現(xiàn)代科學技術概論

現(xiàn)代科學技術概論【一】數(shù)學(一)純粹數(shù)學的要緊趨勢1、現(xiàn)代數(shù)學研究的三大方向：(1)純粹數(shù)學的要緊趨勢；(2)應用數(shù)學的發(fā)展和計算機的影響；(3)現(xiàn)代數(shù)學成果及特征。2、20世紀的序幕：1900年8月，德國數(shù)學家希爾伯特在巴黎國際數(shù)學家大會上作了題為《數(shù)學問題》的著名演講。提出了23個數(shù)學問題。這些問題的研究與解決大大推動了數(shù)理邏輯、幾何基礎、群論、數(shù)學物理、數(shù)論、概率論、函數(shù)論、代數(shù)幾何、常微分方程、偏微分方程、黎曼曲面論、變分法等一系列數(shù)學分支的發(fā)展。3、更高的抽象性：集合論觀點的滲透和公理化方法的運用。4、更強的統(tǒng)一性第四部分：現(xiàn)代科學技術(二)空前發(fā)展的應用數(shù)學1、應用數(shù)學的新時代(1)數(shù)學的應用突破了傳統(tǒng)的范圍而進入向人類幾乎所有的知識領域；(2)純數(shù)學幾乎使所有的分之都獲得了應用，其中最抽象的一些分之也參與了滲透；(3)現(xiàn)代數(shù)學對生產(chǎn)技術的應用變得越來越直截了當(4)現(xiàn)代數(shù)學在向外滲透的過程中，產(chǎn)生了一些相對獨立的應用學科，這些學科以數(shù)學方法和數(shù)學理論為基礎。2、數(shù)學向其它科學得滲透3、計算機于與現(xiàn)代數(shù)學【二】物理學(一)物理學革命的發(fā)端

——X射線、元素放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。1、X射線的發(fā)現(xiàn)迅速應用于醫(yī)學；發(fā)現(xiàn)了元素放射性和電子，利用核能才得以可能。2、元素放射性的發(fā)現(xiàn)證明原子也是科可分的；利用核能成為現(xiàn)實。3、電子的發(fā)現(xiàn)量子力學的產(chǎn)生。(二)現(xiàn)代物理學的差不多理論1、狹義相對論和相對論力學(1)“以太漂移”實驗和相對論的先驅(qū)尋找“以太”~邁克爾遜-莫雷實驗~無果而終。(2)愛因斯坦建立相對論相對論是關于物質(zhì)運動與時間空間關系的理論。相對性原理：在所有的慣性系里，無論是力學定律依然熱學定律、電磁學定律、光學定律等等物理定律在任何慣性參照系中都同樣成立，不存在特殊的慣性參照系。光速不變原理：光在真空中傳播速度是一個恒定的常數(shù)，它和光源的移動速度(指勻速直線運動)無關，和觀察者的運動速度也無關。推論：運動中尺子縮短；運動中時鐘走慢；光速是極限速度。2、廣義相對論

引力場中時空產(chǎn)生彎曲：引力場中物質(zhì)的分布多少決定時空的彎曲程度廣義相對論提出了三個可供檢驗的預言：①水星的近日點的進動幅度。理論計算值與當時的觀測值只有千分之二的誤差。

②光線在引力場中將會產(chǎn)生偏轉。被星光通過日全食太陽時發(fā)生偏轉證實。③引力頻移，即當光線在引力場中傳播時頻率會發(fā)生變化。1925年被亞當斯對天狼伴星的光譜線的觀測。3、“紫外災難”與量子力學的創(chuàng)立19世紀末期，物理學家開始深入地研究黑體的輻射強度分布。所謂的黑體指的是如此一種理想的物體，它關于外部射來的輻射全部吸收而不反射。真正的黑體是不存在的，一般用用任何輻射、開有一個小孔的器壁圍成的空腔來代替。通過黑體來研究熱輻射，尋找黑體輻射波長與溫度之間的關系?！白贤鉃碾y”引出“能量子”①維恩公式~長波部分與實驗不符。②瑞利-金斯公式~短波(紫外)部分與實驗不符。但瑞利-金斯等人得出的共識，是依照經(jīng)典物理的理論嚴密推導的，瑞利和金斯也是物理學界公認的治學嚴謹?shù)娜?，理論值與實驗值在短波區(qū)的北轍南轅，使人們不得不稱之為“紫外災難”。經(jīng)典物理學陷入困境。為了找到普遍的公式，物理學家們絞盡腦汁。兩個公式確信都有合理之處，然而他們在數(shù)學上是那么的格格不入，實在很難把兩個公式統(tǒng)一在一起并給出合理的解釋。1896年開始,普朗克也加入了尋找一個統(tǒng)一的黑體輻射公式的行列同時進行了艱難而細致的研究。由于此人的數(shù)學功底特別扎實，在紫外和紅外兩個公式的啟發(fā)下，普朗克天才地用數(shù)學方法拼湊出了一個普遍適用的黑體輻射強度公式——普朗克公式。然而解釋那個公式同樣讓人頭疼，在波爾茲曼觀點的啟發(fā)下，他認識到必須拋棄能量連續(xù)的觀念，認為物體在吸收或放出的能量時是一份一份不連續(xù)地進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。那個最小數(shù)值就叫能量子。從而提出了普朗克量子假設。1900年普朗克提出“能量子”假說不連續(xù)的能量單位，是一份一份跳躍式地進行的，每份能量為：E=hv，其中h代表普朗克常數(shù)。當ν→０，即在長波范圍，普朗克定律變?yōu)槿鹄?金斯公式。當ν→∞，即在短波范圍，又與維恩定律一致。將維恩公式和瑞利公式綜合在一起，理論值與實驗結果符合得較好。1918年普朗克由于對量子理論的貢獻獲得諾貝爾物理學獎。

1905年愛因斯坦受能量子啟發(fā)，提出光量子即光子的概念，認為光本身也是不連續(xù)的，在吸收、發(fā)射和傳播過程中基本上不連續(xù)的。標志著量子理論的產(chǎn)生。確認了光的波動說。確認了光的粒子說，即光電效應。因此，光具有波粒二像性【三】化學(一)化學的學科分類：共有7個二級學科。1、無機化學2、有機化學3、分析化學4、物理化學5、高分子化學6、化學工程7、邊緣學科(如計算化學、固體化學、激光化學、地球化學等)(二)化學的新成就1、量子化學的產(chǎn)生2、催化作用的研究3、結構化學的建立4、分子工程學的出現(xiàn)(三)化學的應用及發(fā)展方向1、化學與農(nóng)業(yè)2、化學與能源3、化學與新材料4、化學與生物醫(yī)藥二十一世紀人類社會面臨的挑戰(zhàn)：人口劇增食品短缺資源匱乏環(huán)境污染加劇疑難病治療等重大問題【四】生命科學生物工程顯示了強大的生命力：生物資源的可再生性，在常溫常壓下生產(chǎn)珍貴產(chǎn)品節(jié)約能源和資源，減少環(huán)境污染；增加糧食生產(chǎn)，開辟食物的新來源；解決疑難病的治療；對傳統(tǒng)的舊行業(yè)技術改造……(一)分子生物學的創(chuàng)立、發(fā)展及重大意義1、生命的基礎物質(zhì)和本質(zhì)特征A、什么是生命？以核酸和蛋白質(zhì)為主，具有自我更新、自我復制和自我調(diào)節(jié)的復雜而有序的多分子體系。B、生命的基礎物質(zhì)元素：要緊是碳、氫、氧、氮、硫、磷等化合物：無機物(水和無機鹽)、有機物(蛋白質(zhì)、核酸、糖類和脂肪)C、生命的本質(zhì)特征具有自我更新的新陳代謝的能力具有自我復制的繁殖能力具有自我調(diào)節(jié)的反應能力2、分子生物學的創(chuàng)立與發(fā)展(1)準備與醞釀階段：A、確定了蛋白質(zhì)是生命的要緊基礎物質(zhì)；B、確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎是DNA。(2)現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段A、DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)B、遺傳中心法那么的建立DNA雙螺旋結構模型遺傳學中心法那么(geneticcentraldogma)：描述從一個基因到相應蛋白質(zhì)的信息流的途徑。遺傳信息貯存在DNA中，DNA被復制傳給子代細胞，信息被拷貝或由DNA轉錄成RNA，然后RNA翻譯成多肽。只是，由于逆轉錄酶的反應，也能夠以RNA為模板合成DNA。(3)初步認識生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段其重大成就有：重組DNA技術的建立與發(fā)展；基因組研究的發(fā)展；單克隆抗體及基因工程抗體的建立與發(fā)展；基因表達調(diào)控機理研究；細胞信號轉導機理研究成果。(二)生物技術的種類及發(fā)展

1、細胞工程

(1)細胞培養(yǎng)技術

(2)細胞融合技術

2、發(fā)酵工程

3、酶工程

4、遺傳工程

5、蛋白質(zhì)工程細胞工程有目的，有計劃地改造細胞，能達到細胞產(chǎn)物及組織本身的規(guī)模生產(chǎn)。包括動物植物細胞和組織培養(yǎng)技術；細胞融合技術；細胞核及細胞器移植技術。應用：植物體細胞組織培養(yǎng)技術-試管苗；莖尖脫毒技術；單克隆抗體；細胞核移植技術。

發(fā)酵工程(也叫微生物工程)

給微生物一個最適合生長的條件，利用微生物的代謝功能，通過現(xiàn)代化工程手段生產(chǎn)人類所需的產(chǎn)品。發(fā)酵工程利用生物材料(來自自然界的微生物，基因重組微生物等各種來源的動物細胞和植物細胞)生產(chǎn)有用物質(zhì)，服務人類的一門綜合科學技術。是生物工程的要緊基礎和支柱。

發(fā)酵工程技術目的生物體微生物植物細胞動物細胞選育技術常規(guī)技術細胞融和技術基因重組技術培養(yǎng)技術工程放大過程控制和優(yōu)化生物反應器設計分離精制技術固液分離技術膜分離技術層析分離技術其他分離技術→→→→目標產(chǎn)品發(fā)酵工程技術的特點：在常溫常壓下進行，耗能少，相對投資少，見效快發(fā)酵工程技術的應用：食品制藥：青霉素，抗生素，基因工程技術藥物替代化工合成用微生物發(fā)酵的方法開發(fā)能源環(huán)境污染的防治酶工程酶工程即利用酶、細胞或細胞器所具有的某些特異催化功能，借助生物反應器和工藝過程，生產(chǎn)人類所需要產(chǎn)品的一種技術。應用：基因重組技術的必要工具限制性核酸內(nèi)切霉

DNA連接霉和DNA聚合霉食品工業(yè)，醫(yī)藥工業(yè)，造紙工業(yè)等含酶洗滌劑其它方面基因工程微生物工程菌發(fā)酵工程動植物細胞細胞融合原料酶工程生物反應器中進行產(chǎn)品基因重組技術和細胞融合技術結合創(chuàng)造具有特殊功能和多功能的工程菌和超級菌，再通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)新的有用的物質(zhì)。酶工程和發(fā)酵工程相結合能夠改革發(fā)酵工藝，提高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益。生物工程：基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程生物反應器中進行(三)現(xiàn)代生物技術對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響1、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決食品短缺

A、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及其品質(zhì)

B、植物種苗工廠化生產(chǎn)

C、提高糧食品質(zhì)

D、生物固氮，減少化肥使用量

E、培育動物優(yōu)良品系，發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)2、提高生命質(zhì)量，延長人類壽命

A、新藥開發(fā)

B、疾病的預防與診斷

C、基因治療3、解決能源危機，治理環(huán)境污染

A、解決能源危機

B、環(huán)境保護

現(xiàn)代高科技【一】電子計算機技術【二】信息技術【三】材料技術新材料：指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展中的、具有優(yōu)異性能和特殊功能，對加速科學技術進步、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展、增強國防實力具有重大推動作用的材料。新材料的分類：A、按物質(zhì)結構：金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料；B、按材料的使用：結構材料和功能材料；C、按物質(zhì)形態(tài)：單晶體材料、多晶體材料、非晶體材料和復合材料；D、按材料的加工：天然材料和人工復合材料。特性：性能超群、應用廣泛，對發(fā)展經(jīng)濟、科技、國防都有特殊重要的作用。(一)金屬材料1、黑色金屬材料—各種鋼鐵材料，包括單獨冶煉的鐵金屬，也包括鐵、鉻錳等金屬和碳、硅、硫等非金屬元素混合冶煉所得的材料。特性：具有良好的物理、機械性能，資源豐富，價格低廉，工藝性能好，便于加工，能夠耐高壓、腐蝕，強度高、耐高溫、重量輕。2、有色金屬材料—即指鐵、鉻、錳三種金屬以外的所有金屬，要緊指銅、鋁、鉛和鎳等。(二)無機非金屬材料(或者稱硅酸鹽材料)，要緊包括：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料。(三)有機高分子材料是由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的分子量足夠高的有機化合物，它的分子量常高達成百上千甚至到幾百萬，這種高分子化合物一般具有長鏈結構。三大合成材料：

1、合成塑料；2、合成橡膠；3、合成纖維(四)新型復合材料是指20世紀60年代以來航空、航天工業(yè)的需求，人們通過先進科技制造的比強度和比橫量大于特定量值的多層結構復合材料。包括玻璃鋼、碳纖維復合材料等。(五)特種材料

1、人體材料；2、電子材料；3、超導材料;4、納米陶瓷；5、泡沫材料；6、啤酒材料;7、特殊水泥。(六)新材料展望朝高功能化、高性能化、復雜化和智能化方向發(fā)展。

1、信息功能材料是最活躍的領域；

2、新結構材料受到重視；

3、符合材料是改善性能、節(jié)約資源的有效途徑；

4、能源材料是一個開闊的新領域；

5、材料科學技術的其他活躍領域?！舅摹磕茉垂こ?、能源：能源是指人類用來獲取能量的自然資源。2、能源的分類①

按來源不同可把能源分為三類：來自地球以外天體的能量(直截了當?shù)奶栞椛淠芡?，還包括間接來自太陽的能源如化石能源、生物能、水能、風能、海洋能等)；地球本身蘊藏的能量資源(如地熱能等)；地球與其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量(如潮汐能等)。②按形成條件不同，可把能源分為兩類：一次能源：指天然存在的、可直截了當利用的(如原煤、原油、天然氣、水力、太陽能等)；二次能源：在一次能源基礎上加工而成的(如電力、汽油、煤氣、沼氣、氫氣等)。③按能否反復利用，可把能源分為兩類再生能源（如太陽能、風能、水力等）；非再生能源（煤炭、石油、天然氣等）。④

按開發(fā)使用的程度不同，可把能源分為兩類常規(guī)能源，指已被廣泛利用的能源；新能源，指未被廣泛利用、正在研究開發(fā)、有待推廣的能源。3、全球能源危機有關資料顯示：目前在世界初級能源的產(chǎn)量和消費中，居第一位的是石油，其次是煤炭、天然氣。石油的開采歷史已超過140年；目前全球每天消耗石油量達7700萬桶，且以每年1~2%的速度增加；目前世界石油總儲量為3000~8000億噸，可開采40~100年。煤炭每年開采量為35億噸；全球可供開采的煤炭儲量為7000~17000億噸；可供開采和使用的年限為200~500年。樂觀可能，目前全世界可開采的天然氣總儲量為280億立方米；能滿足170年的需求。石油、煤炭、天然氣等常規(guī)化石能源的儲量日益減少，在可預見的不長時間內(nèi)將被消耗殆盡，全球面臨著嚴重的能源危機。假如新的替代能源沒有屆時被發(fā)現(xiàn)，人類的生存面臨嚴重挑戰(zhàn)！近20年來，世界上發(fā)生的許多危機、沖突基本上圍繞爭奪能源引發(fā)的(如兩伊戰(zhàn)爭，前蘇聯(lián)出兵阿富汗，海灣戰(zhàn)爭，科索沃戰(zhàn)爭，美國推翻塔利班，伊拉克戰(zhàn)爭等)。美國、俄羅斯、日本、歐盟、中國等許多國家針對中東、里海等石油資源展開了激烈的較量和錯綜復雜的斗爭。我國煤炭儲量居世界第3位，人均為世界平均水平的50%；石油儲量居世界第6位，人均為世界平均水平的17%；人均石油產(chǎn)量與消費量占世界平均水平的21%~22%；我國天然氣儲量居世界第16位，人均為世界平均水平的10%。目前我國人年均能源消耗是1000公斤標準煤，美國是11000公斤，英、德、法等國家為5000~6000公斤；2030年以后，我國人年均能源消耗是2000~3000公斤標準煤，人口達15億以上。從1996年開始，我國由原油出口國變成原油進口國；2000年我國進口石油占消耗量的20%，2017年將達到40%以上。美日等發(fā)達國家都建立了戰(zhàn)略石油儲備制度，可提供3~6個月的石油供應；我國沒有戰(zhàn)略石油儲備。解決我國及世界能源危機的途徑：一是節(jié)約使用能源，二是加強新能源技術的研究、開發(fā)和利用，不斷擴大利用新能源的比重。4、新能源技術A、核能；B、太陽能；C、地熱能；D、風能；E、海洋能；F、生物能；G、氫能。A、核能核能又稱原子能。它是指原子核結構發(fā)生變化(核裂變、核聚變)時釋放出的能量。核能比化石燃料燃燒放出的能量大得多。1kg鈾235=1800t石油或2800t標準煤。核裂變反應是指一個重原子核分裂成2個較輕的新原子核的過程，有自發(fā)和誘導兩種，一般指后者。用來進行核裂變反應并連續(xù)釋放能量的物質(zhì)，稱核裂變?nèi)剂?。假如核裂變反應中產(chǎn)生的中子再引起其它的鈾核裂變，就可使核裂變反應不斷地進行下去，稱為“鏈式反應”。鏈式反應的速度極快，兩次反應間隔時間只有2x10-14秒。核電站：利用核能來發(fā)電的裝置稱為核電站，目前大多數(shù)核電站是利用核裂變能來發(fā)電的；核電站的核心是核反應堆，核反應堆有多種類型，目前運行的核電站以熱中子輕水堆居多；1954年，前蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站；現(xiàn)在世界上有30多個國家的400多座核電站在運行，占世界總電力的20%左右；我國秦山核電站、大亞灣核電站已建成和正式發(fā)電，秦山二期、三期核電工程、嶺澳核電工程、連云港核電工程也將于近年內(nèi)建成發(fā)電。核電站的要緊問題是放射性核廢料的處理、儲存和最終處置。(4)核電第二代—快中子增殖反應堆熱中子反應堆對天然鈾的利用率很低(只有0.7%)，快中子增殖反應堆以钚239為裂變?nèi)剂辖M成堆芯，以鈾238包圍在堆芯周圍作為增殖層，使鈾的利用率達到60%~70%。(5)受控核聚變—是指兩個或兩個以上較輕的原子核聚合成一個較重的原子核的反應。核聚變?nèi)剂弦o是氫及其同位素氘和氚。受控核聚變具有以下優(yōu)點：

①能質(zhì)比高，是同質(zhì)量核裂變釋放能量的4倍；

②原料足，從海水中可大量提取氘和氚；

③無放射性，安全、清潔、不污染。核聚變能的和平利用目前尚處于研究階段。B、太陽能利用太陽能的新技術、新材料和新設備不斷出現(xiàn)，為太陽能的廣泛應用奠定了基礎。目前，直截了當利用太陽輻射能有三種方式：光-熱轉換：確實是把太陽輻射能通過各種集熱裝置(集熱器)轉變成熱能。如太陽能熱發(fā)電；太陽能高溫爐冶煉高溫材料；太陽能節(jié)能建筑—太陽房；利用太陽能使海水淡化；太陽池(鹽湖水太陽能發(fā)電技術)；太陽能熱水器。光-電轉換：通過太陽能電池(光電池、光伏電池)將太陽輻射能直截了當轉變成電能。太陽能電池的工作原理是光電效應。太陽能電池已廣泛應用于宇宙飛行器、交通工具、自動控制領域、光伏發(fā)電等。光-化學轉換：用光和物質(zhì)相互作用引起化學變化的過程。如植物光合作用、光化學電池制氫。光-化學轉換目前還僅限于實驗室試驗。C、地熱能：地球內(nèi)部蘊藏著的熱能稱為地熱能，來自高溫巖漿、巖石中放射性元素衰變。在地球上所有的能源中，地熱能僅次于太陽輻射能(火山爆發(fā)、地震和其他地殼變動)。地熱資源按存在形式可分為五大類型：蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和巖漿型。地熱能廉價、清潔，利用前景十分廣闊。D、風能：是太陽輻射造成地球各部分受熱不均，引起空氣運動而產(chǎn)生的能量。風能要緊靠風力機把風能轉化為機械。利用風力能夠發(fā)電、提水、助航、制冷、致熱等。E、海洋能：是指海水在運動過程中產(chǎn)生的能。它包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等。海洋中除有巨大的海洋能外，還有豐富的海洋礦物資源、海水資源和海洋生物資源。人類有可能在21世紀進入全面、綜合、立體開發(fā)海洋的“海洋經(jīng)濟時代”。F、生物能：也叫生物質(zhì)能，它是指綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。生物質(zhì)能的種類繁多，目前可被利用的大致有六大類：

(1)木材和森林工業(yè)廢棄物(樹枝、樹葉、樹根等)；

(2)農(nóng)業(yè)廢棄物(秸桿、果核、玉米芯等)；

(3)水生植物(藻類等)；

(4)油料作物(棉籽、麻籽、油桐等)；

(5)城市與工業(yè)有機廢棄物(垃圾和食品、屠宰、制酒、制紙工業(yè)的排泄物等)；

(6)糞便。G、氫能：是指氫在發(fā)生化學變化和電化學變化過程中產(chǎn)生的能量。氫作為能源的優(yōu)點是儲量豐富、熱值高和清潔無污染。氫的利用：(1)直截了當用作燃料（如發(fā)射火箭等）；

(2)用作燃料電池（如用于航天飛機）；

(3)用作能源轉換介質(zhì)（能源中間載體）。5、航天工程航天：指人造衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器在大氣層外宇宙空間的航行活動。航天工程：探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的綜合性工程技術：包括噴氣推進技術、火箭制導和控制、航天器軌道控制及姿態(tài)控制、空間通信、空間遙感、生命保障、火箭設計、航天器設計、機械制造、材料工程、航天器發(fā)射與返回等。人類活動的四個領域，即第【一】第【二】第三和第四環(huán)境：①地球上的陸地；②海洋；③大氣層空間；④宇宙空間。航天技術的歷史：萊特兄弟的動力飛機——航空事業(yè)不足100年；現(xiàn)代火箭V2——航天事業(yè)只有50多年；第一顆人造衛(wèi)星——40多年；人類夢想飛天的歷史——得用萬年來計算；從我國古代火箭誕生——1000年；“萬戶飛天”——600多年。三個宇宙速度：通常把航天器達到環(huán)繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小速度，分別稱為第一宇宙速度(V1=7.9km/s)、第二宇宙速度(V2=11.2km/s)和第三宇宙速度(V3=16.7km/s)。中國航天技術成就1970.04.24：“東方紅1號”人造地球衛(wèi)星。1975.11.26：返回型遙感衛(wèi)星(是世界上第三個掌握衛(wèi)星回收技術的國家)。1981.09.2