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第二節 科普知識

20世紀以來的自然科學發展歷程中，出現了以相對論、量子力學、基因理論和系統理論創立為主要內容的現代科學革命，從而使自然科學的認識領域突破了宏觀世界，迅速向宇觀、宏觀、中觀和微觀世界進軍。

命題點1：現代宇宙學

現代宇宙學是在天文學基礎上發展起來的，主要研究宇宙的本質、結構、空間分布以及演化規律。

(一)現代宇宙學的理論基礎

廣義相對論是現代宇宙學研究的理論基礎。廣義相對論建立了空間、時間是隨著物質分布和運動速度的變化而變化的理論，從而為現代宇宙學奠定了重要理論基礎。廣義相對論認為，空間一時間本質上是物質客體的廣延性和持續性，它本身不是獨立存在的。這一思想由于其革命性和數學形式上的深奧，在一段時間里不為科學界所接受。但由于得到越來越多的實驗證實，今天廣義相對論已被公認為研究大尺度時空的理論基礎。這些實驗主要包括：①水星近日點的進動;②光譜引力紅移;③光線在引力場中偏轉。自此，廣義相對論被科學家稱為“人類思想史上最偉大的成就之一”。

(二)宇宙研究的觀察手段

1.多普勒效應與譜線紅移

多普勒效應是物理學測定物體運動速度的有力手段。它描述了這樣一種現象，即面向觀察者運動的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍端)移動，而背向觀察者運動的光源譜線將向低頻(即光譜紅端)移動，波長的相對移動量與相對運動速度成正比。

1929年，美國科學家哈勃在仔細研究了一批星系的光譜之后發現，除個別例外，絕大多數星系的光譜都表現出紅移，而且紅移量大致同星系的距離成正比。如果將紅移解釋為多普勒效應，那就意味著所有星系都在離地球而去，其退行速度和與地球的距離成正比。這一重要發現證實了宇宙是不斷膨脹的，它不僅說明宇宙的無限性，也說明物質運動的絕對性，還說明宇宙在不斷地演化和發展。愛因斯坦根據這一發現，自動放棄了“靜態宇宙結構模型”。

2.電磁波的應用

電磁波可以傳遞宇宙的各種信息。通過電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學家們可以對宇宙的結構、起源和演化進行研究。比如，利用光學望遠鏡可以接收到可見光傳來的天體信息;利用射電望遠鏡可以接收天體傳來的射電波;利用裝置著探測天體的紅外線、紫外線、x射線和x射線等各種儀器的衛星、高能天文臺，接收全部電磁波傳來的信息，研究不同類型的天體狀況，分析宇宙的結構和它們的演化過程。

　(三)宇宙演化的大爆炸模型

在20世紀40年代末，美國物理學家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這一模型認為，宇宙起源于160億年前溫度和密度極高的“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸的時刻就是今天所觀察到的宇宙質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態物質混合而成的“宇宙湯”;大爆炸后，四種基本力，即引力、強力、弱力和電磁力逐一地分化出來;后來，物質形態依次演化為原子、氣態物質、各種恒星體系，最后發展成今天的宇宙。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射，又稱3k背景輻射，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射，其對應到的溫度為3k。該發現為大爆炸理論提供了一個有力的證據。

命題點2：現代物理學

(一)原子核物理學

電力的發現和原子結構的研究表明，原子是由原子核和電子組成的。原子核物理學以原子核的物質結構、性質及其內在規律為研究對象，在20世紀20年代建立起來。

1.對核子的研究

1919年，著名物理學家盧瑟福用a粒子做“炮彈”轟擊原子核時，首次發現了質子。由于核內所含質子的總質量與原子量差別很大，這又促使人們去探索組成原子核的其他基本粒子。

1932年，英國的查德威克又在實驗中發現了構成原子核的另一種基本粒子，即中子。質子和中子統稱為核子。

2.核裂變與核能應用

原子和中子的發現是物質結構學說的進步，也為進一步揭開微觀領域的奧秘提供了新的武器——質子和中子“炮彈”。1938年，德國的哈恩在用慢中子轟擊鈾核時，首次發現了原子核的裂變現象，并放出新的中子。此后，意大利物理學家費米又提出了原子核裂變的鏈式反應觀點，即用鈾核裂變時放出的新中子再去轟擊其他鈾核使之發生連鎖反應，裂變時由于質量虧損會放出巨大能量的觀點。這就是原子彈和原子能反應堆的基本原理。1942年，費米制成世界上第一個原子能反應堆后，原子能便從實驗轉向應用。

(二)粒子物理學

粒子物理學是研究最微觀層次的物質(即基本粒子)的存在形式、性質、轉化和運動規律的物理學分支，也稱高能物理學。

　(三)熱力學三定律

熱是最普遍的能量傳遞形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運動的宏觀表現，固體的熱傳導是物質原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞。熱輻射是物體內部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉化，并且遵循能量守恒定律。

1.熱力學第一定律

熱力學系統如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內能;不可能造出既不需外界能量又不消耗系統內能的永動機。

2.熱力學第二定律

熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把一部分傳給低溫熱源。根據這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100%。

3.熱力學第三定律

在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(一273℃)時，物質系統(分子或原子)無規則的熱運動將停止。絕對零度不可能達到，但是可以無限趨近。

(四)電磁理論

1864年，麥克斯韋用一組偏微分方程概括了電場、磁場本身，以及電轉化為磁、磁轉化為電等全部電磁現象所滿足的數學關系，預言了電磁波的存在，并預言光是一種電磁波。1888年，赫茲發現了電磁波。麥克斯韋的電磁理論成為描述電磁運動的基本理論，被稱為自然科學的第三次理論大綜合。電磁波的預言和發現，為無線電通信開辟了道路。

　(五)相對論

相對論是愛因斯坦創立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質。相對論引發了現代物理學革命，同時也深刻地影響了人類的時空觀。相對論包括狹義相對論和廣義相對論。

相對論與量子力學、基因理論和系統理論被稱為現代科學四大基礎理論。廣義相對論的兩個基本原理是：①等效原理：引力與慣性力等效：②廣義協變原理：即廣義相對性原理，指所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。

(六)量子力學

量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學。量子力學是現代物理學的基礎理論，對半導體物理、凝聚態物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發展都具有重要的理論意義。量子力學的產生和發展標志著人類認識自然實現了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。

1905年，愛因斯坦提出了光量子說。

1924年，法國物理學家德布羅意證明了物質具有波粒二象性。

1925年，德國物理學家海森堡和玻爾，建立了量子理論第一個數學描述——矩陣力學。

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1926年，奧地利科學家薛定諤提出了描述物質波連續時空演化的偏微分方程——薛定諤方程，給出了量子論的另一個數學描述——波動力學。后來，物理學家將矩陣力學與波動力學統一起來，統稱量子力學。

命題點3：生命科學

(一)生命的物質基礎

1.細胞

細胞是一切生命體的基本單位，植物和動物的發育過程就是新細胞形成的過程。細胞內部有細胞核，外部是細胞質和最外層的細胞膜。細胞質主要由蛋白質和核糖核酸(rna)構成，細胞核中最重要的物質是脫氧核糖核酸(dna)。

2.蛋白質.

蛋白質是一類極為復雜的含氮化合物，它是構成生物體的主要成分，是構成細胞的基本物質材料，占生物體干物質重的50%。所有的蛋白質都含有碳、氫、氧、氮四種元素。組成蛋白質的基本單位是氨基酸，它具有生物功能的多樣復雜性，因而是重要的生命物質，在生命活動中起著重要作用。

3.核酸

核酸同生物的生長、發育、繁殖、遺傳和變異有著密切的關系。核酸的基本單位是核苷酸，每個核苷酸分子由戊糖、磷酸和含氮堿基組成。組成核苷酸的戊糖有兩種：核糖和脫氧核糖。組成核酸的含氮堿基有尿嘧啶(u)、胸腺嘧啶(t)、胞嘧啶(c)、腺嘌呤(a)、鳥嘌呤(g)。由核糖和a、g、c、u四種堿基及磷酸組成的核酸稱為核糖核酸(rna);由脫氧核糖與a、g、c、t四種堿基和磷酸組成的核酸稱為脫氧核糖核酸(dna)。

在dna分子結構中，堿基的配對規律為：a與t配對，g與c配對，反之亦然。

4.新陳代謝

只要生命存在，生物體就要和外部環境不斷進行物質和能量交換，這就是新陳代謝。這個過程包括從外部攝取養料，轉換成自身的物質，并儲存能量，同時也要將自身的一些物質分解，向外排出物質和釋放能量。如綠色植物借光合作用以水、二氧化碳和無機鹽等無機物制造有機物，并放出氧;非綠色植物可分解現成的有機物，釋放出二氧化碳和水。

(二)基因的概念

基因是dna中的最小遺傳功能單位?；蛟赿na分子中是以特定順序排列的、含有幾百到幾千個核苷酸的特定區段，是傳遞指揮dna復制命令和控制性狀遺傳指令的作用因子，也稱遺傳因子。

(三)生命的遺傳和變異

生物最為引人注目的特征，就是能夠通過繁殖將本物種的性狀特征傳遞下去，產生與親代相似的子代，即遺傳現象。遺傳過程實質上是遺傳物質傳遞的過程。遺傳信息的傳遞是依靠dna的復制過程進行的。dna主要存在于細胞核中，而蛋白質的合成是在細胞質中進行的，將dna攜帶的遺傳信息傳遞到細胞質中去的物質就是rna。rna是傳達dna信息的信使。dna傳遞遺傳信息遵守“中心法則”，即遺傳信息從dna傳遞給rna，再從rna傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程;也可以從dna傳遞給dna，即完成dna的復制過程。

變異和遺傳一樣，也是生物運動的普遍規律。變異是指同種生物世代之間或同代不同個體之間的性狀差異。變異可分為遺傳的變異和不遺傳的變異。不遺傳的變異是僅由環境條件直接引起的變化，如動植物因營養不足而發育不良，因環境污染而器官畸變等，一般是定向的。在生物進化上，只有遺傳的變異才是自然選擇的材料。遺傳的變異通過遺傳物質的改變而變化，包括基因突變和染色體畸變，一般是不定向的。

(四)人類基因組計劃

人類基因組計劃是與曼哈頓原子計劃、阿波羅登月計劃并稱的人類科學史上的重大工程。人類基因組計劃的目標是測定和繪制人體的24條染色體(22條常染色體和x、y性染色體)上30多億個堿基對的全序列。

2000年6月26日，人類基因組計劃已繪制出覆蓋面達97%的人類基因組“工作框架圖”。

2001年2月12日，六國科學家共同宣布，經過初步測定和分析，人類基因組共有32億個堿基對，組成大約3萬一3.5萬個蛋白編碼基因，遠少于原先10萬個基因的估計。2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六國政府首腦聯名發表聲明，宣布人類基因組序列圖提前繪成。

命題點4：環境科學

　(一)環境科學的概念

環境科學是研究人類在認識自然和改造自然中人與環境之間相互關系的科學。它是一門綜合性很強的新興科學，是以人類與其生存環境構成的“人類——環境”系統為對象，應用化學、生物學、物理學、地質學、自然地理學、土壤學、氣象學和醫學等學科的原理和方法，研究人類與其環境的相互聯系、相互作用、相互制約和相互調適，研究由人類活動所引起的環境質量的變化及其評價、預測、控制、改善和保護的科學。

(二)環境科學發展的現狀

1.環境問題與環境科學

(1)人類目前面臨的環境問題，已日益影響到人類的正常生活。這些環境問題主要有人口問題、能源問題、資源問題和環境保護問題。

(2)環境問題主要是由人類生活和生產活動的飛速發展引起的。人類活動使環境條件發生變化，對人類生存環境造成污染和破壞，影響人類的正常生產和生活，給人類直至后代帶來災害，這就是環境問題的實質。

(3)目前的環境科學已由過去單純的從環境問題出發的研究發展到從環境整體出發，進行跨學科合作的整體性研究;研究方法上也開始運用系統方法，以微觀和宏觀相結合的方法，以整體觀念剖析環境問題，更加注意對生命維持系統的研究，擴大生態學原理的應用范圍;已注意開展對全球性環境問題的國際性研究，發展高效益的環境污染控制技術。

2.生態科學

生態科學是研究生物體與其生存環境之間相互關系的一門學科，又稱為環境生物學。按其研究的對象，生態學又可以分為個體生態學、種群生態學和群落生態學。目前，生態學研究的重點正轉向以人類社會為主體，重視人與環境相互作用的研究，因而在社會經濟的可持續發展中正發揮著越來越重要的作用。

(1)生態系統。在地球表面的一定空間中，生物群體與無機環境通過能量轉換與物質循環聯結成一個整體。生態系統，按其環境特征可分為陸地生態系統和水域生態系統。

(2)生態平衡。生態平衡又稱“自然平衡”。在自然界中，不論森林、草原還是湖泊，都是由動物、植物、微生物等生物成分和光、水、土壤、空氣、溫度等非生物成分所組成。每一個成分都不是孤立存在的，而是相互聯系、相互制約的統一綜合體。它們之間通過相互作用達到一個相對穩定的平衡狀態，稱為生態平衡。

(3)生態安全。生態安全是以生態學方法來定義環境保護論之外的人類安全行為，并用于評定對人類社會的未來安全有著極為密切的四種發展關系：人與自然環境之間的關系;不同的人群之間的關系;人與其他物種的數量之間的關系;人與病原微生物之間的關系。生態安全將取決于保持這四種關系中任何一種的微妙平衡。

(4)生物多樣性。生物多樣性是指地球上的生物(包括動物、植物、微生物)在所有形式、層次和聯合體中生命的多樣化，包括遺傳多樣性、生物物種多樣性和生態系統多樣性。生物多樣性是地球上生命經過幾十億年發展進化的結果，是人類賴以生存的物質基礎。

(三)可持續發展

1.可持續發展的概念

聯合國世界環境與發展委員會在其1987年發表的報告《我們共同的未來》中，提出了可持續發展概念?？沙掷m發展是指既滿足當代人的需求，又不對后代人滿足其自身需求的能力構成危害的發展。

雖然可持續發展概念是從生態學的角度提出的，但是，它實際上涵蓋了自然環境的改善、經濟的發展和社會的進步三個層次的內容。第一，可持續發展并不否定經濟增長，但需要重新審視如何實現經濟增長。第二，可持續發展以自然資源為基礎，與環境承載能力相協調。第三，可持續發展以提高生活質量為目標，和社會進步相適應。

2.聯合國環境與發展大會

1992年6月3日至14日在巴西里約熱內盧舉行的聯合國環境與發展大會，是聯合國成立以來規模最大、級別最高、參加人數最多、影響最為深遠的一次國際會議。大會通過了《關于環境與發展的里約熱內盧宣言》(又稱《地球憲章》)《21世紀議程》《關于森林問題的原則聲明》等重要文件，有150多個國家簽署了《氣候變化框架公約》和《生物多樣性公約》。

這是一次拯救地球的歷史性盛會，是國際社會對人類與自然的關系在認識史上的一次大飛躍，第一次從環境保護和經濟發展有機聯系的高度，提出了可持續發展戰略及其行動綱領——《21世紀議程》，確定了面向21世紀國際環境和發展合作的原則，將可持續發展由概念、理論推向行動。在國務院各有關部門、機構和社會團體的廣泛參與下，經中外專家的共同努力，于1993年4月完成了《中國21世紀議程》的第一稿。此項工作完成后，我國成為世界上第一個編制國家級21世紀議程的國家。

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