2017年小学教师资格证考试综合素质辅导：科学常识[1]

20世纪以来的自然科学发展历程中,出现了以相对论、量子力学、基因理论和系统理论创立为主要内容的现代科学革命,从而使自然科学的认识领域突破了宏观世界,迅速向宇观、微观和中观世界进军.

一、现代宇宙学

现代宇宙学是在天文学基础上发展起来的,主要研究宇宙的本质、结构、空间分布以及演化规律.

(-)现代宇宙学的理论基础

广义相对论是现代宇宙学研究的理论基础.广义相对论建立了空间、时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的理论,从而为现代宇宙学奠定了重要理论基础.广义相对论认为,空间-时间本质上是物质客体的广延性和持续性,它本身不是独立存在的.这-思想由于其革命性和数学形式上的深奥,在-段时间里不为科学界所接受.但由于得到越来越多的实验证实,今天广义相对论已被公认为研究大尺度时空的理论基础.这些实验主要包括:(1)水星近日点的进动;(2)光谱引力红移;(3)光线在引力场中偏转.自此,广义相对论被科学家称为"人类思想史上最伟大的成就之-".

(二)宇宙研究的观察手段

1.多普勒效应与谱线红移

多普勒效应是物理学测定物体运动速度的有力手段.它描述了这样-种现象,即面向观察者运动的光源谱线(与静止光源相比)将向高频(即光谱蓝端)移动,而背向观察者运动的光源谱线将向低频(即红端)移动,波长的相对移动量与相对运动速度成正比.

1929年,美国科学家哈勃在仔细研究了-批星系的光谱之后发现,除个别例外,绝大多数星系的光谱都表现出红移,而且红移量大致同星系的距离成正比.如果将红移解释为多普勒效应,那就意味着所有星系都在离地球而去,其退行速度和与地球的距离成正比.这-重要发现证实了宇宙是不断膨胀的,它不仅说明宇宙的无限性,也说明物质运动的绝对性,还说明宇宙在不断地演化和发展.爱因斯坦本人根据这-发现.自动放弃了"静态宇宙结构模型".

2.电磁波的应用

电磁波可以传递宇宙的各种信息.通过电磁波传递宇宙的各种信息,天文学家们可以对宇宙的结构、起源和演化进行研究.比如,利用光学望远镜可以接收到可见光传来的天体信息;利用射电望远镜可以接收天体传来的射电波;利用装置着探测天体的红外线、紫外线、X射线和Y射线等各种仪器的卫星、高能天文台,接收全部电磁波传来的信息,研究不同类型的天体状况,

分析宇宙的结构和它们的演化过程.

(三)宇宙演化的大爆炸模型

在20世纪40年代末,美国物理学家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型.这-模型认为,宇宙起源于160亿年前温度和密度极高的"原始火球"的-次大爆炸,大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙的开端:当时的温度高达100亿度以上,物质密度极大,整个宇宙体系达到平衡,宇宙间只有由中子、质子、电子、光子和中微子等-些基本粒子形态物质混合而成的"宇宙汤";大爆炸后,四种基本力,即引力、强力、弱力和电磁力逐-地分化出来;后来,物质形态依次演化为原子、气态物质、各种恒星体系,最后发展成今天的宇宙.

1965年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,又称3K背景辐射,是-种充满整个宇宙的电磁辐射,其对应到的温度为3K.该发现为大爆炸理论提供了-个有力的证据.

二、现代物理学

(-)原子核物理学电力的发现和原子结构的研究表明,原子是由原子核和电子组成的.原子核物理学是以原子核的

物质结构、性质及其内在规律为研究对象的,是20世纪20年代建立起来的.

1.对核子的研究

1919年,着名物理学家卢瑟福用a粒子做炮弹轰击原子核时,首次发现了质子.由于核内所含质子的总质量与原子量差别很大.这又促使人们去探索组成原子核的其他基本粒子.1932年,英国的查德威克又在实验中发现了构成原子核的另-种基本粒子,即中子.质子和中子统称为核子.

2.核裂变与核能应用

原子和中子的发现是物质结构学说的进步,也为进-步揭开微观领域的奥秘提供了新的武器--质子和中子炮弹.1938年,德国的哈恩在用慢中子轰击铀核时,首次发现了原子核的裂变现象.并放出新的中子.此后,意大利物理学家费米又提出了原子核裂变的链式反应观点,即用铀核裂变时放出的新中子再去轰击其他铀核使之发生连锁反应,裂变时由于质量亏损会放出巨大能量的观点.这就是原子弹和原子能反应堆的基本原理.1942年,费米制成世界上第-个原子能反应堆后,原子能便从实验转向应用.

(二)粒子物理学

粒子物理学是研究最微观层次的物质(即基本粒子)的存在形式、性质、转化和运动规律的物理学分支,也称高能物理学.

1.三类基本粒子

迄今,人们已认识到构成物质的最小组分:12种轻子--只参加弱相互作用、电磁相互作用的费米子,36种夸克--感受强作用力的带电粒子,12种媒介子--传递相互作用的粒子,共计60种.

2.三种作用力

作用在物质上的所有的力可归结为三种:

引力--由引力子传递的最弱的力,但在宇宙大距离、大质量尺度上却是强有力的-种力;

强力--由胶子携带仅在原子核内夸克之间起作用的短程力,即将夸克胶结在-起的色力,使原子核保持为-个整体:

统-的电弱力--以电磁力和弱力两种表现形式出现的同-基本力,经受了实验检验的电弱统-理论描述的-种力.

(三)热力学三定律

热是最普遍的能量传递形式.气体温度是大量气体分子热运动的宏观表现,固体的热传导是物质原子在平衡位置附近机械振动时的能量传递,热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的电磁辐射.所以,热、电磁、光等现象和机械运动都是能量的不同形式,可以相互转化,并且遵循能量守恒定律.

①热力学第-定律

热力学系统如不吸收外部热量却对外做功,须消耗内能:不可能造出既不需外界能量又不消耗系统内能的永动机.

②热力学第二定律

热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功,总要把-部分传给低温热源.根据这个定律,任何热机的效率都不可能达到100%.

③热力学第三定律

在科学家研究固体、液体、分子和原子的自由能的基础上,能斯特提出,在温度达到绝对零度(-273摄氏度)时,物质系统(分子或原子)无规则的热运动将停止.绝对零度不可能达到,但是可以无限趋近.

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