从而提供改造自然的方法和手段。,2018/9/21,自然科学导论,40,三、自然科学的学科结构,包括力学、物理学、化学、生物学、天文学、地球科学和数学等，每门基础科学都包括着若干分支学科，并由此形成各自学科的体系结构。,例如：数学的结构,力学的结构,2018/9/21,自然科学导论,41,四、自然科学的知识结构,指一门学科所包含的要素之间的有机结合方式,科学事实,包括经验事实、观测资料和实验
21、数据,概念和范畴,包括实体概念、属性概念 、关系概念等,科学原理、定律和学说,原理所反映的是特定条件下的自然事实,定律是对客观规律的一种表达形式，着重强调自然过程的必然性,学说是为解释自然事物、自然属性、自然定律的原因而提出的见解,2018/9/21,自然科学导论,42,科学方法,科学方法是指研究事实与发现规律的方式,包括感性方法、理性方法和综合方法,科学理论,基本特点和要求是：外部的证实和内在的完备,具有解释功能和预见功能,2018/9/21,自然科学导论,43,三、自然科学的历史演进,1、科学的起源,2018/9/21,自然科学导论,44,在使用工具的过程中，产生了技术,海南省发现的砍砸器
22、,钻木取火,植物栽培,制陶技术,2018/9/21,自然科学导论,45,奴隶社会时期，生产力开始分工,专门从事体力劳动的奴隶,专门从事对自然现象的研究,产生了与当时的生产、生活直接相关的天文学、数学、医学和化学。,2018/9/21,自然科学导论,46,天文学,在埃及和巴比伦，已知道了恒星和行星的区别，并能够测定太阳的视直径以及月球、地球的体积，并采用一年为365天的太阳历,2018/9/21,自然科学导论,47,数学,由于尼罗河的泛滥，土地测量非常盛行，产生了几何学，能求出长方形、三角形、梯形和圆的面积，知道勾股定理的实际应用，提出圆周率的值为3.16，并能求一元一次方程。,2018/9/2
23、1,自然科学导论,48,巴别通天塔,巴别通天塔,冒犯上帝的城市,2018/9/21,自然科学导论,49,在平均边长9063英寸的底座上，金字塔四边互相的误差率还不到1；现代建筑的一大难题“正直角技术”甚至被古建筑大师们游刃有余应用于金字塔的转角建构上，达到令人惊呀的“2秒之微”的误差；,美国加州大学派出科研人员前去考察。进入塔内之后，他们发现所携带的各种电子仪器几乎都失灵了。还有人试图通过X光透视大金字塔的内部构造，却发现根本无法得到影像。,20世纪40年代，法国人布菲尔发现在金字塔形的构造物内，产生着一种无形的、特殊的能量，称之为“金字塔能”。这种无形的、特殊能量，能使塔内的动物尸体变成了木
24、乃伊，食物不易腐烂，刀片保持锋利，鲜花能常开不谢，等等,1862年新发现的天狼星在金字塔墓室内竟已有记载,2018/9/21,自然科学导论,50,制陶和冶金技术,2018/9/21,自然科学导论,51,文字与书写技术,2018/9/21,自然科学导论,52,2、近代自然科学的产生及其特点,(1)近代自然科学的发展,哥白尼日心体系,牛顿经典物理学体系,康德的天体演化学说,19世纪末物理危机,第谷 开普勒,2018/9/21,自然科学导论,53,物理方面：,经典力学体系已经形成，并向天文学和其它基础学科领域渗透，形成了天体力学、流体力学等分支学科 。光学、热学、静电学、静磁学 也初具规模,化学方面
25、：,建立了原子分子论、发现了元素周期率,生物学方面：,生物进化论、细胞学说、微生物学和遗传学是19世纪生物学的四大杰出成就,2018/9/21,自然科学导论,54,(2)近代自然科学的特点, 形成了比较完整的自然科学体系, 建立了揭示客观低速物质运动基本规律理论, 否定了直观信仰的认识原则,由理论自然科学、实用自然科学和技术自然科学三部分组成。,人们从认识宏观物体的形态、运动，发展到认识物体运动的能量；从研究物体的静态现象，转向研究物体的发生、发展过程。,人类的认识开始从事物的表面现象进入到事物的本质，由笼统的综合进入到精确的分析，从绝对不变和无联系性发展到普遍联系和发展性。,2018/9/2
26、1,自然科学导论,55,4、现代自然科学的产生及其特点,两大物理危机的出现。导致了一场深刻的物理学革命,黑 体 辐 射,以 太 之 谜,相 对 论,量 子 力 学,2018/9/21,自然科学导论,56,（1）现代自然科学的发展,现代物理学是现代自然科学革命的前导和主流，现代自然科学革命发端于19世纪末20世纪初的物理学三大发现：X射线、放射性和电子。,2018/9/21,自然科学导论,57,生物学方面：现代遗传学兴起,DNA的双螺旋结构,2018/9/21,自然科学导论,58,天文物理学方面：促进了天体物理学的兴起,中国最大的射电望远镜,全球最大的天文望远镜,2018/9/21,自然科学导论
27、,59,2018/9/21,自然科学导论,60,（2）现代自然科学的特点, 科学理论有新的革命性突破, 科学形态上形成了大量综合科学, 科学认识上建立了新的思维方式,思想性突破、层次性突破、解释性突破 、应用性突破,综合科学的形成，使20世纪的自然科学形成高度分化又高度综合的趋势，形成严密而庞大的体系，使整个科学向整体化方向发展。,以无限可分性代替了绝对基本性；以概率统计代替了机械决定论；以潜在性代替了既成性；以数学的抽象性代替机械直观性；以多元互补取代一元性。,2018/9/21,自然科学导论,61,(3)现代自然科学的发展趋势, 在宏观层次上，朝着整体化、高度数学化和科学技术一体化方向发展。, 在中观层次上，各门学科之间发生作用，导致协同发展；同时还要朝着偏向人类的目的性方向发展。, 在微观层次上，发现科学问题和解决科学问题是科学发展的动力。,2018/9/21,自然科学导论,62,End 谢谢!,
