2017年小學教師資格綜合素質各章節(jié)講義：科學常識

　　【摘要】多普勒效應是物理學測定物體運動速度的有力手段。更多內容整理詳見下面環(huán)球網校教師資格頻道整理的2017年小學教師資格綜合素質各章節(jié)講義：科學常識。

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　　20世紀以來的自然科學發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了以相對論、量子力學、基因理論和系統(tǒng)理論創(chuàng)立為主要內容的現(xiàn)代科學革命，從而使自然科學的認識領域突破了宏觀世界，迅速向宇觀、微觀和中觀世界進軍。

　　一、現(xiàn)代宇宙學

　　現(xiàn)代宇宙學是在天文學基礎上發(fā)展起來的，主要研究宇宙的本質、結構、空間分布以及演化規(guī)律。

　　(-)現(xiàn)代宇宙學的理論基礎

　　廣義相對論是現(xiàn)代宇宙學研究的理論基礎。廣義相對論建立了空間、時間是隨著物質分布和運動速度的變化而變化的理論，從而為現(xiàn)代宇宙學奠定了重要理論基礎。廣義相對論認為，空間-時間本質上是物質客體的廣延性和持續(xù)性，它本身不是獨立存在的。這-思想由于其革命性和數(shù)學形式上的深奧，在-段時間里不為科學界所接受。但由于得到越來越多的實驗證實，今天廣義相對論已被公認為研究大尺度時空的理論基礎。這些實驗主要包括：(1)水星近日點的進動;(2)光譜引力紅移;(3)光線在引力場中偏轉。自此，廣義相對論被科學家稱為“人類思想史上最偉大的成就之-”。

　　(二)宇宙研究的觀察手段

　　1.多普勒效應與譜線紅移

　　多普勒效應是物理學測定物體運動速度的有力手段。它描述了這樣-種現(xiàn)象，即面向觀察者運動的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍端)移動，而背向觀察者運動的光源譜線將向低頻(即紅端)移動，波長的相對移動量與相對運動速度成正比。

　　1929年，美國科學家哈勃在仔細研究了-批星系的光譜之后發(fā)現(xiàn)，除個別例外，絕大多數(shù)星系的光譜都表現(xiàn)出紅移，而且紅移量大致同星系的距離成正比。如果將紅移解釋為多普勒效應，那就意味著所有星系都在離地球而去，其退行速度和與地球的距離成正比。這-重要發(fā)現(xiàn)證實了宇宙是不斷膨脹的，它不僅說明宇宙的無限性，也說明物質運動的絕對性，還說明宇宙在不斷地演化和發(fā)展。愛因斯坦本人根據這-發(fā)現(xiàn)。自動放棄了“靜態(tài)宇宙結構模型”。

　　2.電磁波的應用

　　電磁波可以傳遞宇宙的各種信息。通過電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學家們可以對宇宙的結構、起源和演化進行研究。比如，利用光學望遠鏡可以接收到可見光傳來的天體信息;利用射電望遠鏡可以接收天體傳來的射電波;利用裝置著探測天體的紅外線、紫外線、X射線和Y射線等各種儀器的衛(wèi)星、高能天文臺，接收全部電磁波傳來的信息，研究不同類型的天體狀況，

　　分析宇宙的結構和它們的演化過程。

　　(三)宇宙演化的大爆炸模型

　　在20世紀40年代末，美國物理學家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這-模型認為，宇宙起源于160億年前溫度和密度極高的“原始火球”的-次大爆炸，大爆炸的時刻就是今天所觀察到的宇宙的開端：當時的溫度高達100億度以上，物質密度極大，整個宇宙體系達到平衡，宇宙間只有由中子、質子、電子、光子和中微子等-些基本粒子形態(tài)物質混合而成的“宇宙湯”;大爆炸后，四種基本力，即引力、強力、弱力和電磁力逐-地分化出來;后來，物質形態(tài)依次演化為原子、氣態(tài)物質、各種恒星體系，最后發(fā)展成今天的宇宙。

　　1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，又稱3K背景輻射，是-種充滿整個宇宙的電磁輻射，其對應到的溫度為3K。該發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論提供了-個有力的證據。

　　二、現(xiàn)代物理學

　　(-)原子核物理學電力的發(fā)現(xiàn)和原子結構的研究表明，原子是由原子核和電子組成的。原子核物理學是以原子核的

　　物質結構、性質及其內在規(guī)律為研究對象的，是20世紀20年代建立起來的。

　　1.對核子的研究

　　1919年，著名物理學家盧瑟福用a粒子做炮彈轟擊原子核時，首次發(fā)現(xiàn)了質子。由于核內所含質子的總質量與原子量差別很大。這又促使人們去探索組成原子核的其他基本粒子。1932年，英國的查德威克又在實驗中發(fā)現(xiàn)了構成原子核的另-種基本粒子，即中子。質子和中子統(tǒng)稱為核子。

　　2.核裂變與核能應用

　　原子和中子的發(fā)現(xiàn)是物質結構學說的進步，也為進-步揭開微觀領域的奧秘提供了新的武器——質子和中子炮彈。1938年，德國的哈恩在用慢中子轟擊鈾核時，首次發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變現(xiàn)象。并放出新的中子。此后，意大利物理學家費米又提出了原子核裂變的鏈式反應觀點，即用鈾核裂變時放出的新中子再去轟擊其他鈾核使之發(fā)生連鎖反應，裂變時由于質量虧損會放出巨大能量的觀點。這就是原子彈和原子能反應堆的基本原理。1942年，費米制成世界上第-個原子能反應堆后，原子能便從實驗轉向應用。

　　(二)粒子物理學

　　粒子物理學是研究最微觀層次的物質(即基本粒子)的存在形式、性質、轉化和運動規(guī)律的物理學分支，也稱高能物理學。

　　1.三類基本粒子

　　迄今，人們已認識到構成物質的最小組分：12種輕子——只參加弱相互作用、電磁相互作用的費米子，36種夸克——感受強作用力的帶電粒子，12種媒介子——傳遞相互作用的粒子，共計60種。

　　2.三種作用力

　　作用在物質上的所有的力可歸結為三種：

　　引力——由引力子傳遞的最弱的力，但在宇宙大距離、大質量尺度上卻是強有力的-種力;

　　強力——由膠子攜帶僅在原子核內夸克之間起作用的短程力，即將夸克膠結在-起的色力，使原子核保持為-個整體：

　　統(tǒng)-的電弱力——以電磁力和弱力兩種表現(xiàn)形式出現(xiàn)的同-基本力，經受了實驗檢驗的電弱統(tǒng)-理論描述的-種力。

　　(三)熱力學三定律

　　熱是最普遍的能量傳遞形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運動的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導是物質原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現(xiàn)象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉化，并且遵循能量守恒定律。

　?、贌崃W第-定律

　　熱力學系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內能：不可能造出既不需外界能量又不消耗系統(tǒng)內能的永動機。

　?、跓崃W第二定律

　　熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把-部分傳給低溫熱源。根據這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100%。

　?、蹮崃W第三定律

　　在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(-273攝氏度)時，物質系統(tǒng)(分子或原子)無規(guī)則的熱運動將停止。絕對零度不可能達到，但是可以無限趨近。

　　(四)電磁理論

　　1864年，麥克斯韋用-組偏微分方程概括了電場、磁場本身，以及電轉化為磁、磁轉化為電等全部電磁現(xiàn)象所滿足的數(shù)學關系，預言了電磁波的存在，并預言光是-種電磁波。1888年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波。麥克斯韋的電磁理論成為描述電磁運動的基本理論，被稱為自然科學的第三次理論大綜合。電磁波的預言和發(fā)現(xiàn)，為無線電通訊開辟了道路。

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　　(五)相對論

　　相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質。相對論引發(fā)了現(xiàn)代物理學革命，同時也深刻地影響了人類的時空觀。相對論包括狹義相對論和廣義相對論。相對論與量子力學、基因理論和系統(tǒng)理論被稱為現(xiàn)代科學四大基礎理論。廣義相對論的兩個基本原理是：-，等效原理：引力與慣性力等效;二，廣義協(xié)變原理：即廣義相對性原理。指所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。

　　(六)量子力學量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規(guī)律的物理科學。量子力學是現(xiàn)代物理學的基礎理

　　論，對半導體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發(fā)展都具有重要的理論意義。量子力學的產生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。

　　1905年，愛因斯坦提出了光量子說。

　　1924年，法國物理學家德布羅意證明了物質具有波粒二象性。

　　1925年，德國物理學家海森伯和玻爾，建立了量子理論第-個數(shù)學描述——矩陣力學。1926年，奧地利科學家提出了描述物質波連續(xù)時空演化的偏微分方程——薛定諤方程，給出了量子論的另-個數(shù)學描述——波動力學。后來，物理學家將矩陣力學與波動力學統(tǒng)-起來，統(tǒng)稱量子力學。

　　三、生命科學

　　(一)生命的物質基礎

　　1.細胞

　　細胞是-切生命體的基本單位，植物和動物的發(fā)育過程就是新細胞形成的過程。細胞內部有細胞核，外部是細胞質和最外層的細胞膜。細胞質主要由蛋白質和核糖核酸(RNA)構成，細胞核中最重要的物質是脫氧核糖核酸(DNA)。

　　2.蛋白質

　　蛋白質是-類極為復雜的含氮化合物，它是構成生物體的主要成分，是構成細胞的基本物質材料，占生物體干物質重的50%。所有的蛋白質都含有碳、氫、氧、氮四種元素。組成蛋白質的基本單位是氨基酸，它具有生物功能的多樣復雜性，因而是重要的生命物質，在生命活動中起著重要作用，

　　3.核酸

　　核酸同生物的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳和變異有著密切的關系。核酸的基本單位是核苷酸，每個核苷酸分子由戊糖、磷酸和含氮堿基組成。組成核苷酸的戊糖有兩種：核糖和脫氧核糖。組成核酸的含氮堿基有尿嘧啶(U)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)。由核糖和A、G、C、U四種堿基及磷酸組成的核酸稱為核糖核酸(RNA);由脫氧核糖與A、G、C、T四種堿基和磷酸組成的核酸稱為脫氧核糖核酸(DNA)。

　　在DNA分子結構中，堿基的配對規(guī)律為：A與T配對，G與C配對，反之亦然。

　　4.新陳代謝

　　只要生命存在，生物體就要和外部環(huán)境不斷進行物質和能量交換，這就是新陳代謝。這個過程包括從外部攝取養(yǎng)料，轉換成自身的物質，并儲存能量，同時也要將自身的-些物質分解，向外排出物質和釋放能量。如綠色植物借光合作用以水、二氧化碳和無機鹽等無機物制造有機物，并放出氧：非綠色植物可分解現(xiàn)成的有機物，釋放出二氧化碳和水。

　　(二)基因的概念

　　基因是DNA中的最小遺傳功能單位?；蛟贒NA分子中是以特定順序排列的、含有幾百到幾千個核苷酸的特定區(qū)段，是傳遞指揮DNA復制命令和控制性狀遺傳指令的作用因子。也稱遺傳因子。

　　(三)生命的遺傳和變異

　　生物最為引人注目的特征，就是能夠通過繁殖將本物種的性狀特征傳遞下去，產生與親代相似的子代，即遺傳現(xiàn)象。遺傳過程實質上是遺傳物質傳遞的過程。遺傳信息的傳遞是依靠DNA的復制過程進行的。DNA主要存在于細胞核中，而蛋白質的合成是在細胞質中進行的。而將DNA攜帶的遺傳信息傳遞到細胞質中去的物質就是RNA。RNA是傳達DNA信息的信使。DNA傳遞遺傳信息遵守“中心法則”，即遺傳信息從DNA傳遞給RNA.再從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。也可以從DNA傳遞給DNA.即完成DNA的復制過程。

　　變異和遺傳-樣，也是生物運動的普遍規(guī)律。變異是指同種生物世代之間或同代不同個體之間的性狀差異。變異可分為遺傳的變異和不遺傳的變異。不遺傳的變異是僅由環(huán)境條件直接引起的變化，如動植物因營養(yǎng)不足而發(fā)育不良，因環(huán)境污染而器官畸變等，-般是定向的。在生物進化上，只有遺傳的變異才是自然選擇的材料。遺傳的變異通過遺傳物質的改變而變化，包括基因突變和染色體畸變，-般是不定向的。

　　(四)人類基因組計劃

　　人類基因組計劃是與曼哈頓原子計劃、阿波羅登月計劃并稱的人類科學史上的重大工程。人類基因組計劃的目標是測定和繪制人體的24條染色體(22條常染色體和X、Y性染色體)上30多億個堿基對的全序列。

　　2000年6月26日，人類基因組計劃已繪制出覆蓋面達97%的人類基因組“工作框架圖”。2001年2月12日，六國科學家共同宣布，經過初步測定和分析，人類基因組共有32億個堿基對，組成大約3萬-3.5萬個蛋白編碼基因，遠小于原先10萬個基因的估計。2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六國政府首腦聯(lián)名發(fā)表聲明。宣布人類基因組序列圖提前繪成。

　　四、環(huán)境科學

　　(-)環(huán)境科學的概念

　　環(huán)境科學是研究人類在認識自然和改造自然中人與環(huán)境之間相互關系的科學。它是-門綜合性很強的新興科學，是以人類與其生存環(huán)境構成的“人類-環(huán)境”系統(tǒng)為對象，應用化學、生物學、物理學、地質學、自然地理學、土壤學、氣象學和醫(yī)學等學科的原理和方法，研究人類與其環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約和相互調適，研究由人類活動所引起的環(huán)境質量的變化及其評價、預測、控制、改善和保護的科學。

　　(二)環(huán)境科學發(fā)展的現(xiàn)狀

　　1.環(huán)境問題與環(huán)境科學

　　(1)人類目前面臨的環(huán)境問題，已日益影響到人類的正常生活。這些環(huán)境問題主要有人口問題、能源問題、資源問題和環(huán)境保護問題。

　　(2)環(huán)境問題主要是由人類生活和生產活動的飛速發(fā)展引起的。人類活動使環(huán)境條件發(fā)生變化，對人類生存環(huán)境造成污染和破壞，影響人類的正常生產和生活，給人類直至后代帶來災害，這就是環(huán)境問題的實質。

　　(3)目前的環(huán)境科學已由過去單純的從環(huán)境問題出發(fā)的研究發(fā)展到從環(huán)境整體出發(fā)，進行跨學科合作的整體性研究;研究方法上也開始運用系統(tǒng)方法，以微觀和宏觀相結合的方法，以整體觀念剖析環(huán)境問題，更加注意對生命維持系統(tǒng)的研究，擴大生態(tài)學原理的應用范圍：已注意開展對全球性環(huán)境問題的國際性研究，發(fā)展高效益的環(huán)境污染控制技術。

　　2.生態(tài)科學

　　生態(tài)科學是研究生物體與其生存環(huán)境之間相互關系的-門學科，又稱為環(huán)境生物學。按其研究的對象。生態(tài)學又可以分為個體生態(tài)學、種群生態(tài)學和群落生態(tài)學。目前，生態(tài)學研究的重點正轉向以人“類社會為主體，重視人與環(huán)境相互作用的研究，因而在社會經濟的可持續(xù)發(fā)展中正發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

　　(1)生態(tài)系統(tǒng)。在地球表面的-定空間中，生物群體與無機環(huán)境通過能量轉換與物質循環(huán)聯(lián)結成-個整體。生態(tài)系統(tǒng)，按其環(huán)境特征可分為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)。

　　(2)生態(tài)平衡。生態(tài)平衡又稱“自然平衡”。在自然界中，不論森林、草原還是湖泊，都是由動物、植物、微生物等生物成分和光、水、土壤、空氣、溫度等非生物成分所組成。每-個成分都不是孤立存在的，而是相互聯(lián)系、相互制約的統(tǒng)-綜合體。它們之間通過相互作用達到-個相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，稱為生態(tài)平衡。

　　(3)生態(tài)安全。生態(tài)安全是以生態(tài)學方法來定義環(huán)境保護論之外的人類安全行為，并用于評定對人類社會的未來安全有著極為密切的四種發(fā)展關系：人與自然環(huán)境之間;不同的人群之間;人與其他物種的數(shù)量之間：人與病原微生物之間。生態(tài)安全將取決于保持這四種關系中任何-種的微妙平衡。

　　(4)生物多樣性。生物多樣性是指地球上的生物(包括動物、植物、微生物)在所有形式、層次和聯(lián)合體中生命的多樣化。包括遺傳多樣性、生物物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。生物多樣性是地球上生命經過幾十億年發(fā)展進化的結果，是人類賴以生存的物質基礎。

　　(三)可持續(xù)發(fā)展

　　1.可持續(xù)發(fā)展的概念

　　聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會在其1987年發(fā)表的報告《我們共同的未來》中，提出了可持續(xù)發(fā)展概念?？沙掷m(xù)發(fā)展是指既滿足當代人的需求，又不對后代人滿足其自身需求的能力構成危害的發(fā)展。雖然可持續(xù)發(fā)展概念是從生態(tài)學的角度提出的，但是。它實際上涵蓋了自然環(huán)境的改善、經濟的發(fā)展和社會的進步三個層次的內容。第-，可持續(xù)發(fā)展并不否定經濟增長，但需要重新審視如何實現(xiàn)經濟增長。第二，可持續(xù)發(fā)展以自然資源為基礎，與環(huán)境承載能力相協(xié)調。第三，可持續(xù)發(fā)展以提高生活質量為目標，和社會進步相適應。

　　2.聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會

　　1992年6月3日至14日在巴西里約熱內盧舉行的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會，是聯(lián)合國成立以來規(guī)模最大、級別最高、參加人數(shù)最多、影響最為深遠的-次國際會議。大會通過了《關于環(huán)境與發(fā)展的里約熱內盧宣言》(又稱《地球憲章》)、{21世紀議程》、《關于森林問題的原則聲明》等重要文件，有150多個國家簽署了《氣候變化框架公約》和《生物多樣性公約》。這是-次拯救地球的歷史性盛會，是國際社會對人類與自然的關系在認識史上的-次大飛躍，第-次從環(huán)境保護和經濟發(fā)展有機聯(lián)系的高度，提出了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及其行動綱領——《21世紀議程》，確定了面向21世紀國際環(huán)境和發(fā)展合作的原則，將可持續(xù)發(fā)展由概念、理論推向行動。在國務院各有關部門、機構和社會團體的廣泛參與下，經中外老師的共同努力，于1993年4月完成了《中國21世紀議程》的第-稿，此項工作完成后，我國成為世界上第-個編制國家級21世紀議程的國家。

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