自然科学基础(全套ppt课件).ppt

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1、自然科学基础,第一章自然的探索Chapter 1 Exploration of the nature,学习目标和要求：1、了解自然科学的过去、现在和将来的发展趋势Understanding the past, current and future development trend of natural science,教学方法：1、以自学为主，采取通读和重点阅读相结合2、把教材和学习指导书相结合,2、知道自然科学的基本研究方法Knowing the basic research methods for natural science,3、了解自然科学、技术、社会与教育的关系Understan

2、ding the relationship among natural science, technology, society and education,1、近代自然科学诞生阶段的三件大事 Three important events at the naissance stage of modern natural science2、经典力学中牛顿最重要的成就 Newtons most important achievement in Classical Mechanics3、19世纪的三大发现 Three important discoveries in the 19th century

3、 4、20世纪科技的特点 Characteristics of technology in the 20th century 5、自然科学研究的方法 Methods for natural science research 6、观察和实验的意义和作用 Meaning and function of observation and experiment 7、逻辑思维和科学假说 Methods for natural science research,教学重点：,知识结构,自然科学发展的历史轨迹History track of natural science development 自然科学研究的

4、基本方法Basic methods for natural science research 科学技术、社会与教育Technology, society and education,自然科学的发展历程Development process of natural science 近代自然科学诞生阶段的三件大事Three important events at the naissance stage of neoteric natural science 近代自然科学发展阶段的重大成就Important achievements at the development stage of neoter

5、ic natural science 现代科技发展趋势Development trend of modern science and technology,第一节内容分析,一、自然科学发展的历史轨迹History track of natural science development,要 求：1、了解自然科学发展的三个阶段 Understanding the three stages of natural science development,2、了解古希腊的自然科学和我国古代四大发展 Understanding natural science in ancient Greece and

6、the four great inventions in ancient China,古代Ancient times,近代Ancient times,现代modern times,人类有历史记载的文明时期开始,16世纪19世纪欧洲,20世纪开始,诞生时期,三个阶段 Three stages,古希腊的自然哲学Natural philosophy in ancient Greece 自然科学与哲学融为一体 Natural science and philosophy merge 古代中国的四大发明、意义The four great inventions in ancient China and t

7、heir meaning 造纸、印刷术、指南针和火药 Papermaking, printing, compass and gunpowder 马克思“资产阶级发展的必要前提”,要 求：了解以下三件大事对自然科学发展的影响太阳中心说向神学的挑战Challenge put by heliocentricism for theology 血液循环学说对神学的打击Shock put by blood circulation theory on theology 伽利略为近代自然科学开辟道路Shock put by blood circulation theory on theology,二、近代自然

8、科学诞生阶段的三件大事,太阳中心说,Heliocentricism,代表人:波兰天文学家哥白尼 Polish astronomer Copernicus 意大利哲学家布鲁诺 Italian philosopher Bruno 意大利物理学家伽利略 Italian physicist Galileo,意 义：改变了地球为中心的观点，看到了运动的相 对性，向被教会奉为天经地义的地球中心观点提出了严重的挑战,核心内容：日心和地动的观点 Heliocentricism and Copernican theory,Harveys Sketch map of blood circulatio,血液循环学说

9、,维萨里1543年,塞尔维特1553年,哈维1628年,心脏有四个房室Heart has four atrioventricules,小循环Small circulation （肺循环） (pulmonary circulation),大循环Big circulation （体循环 ）(systemic circulation),人体构造,论心脏与血液的运动,意义:沉重地打击了宗教神学有关人体的荒谬说教,Blood circulation theory,伽利略Galileo,1.用望远镜观 察天体，为太 阳中心学说提供证据 2.发现了落体定律和抛物体的运动规律，为经典力学奠定了基础,科学成果方

10、面,1.把实验方法 提高到真正科学的水平，将实验方法和数学方法结合，创立了近代科学方法,科学研究方面,尊称为现代科学之父，其工作标志着自然科学成为独立的科学,三、近代自然科学发展阶段的重大成就Important achievements at the development stage of neoteric natural science,要求：1、了解物理学、生物学、化学领域的重大成就Understand the important achievements in the fields of physics, biology, chemistry 2、掌握十九世纪的三大发现（重点）Mast

11、er the three greatest discoveries in the 19th century (key point),物理学领域,（1）经典力学 Classical mechanics 万有引力定律：Law of gravitation 自然界中一切具有质量的物体之间都存在着相互吸引的作用力，这一引力的大小与两物体质量的乘积成正比，与它们之间的距离平方成反比。,意 义：这一定律的发现，把天体和地面上物体的运动描述统一了起来，并深刻揭示了其运动规律。,1、重要的成就,第一定律：惯性 The first law: inertia 一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫

12、使它改变这种状态为止。,运动三定律,第二定律：质量 The second law: quality 物体的加速度跟物体所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。,第三定律：作用力与反作用力定律 The third law: Force and counterforce 两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。,Three laws of motion,（2）光的波动理论 Light fluctuation theory,牛顿的微粒说Newtons light corpuscle theory 惠更斯的波动说Huygens li

13、ght fluctuation theory,（3）热力学(thermodynamics )的建立和能量守恒原理(energy conservation principle )的发现（4）电磁学Electromagnetics 法拉第的电磁感应定律Faradays law of electromagnetic induction 麦克斯韦用数学语言概括了全部电磁现象，及预言电磁波的存在,化学领域 In the field of chemistry,（1）化学科学的确立 波义耳Boylels ：提出元素element的概念；强调化学是实验科学（2）燃烧的氧化学说的确立oxidation theo

14、ry for combustion 拉瓦锡氧化学说，创立了了化学元素命名方法及质量守恒定律,（3）科学原子论scientific atomic theory的确立 道尔顿建立了原子论，提出了第一张原子图象表（4）化学元素周期律the periodic law of (chemical) elements的发现 俄国门捷列夫、德国迈尔提出了化学元素周期律（5）有机化学organic chemistry的建立 德国维勒用无机物氰和氨水全盛了有机物尿素,2、十九世纪的三大发现（重点）,能量守恒与转化定律Law of conservation and conversion of energy 细胞学说

15、Cell theory 达尔文的生物进化论Darwins Theory of Biological Evolution,热力学：由研究当时的蒸汽机的效率开始，进而描述 热和功的相互转化及其在数量上的关系的规律,能量守恒与转化定律： 是19世纪自然科学三大发现之一，它揭示了热、力、电和化学等各种运动形式之间的转化和统一性，使自然界的运动形式达到空前的综合和统一。这是继牛顿力学体系以来物理学的最大成就。,能量守恒与转化定律,Law of conservation and conversion of energy,细胞学说的建立Establishment of cell theory,细胞是一切有机

16、体结构和发育的基本单位，有机体的发育，就是细胞的分化和形成的过程,胡克第一个发现细胞（小室）,施莱登提出细胞是一切植物结构的基本单位,施旺把这一学说扩大到动物学界,1665年,1838年,1839年,意义：证明了有机体在结构和发育上的统一性，是生物科学史上的重大综合,达尔文的进化论,产生前提： 1819世纪的比较解剖学、胚胎学和古生物学的发展，是生物进化论产生的科学前提。,核心思想：自然选择学说 natural selection theory （适者生存，不适者淘汰） (survival of the fittest, elimination of the undesirable ),重要意

17、义： 细胞学说和达尔文进化论是19世纪生物科学史上的大事件，揭示了生物界的统一性及其发展的规律。这是生物科学发展史上的一次空前的综合，是生物科学的里程碑。恩格斯把它们与能量守恒和转化定律一起誉为19世纪三大发现。,Darwins Theory of Biological Evolution,四、现代科技发展趋势Development trend of modern science and technology,科学技术经历了全面空前的革命,物理学领域： 建立了以相对论the theory of relativit和量子论the quantum theory.为支柱的现代物理学体系等化学领域：

18、对物质的化学结构有了更深入的认识，建立起分子工程学这门新学科生物学领域： 揭示了DNA的结构和遗传密码，遗传工程在新的技术革命中将发挥更巨大的作用,科学走向新的综合Science tends towards new integration,人们的视野在微观和宏观两方面都扩大10万倍以上，对自然界有更深入的了解，使生物学与化学、物理学结合得更加密切，越来越多的事实证明，重大科技成果，都将是综合研究的结果。,科技成为第一生产力，人类生活发生巨大变化Science and technology has become the first productivity, human life has tak

19、en immense changes. 进入20世纪后，科技对生会的推动作用越来越显著，对人类历史发展和国家兴衰起着决定作用。人类生活质量提高，寿命延长，并追求人与自然的和谐。,第二节内容分析,自然科学研究的过程The process of natural scientific research 观察和实验方法Observation and experimental methods 观察、实验结果的整理和总结Observation and experimental methods,一、自然科学研究的过程,要求： 知道自然科学研究经历几个过程,The process of natural sci

20、ence research,Know how many steps are needed to carry out natural science research,自然科学研究的过程,选择和确定研究的课题,制订进行研究的计划,选择观察实验方法,将得到的结果分析归纳作出解释,这是一个不断提出问题和解决问题的过程,Choose and determine the research topic,Design the research,Choose methods for observation and experiment,Analyze, conclude, and explain the re

21、sults,选题,调查研究,作开题报告,如何进行选题：How to choose research topic,制定工作方案和实验计划,Survey research,Present report on research topic,Choose research topic,Make working scheme and the design of experiment,制订实验计划的基本程序,确定实验目的,明确指导理论,选定实验方法、步骤,配备实验器材,实验记录,结果处理,Working out basic procedure for the design of experiment,二、

22、观察和实验方法,要求：1、了解观察和实验的联系与区别Understand the affiliation and difference between observation and experiment.2、了解直接观察和间接观察的优点和缺点Understand the advantages and disadvantages respectively of direct observation and indirect observation.3、了解直接实验和模拟实验的区别和联系Understand the affiliation and difference between direc

23、t experiment and simulative experiment.,Observation and experimental methods,1、观察和实验的区别与联系The affiliation and difference between observation and experiment联 系：都是科学实践活动，是科学研究的基本方法.区 别： 观察 (observation)是在自然条件下进行的，有局限性；不利于认清最本质的、起决定作用的内部规律。 实验 (experiment)可以能够人为地变革和控制自然对象，再现最本质的方面，而且具有可重复性。,观察,分类：根据获取观

24、察对象的方式,直接观察Direct observation 间接观察Indirect observation,定性观察Qualitative observation 定量观察Quantitative observation,根据获取观察对象的要求,分类的目的是为了从不同角度考察观察活动，加深对观察的理解,Observation,定性观察和定量观察,概念：是考察自然界事物是否具有某种特性，以及事物之间是否有某种联系,特点：获得的有关观察对象的性质、特征是大致的、不确定的、粗略的,定性观察,定量观察,概念：是借助科学仪器来测量观察对象的各种数量关系，刻划对象数量特征，因而定量观察又称为观测或测量。

25、,特点：获得的有关观察对象的性质、特征是确定的、定量的,Qualitative observation and quantitative observation,直接观察和间接观察,直接观察,特点：是观察者用感觉器官对观察对象进行观察，形成直接经验知识，,存在问题：存在局限性,有时还有错觉 （受感官的局限性影响）,Direct observation and indirect observation,Direct observation,间接观察,特点：使用观测仪器对进行观察,优越性：扩大观察范围、提高观察的精确性 提高观察速度、能使感觉形式发生 转换,存在问题：1.不如直接观察生动、简便易行

26、 2.仪器发生问题，可能导致观察失误 3.观察不能改变或控制对象,indirect observation,分类：直接实验和模拟实验,直接实验,概念：实验者用实验手段直接作用于所研究的现象或对象的实验。,基本程序：准备阶段（决定实验成败的一个关键）,实施阶段,实验结果的处理阶段,实 验,Experiment,direct experiment and simulative experiment,direct experiment,模拟实验,概念：实验者的实验手段是通过与原型相似的模拟对象间接作用于所研究的现象或对象的。,作用：用于那些不能对其进行直接实验的对象，尝试用与原来对象相似的某个对象（

27、替代物）作为实验的对象,模型的二重性：Double characteristics of model 一方面是实验者运用实验工具实行实际变革的对象 另一方面它只是客观原型的替代物，是实验者用以认识原型的工具,simulative experiment,分 类：,自然模型是从自然界已有的事物中选择出来的替Natural model 代物，如医学上、生物学上用的模型人造模型按照原型先人为制造一个模型，用以Artificial model 代替原型进行一些性能测试,程序：准备阶段、实施阶段和结果处理阶段,特别注意：选择恰当的模型，且要求实验在与原型所处的条件基本相似的情况下进行，才能使实验获得的信息

28、可靠，才能有效地类推到原型上去。,实验方法进行观察研究的特点：,可以纯化研究对象,可以强化实验对象,可以加速、再现或模拟自然过程,实验可将对象置于严格控制的条件下，排除各种偶然、次要、外界等因素的干扰，便于提示客观规律,为了揭示某些变化的规律或本质，要把某些条件强化，在强化的条件下研究对象,模拟实验可以缩短自然现象的周期,Be able to purify the object for research,Be able to intensify the object for research,Simulative experiment can shorten the period of nat

29、ural phenomena.,三、观察、实验结果的整理和总结,要求：1、了解科学抽象活动类型Understand the types of scientific abstract activities2、了解假说及其检验方法Understand hypothesis and the method for verifying it3、了解自然科学发展途径Understand the pathway of natural science development,Sort and summarize the results of observation and experiment.,感性认识,理

30、性认识,自然观察实验,客观事物的本质和运动规律,科学的抽象活动,逻辑思维直觉、灵感,1、感性认识理性认识的过程,Sensitive cognition rational cognition,Sensitive cognition,rational cognition,Natural observation experiment,Scientific abstract activity,Essence and the rule of motion of objective things,Logic thinking, intuition, inspiration,1）逻辑思维,在感性认识的基础上

31、，运用概念、判断、推理等思维形式对客观世界间接的、概括的反映过程。,The basic method for logic thinking,比较-分类法、分析综合法、归纳演绎法、,2）逻辑思维的基本方法,Intuition and inspiration,3）直觉和灵感,4）数学方法,Logic thinking,Method of comparison-classification, method of analysis and synthesis, method of induction -deduction,Mathematic method,5）假说及其检验,假说既是一种科学方法，也是

32、科学研究的成果,基本特征：具有一定的科学根据 具有一定的猜测性,感性认识,理性认识,假说,逻辑分析法,实验检验法,假说检验方法,（科学理论）,Hypothesis and its verification,自然科学就是沿着以下发展途径，越来越丰富和完善的。假说 理论 新假说 新理论,自然科学发展途径：,越来越丰富和完善的。,Pathway of natural science development,(hypothesis),(theory),(new hypothesis),(new theory),第三节内容分析,科学、技术与社会（STS）Science, technology and s

33、ociety(STS) 科学教育的内涵Meaning of scientific education,一、科学、技术与社会（STS）,要求：了解STS的内涵、基本精神Understand the meaning and basic spirit of STS,Science, technology and society (STS),1、科学、技术与社会的内涵The meaning of science, technology and society 是近年来世界各国科学教育改革中形成的一种新的科学教育构想，是以强调科学、技术与社会的相互关系和科学技术在社会生产、生活和发展中的应用为指导思想而

34、组织实施的科学教育。把科学教育和当前的社会发展、社会生产、社会生活紧密结合起来,精神：把科学教育和当前的社会发展、社会生产、社会生活紧密结合起来，从而培养学生对自己生活中与科学有关的问题作出决策的能力。,二、科学、科学教育,科学活动三要素：Three factors of scientific activity 探索对人类生存的宇宙的探索；Exploration-the exploration for the cosmos in which human beings exist解释对探索过程中各种事物所做的解释；Explanation - the explanation for all the

35、 things in the process of exploration;检验对所作解释的检验。Verification the verification for the explanation that has been made.,内涵：,科学知识、科学精神、科学态度与科学方法Scientific knowledge, scientific spirit, scientific attitude and scientific method,Meaning,第二章:自然界的物质性,Chapter2 Corporality of the nature,知识结构,地球概况General sit

36、uation of the Earth 自然界的物质Materials of the nature 地球上的生物Creatures of the Earth,地球在宇宙中的位置：恒星、行星、银河系、太阳及八大行星star, planet, galaxy, the Sun and the eight major planets地球及其圈层结构 ：形状、大小、外部圈层、内部圈层 Shape, size, external sphere internal sphere.地球的表面形态：海陆分布land-sea distribution,第一节知识点分析,一、地球在宇宙中的位置The Earths p

37、osition in the cosmos,宇宙,银河系,太阳系,地球,地球在浩瀚的宇宙中显得十分渺小,宇宙组成：宇宙是空间和时间的统一，是物质世界，包括天体和弥漫物质。,包括恒星、行星、卫星、星云、慧星、流星等天体类型,天体之间相互吸引环绕旋转，形成了不同的天体系统（地月系、太阳系、银河系、总星系）,The celestial body includes star, planet, satellite, nebula, comet, meteor and other types.,The celestial bodies attract, surround and revolve aroun

38、d each other, forming different celestial systems (the Earth-Moon system, solar system, Milky Way galaxy, metagalaxy),1、恒星与行星,恒星由炽热的气体组成，能够自身发光的球形或类似球形的天体（太阳是离地球最近的恒星）Star is constituted of broiling gas, global or semi-global celestial body that can emit light by itself (the Sun is the closet star t

39、o the Earth)特点：飞快地运动着、一般能发光发热Characteristics: Fleetingly move and generally can emit light and heat.行星是环绕恒星公转的天体，有大行星和小行星之分Planet is the celestial body that revolves around the star, and divided into planet and Asteroid.,Star and planet,恒星的主要物理性质：,光度Luminosity 亮度Brightness,恒星本身的发光程度，即它表面所发光量的强弱，用绝对星

40、等表示,恒星在地球上的受光强度，即肉眼所见恒星明亮程度的大小，用视星等表示,视星等分为六级，一级最亮，六级最暗,宇宙中有10亿个类似银河系的星系,距地球最远的星系约距离150亿光年,宇宙中已观测到的所有星系称为总星系,2、银河系,由无数恒星和星际物质组成,圆盘状中部为核球四周为银盘,Milky Way galaxy,日冕,色球,光 球,太阳内部,太阳大气的底层，厚度500千米，在太阳大气中密度最高，是整个太阳中最明亮的部分，光辐射从这里发出,太阳大气的中层厚度约2000千米，亮度仅及光球的千分之一密度也较低，边缘呈锯齿形（日饵），是强烈的上升气流所致,厚度为太阳半径的几倍，密度、亮度很低，其气

41、体粒子不断向外扩散，形成太阳风,温度,3、太 阳 The Sun,4.太阳系的八大行星,物理性质：（除冥王星）,外行星,太阳系的八大行星Eight planets of solar system,八大行星的运动规律：The rule of the motion of the eight planets,近圆性Quasi-circular共面性Coplanar 同向性Coplanar,：指所有行星轨道的偏心率都很小，几乎 近于圆形,：所有行星的公转轨道面都是比较接近的， 大体在一个平面上，与地球轨道面的交 角都不大,：指行星绕日公转的方向是相同的，也同太阳自转的方面一致,二、 地球及其圈层结构T

42、he Earth and the Earths sphere structure,1、地球的特征及意义 与太阳的距离适中，日地平均距离1.196 108千米梨状体赤道半径大于两极半径，且北极略 突、南极略平巨大的体积： 平均半径6371千米、赤道半径6378千米 极地半径6357千米、体积1.0831012立方千米巨大的质量：5.976 1027克,接受太阳热辐射是适中的，地球表面形成了适宜的温度，对生命圈的出现十分重要,形成强大的引力，避免地表大气逸散到外层空间去，对生命的存在有利,是地表自然环境产生的基础也是生命产生和维持的必要条件,球状的形态使地球上各处太阳高度不同，造成热量的带状分布和

43、自然现象的复杂多样,外部圈层,大气圈atmosphere水 圈hydrosphere生物圈biosphere,地壳 the Eaths crust,地幔The Earths mantle,地核the Earths core,超外圈磁层 magnetosphere,人类居住场所,地球的圈层结构示意图,内部圈层,地球的圈层结构（同心圈层）,the Earths sphere structure (concentrical sphere),1、地球的外部圈层 The Earths Outer spheres,大气圈、水圈和生物圈既是相互区别和相互独立的，又是相互渗透和相互作用的,与人类生活密切相关的

44、圈层,Atmosphere, hydrosphere, and biosphere are different and independent from each other, penetrate and act on each other.,特点：越向外密度越小，大气总质量的70%-75%集中在对流层对流层与人的生活有关，如天气现象作用：对生物圈的形成、发育和保护有很大的作用,（1）大气圈 Hydrosphere,（2）水圈 Hydrosphere 包括液态水、固态水和汽态水,（3）生物圈 Biosphere 是地球特有的圈层，和大气圈、水圈甚至地壳交织在一起,2、地球的内部构造 The E

45、arths inner structure,古登堡界面,莫霍界面,地核,康德拉界面,地壳,地幔,地表,地壳及地幔顶部称为岩石圈,地球内部约2900千米的深处,硅铝层 Salic layer 硅美层Siam layer,地壳分为大陆型 和大洋型，前者为双层结构，后者为单元层结构,元素组成：90多种，氧、硅、铝、铁、钙、镁、钾含量最高，其中氧的含量最大，硅次之,（1）地壳结构：以次一级的不连续面（康拉德面）分为两层,富含氧化硅和氧化铝，岩性以沉积 岩和花岗岩为主，大陆地壳特有，大洋地壳缺失,富含氧化硅和氧化镁，岩性由玄武岩和辉 长岩构成，厚度58千米,Structure of the Earths

46、 crust :Divided by the secondary discontinuous plane (Kant-laplaces plane) into two layers,Element components,（2）地幔 the Earths mantle,结构：上地幔（含软流圈）、下地幔,位置：位于岩石圈之下，在上地幔60250千米深度范围内地质意义：可能是岩浆的源地，并与地球表面的许多活动 有密切的关系，造成地幔对流、海底扩张和板 块构造，在地表出现地震和火山现象，形成有 用的矿藏。,软流圈,Structure: upper mantle (includes asthenosph

47、ere), upper mantle.,结构：外核Outer core 由铁、硅、镍等构成，呈熔融态或近于液态内核Inner core 由铁和镍构成，可能为固态,作用：由于外核流体的运动，根据磁流体力学的规律而形成地球磁场,（3）地核 the Earths core,（4）地球表层The Earths surface,是一个独特的物质体系，大气圈、水圈、生物圈和岩石圈互相渗透、交错重叠的复杂综合体，是人类生活的场所,三、地球的表面形态 Configuration of the Earths surface,1.海陆分布Ocean-land distribution 海洋：形成统一的世界大洋un

48、ified world ocean has formed陆地：没有统一的世界大陆unified world land has not formed,特点:海洋面积占有突出优势 （70.8%） 地球表面海陆分布十分不均（北半球陆地多于南半球，东半球的陆地面积大于西半球）海洋的平均深度远大于陆地的平均高度（马里亚纳海沟、珠穆朗玛峰）,洋是主体和中心（89%）， 海是次要的（11%），位于大洋的边缘The ocean is principal part and center (89%), the sea is minor (11%) which is located on the edge of t

49、he ocean.,世界大洋太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋 World oceans: Pacific Ocean, Atlantic Ocean, Indian Ocean and Arctic Ocean海地中海、内海和边缘海 World oceans: Pacific Ocean, Atlantic Ocean, Indian Ocean and Arctic Ocean,海洋底部地貌形态：大陆架、大陆坡、大洋盆地Geomorphologic configuration of the ocean bottom: continental shelf, continental slope,

50、ocean basin.,2.海洋的形态Configuration of ocean,3.陆地的形态Configuration of land,分类：大陆、岛屿continent, island,世界大陆组成：亚欧大陆、非洲大陆、北美洲大陆、南美洲大陆、澳大利亚大陆和南美洲大陆Asian-European Continent, African Continent, North America Continent, South America Continent, AustralianContinent and Antarctic Continent,陆地地形：高原、平原、山地、丘陵 、盆地Te