第3章現(xiàn)代自然科學(xué)的重大成就及其特

1、劉國艷劉國艷學(xué)習(xí)指導(dǎo)現(xiàn)代自然科學(xué)起源于20世紀(jì)初以量子論和相對論的創(chuàng)立為標(biāo)志的物理學(xué)革命。量子論和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，是促使20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛躍發(fā)展的理論基礎(chǔ)。對于量子論和狹義相對論應(yīng)著重了解它們產(chǎn)生的背景（是在經(jīng)典物理學(xué)無法解釋一些實(shí)際現(xiàn)象的情況下產(chǎn)生的），知道它們的一些基本內(nèi)容以及研究領(lǐng)域。基因論與核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)這兩部分內(nèi)容建議放在一起學(xué)習(xí)。由于基因論和分子生物學(xué)的發(fā)展，使人們對生命本質(zhì)的研究由細(xì)胞水平進(jìn)入到分子水平，對遺傳現(xiàn)象的認(rèn)識也更加深入，在學(xué)習(xí)中應(yīng)著重了解遺傳的本質(zhì)。19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)，使人類對于世界的認(rèn)識由宏觀領(lǐng)域深入到微觀領(lǐng)域，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識取得了很大的進(jìn)展

2、。學(xué)習(xí)中應(yīng)重視原子結(jié)構(gòu)、自然界四種基本相互作用的特點(diǎn)、基本粒子的分類和特性。教學(xué)要求重點(diǎn)掌握：1、量子論，普朗克的能量子假說，愛因斯坦的光量子假說，玻爾的量子化原子結(jié)構(gòu)模型，實(shí)物粒子的波粒二象性；2、狹義相對論，兩條基本原理，五個(gè)結(jié)論；3、信息論，申農(nóng)信息論的基本內(nèi)容；4、基因論，染色體，核酸，DNA；5、物質(zhì)結(jié)構(gòu)，原子的組成，基本粒子的規(guī)律性，自然界中的四種基本相互作用。一般掌握：1、宇宙起源和演化的大爆炸模型；2、地殼運(yùn)動(dòng)的板塊模型；3、核酸結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1 1、 量子論量子論 p21p21 1900年，普朗克為解決黑體輻射的所謂“紫外災(zāi)難”提出了量子假說：黑體輻射能量的變化是不連續(xù)的

3、，只能是最小能量單元 的整數(shù)倍。普朗克量子假說的提出宣告了量子論的誕生。 1905年，愛因斯坦提出光量子論，指出光在傳播過程中，其能量也是不連續(xù)的，并指出光既有波動(dòng)性又有粒子性，即光具有波粒二象性。愛因斯坦的光量子論成功地解釋了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的光電效應(yīng)。 1913年，玻爾把量子概念推廣到原子內(nèi)部的能量狀態(tài)，提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)模型，成功地解釋了經(jīng)典物理學(xué)不能解釋的原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和氫原子的線狀光譜。 1923年，德布羅意提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性的假設(shè)，即實(shí)物粒子具有波粒二象性。德布羅意的假設(shè)于1925年被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 1925年海森堡、1926年薛定鍔分別創(chuàng)立了描述微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)

4、律的量子力學(xué)。 1927年，海森堡提出“測不準(zhǔn)原理”，認(rèn)為不能同時(shí)準(zhǔn)確地測定微觀粒子的位置和動(dòng)量。內(nèi)容提要2 2、 狹義相對論狹義相對論 p22p22 為解決牛頓的 “絕對時(shí)空觀”應(yīng)用于電磁學(xué)領(lǐng)域時(shí)所出現(xiàn)的矛盾，1905年，愛因斯坦發(fā)表論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)一文，文中提出了狹義相對論。 狹義相對論的兩條基本原理和五個(gè)結(jié)論（略）。狹義相對論提出了一種新的時(shí)空觀：時(shí)間的快慢和空間的大小都不是絕對的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。 由于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)速度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，相對論效應(yīng)并不明顯，可以忽略不計(jì)，因此用牛頓力學(xué)處理宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)是完全可行的。3 3、 基因論基因論 p27p27染色體的主要化學(xué)成分是核酸

5、和蛋白質(zhì)。核酸又有DNA（每個(gè)DNA分子含有很多基因）和RNA（主要在蛋白質(zhì)合成中起作用）之分。基因是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位?；?qū)ι镄誀畹臎Q定性作用是通過DNA控制蛋白質(zhì)的合成來實(shí)現(xiàn)的。1.遺傳信息從DNA傳遞給RNA（轉(zhuǎn)錄），再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)（翻譯）。DNA是生物大分子，是遺傳信息的載體，具有自我復(fù)制功能，具有雙螺旋結(jié)構(gòu)。4 4、 物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其夸克物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其夸克- -輕子模型輕子模型 p31p31 原子的組成：原子核（帶正電）和電子（帶負(fù)電）。原子核的組成：質(zhì)子（帶正電）和中子（不帶電）。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成（三色）；中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組

6、成（三色）。上夸克的電荷數(shù)為2/3；下夸克的電荷數(shù)為-1/3。 按照現(xiàn)代物理理論，組成物質(zhì)的最小單元是夸克、輕子和傳播子。這些基本粒子分為兩大類：有質(zhì)實(shí)體（費(fèi)米子）：6種輕子；6種夸克（每種都有三色）。在費(fèi)米子間傳遞相互作用的傳播子（玻色子）：傳遞強(qiáng)力的膠子（8種）；傳遞電磁力的光子；傳遞弱力的中間玻色子（3種）；傳遞引力的引力子（還未發(fā)現(xiàn)）。 費(fèi)米子（夸克和輕子）分為三代，第一代是構(gòu)成普通物質(zhì)的組成部分，第二、第三代壽命極短，通常只能在粒子實(shí)驗(yàn)中找到。四種基本力的特征（略）練習(xí)一、單項(xiàng)選擇題 1、 以下說法錯(cuò)誤的是（B）。 A、量子是組成一切能量的單元。 B、光也是一種電磁波，因此光只具有波

7、動(dòng)性。 C、一切實(shí)物粒子都具有波粒二象性。 D、電子的波動(dòng)性經(jīng)電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。2、 關(guān)于狹義相對論，以下說法錯(cuò)誤的是（C）。 A、為解決牛頓的 “絕對時(shí)空觀”應(yīng)用于電磁學(xué)領(lǐng)域時(shí)所出現(xiàn)的矛盾，愛因斯坦提出了狹義相對論。 B、狹義相對論提出了一種新的時(shí)空觀：時(shí)間的快慢和空間的大小都不是絕對的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。 C、愛因斯坦的相對性原理表明：一切力學(xué)規(guī)律對一切相對地作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系都是相同的。 D、由于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)速度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，相對論效應(yīng)并不明顯，可以忽略不計(jì)，因此用牛頓力學(xué)處理宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)是完全可行的。3、 以下說法錯(cuò)誤的是（B）。 A、基因是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的

8、功能單位和結(jié)構(gòu)單位。 B、基因?qū)ι镄誀畹臎Q定性作用是通過RNA控制蛋白質(zhì)的合成來實(shí)現(xiàn)的。 C、DNA是遺傳信息的載體。 D、染色體的主要化學(xué)成分是核酸和蛋白質(zhì)。 4、 病毒是目前已發(fā)現(xiàn)的最小生物，其結(jié)構(gòu)通常只由核酸和（C）組成。 A、DNA B、RNA C、蛋白質(zhì) D、酶 5、 原子是由（C）所組成。 A、質(zhì)子和中子 B、質(zhì)子和電子 C、原子核和電子 D、中子和電子6、 原子核是由（A）所組成。 A、質(zhì)子和中子 B、質(zhì)子和電子 C、原子和電子 D、中子和電子 7、 以下說法錯(cuò)誤的是（D）。 A、 質(zhì)子帶正電，中子不帶電。 B、 原子核帶正電，電子帶負(fù)電。 C、 原子呈電中性。 D、 原子帶正

9、電。8、 按照現(xiàn)代物理理論，組成物質(zhì)的最小單元是（A）。 A、夸克、輕子和傳播子。 B、強(qiáng)子、輕子和傳播子。 C、原子、輕子和傳播子。 D、原子核、輕子和傳播子。二、填空題 1、普朗克量子假說的提出宣告了（量子論）的誕生。2、如同原子是構(gòu)成一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，（量子）是組成一切能量的單元。3、1905年，愛因斯坦將量子概念推廣到（光的傳播過程）中，提出了（光）量子論。 4、1913年，玻爾把量子概念推廣到（原子內(nèi)部的能量狀態(tài)），提出了一種（量子化）的原子結(jié)構(gòu)模型。5、1923年，德布羅意基于對稱性的考慮，提出了一切（實(shí)物）粒子也具有（波動(dòng)）性，即（物質(zhì)波）的概念。 6、1925年，美國物理

10、學(xué)家（戴維遜）和（革末）通過衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的（波動(dòng)）性，（波粒二象性）作為微觀粒子的行為特征被廣泛接受。7、在量子論的基礎(chǔ)上，海森堡和薛定鍔分別創(chuàng)立了（量子）力學(xué)。8、作為量子力學(xué)的一個(gè)邏輯推論，海森堡于1927年提出（測不準(zhǔn)原理）。 9、1905年，愛因斯坦發(fā)表（論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)）一文，提出了狹義相對論。10、光在真空中的傳播速度是一個(gè)（恒定不變的常數(shù)），與光源和觀測者的運(yùn)動(dòng)（無關(guān)）。11、（光速）是一切物體運(yùn)動(dòng)的極限速度。 12、1948年申農(nóng)發(fā)表（通信的數(shù)學(xué)理論），奠定了現(xiàn)代信息論的基礎(chǔ)。13、基因論的提出和完善不僅闡明了（遺傳）的本質(zhì)，而且?guī)砜梢灾苯樱ú僮魃┑囊幌盗屑夹g(shù)，

11、還將沖擊人類的（倫理觀念）。14、染色體中主要有兩種化學(xué)成分：（蛋白質(zhì)）和（核酸）。核酸可區(qū)分（脫氧核糖核酸）和（核糖核酸）。15、隨著DNA（雙螺旋）結(jié)構(gòu)模型和遺傳信息傳遞（中心）法則的確立以及基因重組技術(shù)的興起，幾乎所有（生命）現(xiàn)象的研究都深入到（分子）水平去尋找本質(zhì)的規(guī)律，（分子生物學(xué)）成為生命現(xiàn)象研究的核心理論。16、古代希臘哲學(xué)家德謨克利特憑臆想把構(gòu)成物質(zhì)的最小單元稱為（原子）。17、“三大發(fā)現(xiàn)”打開了（原子）世界的大門，人們的視野從（宏觀）深入到（微觀），深入到基本粒子世界。 18、原子由（原子核）和（電子）組成；原子核由（質(zhì)子）和（中子）組成。19、組成物質(zhì)的最小單元是（夸克）、

12、（輕子）和傳播子。20、到目前為止，人們已認(rèn)識到自然界存在的四種基本力是（引）力、（電磁）力、（弱）力和（強(qiáng)）力。21、宇宙處于不斷（膨脹）的狀態(tài)中，“紅移”現(xiàn)象說明星系彼此（遠(yuǎn)離）。22、按照熱大爆炸宇宙模型，我們的宇宙產(chǎn)生于一個(gè)（高溫）、（高密度）的原始火球的突然大爆炸，并經(jīng)過一段由（密到疏），由（熱到冷）的演化史，最終形成（星系）、（恒星），即現(xiàn)在觀測到的宇宙。23、（板塊構(gòu)造）理論是在大陸漂移說和海底擴(kuò)張說的基礎(chǔ)上建立起來的關(guān)于全球（地殼）結(jié)構(gòu)發(fā)展和（變化）的全球構(gòu)造理論。24、由于地震學(xué)的研究成果支持了（板塊構(gòu)造）模型，使得越來越多的人接受并承認(rèn)這一學(xué)說。 25、按照“地球板塊構(gòu)造模

13、型”,一個(gè)剛性的巖石圈可依其（地質(zhì)）構(gòu)造特征區(qū)分成若干個(gè)（巖石）板塊。地質(zhì)學(xué)家們傾向于把巖石圈區(qū)分為（7）個(gè)大板塊和（7）個(gè)小板塊,每個(gè)板塊又可區(qū)分成若干個(gè)地塊。中國地處（亞歐）板塊之中。26、每個(gè)（DNA）分子含有很多基因，這些基因按一定順序排列，就成為制造（蛋白質(zhì)）的圖紙和指揮復(fù)制的命令。27、（蛋白質(zhì)）是組成生物體的重要成分，生物體的性狀主要是通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的。28、基因?qū)π誀畹臎Q定性作用是通過（DNA）控制蛋白質(zhì)的（合成）來實(shí)現(xiàn) 的。 29、遺傳信息并不能直接由（DNA）傳遞給（蛋白質(zhì)）。這是因?yàn)镈NA主要存在于（細(xì)胞核）中，而蛋白質(zhì)的合成是在（細(xì)胞質(zhì)）中進(jìn)行的。DNA所攜帶的遺傳信

14、息在從細(xì)胞核中傳遞到細(xì)胞質(zhì)的過程中，必須依靠另一種核酸-（RNA）。30、（遺傳）信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的（轉(zhuǎn)錄）和（翻譯）的過程，以及遺傳信息從DNA傳遞給DNA的（復(fù)制）過程，叫做“中心法則”。三、名詞解釋1、 DNA是一種生物大分子。是遺傳信息的載體。具有自我復(fù)制功能。 具有雙螺旋結(jié)構(gòu)。2、 量子是能量的最小單元 。如同原子是構(gòu)成一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，量子是組成一切能量的單元。量子概念首先是由普朗克提出的。3、 玻爾的量子化原子結(jié)構(gòu)模型玻爾為了解釋原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和氫原子的線狀光譜問題，于1913年把量子概念推廣到原子內(nèi)部的能量狀態(tài)，提出了一種量子化的原子結(jié)構(gòu)

15、模型，認(rèn)為原子的內(nèi)部可以分成若干個(gè)量子化能級。電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道與分立的能級相對應(yīng)，電子只有在能級之間跳躍時(shí)才能引起光量子的發(fā)射或吸收。1、 簡述狹義相對論的兩條基本原理和五個(gè)結(jié)論。p23 兩條基本原理：（1）相對性原理，即一切自然規(guī)律對一切相對地作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系都是相同的；（2）光速不變原理，即光在真空中的傳播速度是一個(gè)恒定不變的常數(shù)，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 五個(gè)結(jié)論：（1）光速是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的極限；（2）運(yùn)動(dòng)的尺縮短；（3）運(yùn)動(dòng)的鐘變慢；（4）質(zhì)量隨速度的增大而增大；（5）質(zhì)能相關(guān)，E=MC2。四、簡答題2、 簡述原子的組成。p32原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成；中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。3、 簡述量子論的建立過程。p211900年，普朗