自然科學(xué)發(fā)展簡史

自然科學(xué)發(fā)展簡史第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六一、20世紀(jì)初的物理學(xué)革命

0.1900年英國物理家凱爾文勛爵對物理學(xué)的展望和新世紀(jì)物理學(xué)的新發(fā)展，電子、X射線、放射性等的發(fā)現(xiàn)所帶來的沖擊與興奮。

1.

“電子”一詞，最早使用在1891年，是英國科學(xué)家斯托內(nèi)在他的研究成果中提出的。電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一代基本粒子。

2.

1876年，德國物理學(xué)家戈德斯坦提出，玻璃管壁上的輝光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。

第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六3.

20世紀(jì)的熱電子發(fā)射、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了任何原子都包含著電子的結(jié)論。

4.

德國人倫琴致力于研究陰極射線所引起的熒光現(xiàn)象。1895年，他發(fā)現(xiàn)了高真空管放電時能產(chǎn)生X射線的現(xiàn)象。它的穿透性使人們看到了許多過去沒有見過的新東西。5.

1896年，法國科學(xué)家貝克勒爾在一種鈾鹽中發(fā)現(xiàn)了鈾元素的天然放射性。它能使不透光的底片暴光。

第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六6.

著名的法國科學(xué)家皮埃爾·居里和他的妻子瑪麗·居里，經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了釷、釙、鐳的放射性。

7.

電子、X射線和放射性現(xiàn)象，這三大發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末物理學(xué)的重要成就。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)初產(chǎn)生了原子物理學(xué)?！?頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六8.

英國物理學(xué)家湯姆生，在證實(shí)了電子的存在以后，于1904年，提出了他關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的“面包夾葡萄干”的原子模型。

9.

英國人盧瑟福在1911年經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：原子中有一個非常非常小的核，它集中了原子99.99%的質(zhì)量。他提出了原子有核模型---行星模型。

第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六10.

愛因斯坦一生最重要的貢獻(xiàn)就是相對論。他在1905年發(fā)表的《論動體的電動力學(xué)》一文中首先創(chuàng)立了狹義相對論。第一，對于一切慣性系，一切自然定律都同樣適用，------相對性原理。第二，對于任何慣性系，自由空間中的光速都是相同的，------光速不變原理。一系列結(jié)論：P232-233第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六普朗克的量子理論物體在發(fā)射和吸收輻射時，能量不是連續(xù)變化的，而是以一定數(shù)值的整數(shù)倍跳躍式地變化；能量也是由一份份“能量原子”構(gòu)成。普朗克常數(shù)h“能量子”e=hv第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六光電效應(yīng)

P23719世紀(jì)80年代，赫茲等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射到金屬上會使金屬表面有電子逸出，這就是光電效應(yīng)。1.入射光的強(qiáng)度越大，它從金屬表面打出的電子越多；2.被光輻射打出的電子的運(yùn)動速度與入射光的頻率成正比，與光的強(qiáng)度無關(guān)；3.如果光的頻率小于某一截止頻率，無論光的強(qiáng)度多大，照射時間多長，都不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六物質(zhì)波和波粒二象性法國物理學(xué)家德布羅意提出了實(shí)物粒子也具有波動性---物質(zhì)波的概念；1927年，美國科學(xué)家戴維遜證實(shí)了電子衍射---電子也是波；入=h/pv=E/hP是動量，E是能量，“入”是波長第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六海森堡在1927年，推出了測不準(zhǔn)原理和公式薛定諤和海森堡所給出的量子力學(xué)的數(shù)學(xué)方程，以令人滿意的邏輯方式把不表現(xiàn)相對論效應(yīng)所有現(xiàn)象都概括在內(nèi)。由于薛定諤、海森堡、波恩、狄拉克以及泡利等人的努力，量子力學(xué)在19世紀(jì)30年代初已經(jīng)形成完整的體系。20世紀(jì)的物理革命，在時間、空間、運(yùn)動、質(zhì)量、能量、連續(xù)與非連續(xù)、必然與偶然、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等一般的關(guān)系上都提出了許多嶄新的見解。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六

19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)發(fā)展中的另一個重大的突破是量子論的產(chǎn)生和在此基礎(chǔ)上建立起來的量子力學(xué)。

人們把能夠全部吸收輻射而無任何發(fā)射或透射的物體叫“理想黑體”。

第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六

如何從“曼哈頓工程”去理解愛因斯坦“科學(xué)是一把雙刃劍”的偉大意義。

P．247要點(diǎn)：美國政府為了研究和制造原子彈，實(shí)施了代號為“曼哈頓工程”的計(jì)劃。原子彈給人類帶來了不幸；雖然它是20世紀(jì)以來核物理學(xué)的重要成果的應(yīng)用。愛因斯坦“科學(xué)是一把雙刃劍”的觀點(diǎn)，是對科學(xué)的濫用和惡用的有力批判。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六第13章現(xiàn)代自然科學(xué)的新進(jìn)展粒子世界的新發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論基石，是量子力學(xué)和相對論。它們引起了物理學(xué)的重大變革。

1930年—1932年間，發(fā)明了能夠獲得高速粒子的回旋加速器、靜電加速器和高壓倍加器，為核物理研究提供了強(qiáng)有力的工具。

第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六美國的費(fèi)米和德國的哈恩發(fā)現(xiàn)了人工核裂變反應(yīng)，鈾裂變時又放出中子，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，發(fā)出大量能量，由此開始了原子能的利用?！坝钪嫔渚€”是天然的“實(shí)驗(yàn)室”P252第一，正電子的發(fā)現(xiàn)第二，正負(fù)電子對與光子的相互轉(zhuǎn)化第三，介子的發(fā)現(xiàn)，日本的湯川秀樹費(fèi)米的中微子第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六基本粒子第一代基本粒子：光子、輕子、重子、正負(fù)電子等，到1947年，約有14種。第二代基本粒子：反中子、反質(zhì)子等，到1960年，約有30種。第三代基本粒子：是一批壽命極短的共振態(tài)的粒子。1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼提出“夸克”的新概念。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六凝聚態(tài)物理－－固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理的新進(jìn)展首先是與超高壓、高真空、超高溫、超低溫、強(qiáng)磁場等特殊條件的獲得有關(guān)。超導(dǎo)現(xiàn)象；釹鐵硼強(qiáng)磁鐵；半導(dǎo)體材料和晶體管的發(fā)明；大陸板塊和漂移學(xué)說；

大陸漂移說在被冷落了40-50年后，又重新被人們所重視。而板塊學(xué)說指明了地球形成和發(fā)展的基本面貌，使大陸漂移學(xué)說以新的形式出現(xiàn)。太陽，地球等天體的形成和演變。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六宇宙探測器和宇宙飛船對科學(xué)研究的貢獻(xiàn)1959年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆月球探測器；太陽的熱核反應(yīng)和核聚變；美國天文學(xué)家哈勃和哈勃望遠(yuǎn)鏡；宇宙大爆炸學(xué)說P2621931年—1932年，人們第一次接收到宇宙射電的信號，并在1936年研制成功射電望遠(yuǎn)鏡，打開了觀測宇宙的又一個窗口。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六量子力學(xué)建立以后，人們開始用量子力學(xué)的原理來研究分子的微觀結(jié)構(gòu)，由此而產(chǎn)生了一門新的學(xué)科----量子化學(xué)。

20世紀(jì)30年代，人們把量子力學(xué)的原理推廣到多原子分子的研究上來。建立了兩種化學(xué)鍵理論，它們是價(jià)鍵理論和分子軌道理論。

量子化學(xué)的推廣和應(yīng)用，“分子設(shè)計(jì)”出新材料、新藥物。

晶體化學(xué)的誕生。有機(jī)合成化學(xué)和高分子化學(xué)的建立，是現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的又一重要內(nèi)容。

有機(jī)物的提取，維生素A.B.C.D.E.K.的合成。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六

1909年，美國生物學(xué)家摩爾根在孟德爾遺傳學(xué)說的基礎(chǔ)上，提出了基因說，把基因看作是位于染色體上的球狀顆粒。從19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞并把它作為生命的基本單位以后，人們便開始研究細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能。

在生物化學(xué)、生物物理、細(xì)菌學(xué)、病毒學(xué)等的相互滲透中，誕生了一門新的學(xué)科---分子生物學(xué)1868年瑞士科學(xué)家米希爾首先從細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)叫核酸。它又可以分為去氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。

第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)是生命系統(tǒng)中最重要的物質(zhì)1926年，美國科學(xué)家指出：生物催化劑酶是蛋白質(zhì)；生物分泌的激素也是蛋白質(zhì)；核酸DNA，RNA也是蛋白質(zhì)。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六促成分子生物學(xué)誕生的幾個方面P270第一，1945年，美國生化學(xué)家用實(shí)驗(yàn)的方法證明了基因與酶的關(guān)系。第二，關(guān)于DNA是攜帶遺傳信息載體的發(fā)現(xiàn)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)被稱為是20世紀(jì)生物學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)，是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。諾貝爾獎得主中生物學(xué)家多；1965年，我國的科學(xué)家人工合成含有51個氨基酸的胰島素。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六第14章現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)化與技術(shù)的科學(xué)化原子能技術(shù)：美國科學(xué)家費(fèi)米用中子轟擊鈾，實(shí)現(xiàn)了核裂變以后。在第二次世界大戰(zhàn)期間，愛因斯坦建議美國試制原子彈?！奥D工程”。1954年，蘇聯(lián)和美國建造了試驗(yàn)性核電站，揭開了核電應(yīng)用的序幕。到60年代，核發(fā)電逐步進(jìn)入使用階段。核電站是現(xiàn)代“知識工業(yè)”的一個典型，它需要大量高深的科學(xué)知識。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六

空間技術(shù)：在第二次世界大戰(zhàn)期間，在德國的貝尼明恩迪建立了火箭研究所，1942年試驗(yàn)發(fā)射了重達(dá)13噸的V-2火箭，最大時速5500公里。1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。1960年，美國第一次回收從衛(wèi)星上彈射出來的回收倉。1969年，“阿波羅登月計(jì)劃”20世紀(jì)70年代，通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星為代表的空間技術(shù)開始轉(zhuǎn)為民用。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六激光技術(shù)：1960年，美國加利福尼亞的休斯研究所的梅曼，使用人造紅寶石創(chuàng)造出第一個紅寶石激光器。受激輻射輸出的光將使入射光得到補(bǔ)充和加強(qiáng)，即實(shí)現(xiàn)了光放大。所謂激光，就是受激輻射光放大的簡稱。后來人們把它叫做萊塞。激光的應(yīng)用：激光制導(dǎo)，激光加工，激光傳輸?shù)确矫?。?4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六生物工程：四個方面：P．282-283A遺傳工程；B細(xì)胞工程也叫細(xì)胞融合技術(shù)；C發(fā)酵工程也叫發(fā)酵技術(shù)；D生物轉(zhuǎn)化工程也叫酶工程?？寺〖夹g(shù)：“多利”羊；“艾米”牛生物制藥技術(shù)：干擾素等第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

1945年，美國的莫爾研究小組制造出了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，被命名為“電子數(shù)值積分和計(jì)算機(jī)”，又稱為ENIAC。

美國德克薩斯儀器公司的年輕電子工程師基爾比，首先發(fā)明了能夠包容晶體管和電阻、電容等元件的集成電路。

第二次世界大戰(zhàn)后，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為機(jī)械工業(yè)注入了新的活力。自動化機(jī)床中的數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)在1952年。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六在電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程中，經(jīng)過了五代：P．287

第一代，電子管計(jì)算機(jī)；第二代，晶體管計(jì)算機(jī)；第三代，集成電路計(jì)算機(jī)；第四代，大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)；目前正在進(jìn)入第五代，用超大規(guī)模集成電路裝備的具有人工智能的巨型計(jì)算機(jī)和微型機(jī)。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六在高度自動化的企業(yè)中，以從事腦力活動為主的“白領(lǐng)工人”的人數(shù)比例大于從事體力勞動為主的藍(lán)領(lǐng)工人。

1948年，美國數(shù)學(xué)家維納發(fā)表了《控制論》一書，并稱控制論是關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)。

第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六工業(yè)發(fā)達(dá)國家的機(jī)械業(yè)都很重視材料的質(zhì)量，同時認(rèn)真研究成型方法。以節(jié)約原材料。

20世紀(jì)初，人工制造的高分子材料已經(jīng)開始生產(chǎn)。由于有機(jī)化學(xué)、固體物理、合成化學(xué)、高分子化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，使高分子材料隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的需要而迅猛發(fā)展。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期六現(xiàn)代化生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)上也有了大發(fā)展，現(xiàn)在許多國家的種植業(yè)的產(chǎn)值已經(jīng)同畜牧業(yè)產(chǎn)值相等，有的國家后者還超過了前者。

農(nóng)業(yè)是最古老的產(chǎn)業(yè)。在法國、丹麥等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，只有受過中學(xué)教育和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)學(xué)校教育，并在農(nóng)場經(jīng)過實(shí)踐，再通過考試取得“綠色教育證書”的人，才能經(jīng)營農(nóng)場。第30頁，共32