儀器科學(xué)與科技文明課件第1講

1、 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院儀器科學(xué)與科技文明錢政qianzheng北京航空航天大學(xué) 甲骨文、金文、篆文、隸書的來源及區(qū)別?“儀” 和“器”的字義變遷!一、儀器科學(xué)與科技文明的關(guān)系二、儀器科學(xué)與物理學(xué)發(fā)展三、儀器科學(xué)與化學(xué)發(fā)展四、儀器科學(xué)與醫(yī)學(xué)發(fā)展五、儀器科學(xué)與智慧城市六、儀器科學(xué)與科技革命七、儀器科學(xué)與工業(yè)4.0八、儀器科學(xué)研究中的創(chuàng)新思維 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院儀器科學(xué)與科技文明的關(guān)系錢政qianzheng北京航空航天大學(xué)一、儀器與儀器科學(xué)二、文明與科技文明三、儀器進步推動了科技文明儀器與儀器科學(xué)基本概念科學(xué)技術(shù)工作中,用于檢查、測量、分析、計算、發(fā)信號的器具或設(shè)備。一般具有較精密的結(jié)構(gòu)和靈敏

2、的反應(yīng)。廣義上泛指科學(xué)技術(shù)工作中所使用的各種器具。 辭海(第六版 測量儀器:單獨地或連同輔助設(shè)備一起用以進行測量的器具。JJF-1001-2011 通用計量術(shù)語及定義(國家標準 儀器科學(xué)與技術(shù):就是專門研究、開發(fā)、制造、應(yīng)用各類儀器以使人的感覺、思維和體能器官得以延伸的科學(xué)技術(shù)學(xué)科,從而使人類具有更強的感知和操作工具的能力來面對客觀物質(zhì)世界,能以最佳或接近最佳的方式發(fā)展生產(chǎn)力、進行科學(xué)研究、預(yù)防和診療疾病及從事社會活動。儀器與儀器科學(xué)信息流動的過程 計量檢測理論和技術(shù) 傳感器理論和技術(shù)自動控制理論和技術(shù)信號處理理論和技術(shù) 誤差分析理論和技術(shù)1582年,伽利略發(fā)明重力擺擺鐘,惠更斯,1657年壓

3、電效應(yīng)1880年第1臺石英鐘1959年,石英時計1969年,石英手表1955年,第一個銫原子鐘標準美國,鐿原子鐘,1秒/150億年17281759年,哈里森航海鐘中國,銫原子鐘,1秒/0.3億年儀器與儀器科學(xué)度量衡的發(fā)展 古埃及天平 公元前1500年 古希臘天平公元前560年 古羅馬天平 公元1世紀 戰(zhàn)國(楚天平 公元前400年秦始皇統(tǒng)一度量衡魯班尺 王莽、銅卡尺象牙尺,殷墟出土1915年,北洋政府權(quán)度法儀器與儀器科學(xué)天文地理儀器昔武王伐殷,歲在鶉火,月在天駟,日在析木之津,辰在斗柄,星在天黿,星與日辰之位皆在北維。國語周語下 渾儀(早于西漢簡儀(元郭守敬 象限儀(9 世紀伊斯蘭 望遠鏡(16

4、世紀荷蘭魏馬鈞(255年司南,漢代 候風地動儀,東漢 航海水羅盤,明朝顯微鏡(cell的來源 1665 年,羅伯特·虎克顯微鏡(發(fā)現(xiàn)細菌1674 年,列文·虎克第一臺掃描電子顯微鏡1931年,1986年諾貝爾獎掃描隧道顯微鏡年,1986年諾貝爾獎相差顯微鏡觀察1935原儀器與儀器科學(xué)對測量重要性的認識 一切推理都必須從觀察與實驗中得來。伽利略(1564-1642年 意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家,近代實驗科學(xué)的先驅(qū)者。 門捷列夫(1834-1907年 俄國化學(xué)家,發(fā)現(xiàn)了元素周期律,發(fā)表了世界上第一份元素周期表?？茖W(xué)是從測量開始的。 培根(1561-1626年 英國哲學(xué)家,

5、提出了經(jīng)驗歸納法,現(xiàn)代實驗科學(xué)的真正始祖。感覺經(jīng)驗是一切知識的源泉。開爾文(1824-1907年 被看作英國的第一位物理學(xué)家。是熱力學(xué)的主要奠基者之一。測量是知識的起點。一、儀器與儀器科學(xué)二、文明與科技文明三、儀器進步推動了科技文明文明與科技文明什么是文明 古巴比倫(公元前4000年公元前539年滅亡 古埃及(公元前3500年公元前30年滅亡 古印度(公元前2500年公元前187年滅亡 古希臘 (公元前2000 年 公元前146年滅亡 指社會進步,有文化的狀態(tài)。美國民族學(xué)家摩爾根在古代社會中把文明時代定義為繼蒙昧?xí)r代、野蠻時代后人類社會的第三個時代,以文字的發(fā)明和使用為起點。1900年,梁啟超

6、認為“地球上古文明國家有四:中國、印度、埃及、羅馬是也”。世界文明史(麥克高希稱“古巴比倫、古埃及、古印度(公元前2500年、中國、古希臘是世界上的五大文明發(fā)源地”。文明與科技文明北緯30度謎題 大河文明自給自足海洋文明兼容并包叢林文明文明與科技文明科學(xué)與技術(shù)運用范疇、定理、定律等思維形式反映現(xiàn)實世界各種現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的知識體系。 根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和自然科學(xué)原理而發(fā)展成的各種工藝操作方法和技能。廣義的含義還包括相應(yīng)的生產(chǎn)工具和其他物資設(shè)備,以及生產(chǎn)的工藝過程或作業(yè)程序、方法。 在馬克思看來,科學(xué)是一種在歷史上起推動作用的,革命的力量。是歷史的有力的杠桿,是最高意義上的革命力量。1988年9月

7、5日鄧小平在會見捷克斯洛伐克總統(tǒng)胡薩克時,提出了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的著名論斷。 太陽歷、太陰歷和卓爾金歷測算的地球年365.2420天,現(xiàn)代人測算為365.2422天,5000年差一天。測算的金星年為584天,50年內(nèi)誤差7秒。瑪雅數(shù)字 瑪雅數(shù)字是20進制的記數(shù)系統(tǒng)?，斞艛?shù)字由3個符號的組合構(gòu)成:(貝形符號、一(點、五(橫線。需要強調(diào)的是這個符號的發(fā)明和應(yīng)用,具有重要意義。在拉美西斯二世的生日和祭日,旭日才能從大門射入,撒在拉美西斯二世石雕身上 塔高擴大10億倍等于日地距離;塔高除塔底底邊兩倍,是圓周率;塔頂進口隧道對著北極星 積累了豐富的人體生理和解剖知識,能做外科手術(shù),能治多種疾病,

8、能配制藥物 把天狼星和太陽同時在地平線升起定為一年之始,一年三季共12個月,每月30天,加上年終5天節(jié)日共計365天 文明與科技文明中國文明中的科技文明天文學(xué)商代的四分歷;元代郭守敬的授時歷(365.2425 為一年,誤差26秒;太陽黑子的發(fā)現(xiàn)和記載:西漢年間,比歐洲早了800余年;世界最早的哈雷彗星記錄:比歐洲早600多年。數(shù)學(xué)九章算術(shù)(漢代:九章246個問題:各種形狀面積和體積算法;利用勾股定理進行測量;開平方、開立方;求解一元二次方程、聯(lián)立方程;正負數(shù)的概念和運算法則。注重實用性、強調(diào)整體觀!文明與科技文明古巴比倫文明古埃及文明古希臘科學(xué)文明與科技文明古希臘文明中的科技文明 泰勒斯前62

9、4年-前546年 科學(xué)和哲學(xué)之祖希臘學(xué)園 公元前387年 雅典民族英雄墳?zāi)垢浇麬kademus 畢達哥拉斯 前572年-前497年古希臘數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家亞里士多德 前384年-前322年 古希臘百科全書式科學(xué)家蘇格拉底 前469年-前399年 古希臘思想家、哲學(xué)家 歐幾里得前325年-前265年幾何原本(公元前300年 古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德前287年-前212年 杠桿原理、浮力定律 古希臘數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家 希波克拉底前460年-前377年 體液理論 西方醫(yī)學(xué)之父埃拉托色尼前275年-前193年測量地球直徑 地理學(xué)之父一、儀器與儀器科學(xué)二、文明與科技文明三、儀器進步推動了科技文明中國古代科技成就在

10、世界科技成就中所占比例時間公元前6-前1世紀公元西方基督教定為國教(380年中國文藝復(fù)興興起(13世紀末大航海時代(1492年中國與西方科學(xué)發(fā)展示意圖 儀器進步推動了科技文明科技中心轉(zhuǎn)移 1620年1710年1790年1870年1950年第一個科學(xué)活動中心在意大利(1617世紀以達·芬奇和伽里略為代表的意大利科學(xué)家,繼承和發(fā)展了古希臘科學(xué)文化,開創(chuàng)了實驗科學(xué)的傳統(tǒng),使自然科學(xué)開始從神學(xué)中解放出來。 改進了望遠鏡,支撐日心說比薩斜塔實驗,自由落體定律斜面實驗,證明了重力加速度的存在,并引申出單擺理論作為發(fā)明家的達芬奇 達·芬奇(1452年-1519年物理發(fā)現(xiàn)慣性規(guī)律;對杠桿原

11、理有了進一步發(fā)展;發(fā)現(xiàn)了牛頓第三定律;發(fā)現(xiàn)大氣折射現(xiàn)象.數(shù)學(xué)第一次使用加減號。探索出立體幾何中關(guān)于正六面體、圓柱體、球體面積之間關(guān)系的規(guī)律. 其標志是1662年英國皇家學(xué)會的成立,云集了牛頓、虎克、波義耳,哈雷、布拉德雷,瓦利斯、哈克等一大批科學(xué)家。在16601730年間,英國共有60余名杰出科學(xué)家,約占 英國成為世界科學(xué)中心與牛頓有很大的關(guān)系,他的名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理出版于1687年,被認為是近代科學(xué)臻于成熟的里程碑。1727年牛頓死后,英國科學(xué)便開始急劇衰落。波義耳(1627-1691 懷疑派化學(xué)家(1661年 “波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)” 實驗和觀察是一切的基礎(chǔ)1673年做了一個著名的實

12、驗,將金屬放在密閉的容器里加熱,兩個小時打開密閉容器,進行稱重,物質(zhì)的質(zhì)量增加了,但是未能解釋。 1774年,拉瓦錫做了同樣的實驗,進行了精確測量,并給出解釋,這就是質(zhì)量守恒定律。在密閉容器中的定量氣體,在恒溫下,氣體的壓強和體積成反比關(guān)系人類歷史上第一個被發(fā)現(xiàn)的定律第三個科學(xué)活動中心在法國(1819世紀法國科學(xué)的全盛時期在百科全書時代和拿破侖一世時期。百科全書派:以1772年百科全書的出版為標志,主編為狄德羅。參加編纂的主要人員有孟德斯鳩、魁奈、杜爾哥、伏爾泰、盧梭、布豐等一大批法國啟蒙運動時期的著名人物。為法國大革命作了輿論準備,是法國大革命促使法國科學(xué)走向繁榮的。拿破侖對科學(xué)和文化事業(yè)極

13、為關(guān)注。掌權(quán)后,他定時出席研究院的會議,邀請院士們報告科學(xué)進展。執(zhí)政初期,他就將巴黎理工、炮兵、路橋等高等?？茖W(xué)校(稱“大學(xué)?！狈譃榛A(chǔ)和應(yīng)用兩種。拿破侖對科學(xué)和文化事業(yè)的關(guān)注促進了法國科學(xué)的繁榮,為世界貢獻了以拉瓦錫、拉格朗日、拉普拉斯、傅里葉為代表的一批卓越的科學(xué)家和出色的科學(xué)成果。此外,還貢獻一大批出色的工程師。 安托萬-洛朗·拉瓦錫(1743.8.26-1794.5.8法國著名化學(xué)家,近代化學(xué)之父,拉瓦錫之于化學(xué),猶如牛頓之于物理學(xué)。通過測量發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律,推動了化學(xué)方程式的發(fā)展;第四個科學(xué)活動中心在德國(1920世紀從柏林(洪堡大學(xué)成立的1810年開始的,直到第二次世界

14、大戰(zhàn)德國失敗。 倫琴(1845-1923年著名物理學(xué)家 X 射線發(fā)現(xiàn)者,第1位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 赫茲(1857-1894年 物理學(xué)家 證實了電磁波的存在及發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng) 電磁波實驗裝置(1888年 馬克斯·普朗克(18581947德國物理學(xué)家,量子論的奠基者。1894年起,開始研究黑體輻射,提出能量子概念和普朗克常數(shù),成為此后微觀物理學(xué)中最基本的概念和極為重要的普適常量。愛因斯坦和愛丁頓爵士 光線偏折(1919年第一個驗證相對論的實驗一戰(zhàn)后科技中心開始轉(zhuǎn)移到美國(2021世紀19世紀的美國主要是搞技術(shù)發(fā)明、技術(shù)引進。這一時期的代表人物當屬愛迪生。一戰(zhàn)以后,美國成為最強大的資本主義

15、國家,逐漸走上科技全面發(fā)展的軌道,并趁希特勒排猶之際大量引進人才。愛因斯坦、費米等,都是被迫流亡到美國的。這些人到美國后,為美國的科學(xué)事業(yè)作出了寶貴的貢獻。美國建立了一套獨特的科研體制,能夠運用系統(tǒng)科學(xué)的成果進行科學(xué)的組織管理。他們用“曼哈頓工程”研制了原子彈,用“阿波羅計劃”完成了登月飛行。 托馬斯·阿爾瓦·愛迪生(1846年-1931年儀器進步推動了科技文明第五次科技中心 邁克爾遜（1852-1931年），美國第一個諾貝爾獎獲得者 發(fā)明光學(xué)干涉儀并使用其進行光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究 密立根（1868-1953年），加州理工學(xué)院崛起的奠基人 以其測定電子電荷及光電效應(yīng)的出色

16、工作獲諾貝爾獎 康普頓（1892-1962年），吳有訓(xùn)驗證了康普頓效應(yīng) X射線對自由電子發(fā)生散射時，光子能量減少，波長變大 莫奇來（1907-1980年）和愛克特（1919-1995年） 世界上第一臺計算機（1946年誕生于賓夕法尼亞大學(xué)） 36 儀器進步推動了科技文明第五次科技中心 楊振寧，1948年芝加哥大學(xué) 李政道，1950年芝加哥大學(xué) 丁肇中，1962年密歇根大學(xué) 李遠哲，1965年加州伯克利 1957年諾貝爾物理獎獲得者 1957年諾貝爾物理獎獲得者 1976年諾貝爾物理獎獲得者 1986年諾貝爾化學(xué)獎獲得者 朱棣文，1976年加州伯克利 崔琦，1967年芝加哥大學(xué) 錢永健，1977年劍橋大學(xué) 高錕，1965年帝國理工學(xué)院 1997年諾貝爾物理獎獲得者 1998年諾貝爾物理獎獲得者 2008年諾貝爾化學(xué)獎獲得者 2009年諾貝爾物理獎獲得者 37 儀器進步推動了科技文明第五次科技中心 葉企孫、哈佛大學(xué) 吳有訓(xùn)、芝加哥大學(xué) 饒毓泰、普林斯頓 胡剛復(fù)、哈佛大學(xué) 胡明復(fù)、哈佛大學(xué) 姜立夫、哈佛大學(xué) 博士-1923年 博士-1