中學(xué)教師資格考試綜合素質(zhì)文化修養(yǎng)：科普知識

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　　命題點(diǎn)1：現(xiàn)代宇宙學(xué)

　　現(xiàn)代宇宙學(xué)是在天文學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要研究宇宙的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)、空間分布以及演化規(guī)律。

　　(一)現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)

　　廣義相對論是現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。廣義相對論建立了空間、時間是隨著物質(zhì)分布和運(yùn)動速度的變化而變化的理論，從而為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了重要理論基礎(chǔ)。廣義相對論認(rèn)為，空間一時間本質(zhì)上是物質(zhì)客體的廣延性和持續(xù)性，它本身不是獨(dú)立存在的。這一思想由于其革命性和數(shù)學(xué)形式上的深奧，在一段時間里不為科學(xué)界所接受。但由于得到越來越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，今天廣義相對論已被公認(rèn)為研究大尺度時空的理論基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)主要包括：①水星近日點(diǎn)的進(jìn)動;②光譜引力紅移;③光線在引力場中偏轉(zhuǎn)。自此，廣義相對論被科學(xué)家稱為“人類思想史上最偉大的成就之一”。

　　(二)宇宙研究的觀察手段

　　1.多普勒效應(yīng)與譜線紅移

　　多普勒效應(yīng)是物理學(xué)測定物體運(yùn)動速度的有力手段。它描述了這樣一種現(xiàn)象，即面向觀察者運(yùn)動的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍(lán)端)移動，而背向觀察者運(yùn)動的光源譜線將向低頻(即光譜紅端)移動，波長的相對移動量與相對運(yùn)動速度成正比。

　　1929年，美國科學(xué)家哈勃在仔細(xì)研究了一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(yīng)，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。這一重要發(fā)現(xiàn)證實(shí)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(zhì)運(yùn)動的絕對性，還說明宇宙在不斷地演化和發(fā)展。愛因斯坦根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，自動放棄了“靜態(tài)宇宙結(jié)構(gòu)模型”。

　　2.電磁波的應(yīng)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(xué)家們可以對宇宙的結(jié)構(gòu)、起源和演化進(jìn)行研究。比如，利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以接收到可見光傳來的天體信息;利用射電望遠(yuǎn)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X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(jié)構(gòu)和它們的演化過程。

　　(三)宇宙演化的大爆炸模型

　　在20世紀(jì)40年代末，美國物理學(xué)家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這一模型認(rèn)為，宇宙起源于160億年前溫度和密度極高的“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸的時刻就是今天所觀察到的宇宙質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)物質(zhì)混合而成的“宇宙湯”;大爆炸后，四種基本力，即引力、強(qiáng)力、弱力和電磁力逐一地分化出來;后來，物質(zhì)形態(tài)依次演化為原子、氣態(tài)物質(zhì)、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，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射，其對應(yīng)到的溫度為3K。該發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論提供了一個有力的證據(jù)。

　　命題點(diǎn)2：現(xiàn)代物理學(xué)

　　(一)原子核物理學(xué)

　　電力的發(fā)現(xiàn)和原子結(jié)構(gòu)的研究表明，原子是由原子核和電子組成的。原子核物理學(xué)以原子核的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律為研究對象，在20世紀(jì)20年代建立起來。

　　1.對核子的研究

　　1919年，著名物理學(xué)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(zhì)子。由于核內(nèi)所含質(zhì)子的總質(zhì)量與原子量差別很大，這又促使人們?nèi)ヌ剿鹘M成原子核的其他基本粒子。

　　1932年，英國的查德威克又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成原子核的另一種基本粒子，即中子。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。

　　2.核裂變與核能應(yīng)用

　　原子和中子的發(fā)現(xiàn)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說的進(jìn)步，也為進(jìn)一步揭開微觀領(lǐng)域的奧秘提供了新的武器——質(zhì)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(xué)家費(fèi)米又提出了原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)觀點(diǎn)，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(yīng)，裂變時由于質(zhì)量虧損會放出巨大能量的觀點(diǎn)。這就是原子彈和原子能反應(yīng)堆的基本原理。1942年，費(fèi)米制成世界上第一個原子能反應(yīng)堆后，原子能便從實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用。

　　(二)粒子物理學(xué)

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

　　(三)熱力學(xué)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(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導(dǎo)是物質(zhì)原子在平衡位置附近機(jī)械振動時的能量傳遞。熱輻射是物體內(nèi)部帶電粒子熱運(yùn)動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現(xiàn)象和機(jī)械運(yùn)動都是能量的不同形式，可以相互轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律。

　　1.熱力學(xué)第一定律

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

　　2.熱力學(xué)第二定律

　　熱機(jī)不可能把從高溫?zé)嵩粗形�收的熱量全部轉(zhuǎn)化為有用功，總要把一部分傳給低溫?zé)嵩础８鶕?jù)這個定律，任何熱機(jī)的效率都不可能達(dá)到100%。

　　3.熱力學(xué)第三定律

　　在科學(xué)家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎(chǔ)上，能斯特提出，在溫度達(dá)到絕對零度(一273℃)時，物質(zhì)系統(tǒng)(分子或原子)無規(guī)則的熱運(yùn)動將停止。絕對零度不可能達(dá)到，但是可以無限趨近。

　　(四)電磁理論

　　1864年，麥克斯韋用一組偏微分方程概括了電場、磁場本身，以及電轉(zhuǎn)化為磁、磁轉(zhuǎn)化為電等全部電磁現(xiàn)象所滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系，預(yù)言了電磁波的存在，并預(yù)言光是一種電磁波。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(yùn)動的基本理論，被稱為自然科學(xué)的第三次理論大綜合。電磁波的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)，為無線電通信開辟了道路。

　　(五)相對論

　　相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的物理學(xué)理論，描述物體的高速運(yùn)動和相關(guān)的時空性質(zhì)。相對論引發(fā)了現(xiàn)代物理學(xué)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(xué)、基因理論和系統(tǒng)理論被稱為現(xiàn)代科學(xué)四大基礎(chǔ)理論。廣義相對論的兩個基本原理是：①等效原理：引力與慣性力等效：②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(xué)

　　量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動與變化規(guī)律的物理科學(xué)。量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，對半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展都具有重要的理論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識自然實(shí)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(xué)家德布羅意證明了物質(zhì)具有波粒二象性。

　　1925年，德國物理學(xué)家海森堡和玻爾，建立了量子理論第一個數(shù)學(xué)描述——矩陣力學(xué)。

　　1926年，奧地利科學(xué)家薛定諤提出了描述物質(zhì)波連續(xù)時空演化的偏微分方程——薛定諤方程，給出了量子論的另一個數(shù)學(xué)描述——波動力學(xué)。后來，物理學(xué)家將矩陣力學(xué)與波動力學(xué)統(tǒng)一起來，統(tǒng)稱量子力學(xué)。

　　命題點(diǎn)3：生命科學(xué)

　　(一)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)

　　1.細(xì)胞

　　細(xì)胞是一切生命體的基本單位，植物和動物的發(fā)育過程就是新細(xì)胞形成的過程。細(xì)胞內(nèi)部有細(xì)胞核，外部是細(xì)胞質(zhì)和最外層的細(xì)胞膜。細(xì)胞質(zhì)主要由蛋白質(zhì)和核糖核酸(RNA)構(gòu)成，細(xì)胞核中最重要的物質(zhì)是脫氧核糖核酸(DNA)。

　　2.蛋白質(zhì).

　　蛋白質(zhì)是一類極為復(fù)雜的含氮化合物，它是構(gòu)成生物體的主要成分，是構(gòu)成細(xì)胞的基本物質(zhì)材料，占生物體干物質(zhì)重的50%。所有的蛋白質(zhì)都含有碳、氫、氧、氮四種元素。組成蛋白質(zhì)的基本單位是氨基酸，它具有生物功能的多樣復(fù)雜性，因而是重要的生命物質(zhì)，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(guān)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(jié)構(gòu)中，堿基的配對規(guī)律為：A與T配對，G與C配對，反之亦然。

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　　【摘要】1925年，德國物理學(xué)家海森堡和玻爾，建立了量子理論第一個數(shù)學(xué)描述——矩陣力學(xué)。環(huán)球網(wǎng)校教師資格頻道誠意整理了中學(xué)教師資格考試綜合素質(zhì)文化修養(yǎng)：科普知識，助力備考，預(yù)祝大家成功。

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　　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(jìn)行物質(zhì)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(zhuǎn)換成自身的物質(zhì)，并儲存能量，同時也要將自身的一些物質(zhì)分解，向外排出物質(zhì)和釋放能量。如綠色植物借光合作用以水、二氧化碳和無機(jī)鹽等無機(jī)物制造有機(jī)物，并放出氧;非綠色植物可分解現(xiàn)成的有機(jī)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。基因在DNA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(fù)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(chǎn)生與親代相似的子代，即遺傳現(xiàn)象。遺傳過程實(shí)質(zhì)上是遺傳物質(zhì)傳遞的過程。遺傳信息的傳遞是依靠DNA的復(fù)制過程進(jìn)行的。DNA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，將DNA攜帶的遺傳信息傳遞到細(xì)胞質(zhì)中去的物質(zhì)就是RNA。RNA是傳達(dá)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(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程;也可以從DNA傳遞給DNA，即完成DNA的復(fù)制過程。

　　變異和遺傳一樣，也是生物運(yùn)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，一般是定向的。在生物進(jìn)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(zhì)的改變而變化，包括基因突變和染色體畸變，一般是不定向的。

　　(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(xué)史上的重大工程。人類基因組計劃的目標(biāo)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(dá)97%的人類基因組“工作框架圖”。

　　2001年2月12日，六國科學(xué)家共同宣布，經(jīng)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3萬一3.5萬個蛋白編碼基因，遠(yuǎn)少于原先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。

　　命題點(diǎn)4：環(huán)境科學(xué)

　　(一)環(huán)境科學(xué)的概念

　　環(huán)境科學(xué)是研究人類在認(rèn)識自然和改造自然中人與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是一門綜合性很強(qiáng)的新興科學(xué)，是以人類與其生存環(huán)境構(gòu)成的“人類——環(huán)境”系統(tǒng)為對象，應(yīng)用化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、自然地理學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)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(diào)適，研究由人類活動所引起的環(huán)境質(zhì)量的變化及其評價、預(yù)測、控制、改善和保護(hù)的科學(xué)。

　　(二)環(huán)境科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀

　　1.環(huán)境問題與環(huán)境科學(xué)

　　(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(hù)問題。

　　(2)環(huán)境問題主要是由人類生活和生產(chǎn)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(chǎn)和生活，給人類直至后代帶來災(zāi)害，這就是環(huán)境問題的實(shí)質(zhì)。

　　(3)目前的環(huán)境科學(xué)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(jìn)行跨學(xué)科合作的整體性研究;研究方法上也開始運(yùn)用系統(tǒng)方法，以微觀和宏觀相結(jié)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(kuò)大生態(tài)學(xué)原理的應(yīng)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(shù)。

　　2.生態(tài)科學(xué)

　　生態(tài)科學(xué)是研究生物體與其生存環(huán)境之間相互關(guān)系的一門學(xué)科，又稱為環(huán)境生物學(xué)。按其研究的對象，生態(tài)學(xué)又可以分為個體生態(tài)學(xué)、種群生態(tài)學(xué)和群落生態(tài)學(xué)。目前，生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)正轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

　　(1)生態(tài)系統(tǒng)。在地球表面的一定空間中，生物群體與無機(jī)環(huán)境通過能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)循環(huán)聯(lián)結(jié)成一個整體。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。每一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)一綜合體。它們之間通過相互作用達(dá)到一個相對穩(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(xué)方法來定義環(huán)境保護(hù)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(guān)系：人與自然環(huán)境之間的關(guān)系;不同的人群之間的關(guān)系;人與其他物種的數(shù)量之間的關(guān)系;人與病原微生物之間的關(guān)系。生態(tài)安全將取決于保持這四種關(guān)系中任何一種的微妙平衡。

　　(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(jīng)過幾十億年發(fā)展進(jìn)化的結(jié)果，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　(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。可持續(xù)發(fā)展是指既滿足當(dāng)代人的需求，又不對后代人滿足其自身需求的能力構(gòu)成危害的發(fā)展。

　　雖然可持續(xù)發(fā)展概念是從生態(tài)學(xué)的角度提出的，但是，它實(shí)際上涵蓋了自然環(huán)境的改善、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步三個層次的內(nèi)容。第一，可持續(xù)發(fā)展并不否定經(jīng)濟(jì)增長，但需要重新審視如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長。第二，可持續(xù)發(fā)展以自然資源為基礎(chǔ)，與環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)。第三，可持續(xù)發(fā)展以提高生活質(zhì)量為目標(biāo)，和社會進(jìn)步相適應(yīng)。

　　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(nèi)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(yuǎn)的一次國際會議。大會通過了《關(guān)于環(huán)境與發(fā)展的里約熱內(nèi)盧宣言》(又稱《地球憲章》)《21世紀(jì)議程》《關(guān)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》。

　　這是一次拯救地球的歷史性盛會，是國際社會對人類與自然的關(guān)系在認(rèn)識史上的一次大飛躍，第一次從環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有機(jī)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(lǐng)——《21世紀(jì)議程》，確定了面向21世紀(jì)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(wù)院各有關(guān)部門、機(jī)構(gòu)和社會團(tuán)體的廣泛參與下，經(jīng)中外老師的共同努力，于1993年4月完成了《中國21世紀(jì)議程》的第一稿。此項(xiàng)工作完成后，我國成為世界上第一個編制國家級21世紀(jì)議程的國家。

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