如果說19世紀是科學的世紀的話.ppt

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如果說19世紀是科學的世紀的話 20世紀則被稱作是科學革命的世紀 19世紀理論科學的巔峰狀態(tài)及其隱含的危機以物理學最為典型 牛頓力學無比強大的理論威力 光學 電磁學 力學的統(tǒng)一使物理學顯示出一種形式上的完整 被譽為 一座莊嚴雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗廟堂 以致普朗克的老師曾勸他說 年輕人 物理學是一門已經(jīng)完成了的科學 不會再有多大的發(fā)展了 將一生獻給這門學科 太可惜了 1900年4月27日 英國著名物理學家開爾文勛爵作了題為 熱和光的動力理論上空的19世紀之烏云 的長篇講演 現(xiàn)代自然科學 物理學 背景 物理學大廈的落成與危機物理學晴朗天空的 兩朵烏云 把物理學由經(jīng)典階段推進到現(xiàn)代階段 以太漂移實驗和黑體輻射現(xiàn)象 相對論和量子力學構(gòu)成現(xiàn)代物理學的兩大理論支柱 以太漂移 以太被稱為一種介質(zhì) 按照當時科學界的說法 人們可以由光速在不同方向的差異 判定一個慣性系相對于靜止以太的運動狀態(tài) 并確定以太的存在 實驗卻明白無誤地表明 光速是完全不變的 紫外災(zāi)難 黑體是物理學中為了研究物體吸收和輻射規(guī)律而構(gòu)造的一種理想模型 能百分子百吸收輻射到它上面的電磁波 同樣溫度下 它所發(fā)出的熱輻射也比其它任何物體都強 德國維恩和英國瑞利得到相反的公式 結(jié)果而無法解釋 相對論 是關(guān)于物質(zhì)運動與時間空間關(guān)系的理論 是現(xiàn)代物理學和科學技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一 背景 以太及以太漂移實驗 現(xiàn)代自然科學 物理學 狹義相對論 1905 1 理論基礎(chǔ) 光速不變理論 在彼此相對作勻速直線運動的任一慣性參考系中 所測得的光速都是相同的 和狹義相對性理論 一切彼此作勻速直線運動的參考系 對描述運動的一切規(guī)律來說都是等價的 它表明 絕對靜止的參考系是不存在的 2 主要結(jié)論 尺縮效應(yīng) 物體相對于觀察者為靜止時 其測得長度最大 為運動時其長度縮短 鐘慢效應(yīng) 對靜止觀察者 一切發(fā)生在運動物體上的過程都變慢了 愛因斯坦 從光速不變的事實去分析力學與電磁學形式上的差異 事實上是對權(quán)威的反叛 學生時代對哲學的興趣和思辨 休謨 馬赫 彭加勒的懷疑和批判主義精神 接受斯賓渃莎關(guān)于世界的物質(zhì)統(tǒng)一性 現(xiàn)代自然科學 物理學 相對論 是關(guān)于物質(zhì)運動與時間空間關(guān)系的理論 是現(xiàn)代物理學和科學技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一 狹義相對論 1905 2 主要結(jié)論 四維時空 時間坐標與空間坐標緊密聯(lián)系在一起 速度變換 物體的質(zhì)量隨其運動速度增加而增加 質(zhì)能關(guān)系 質(zhì)量與能量間存在內(nèi)在關(guān)系 質(zhì)能關(guān)系式E mc2 3 意義 指明了質(zhì)量與能量間的內(nèi)在聯(lián)系 改變了經(jīng)典物理學中有關(guān)質(zhì)量和能量的傳統(tǒng)看法 為利用原子能提供理論基礎(chǔ) 廣義相對論 1916 1 理論基礎(chǔ) 廣義協(xié)變原理 自然定律對于任何參考系而言都具有相同的數(shù)學形式 和等效原理 用一個非慣性系與用內(nèi)部存在一均勻引力場的慣性系來描述物理過程規(guī)律是完全等效的 2 意義 進一步揭示時間 空間的根本屬性及其與物質(zhì)分布 運動之間內(nèi)在的深刻聯(lián)系 思想實驗 愛因斯坦列車實驗 升降機實驗 旋轉(zhuǎn)圓盤實驗 相對論的建立 深刻揭示出時間 空間 物質(zhì)及其運動的統(tǒng)一性 為辯證唯物主義時空觀提供科學依據(jù) 為人們探索自然奧秘提供理論武器 為物理學發(fā)展開辟全新方向 為現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ) 現(xiàn)代自然科學 物理學 量子力學 概念 研究微觀粒子如電子 原子 分子等運動規(guī)律的理論 是現(xiàn)代物理學的又一重要基礎(chǔ)理論 極大地推動現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展 如原子能技術(shù) 激光技術(shù) 大規(guī)模集成電路等 背景 紫外災(zāi)難 熱輻射和熱吸收 現(xiàn)代自然科學 物理學 量子力學 建立 1900 德國物理學家普朗克分析維恩 瑞利矛盾的兩個公式 拼出新公式 提出 能量子假說 不連續(xù)的能量狀態(tài) 1905 愛因斯坦為解釋赫茲光電效應(yīng) 1887 提出 光量子 概念 揭示光的波粒二象性 量子論的進一步發(fā)展源于對原子結(jié)構(gòu)問題的研究 1913 玻爾 量子化 概念與原子核模型及電子軌道 1924 德布羅意基于光的波粒二象性提出 物質(zhì)波 假說 微觀粒子的波粒二象性 兩條途徑完成量子力學理論的建立 德國物理學家海森伯及玻恩的矩陣力學和薛定諤波動力學 同一理論的兩種數(shù)學表達 現(xiàn)代自然科學 物理學 量子力學 完善 波函數(shù)的概率解釋 不確定原理 相對論波動方程 不相容原理等 基本概念 物質(zhì)波實質(zhì)上是概率波 互補性與不確定原理 在微觀世界中 人們不能用實驗手段來同時準確地測定微觀粒子的位置和動量 等 作用和意義 推進人們對微觀世界的認識 改變了科學觀念 揭示波粒二象性是自然的基本矛盾 為對立統(tǒng)一規(guī)律提供新證據(jù) 揭示連續(xù)性與間斷性 偶然性與必然性 決定論與因果律之間的辨證關(guān)系 宣告機械論自然觀的破產(chǎn) 現(xiàn)代自然科學 物理學 量子理論形式的詮釋一直是人們爭論的焦點 宏 微觀粒子運動的統(tǒng)一性 微觀粒子運動的實驗觀察與解釋等 現(xiàn)代自然科學 化學 元素周期理論的新發(fā)展 以19世紀的原子論為基礎(chǔ) 1869 門捷列夫和邁爾各自獨立發(fā)現(xiàn)元素周期律 原子核式結(jié)構(gòu)模型 提出描述原子中電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù) 主量子數(shù) 軌道量子數(shù) 磁量子術(shù)和自旋量子數(shù) 以及電子在核外的分布規(guī)律 因此 元素的性質(zhì)和周期性變化是由原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的周期性變化決定的 元素的性質(zhì)是隨原子序數(shù)而非原子量的增加而周期性增加的 其區(qū)別在同位素概念上 元素周期律深刻地反映了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系 尤其是反映原子核外電子的排列分布 能指導人們認識原子結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)新元素 現(xiàn)代自然科學 化學 現(xiàn)代化學鍵理論 分子中原子間的結(jié)合力 化學鍵 1916年柯塞爾和路易斯開始用原子模型來解釋價鍵 提出價鍵是由原子的外圍電子決定的 有離子鍵 共價鍵和金屬鍵三種基本類型 離子鍵是通過靜電作用形成的 共價鍵是相同元素依靠共用電子對結(jié)合的 金屬鍵是成鍵電子被金屬離子共用而成的 量子化學 1927 海特勒和倫敦開創(chuàng)新領(lǐng)域 提出只能概率性描述電子的運動狀態(tài) 即電子云 共價鍵的本質(zhì)是電子云重疊 價鍵理論 1931年 鮑林根據(jù)波的疊加原理提出雜化軌道理論解釋碳的四面體結(jié)構(gòu) 分子軌道理論 1932年洪德和莫立肯等提出用單電子波函數(shù)描述化學鍵的本質(zhì) 1965年 伍德凡德和霍夫曼提出分子軌道對稱守恒原理 解釋和預示一系列化學反應(yīng)的難易 了解反應(yīng)產(chǎn)物的立體結(jié)構(gòu) 標志著現(xiàn)代化學從研究分子的靜態(tài)跨入到研究分子動態(tài)的新階段 量子化學 使化學家單純依靠實驗方法研究到可以通過數(shù)學計算來研究 從被動性的研究到預見性的研究 分子設(shè)計與新材料 新藥物 新試劑等開發(fā) 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 宇觀與宇觀尺度 宇觀 我國天文學家戴文賽引入 宇觀 概念表征宇宙規(guī)模的物質(zhì)過程 宇觀物體就是像太陽 恒星 行星等天體 其最大特征是其表面萬有引力起支配作用 宇觀質(zhì)量以太陽質(zhì)量m 1 99 1033g 為單位 如 地球為10 6m 整個宇宙為1021m 距離 以地球繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓的長半軸作為天文單位 AU 1AU為1 50 1013cm 量度天體的距離 恒星間距離的單位是秒差距 pc 1pc 105AU 3 26光年 光年是指光線在一年內(nèi)所通過的距離 哈勃半徑是指當前我們觀測的宇宙最深處的天體離我們的距離 約為1 3 1010ly 光年 存在非重子的暗物質(zhì) 是宇觀客體的另一特征 宇宙觀的演變 中國古代 宇宙三學說 蓋天說認為大地是平坦的 天像一把傘 渾天說認為天地如蛋 地在中心 天圍在周圍 宣夜說認為天是無限而空虛的 古希臘和羅馬 中心火焰說 宇宙中心是一團大火焰 地心說 地球為中心 日心說 地球繞太陽運動 宇宙論 17世紀牛頓用力學方法研究宇宙 建立經(jīng)典宇宙論 廣義相對論的建立和天文觀測為基礎(chǔ) 產(chǎn)生現(xiàn)代宇宙論 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 銀河系 18世紀后期 用反射望遠鏡觀測計數(shù)了117600顆恒星 得出恒星系統(tǒng)呈扁盤狀的結(jié)論 20世紀初定義它為銀河系并確定銀河系結(jié)構(gòu) 銀河系結(jié)構(gòu)的確定擴大了人類認識到的時空結(jié)構(gòu) 也再一次否定了人類及其居住星球的特殊地位 銀河系組成包括 恒星 球狀星團 疏散星團等 星際物質(zhì) 亮星云 暗星云 星際氣體及塵埃 河外星系與哈勃定律 1918年 威爾遜山天文臺建成口徑2 54m的反射望遠鏡 胡克望遠鏡 1922年 在星云中發(fā)現(xiàn)一些變星 1923年 哈勃用胡克望遠鏡通過照相觀測找到造父變星 推出它們的距離比銀河系盤的直徑大五倍 統(tǒng)稱為河外星系 哈勃1929年所作的劃時代的工作說明 河外星系的紅移與它的距離成正比 即哈勃定律 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 太陽系的總質(zhì)量約99 集中于太陽 太陽系的大小為40AU 銀河系的質(zhì)量為1012m 直徑約為30kpc 太陽距其中心的距離約為8 5kpc 宇宙觀測及其意義 天文學是數(shù)據(jù)貧乏的科學 宇宙觀測內(nèi)容 宇宙微波背景輻射 宇宙微波背景輻射提供了一個宇宙起源于熱大爆炸的基本依據(jù) 1964年 彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)相當于絕對溫度3 5K的背景輻射 并確信是原始火球大爆炸的遺跡 他們的發(fā)現(xiàn) 是一項帶有根本意義的發(fā)現(xiàn) 它使我們能夠獲得很久以前 在宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過去的信息 因此獲1978年度諾貝爾物理學獎 膨脹 標準宇宙論的一個最基本的性質(zhì)是宇宙的膨脹 世界各地觀測者測量了28000個星系的光譜 大都具有支持膨脹宇宙的紅移 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 宇宙觀測及其意義 均勻性和各向同性 宇宙中不存在任何特殊點或宇宙中所有點是平權(quán)的 人們稱之為宇宙論原理或宇宙平庸原理 哥白尼原理 其最好的證據(jù)是微波背景的溫度的一致性 宇宙年齡 可以用多種方法測定 目前多種方法給出宇宙的年齡為100 200億年 輕元素豐度 預測豐度與 推斷 的原初豐度的比較 提供了一個對標準宇宙模型的有力檢驗 輕元素氘 氦等 物質(zhì)密度及宇宙中的暗物質(zhì) 宇宙的大尺度結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 星系起源與演化 星系形成 1692年 牛頓指出 均勻物質(zhì)在粒子相互引力作用下最后必然聚集成一個巨大的團塊或聚集成為數(shù)眾多的獨立團快 1901年 金斯提出引力不穩(wěn)定性理論 金斯長度或臨界長度由介質(zhì)的密度和介質(zhì)中的聲速所決定的 1940年 膨脹宇宙 提出決定宇宙結(jié)構(gòu)生成的三個基本尺度 即視界尺度 光速與宇宙年齡的乘積 金斯尺度 由宇宙物質(zhì)狀態(tài)決定的聲速與宇宙年齡的乘積 和阻尼尺度 由破壞物質(zhì)成團的各種因素所決定的特征尺度 三個特征尺度可轉(zhuǎn)化為特征質(zhì)量 均隨宇宙的演化而演化 星系 星系團和超星系團形成時期分別對應(yīng)于紅移z 100 10 1的時期 星系的分類 哈勃從星系的形態(tài)特征出發(fā) 把星系分成為 橢圓星系 旋渦星系和不規(guī)則星系三大類 旋渦星系又分為正常旋渦星系和棒旋星系 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 恒星在星系中的軌道運動 位置及其年齡存在極其密切的聯(lián)系 球狀星團是銀河系中最年長的成員 它們組成以星系核為中心的球狀分布系統(tǒng) O型和B型是最年輕的成員 它們組成幾乎與銀道面重合的極扁平的系統(tǒng) 其他恒星處于兩者之間 形成一個中介系統(tǒng) 恒星的一生 恒星的形成 星系形成的初期是一個較均勻的稱為星云的物質(zhì)團 觀測表明 恒星毫無例外地一大堆一大堆地同時誕生 當一萬個太陽質(zhì)量的星際氣體和塵埃以很高速度自行收縮時 就可能形成云塊 再行收縮凝聚 就形成恒星 恒星的分類 恒星表面溫度是決定能譜的一個指標 為恒星分類提供了依據(jù) 赫羅圖 指恒星的光度和光譜關(guān)系圖 由丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素各自獨立創(chuàng)制 光譜型為橫坐標 光度為縱坐標 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 有90 以上的恒星分布在圖中左上方到右下方的對角線的狹窄帶區(qū)內(nèi) 稱 主星序 該區(qū)的恒星稱 主序星 主星序的右上角是幾乎成水平走向的 巨星系 圖上部的一些分散的星稱 超巨星序 主序星下面是 亞矮星 再下是 白矮星序 太陽處在主星序的中部 是一個中等質(zhì)量 中等溫度也恰好是中年的一顆恒星 恒星的演化 錢德拉塞卡極限 指白矮星的質(zhì)量上限為太陽質(zhì)量的1 44倍 1930年由印度20歲的大學畢業(yè)生錢德拉塞卡導出 是描述恒星演化 決定恒星命運的一個重要的質(zhì)量極限 恒星質(zhì)量小于太陽質(zhì)量的1 44倍 最終結(jié)局是白矮星 質(zhì)量大于1 44倍而小于2 4倍太陽質(zhì)量 最終結(jié)局是中子星 質(zhì)量大于2 4倍太陽質(zhì)量 最終結(jié)局是黑洞 黑洞的質(zhì)量一般為太陽質(zhì)量的3 50倍 在其表面連光也無法逃離其引力的束縛 太陽 太陽系的起源和太陽的形成 是太陽系的 君王 所有行星 彗星等天體都不停地圍著太陽轉(zhuǎn) 是太陽系唯一發(fā)光的天體 是太陽系光和熱的源泉 其任何微小變化都引起整個太陽系的明顯變化 是恒星的 典型代表 太陽是一顆G2型中年主序星 是一顆極普通的恒星 太陽系的起源和太陽的形成 星云說或共同形成說 整個太陽系是由同一塊星云物質(zhì)形成的 這塊星云稱原始星云 現(xiàn)代自然科學 宇觀世界探迷 現(xiàn)代自然科學 微觀結(jié)構(gòu)之迷 微觀世界 是整個世界的重要組成部分 其空間尺度小到10 10 10 15m 是宏觀世界與宇觀世界的基礎(chǔ) 微觀世界物質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律實際上決定宏觀與宇觀世界物質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律 現(xiàn)代自然科學 微觀結(jié)構(gòu)之迷 窮究物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎 古人之物質(zhì)本原 公元前7世紀 印度人提出物質(zhì)4元素為水 火 土 氣 中國提出陰陽五行學說 金 木 水 火 土 古希臘思想家把水 火 土 氣等當作萬物本原 古代原子論 古希臘哲學家留基伯提出 德謨克利特完成 認為物質(zhì)由不可分 不可入的永恒原子組成 原子在無限的虛空中的各個方向上運動著 其相互分離或結(jié)核及其排列次序 位置和原子形狀的多樣性決定事物存在形式的多樣性 近代原子論 牛頓使原子論進入科學的殿堂 他認為世界上一切物質(zhì)都由原子組成 由于物理學剛成立 缺乏實驗研究方法和手段 原子論仍然屬于自然哲學思辨的范疇 隨著化學的產(chǎn)生和發(fā)展 真正科學的原子論得以建立 19世紀初道爾頓提出科學原子論 隨后發(fā)現(xiàn)元素周期律 化學使原子論最終納入實驗科學 實現(xiàn)了原子論從思辨性的自然哲學向科學的轉(zhuǎn)化 從思辨型向經(jīng)驗型的轉(zhuǎn)變 現(xiàn)代自然科學 微觀結(jié)構(gòu)之迷 窮究物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎 揭開原子世界的面紗的三大發(fā)現(xiàn) X射線預示著原子內(nèi)部復雜的結(jié)構(gòu) 1895年 德國科學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn) 天然放射線顯示原子是可變的 1896年 法國科學家貝克勒爾在熒光實驗中發(fā)現(xiàn) 電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可分的觀念 1897年 英國物理學家湯姆孫在陰極射線實驗中發(fā)現(xiàn) 揭示原子的結(jié)構(gòu) 盧瑟福首先用 粒子散射實驗確立了原子核式結(jié)構(gòu) 1919年 用 粒子轟擊氮 硼 氟 鈉 鋁等原子核打出氫核 命名為質(zhì)子 1920年 提出 中子 假說 并被他的學生查德威克于1932年證實 人們總結(jié) 原子由電子 質(zhì)子和中子組成 狄拉克1931年提出 反電子 正電子 物質(zhì)微觀層次結(jié)構(gòu) 微觀粒子的基本性質(zhì) 質(zhì)量 每種粒子都具有一定質(zhì)量 其質(zhì)量隨速度增加而增加 任何物體所具有的質(zhì)量與能量是相關(guān)的 壽命 每種粒子在衰變前平均存在的時間 簡稱壽命 電荷 任何粒子所帶電荷都是電子電荷的整數(shù)倍 即電子電荷為電荷的最小單位 自旋 每種粒子都有確定的自旋角動量 其值可以用一個自然數(shù)或一個自然數(shù)加1 2來表示 粒子分類 根據(jù)相互作用性質(zhì)分三類 即強子 直接參與強相互作用的粒子 如質(zhì)子和中子 輕子 只參與弱相互作用 電磁相互作用 引力相互作用的自旋為半整數(shù)的粒子 如電子 傳播子 傳播相互作用的基本粒子 如光子 夸克模型 1964年由蓋爾曼提出 認為當時發(fā)現(xiàn)的所有強子都由更基本的粒子夸克組成 微觀世界的基本規(guī)律 重子數(shù)守恒定律 輕子數(shù)守恒定律 奇異數(shù)守恒定律 同位旋守恒定律 宇稱守恒定律 守恒律和對稱性 世界的統(tǒng)一性 統(tǒng)一場理論 規(guī)范統(tǒng)一場論 弱相互作用理論 弱電統(tǒng)一理論 大統(tǒng)一理論 超大統(tǒng)一理論 現(xiàn)代自然科學 微觀結(jié)構(gòu)之迷 諾貝爾獎獲得者 美國科學家格拉肖曾建議 把比夸克更深層次的粒子叫 毛粒子 以紀念毛澤東倡導的 物質(zhì)是無限可分的 的哲學論斷 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 從不同角度 用不同方法研究同一客體 產(chǎn)生不同學科 從包括人類在內(nèi)的地球系統(tǒng)角度研究人和地球表層的關(guān)系產(chǎn)生了地球系統(tǒng)科學 從環(huán)境質(zhì)量的演化角度研究人和地球的關(guān)系及地球的變化產(chǎn)生了環(huán)境科學 從生物的生存環(huán)境角度研究地球的變化產(chǎn)生了生態(tài)學 地球系統(tǒng)科學 生態(tài)學 環(huán)境科學是三門具有血緣關(guān)系而又不能相互替代的姊妹學科 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 地球系統(tǒng)科學 將地球大氣圈 水圈 巖石圈 生物圈作為一個相互作用的系統(tǒng) 研究其物理 化學和生物過程及其與人類的關(guān)系的學科 最早由美國國家航空與宇航管理局提出 地球科學的產(chǎn)生 1678年 牛頓將力學定律運用于研究地球的靜態(tài)和動態(tài)特征 根據(jù)力學定律 牛頓 康德曾研究潮汐摩擦得出地球自轉(zhuǎn)變慢的結(jié)論 達爾文分析潮汐現(xiàn)象理論推導地球旋轉(zhuǎn)效應(yīng) 20世紀 泰勒用力學方法研究全球構(gòu)造 李四光在 地質(zhì)力學之基礎(chǔ)與方法 中根據(jù)力學原理探求地殼運動原因 古地球物理學 地球化學 地質(zhì)化學 分子和細胞古生物學的發(fā)展等 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 地球系統(tǒng)科學 地球系統(tǒng)科學的產(chǎn)生 20世紀60至70年代地質(zhì)學革命 地球科學發(fā)展成包括地質(zhì)科學 水文科學和大氣科學的知識體系 80年代人地新型關(guān)系的集合 產(chǎn)生地球系統(tǒng)科學 1983年 美國國家航空和宇航管理局出資20億美元 資助美國20所大學地理系的地球系統(tǒng)科學研究 每5年出一份報告 主張將地球的大氣 海洋和陸地作為一個大系統(tǒng) 綜合研究其中相互聯(lián)系的物理 化學和生物過程 并將研究重點放在今后幾十年到幾百年的時間尺度 1992年 美國22所大學將地球系統(tǒng)科學教育納入課程之內(nèi) 聯(lián)合國 21世紀議程 將地球系統(tǒng)科學作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的科學基礎(chǔ) 地球系統(tǒng)科學 研究對象 通過研究大氣圈 水圈 巖石圈和生物圈組成的地球表層系統(tǒng) 探討系統(tǒng)各圈層相互作用的物理 化學和生物機制 分析人類活動引起的地球生態(tài)環(huán)境變化 提高地球系統(tǒng)的生命承載能力 全球變化 是地球系統(tǒng)科學的核心問題 包括 溫室效應(yīng) 海平面上升 海岸線變遷 湖泊變遷等自然環(huán)境變化 森林 草地 濕地 家田 水體葉綠素等生物量變化以及工業(yè)化 城市化等人類活動的生態(tài)效應(yīng) 發(fā)展趨勢 自然科學與社會科學的綜合 推動可持續(xù)發(fā)展研究 關(guān)注人類活動對地球系統(tǒng)的影響 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 地球系統(tǒng)科學首先研究全球變化 第二層次研究區(qū)域模型 經(jīng)濟和發(fā)展模型對環(huán)境 生物的影響 第三層次是區(qū)域之間的宏觀調(diào)控 生態(tài)學 概念 生態(tài)學是研究生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用機理 規(guī)律的科學 生命系統(tǒng)包括動物 植物和微生物 生態(tài)系統(tǒng)指整個生物群落及其所在的環(huán)境物理化學因素 是自然系統(tǒng)的整體 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 生態(tài)學 發(fā)展歷程 古代 公元前4世紀 希臘學者亞里士多德根據(jù)動物活動環(huán)境類型將其分為陸棲和水棲兩類 公元6世紀中國賈思勰 齊民要術(shù) 記錄樸素生態(tài)學觀念 近代 18世紀 瑞典博物學家林奈綜合考察外部環(huán)境對植物 動物的影響 1798年馬爾薩斯 人口論 開闊生態(tài)學視野 1859年達爾文 物種起源 提出自然選擇理論 1869年 ?？藸柾ㄟ^研究有機體與環(huán)境的關(guān)系 首先提出生態(tài)學的概念 生態(tài)學源于生物學 在研究生物之間的依存關(guān)系及其與環(huán)境間的相互作用后不斷獨立成一門科學 但在20世紀以前 生態(tài)學的研究處于描述性時期 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 生態(tài)學 發(fā)展歷程 近代 20世紀上半葉 出版一批生態(tài)學專著 如瓦爾明的 植物生態(tài)學 埃爾頓的 動物生態(tài)學 及克萊門茨和席爾福德的 生物生態(tài)學 開展了種群和以種群為重點的研究 1935年 坦斯勒提出 生態(tài)系統(tǒng) 的概念 是生態(tài)學上的重大突破 1942年 林德曼在美國 生態(tài)學雜志 發(fā)表關(guān)于食物鏈和金字塔營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的研究報告 確立了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動理論 現(xiàn)代 20世紀50年代 生態(tài)學進入現(xiàn)代生態(tài)學發(fā)展時期 人類活動滲透到所有生態(tài)系統(tǒng) 人工生態(tài)系統(tǒng)到處代替天然生態(tài)系統(tǒng) 生態(tài)學向人類生態(tài)學的轉(zhuǎn)變是現(xiàn)代生態(tài)學發(fā)展的重要標志 1922年 美國地理學家哈倫 巴洛斯首次提出 人類生態(tài)學 概念 主張生態(tài)學要聯(lián)系人類活動研究自然環(huán)境 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 人類生態(tài)學研究人類和物理環(huán)境 生物環(huán)境 社會環(huán)境的相互關(guān)系 探討人類社會自然資源利用 考察人類活動對自然界的影響以及自然環(huán)境對人類社會發(fā)展的作用 以解決人類面臨的人口 糧食 能源 環(huán)境等全球問題 人類生態(tài)學的產(chǎn)生標志著生態(tài)學的重點從研究以生物為主體的生態(tài)轉(zhuǎn)向以人為主體的生態(tài) 把人和自然互相作用作為一體進行研究 使生態(tài)學找到了真正的歸宿 生態(tài)學 研究內(nèi)容生態(tài)學致力于探索解決經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾 辨識能流 物流 信息流之間的耦合 合理開發(fā)自然資源 提高生產(chǎn)力水平 實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展 研究領(lǐng)域如 生態(tài)系統(tǒng)種群規(guī)模調(diào)控 生物生產(chǎn)力管理 人工生物群落穩(wěn)定 生態(tài)指標體系等 發(fā)展趨勢一是向各個學科的滲透 如行為生態(tài)學 社會生態(tài)學等 二是研究生物圈的功能 如水陸界面的相互作用機制等 三是為可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ) 如廢物利用的問題 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 環(huán)境科學 概念 研究人類活動與環(huán)境質(zhì)量關(guān)系的科學 宏觀上 研究人類和環(huán)境之間相互作用 促進 制約的統(tǒng)一關(guān)系 揭示經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護兩者之間協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)律 微觀上 研究環(huán)境的各組成部分尤其是人類活動排放的污染物在有機體遷移 轉(zhuǎn)化 積累中的運動規(guī)律 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 環(huán)境科學 產(chǎn)生 農(nóng)業(yè)文明時代資源耗竭 過度狩獵 過量砍伐和土地的破壞 工業(yè)文明時代環(huán)境污染 世界八大公害事件 環(huán)境運動 1962年美國生物學家卡而遜 寂靜的春天 掀起環(huán)境運動 1972年羅馬俱樂部發(fā)表研究報告 增長極限 70年代的爆炸性杰作 之后又發(fā)表系列報告 世界各地的環(huán)保運動 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 公害事件 馬斯河谷煙霧事件 發(fā)生于1930年比利時的馬斯河谷工業(yè)區(qū) 由于二氧化硫和粉塵污染對人體造成綜合影響 一周內(nèi)有近60人死亡 數(shù)千人患呼吸系統(tǒng)疾病 公害事件 洛杉磯光化學煙霧事件 發(fā)生于1943年美國洛杉磯 當時該市的200多萬輛汽車在排放大量的汽車尾氣 在紫外線照射下產(chǎn)生光化學煙霧 大量居民出現(xiàn)眼睛紅腫 流淚 喉痛等癥狀 死亡率大大增加 公害事件 多諾拉煙霧事件 發(fā)生于1948年美國賓夕法尼亞州的多諾拉鎮(zhèn) 因煉鋅廠 鋼鐵廠 硫酸廠排放的二氧化硫及氧化物和粉塵造成大氣嚴重污染 使5900多居民患病 事件發(fā)生的第一天有17人死亡 公害事件 倫敦煙霧事件 發(fā)生于1952年英國倫敦 由于冬季燃煤排放的煙塵和二氧化硫在濃霧和中積聚不散 頭兩個星期死亡4000人 以后的兩個月內(nèi)又有8000多人死亡 公害事件 四日市哮喘病事件 發(fā)生于1961年前后的日本四日市 由于石油化工和工業(yè)燃燒重油排放的廢氣嚴重污染大氣 引起居民呼吸道病癥劇增 尤其是使哮喘病的發(fā)病率大大提高 50歲以上的老人發(fā)病率約為8 死亡10多人 公害事件 水俁病事件 發(fā)生于1953 1956年日本熊本縣水俁市 因石油化工廠排放含汞廢水 人們食用了被汞污染和富集了甲基汞的魚 蝦 貝類等水生生物 造成大量居民中樞神經(jīng)中毒 死亡率達38 汞中毒者達283人 其中60多人死亡 公害事件 富山痛痛病事件 發(fā)生在1955 1972年日本富山縣神通川流域 因鋅 鉛冶煉廠等排放的含鎘廢水污染了河水和稻米 居民食用后而中毒 1972年患病者達258人 死亡128人 公害事件 愛知米糠油事件 發(fā)生于1968年日本北九州市 愛知縣一帶 因食用油廠在生產(chǎn)米糠油時 使用多氯聯(lián)苯作脫臭工藝中的熱載體 這種毒物混入米糠油中被人食用后中毒 患病者超過10000人 16人死亡 環(huán)境科學 研究內(nèi)容 自然環(huán)境的演化 人與自然的關(guān)系及相互作用 環(huán)境變化對人類生存的影響 環(huán)境污染治理以及自然系統(tǒng)研究等 現(xiàn)代自然科學 地球 環(huán)境 生態(tài) 現(xiàn)代自然科學 生命科學 現(xiàn)代生命科學 概念 包括現(xiàn)代遺傳學 分子生物學 生物化學和神經(jīng)科學等多學科 其中以分子生物學為代表 分子生物學主要研究大分子的結(jié)構(gòu)及其與功能之間的關(guān)系 現(xiàn)代遺傳學與分子生物學 孟德爾1865年發(fā)表 植物雜交實驗 提出兩條遺傳規(guī)律 分離定律和獨立分配定律 摩爾根等在 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 1919 基因理論 1926 系統(tǒng)論述基因理論 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 1953 克里克和沃森建立 中心法則 遺傳密碼 核酸 基因 染色體 轉(zhuǎn)錄 翻譯 現(xiàn)代生命科學 基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子中的一定核苷酸順序 是遺傳信息貯存 傳遞 表達 性狀分化和發(fā)育的依據(jù) 轉(zhuǎn)錄是指以DNA的一條鏈為模板 按照堿基互補配對原則 合成RNA的過程 它是在細胞核內(nèi)完成 翻譯是指以信使RNA為模板 合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過程 在細胞質(zhì)中進行 中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA 再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程 以及遺傳信息在DNA分子中的復制 現(xiàn)代自然科學 生命科學 生命起源 無機物 有機小分子 生物大分子 多分子體系 原始生命 人類起源 拉馬克 動物學的哲學 人類由四手類進化而來 達爾文 人類的由來及性選擇 人類由古猿進化而來 恩格斯 勞動在從猿到人轉(zhuǎn)變過程中的作用 人類發(fā)展的四個特殊階段 腦科學 認知科學和人工智能 現(xiàn)代自然科學 生命科學 是對于各種具體科學 如物理學 生物學 化學和社會學等 中的系統(tǒng)進行科學闡述的理論 以及作為適用于一切系統(tǒng) 或其確定的子類 的根本原理的一般系統(tǒng)論 是以系統(tǒng)存在和發(fā)展的規(guī)律為研究對象的學科體系 現(xiàn)代自然科學 系統(tǒng)科學 現(xiàn)代自然科學 系統(tǒng)科學 一般系統(tǒng)論 發(fā)展過程 發(fā)展的兩條線索 線索一 貝塔朗菲緣于理論生物學研究 1968年出版 一般系統(tǒng)論 基礎(chǔ) 發(fā)展和應(yīng)用 線索二 系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程方法 泰勒合理安排工序與 系統(tǒng)工程 和蘭德公司最佳行動方案與 系統(tǒng)分析方法 一般系統(tǒng)論 基本概念 系統(tǒng) 存在于一定環(huán)境之中 由若干相互聯(lián)系 相互作用的要素所構(gòu)成的具有特定功能的整體 分類 按組成性質(zhì)分為自然系統(tǒng) 人工系統(tǒng)和復合系統(tǒng) 按時空存在狀態(tài)分動態(tài)和靜態(tài)系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 按與外部環(huán)境關(guān)系分為開放和封閉系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系和作用的方式 功能 系統(tǒng)在與外部相互聯(lián)系和作用過程中所具有的行為 能力和功效 基本原則 整體性 層次性 有序性 開放性 系統(tǒng)方法 邏輯維 時間維 知識維 現(xiàn)代自然科學 系統(tǒng)科學 控制論和信息論 研究系統(tǒng)中信息傳遞以及控制的規(guī)律以實現(xiàn)系統(tǒng)功能整體優(yōu)化的目的 產(chǎn)生 維納 濾波理論和負反饋機制 1948年出版 控制論 1948年 申農(nóng)發(fā)表 通信的數(shù)學理論 基本概念 控制 產(chǎn)生原因系統(tǒng)對產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)有目的的影響干預 反饋 系統(tǒng)輸出通過一定途徑返回輸入端而對系統(tǒng)輸入 輸出施加影響的過程 信息是控制的基礎(chǔ) 方法 功能模擬 黑箱 信息方法 現(xiàn)代自然科學 系統(tǒng)科學 探索復雜性 普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論 H 哈肯的協(xié)同學 混沌理論 分形學 現(xiàn)代自然科學 系統(tǒng)科學