1、现代科学技术及其发展现代科学技术及其发展北京教育学院北京教育学院叶禹卿叶禹卿 2020世纪科学技术的迅猛发展，世纪科学技术的迅猛发展，目不暇接的新发现、新发明，电目不暇接的新发现、新发明，电报、电话、汽车、飞机、火箭等报、电话、汽车、飞机、火箭等的陆续登场，使人类在一百年的的陆续登场，使人类在一百年的成就，超过了过去几千年创造的成就，超过了过去几千年创造的文明总和。计算机和网络的出现，文明总和。计算机和网络的出现，把人类从工业经济社会引入信息把人类从工业经济社会引入信息经济社会。经济社会。在在2121世纪，人类可以到太空世纪，人类可以到太空天庭漫游、可以到深海龙宫探秘、天庭漫游、可以到深海龙宫
2、探秘、可以分解微小的原子、可以基因可以分解微小的原子、可以基因重组克隆动物、可以造成人间从重组克隆动物、可以造成人间从未有过的新材料未有过的新材料 一、自然科学的基本问题一、自然科学的基本问题及其发展趋势及其发展趋势 二、高新技术二、高新技术 三、核能三、核能 四、工程嫦娥四、工程嫦娥 一、自然科学的基本问题一、自然科学的基本问题及其发展趋势及其发展趋势1 1自然科学的基本问题自然科学的基本问题2 2现代自然科学的发展趋势现代自然科学的发展趋势1 1自然科学的基本问题自然科学的基本问题（1 1）揭示物质的本质）揭示物质的本质 （2 2）天体与整体宇宙形成与演化）天体与整体宇宙形成与演化的奥秘的
3、奥秘 （3 3）解读基因结构，探究生命和）解读基因结构，探究生命和物种起源进化之谜物种起源进化之谜（4 4）探索各种复杂系统，创立普遍）探索各种复杂系统，创立普遍 适用的非线性理论适用的非线性理论2 2现代自然科学的发展趋势现代自然科学的发展趋势（1 1）物质科学继续揭示自然界更深远、）物质科学继续揭示自然界更深远、更广阔的层次和各种极限状态下的物更广阔的层次和各种极限状态下的物质运动规律；另一方面，系统科学和质运动规律；另一方面，系统科学和生命科学正逐步阐明与人类有更密切生命科学正逐步阐明与人类有更密切关系的各类复杂系统的行为规律，后关系的各类复杂系统的行为规律，后者的重要性正在超过前者，系
4、统科学者的重要性正在超过前者，系统科学和生命科学将是和生命科学将是2121世纪的带头科学。世纪的带头科学。（2 2）在基本规律已经清楚的领域内，）在基本规律已经清楚的领域内，科学家正在努力扩大研究的范围，向科学家正在努力扩大研究的范围，向各种条件的极限进军。目前科学研究各种条件的极限进军。目前科学研究逐渐深入的领域包括：逐渐深入的领域包括：时空尺度。同时向宇观与微观的极限时空尺度。同时向宇观与微观的极限延伸延伸 温度极限。观察到温度处于温度极限。观察到温度处于-273-2730 0C C、早期宇宙形成的高温状态早期宇宙形成的高温状态(亿亿度亿亿度)。提高压力，模拟地心的压力状态。提高压力，模拟
5、地心的压力状态。提高超导体的转变温度，希望能最终提高超导体的转变温度，希望能最终达到室温超导达到室温超导。（3 3）研究复杂系统与复杂现象。）研究复杂系统与复杂现象。复杂系统与复杂现象普遍存在于自然界，复杂系统与复杂现象普遍存在于自然界，过去由于认识的偏差与手段上不足，曾过去由于认识的偏差与手段上不足，曾被忽略。现在随着混沌现象的发现与非被忽略。现在随着混沌现象的发现与非平衡态热力学的建立，人们认识复杂系平衡态热力学的建立，人们认识复杂系统并不必然等同于杂乱无章的无序，大统并不必然等同于杂乱无章的无序，大多数是有规律可循的，可以通过分形、多数是有规律可循的，可以通过分形、耗散结构等观念和数学手
6、段，建立起针耗散结构等观念和数学手段，建立起针对复杂系统内在规律与演化的科学理论，对复杂系统内在规律与演化的科学理论，这一理论通常被称作这一理论通常被称作“非线性科学非线性科学”。（4 4）当代科学的体系结构与）当代科学的体系结构与1717世世纪纪1919世纪的传统科学体系相比，也世纪的传统科学体系相比，也有显著的变化。有显著的变化。当代科学在高度分化的基础上产生了当代科学在高度分化的基础上产生了高度的综合，综合表现为多层次、多维度高度的综合，综合表现为多层次、多维度的学科交叉与渗透，更表现为横断学科和的学科交叉与渗透，更表现为横断学科和综合性的学科群不断涌现。这个整体化趋综合性的学科群不断涌
7、现。这个整体化趋势的具体表现是数学化。越来越多的学科，势的具体表现是数学化。越来越多的学科，如生物学、心理学、经济学和社会学等，如生物学、心理学、经济学和社会学等，广泛应用数学的模型和方法进行定量研究。广泛应用数学的模型和方法进行定量研究。二、高新技术二、高新技术 （一）我国的高技术研究发展计划（一）我国的高技术研究发展计划（“863”“863”计划）计划）8080年代以来，许多国家都把发展高技术列为年代以来，许多国家都把发展高技术列为国家发展战略的重要组成部分。国家发展战略的重要组成部分。19861986年年3 3月月3 3日，日，王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允四位老科学家王大珩、王淦昌、杨
8、嘉墀、陈芳允四位老科学家给中共中央写信，提出要跟踪世界先进水平，发给中共中央写信，提出要跟踪世界先进水平，发展我国高技术的建议。这封信得到了小平同志的展我国高技术的建议。这封信得到了小平同志的高度重视，小平同志亲自批示：此事宜速决断，高度重视，小平同志亲自批示：此事宜速决断，不可拖延。不可拖延。1 1生物技术生物技术 高产优质抗逆的动植物新品种高产优质抗逆的动植物新品种 新型药物、疫苗和基因治疗新型药物、疫苗和基因治疗 蛋白质工程蛋白质工程2 2航天技术航天技术 大型运载火箭大型运载火箭 载人空间站载人空间站3 3电子信息技术电子信息技术 智能计算机系统智能计算机系统 光电子器件与光电子系统集
9、成技术光电子器件与光电子系统集成技术 信息获取与处理技术信息获取与处理技术4 4激光技术激光技术 高性能、高质量的激光器高性能、高质量的激光器 激光器加工应用技术激光器加工应用技术5 5自动化技术自动化技术 计算机综合自动化制造系统计算机综合自动化制造系统 智能机器人智能机器人6 6、新能源技术、新能源技术 燃煤磁流体发电技术燃煤磁流体发电技术 先进核反应堆技术先进核反应堆技术7 7新材料技术新材料技术 光电信息材料光电信息材料 高性能结构材料高性能结构材料 特种功能材料特种功能材料二、二、世界公认的高新技术世界公认的高新技术 1 1信息技术信息技术2 2生物技术生物技术3 3新能源技术新能源
10、技术4 4新材料技术新材料技术 5 5航天技术航天技术 6 6海洋技术海洋技术1 1信息技术信息技术 现代信息技术是一门综合性很强的技现代信息技术是一门综合性很强的技术，它包含微电子技术、计算机技术、数术，它包含微电子技术、计算机技术、数字通信技术、多媒体技术、网络技术、光字通信技术、多媒体技术、网络技术、光纤通信技术，卫星通信技术、遥感、遥测纤通信技术，卫星通信技术、遥感、遥测技术、遥控技术以及人工智能等各种高技技术、遥控技术以及人工智能等各种高技术。现代信息技术的主要特征是：各种信术。现代信息技术的主要特征是：各种信息的数字化和信息传递、信息处理的计算息的数字化和信息传递、信息处理的计算机
11、化和网络化。机化和网络化。2 2生物技术生物技术 应用于有生命物质的技术。可以划分应用于有生命物质的技术。可以划分为传统生物技术和现代生物技术两种。为传统生物技术和现代生物技术两种。现代生物技术一般包括基因工程、细现代生物技术一般包括基因工程、细胞工程、微生物工程与酶工程四大领域。胞工程、微生物工程与酶工程四大领域。3 3新能源技术新能源技术 能源指能够提供出能量的自然资源。能能源指能够提供出能量的自然资源。能源是人类生存的物质基础，社会经济发展源是人类生存的物质基础，社会经济发展的原动力。的原动力。人类利用能源大致经历柴草、煤炭、石人类利用能源大致经历柴草、煤炭、石油三个时期，现在人类面临能
12、源短缺问题。油三个时期，现在人类面临能源短缺问题。4 4新材料技术新材料技术 材料指人类能用来制造有用器物的物材料指人类能用来制造有用器物的物质。材料是人类生存和发展的物质基础，质。材料是人类生存和发展的物质基础，是人类社会文明的重要支柱。是人类社会文明的重要支柱。新材料，主要是指最近发展或正在发展新材料，主要是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一之中的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。材料、能源和信息技术已成为现类材料。材料、能源和信息技术已成为现代文明的三大支柱。代文明的三大支柱。5 5航天技术航天技术 探索、开发和利用空间以及地球以外探索、开发和利用空间以及地球以
13、外天体资源的一项工程技术，又称空间技天体资源的一项工程技术，又称空间技术。术。19571957年年1010月月4 4日，前苏联成功地发日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，标志人类已射了第一颗人造地球卫星，标志人类已经进入了空间时代，开始认识、研究、经进入了空间时代，开始认识、研究、利用和开发空间。经过近利用和开发空间。经过近4040年的努力，年的努力，航天技术有了飞速的发展，为人类带来航天技术有了飞速的发展，为人类带来了巨大的经济效益和社会效益。了巨大的经济效益和社会效益。6 6海洋技术海洋技术 通过海洋资源的开发，解决人类通过海洋资源的开发，解决人类面临的各种问题。面临的各种问题。海洋
14、是一个名符其实的海洋是一个名符其实的“聚宝聚宝盆盆”。海洋蕴藏着极其丰富的生物资。海洋蕴藏着极其丰富的生物资源、矿物资源、化学资源、能源和其源、矿物资源、化学资源、能源和其他许多资源。这些资源的种类和数量，他许多资源。这些资源的种类和数量，远远超过了大陆，多的令人难以置信。远远超过了大陆，多的令人难以置信。三、核三、核我国进行的原我国进行的原子弹实验子弹实验 我国进行的氢弹实验我国进行的氢弹实验1 1基本理论基本理论（1 1）质能关系）质能关系爱因斯坦的著名质能关系式回答了爱因斯坦的著名质能关系式回答了这个问题。爱因斯坦在狭义相对这个问题。爱因斯坦在狭义相对论中划时代的提出，物质的质量论中划时
15、代的提出，物质的质量（m m）和能量和能量（E E）的关系为的关系为 E E0 0=m m0 0c c 2 2（2 2）原子核结合能）原子核结合能原子核的结原子核的结合能与核合能与核的质量数的质量数（即核子（即核子数）的比数）的比值称为值称为“核子的核子的平均结合平均结合能能”。（3 3）质量亏损）质量亏损 2 2个质子与个质子与2 2个中子的质量与氦的质量个中子的质量与氦的质量不相等，其差值为：不相等，其差值为：M M （2 2M M中中2 2M M质质)-)-M M氦氦2 21.007825u1.007825u2 21.008665u 1.008665u 4.002603u4.002603
16、u4.032980u4.032980u4.002603u4.002603u0.030377u0.030377u 2 2核裂变反应堆与核电站核裂变反应堆与核电站秦山核电站秦山核电站反应堆反应堆反反应应堆堆内内部部3 3核聚变与可控热核反应核聚变与可控热核反应 环流器环流器环流器1号号 环流器环流器2号号 利用磁场约束实现核聚变。利用磁场约束实现核聚变。利用等离子体带电的性质，用强利用等离子体带电的性质，用强磁场将其约束在一定的区域内，并保磁场将其约束在一定的区域内，并保持一段时间。持一段时间。此类装置中以此类装置中以“环流磁真空室环流磁真空室”即托卡马克最有成效，在技术上有望即托卡马克最有成效，
17、在技术上有望突破。它的中央是一个半径突破。它的中央是一个半径2 23 3米的米的不锈钢环形真空室。不锈钢环形真空室。惯性约束核聚变。惯性约束核聚变。制成直径几毫米的制成直径几毫米的“靶丸靶丸”，利用强，利用强激光从许多方向上对其同时照射，靶丸具激光从许多方向上对其同时照射，靶丸具有惯性，再加上激光的光压力，使内层氘有惯性，再加上激光的光压力，使内层氘和氚混合物的密度急速增加，直径急剧缩和氚混合物的密度急速增加，直径急剧缩小，温度可达数千万度，高温高压最终可小，温度可达数千万度，高温高压最终可使聚变反应发生。使聚变反应发生。1991 1991年年1111月月9 9日，欧洲日，欧洲JETJET，温
18、度，温度3 3亿开，亿开，约束时间约束时间1.81.8秒，脉冲功率秒，脉冲功率1.71.7兆瓦。兆瓦。推进舱推进舱轨道舱轨道舱附加舱附加舱通讯舱通讯舱“神舟五号神舟五号”载人飞船剖视结构载人飞船剖视结构图图太阳能电池太阳能电池3 3其他新能源其他新能源 太阳能太阳能 干净、清洁能源干净、清洁能源氢能氢能 氢的化学变化释放的能量氢的化学变化释放的能量燃料电池燃料电池 直接把燃料的化学能转化为电能直接把燃料的化学能转化为电能磁流体发电磁流体发电 又称等离子体发电又称等离子体发电 地热能源地热能源 地球内部核能等地球内部核能等 海洋能海洋能 潮汐能、海浪能、温差能等潮汐能、海浪能、温差能等 二、嫦娥
19、工程二、嫦娥工程 1 1太空环境和资源太空环境和资源 太空这中蕴藏着大量资源，大致太空这中蕴藏着大量资源，大致分为高远位置资源分为高远位置资源（航天器观察的区域（航天器观察的区域大）大）；微重力资源；微重力资源（微重力、高真空、（微重力、高真空、温差大、高辐射）温差大、高辐射）；物质资源；物质资源（太阳能（太阳能资源、月球及其他行星资源）资源、月球及其他行星资源）。2 2人类对月球的探索人类对月球的探索（1 1）用探测器了解月球）用探测器了解月球 19591959年年9 9月，前苏联发射月，前苏联发射“月球月球2 2号号”，命中月球上名为命中月球上名为“澄海澄海”的东方地区。同的东方地区。同年
20、年1010月，月，“月球月球3 3号号”成功地绕到月球的背成功地绕到月球的背面，拍摄了平时无法看到的月球另一面照面，拍摄了平时无法看到的月球另一面照片。片。美国从美国从19611961年起先后执行了年起先后执行了“徘徊者徘徊者”计划、计划、“勘探者勘探者”计划和计划和“月球轨道环行月球轨道环行器器”计划。使一些无人探测器环绕月球飞计划。使一些无人探测器环绕月球飞行，并把一些探测器送上月球，对月球进行，并把一些探测器送上月球，对月球进行了详细、周密的探测。行了详细、周密的探测。（2 2）登）登上月球上月球的阿波的阿波罗时代罗时代宇航员登上阿波罗飞船宇航员登上阿波罗飞船阿波罗飞船外形阿波罗飞船外形
21、月球车月球车3 3中国的嫦娥奔月计划中国的嫦娥奔月计划（1 1）嫦娥奔月计划）嫦娥奔月计划一期绕月工程一期绕月工程 在最近的到年发射月球在最近的到年发射月球探测器探测器“嫦娥一号嫦娥一号”，对月球表面环境、地貌、，对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。地形、地质构造与物理场进行探测。二期工程二期工程 20072007年至年至20102010年，目标是研制和发年，目标是研制和发射航天器，以软着陆的方式降落在月球上。射航天器，以软着陆的方式降落在月球上。三期工程三期工程 20112011至至20202020年，目标是月面巡视年，目标是月面巡视勘察与采样返回。勘察与采样返回。我国卫星
22、绕月探测线路图我国卫星绕月探测线路图（2 2）神舟）神舟号飞船号飞船“神舟五号神舟五号”载人飞船剖视结构载人飞船剖视结构图图附加舱附加舱舱轨道舱轨道返回舱返回舱推进舱推进舱宇宇航航员员在天空中翱翔的神舟号在天空中翱翔的神舟号 神舟号飞船对接组成的小型空间站神舟号飞船对接组成的小型空间站（3 3）长征系长征系列运载列运载火箭火箭 火箭的发射火箭的发射 （4 4）航天飞机）航天飞机 推进剂推进剂储箱长储箱长47m、直、直径径8.4m。助推火箭用助推火箭用固体燃料，固体燃料，长长45m、直、直径径3.7m，推，推力力1.2107N飞行器长飞行器长37m，翼，翼展展24m推进剂储推进剂储箱长箱长47m、直径直径8.4m 世界各国的月球探测世界各国的月球探测 日本：将于日本：将于20252025年在月球建立基年在月球建立基地，让机器人做月球的地，让机器人做月球的“拓荒者拓荒者”。印度：计划在印度：计划在20082008年发射第一艘年发射第一艘无人登月飞船无人登月飞船“月球飞船月球飞船号号”。俄罗斯：新式登月飞船将在今年俄罗斯：新式登月飞船将在今年夏天首次试飞。夏天首次试飞。美国：再度登月的时间定在美国：再度登月的时间定在20152015年，最迟不超过年，最迟不超过20202020年，并且要在月年，并且要在月球建设球建设“多国太空站”。
