五界分类系统 在 1753, Carolus Linnaeus 林奈推荐二界分类法. 他把生物区分成 (a) 动物 （b）植物 在 1866 , Haeckel 海克推荐了三界分类法. . 他把生物区分成: (a) 动物 （b）植物 （c）微生物 Whitaker 惠特克把生物分为五界分类法. o Monera 原核生物界 o Protista 原生生物界 o Fungi 真菌界 o Plantae 植物界 o Animalia 动物界 原核生物界生物 • 遗传物质散在细胞质中 • 单细胞生物，微小, 在高倍光学显微镜下才可看见 • 非纤维素细胞壁 • 没有由膜包围的细胞器，如: 细胞核丶叶绿体及线粒体 • 所有细菌，如: 炭疽杆菌丶霍乱弧菌 • 氰细菌 (因有叶绿素, 故名蓝绿藻) 原核生物 • 通过分裂生殖繁殖后代 • 有些对人类有益：分解生物遗体和排泄物的分解，使得有机物变成无机物 • 有些对人类有害：引起疾病 原生生物界生物 • 不属于真菌界、植物界和动物界的真核生物 • 细胞没有特化的生物 • 多细胞生物或单细胞生物 • 原生动物 ，如: 变形虫丶草履虫、眼虫（有鞭毛运动，又有叶绿体进行光合作 用） • 藻，如: 水绵属丶墨角藻属丶矽藻(硅藻)类 • 黏菌 (真菌似的)
真菌界生物 • 固着生活和细胞壁一直被归入植物界，但是真菌的组织、起源、营养方式都与 植物不同 • 没有根丶茎丶叶及叶绿素 • 通常腐生或寄生 • 由菌丝组成菌丝体的霉菌 (如面包霉) • 菇类 (如蘑菇) • 单细胞的酵母菌 • 用途:酿酒、制造面包、青霉素，分解生物遗体和排泄物 • 疾病：灰指甲 • 有毒真菌如：毒蕈 植物界生物 • 有纤维素细胞壁 • 有叶绿体 • 无花植物，如：藓，蕨，裸子植物 • 有花植物，如：单子叶植物，双子叶植物 动物界生物 • 没有纤维素细胞壁 • 没有叶绿体 • 无脊椎动物 • 脊椎动物 o 鱼类 o 两栖类 o 爬行类 o 鸟类 o 哺乳类
三域系统 • 生活在极端环境如：缺氧、高温、高盐的细胞结构和代谢途径与一般的细菌大 不相同 • 美国微生物物理学家卡尔·查理德·乌斯把生物分别细菌域(Eubacteria)、古细菌域 (Archaebacteria)和真核生物域(Eukarya) 极端嗜热菌 • 能在 90°C 以上的高温环境中生活 • 美国黄石国家公园的热泉就是活着极端嗜热古细菌 极端嗜酸菌 • 能生活在 pH 值低于 1 的环境中 • 能氧化硫，将硫酸作为代谢产物排出 • 西班牙李拓河的矿渣废水中生活着极端 嗜酸古细菌
第二章 生命的统一性 • 遗传：生物将其性状传给下一代的现象，如形态结构、生理机能等和自己亲代相似 • 性状：指生物体每个部分的特征，如血型、植物高矮、动物肤色 • 性状由一对相关基因控制，分别为显性与隐性，各用英文字母的大写及小写代表 基因与染色体 • 1856 年，奥地利牧师孟德尔 Gregor Mendel 在豆科植物的杂交研究揭露遗传的道 理 • 生物体内含遗传物质，使下一代（子代）与亲代相似 • 基因：是遗传的小单位，位于细胞核内的染色体上，控制遗传的性状 • 染色体如一团线状物，由许多基因串成排列于每条染色体 遗传的方式 • 纯型合子（纯种）如 TT 或 tt；杂型合子（不 纯种）即 Tt • 用纯种的高茎植物（TT）与纯种的矮茎植物 （tt）作为亲代，传粉受精后产生的第一子代 全部是高茎植物（Tt）【T 为显性基因，t 为隐 性基因】 染色体与生物的遗传有关 • 古希腊著名医学家希波克拉底认为男性排出的精液中有一种会让女性受孕的东西 （精子） • 荷兰学者列文虎克的助手哈姆在显微镜下发现精子，学者认为人的精子或卵子中有 父母形状的缩影，而受精卵发育成的子代具备了双亲的遗传性状 • 第一子代自花传粉，第二子代有 75%植株为高茎，25%为矮茎，即高茎与矮茎的比 例是 3：1
• 第二子代出现一对性状的两种不同个体，即显性高茎与隐性矮茎的植株，证明染色 体可传给子代 染色体 • 科学家发现动植物和真菌在细胞分裂 时，细胞核中会出现一些被碱性染料 染成深色的圆柱状小体 • 同种生物个体之间，染色体的数量和 形态几乎完全相同，不同种类的生 物，染色体的数量和形态有明显的差 异 基因 • 是遗传的小单位，位于细胞核内的染色体上，控制遗传的性状 • 染色体如一团线状物，由许多基因串成排列于每条染色体 细胞分裂 • 细胞长到一定大小时，分裂为二的现象 • 目的：使生物生长与发育，将母细胞的遗传物质传 给子细胞 • 细胞分裂有 2 种 o 有丝分裂 o 减数分裂 • 细胞核能控制细胞分裂的过程 • 一般多采用洋葱根尖细胞观察细胞的有丝分裂 有丝分裂 • 也称为体细胞分裂，发生于体细胞 • 目的：增加细胞数量，构成生物体 • 过程：染色体复制成两条，细胞分裂成两个子细 胞，各含有与母细胞相同数目的染色体。
减数分裂 • 发生于生殖细胞或配子形成 • 目的：产生单倍配子以繁殖后代 • 过程：染色体复制一次。其后，细胞连续分裂两次，产生四个子细胞，每个子细胞 只含单倍数染色体。 有丝分裂与减数分裂的差别 有丝分裂 减数分裂 形成体细胞 形成生殖细胞 一次细胞分裂 连续二次细胞分裂 染色体数目不变 染色体数目减半 染色体复制时，着丝点分离 第一期减数分裂，着丝点不分离 第二期减数分裂，着丝点才分离 产生两个子细胞 产生四个子细胞
• 在受精过程，雌雄生殖细胞结合形成受精卵，受精卵通过有丝分裂形成个体 • 通过减数分裂，受精作用和有丝分裂，在生物体代代相传，确保染色体的数量和种 类保持不变 • 受精卵一般染色体来自父亲，另一半来自母亲 人的性别决定 • 人类细胞核内正常染色体有 46 条，即 23 对 • 男女的第 1 至 22 染色体相同，叫体染 色体；决定性别的性染色体，女性是 XX，男性是 XY • 子代的男、女机率各占一半 • 鸟类的染色体与哺乳动物不同，雄性有 两个相同的染色体 ZZ,雌性有一对异形 染色体 ZW 基因与 DNA • 1856 年，奥地利牧师孟德尔 Gregor Mendel 在豆科植物的杂交研究揭露遗传的道 理 • 生物体内含遗传物质，使下一代（子代）与亲代相似 • 丹麦遗传学家约翰孙认为基因记录和传递遗传信息 • 美国遗传学家摩尔根通过果蝇遗传史琰，认识基因存于染色体上，呈线性排列，得 出染色体是基因载体的结论 美国科学沃森和英国科学家克里克 • 提出了脱氧核糖核酸螺旋结构模型 • 证明了它就是遗传物质 • 是个大分子化合物，相对分子质量百万以上 • 每条染色体只含有一个脱氧核糖核酸分子 • 基因就是脱氧核糖核酸分子上起遗传作用的片段 • 每个脱氧核糖核酸可以有很多个基因，基因使蛋白质合成，进行控制生物体的性状 如肤色、形状等
SRY 基因 • 在 Y 染色体上的一小段 DNA • 能触发睾丸发育，决定精子的产生和成熟 变异 • 同一物种内不同个体之间的差异 • 可分为 2 大类 • 不可遗传变异：由环境引起的变异 o 例如：营养不足而导致瘦弱矮小，激素引起变异 • 可遗传变异 o 环境因素如药物、病毒、X 光照射、核子辐射线，放射性元素如镭或铀等引 起的基因重组或改变，而导致的性状变异会遗传 o 遗传性突变的原因： ▪ 杂交引起基因重组 ▪ 基因结构的改变，即突变 ▪ 染色体结构或数目的改变 • 自然突变是生物演化的基础 染色体数目的改变可以产生新品种 • 马有 64 条染色体，驴有 62 条染色体，马和驴杂交得骡子 63 条染色体 • 人类的疾病因染色体数目改变而引起如唐氏综合症，患儿智力低，原因是第 21 好 染色体有 3 条，因此又叫 21 三体综合症 镰刀型细胞贫血症 • 因基因突变而使红细胞由正常的圆形变成镰刀型， 导致红血球不能通关过毛细血管而缺氧贫血 • 控制红血球的基因结构发生改变，红血球蛋白分 子也发生改变
动物白化现象 • 由基因突变引起 • 控制皮肤的黑色素合成基因发生突变，动物皮肤由于 缺乏黑色素而白化 可遗传变异的作用 • 有利变异 o 变异利于生物生存 o 小麦的抗倒伏、抗锈病的变异使它有利生存 • 不利变异 o 玉米白化苗因缺乏叶绿素不利于生长 • 变异使生物能适应不断变化的环境，是生存的基本条件 农业的各种有利变异 • 牛群众出现肉质佳，产奶较多的牛在进行繁殖中不断选育买得到更好肉质和产奶更 多的新产品 • 人类利用射线照射、药物处理、将作物种子送入太空等手段，使种子的遗传物质发 生改变，出现各种各样的变异 转基因技术 • 运用科学手段从某种生物中提取需要的基因，将它与另一种生物基因进行重组，改 变遗传特性 • 例子：转基因达到可抵抗除草剂，避免与杂草一起被除草剂杀死 遗传工程 • 将高等生物细胞内的基因放入细菌内，二 基因组合后，细菌制造这些只在高等生物 体内产生的物质，如疫苗、激素，以供应 医药或农畜界 • 例子：利用大肠杆菌产生重组胰岛素，干 扰素对抗病毒
生命的统一性 • 共同的特征 • 碳、氢、氧、氮是生物体的基本元素，占生物体内元素 90%以上 • 生物体内的物质变化和能量变化都需要酶（蛋白质组成）的催化 • 生物体内都不断进行物质和能量的转化
第三章 生物的演化 地球上生命的起源 • 地球大约在 46 亿年前形成，早期是地球一个炽热的星球，温度很高，不可能有生 命存在 化学起源的假说 • 生命在地球温度逐步下降后，在漫长的时间内，由非生命物质经过复杂的化学过 程，逐步演化而成 米勒实验 • 假设：在生命起源之初的原始大气中只有甲 烷、氢气、氨气、和水蒸气，没有氧气下，装 入在一个密闭的装置内以火花放电，一段时间 后，发现产生了一些氨基酸 • 证明了原始生命物质是通过化学变化起源 • 后来，气体科学家以同样方式，证明生物体内 的 20 种氨基酸和尿素在原始地球条件下多种途 径产生 但仍然不能证明这些是生命起源 • 原因 o 原始生命物质不等于原始生命 o 原始大气中没有氧气 澳大利亚的一颗陨石 • 在落到澳大利亚的一颗陨石发现并非来自地球的氨基酸 • 天文学家在星际空间发现数十种有机物 • 地球的生命可能来自宇宙其他星球
有机物是生命的基础 • 早期地球确实有可能发生无机物转变成有机物的化 学演化，但是是在海洋中 • 在原始海洋，一定的条件下，蛋白质和核酸等物质 长期累积，经过浓缩、凝聚，形成多种分子组成， 再经漫长复杂过程，形成了生命 演化的证据 • 化石是生物死亡后所遗留下来的坚硬部分，在长期 的压缩嵌夹于岩石中形成的，如骨骼、牙齿、脚 印、卵 • 化石是演化的最佳证据 • 遗传与变异是演化的最佳原动力 化石提供生物演化的证据 • 早期马（始祖马）的化石，身体只有狐狸大，前肢 4 趾，后肢 3 趾 • 现代野马体型高大，足上只有 1 趾，趾端又坚硬的蹄 • 原因是只有跑的快的马才能适应环境变化，获得更多 食物和逃避敌害 恐龙是生活大约 6500 万年至 2 亿年前的陆栖脊椎动物 • 种类繁多 1047 种，有草食性、肉食性和杂食性 • 可以以双足或四足行走 • 体型庞大 生物的演化 • 早期动植物生活在水里，之后才出现陆生动植物 • 早期生物身体结构越原始，越简单；年代越晚，身体结构越复杂 • 现代生物都是由古代生物演化而来，因此现代生物之间有亲缘关系 • 例如：爬行类与鸟类过渡类型始祖鸟化石 • 现今科学家通过脱氧核糖核酸和蛋白质的差异，推测其互相之间的亲缘关系
自然选择 • 达尔文 Charles Darwin 原发文章“The Origin Of Species” «物种起源» • 天择说指出生物为了生存而互相竞争，适者生存，不适者淘汰 • 演化是生物经过漫长时间的天择作用的演变过程 • 演化论: 解释生物演化的理论或学说 桦尺蛾 • 19 世纪中期，该地区原植物的树干多呈浅灰色， 灰色的桦尺蛾不容易被敌害发现而生存下来，这是 适者生存，黑色桦尺蠖容易被敌害发现而吃掉，是 不适者被淘汰 • 20 世纪中期，煤烟将树干熏成了黑色．深色桦尺 蛾就不容易被发现而生存下来是适者生存，而浅色 桦尺蛾容易被敌害发现而吃掉，是不适者被淘 汰．因此桦尺蠖的两种体色比例变化是自然选择的结果． 自然选择学说 • 生物的生存食物和空间都是有限，必须获取足够的食物和空间而进行生存斗争 • 生物都具有遗传和变异的特征，只有那些具有利变异的个体，在生存斗争中容易生 存下来并繁殖后代 • 不利变异的个体会被淘汰 综合演化论 • 生物演化的基本单位不是生物个体，而是生活在同一地区的群体称种群 • 基因和染色体等遗传物质的变异是生物演化的基础 • 自然选择决定演化的反向，生物对环境的适应性是长期自然选择的结果 • 隔离导致新物种的形成
第四章 星和星系 天上的星星 • 光在介质中传播时，部分光偏离原方向而分散传播的现象称光的散射 • 白天看不到星星，因为太阳光被地球大气散射，也是天空呈蓝色的原因 • 夜空中的星星，大部份是恒星，少数是行星、卫星、小行星、彗星等，约有 6 千 多颗 • 太阳和月球（反射太阳光）最耀眼，原因是距离离地球很近 星星的明暗程度 • 以视星等表示 • 视星等越小，星星越亮 • 6 等星是肉眼可见的最暗的星星 • 天狼星是夜空中最亮的恒星，视星等为- 1.44 • 太阳的视星等是-26.7 星座 • 古希腊人把天空的一些亮星把想象连起，并赋予 神话中的形象 • 古希腊人分成 48 星座 • 古代中国人把天空划分“三垣二十八宿” • 现代天文学吧全天划分为 88 个区域（星座） 恒星的亮度、温度和颜色 • 恒星的明暗程度取决于恒星的亮度和恒星与地球的距离 • 距离越远，看起来越暗 • 不同颜色的恒星，表示表面温度不同 • 蓝色白色恒星表面温度于 6000K –1000K，组成物质含有离子化和中性的氦 • 黄白色恒星表面温度与 5200K – 6000K ,组成物质包含离子化金属及中性金属 • 黄橙色、橙红色和红色恒星表面温度低于 5200L,组成物质包含中性金属、钛分子 和氢成分
恒星的演化 • 恒星的诞生需要尘埃和气体组成星云 • 太阳系内的行星绕日公转的轨道大多数接近于一个同平面 星云说 • 德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出 • 太阳系是由一片星云收缩形成 • 宇宙中分布着气体和尘埃组成大云雾状的星云（直径十几光年） • 原始太阳星云是扁平，不断自传的气体尘埃圆盘，在星云的引力作用下不断收缩， 在圆盘中心聚集了大部份的质量 • 当体积和质量不断增加，圆盘中心复杂的变化，形成了原始太阳，剩余的星云物质 进一步收缩，形成地球等恒星 恒星演化过过程 • 太阳的光和热是靠太阳内部氢元素的原子核发生核聚变而产生 • 核聚变：2 个质量较轻的原子核在一定条件下结合成质量较重的新原子核，同时释 放出大量的能量 • 科学家估计，进入成年阶段的太阳可以维持 100 亿年的稳定状态，太阳大约已存 活了 50 亿年，再过 50 亿年，太阳将进入晚年期
太阳的未来 • 当太阳缺少核燃料时，太阳球核将开始收缩，而太阳外层的燃料继续进行核聚变， 星体急剧扩大，同时表面温度急剧下降，变成红色的红巨星 • 红巨星的阶段可以维持 10 亿年，而恒星的亮度将升高到今天的 1 万倍 • 红巨星会不断把外层物质抛向太空，在星体周围形成星状星云 • 而球核将一步一步缩小，密度越来越高，形成白矮星 • 白矮星是我们肉眼看不到的黑矮星 恒星的寿命 • 恒星的质量越大，寿命越短；质量越小，寿命越长 • 质量越小，燃料消耗得比较慢，寿命可以长达 1000 亿年 • 质量比太阳大，寿命会短，可能只有 1000 万年左右 质量很大的大恒星 • 进入晚年后，体积会急剧变大，有的半径会达到太阳的 1000 倍，形成红超巨型， 随后爆发成超新星 • 超新星的球核爆炸后有 2 个可能 o 质量较小的会形成体积小，密度大的星核称中子星 o 质量更大的恒星爆炸后悔形成黑洞，密度极大，能吸引任何物质甚至光线 • 恒星在演化的最后时刻，不断地抛出物质，渐渐孕育出新的恒星星云 星系 • 由无数的恒星、恒星系、气体和尘埃在引力的束缚下组成，黑洞在中心 • 三种基本星系 o 椭圆星系：属于比较年老的星系，少量气体尘埃 o 螺旋星系： 盘状结构和旋臂，旋臂上的恒星诞生率高 o 不规则星系：混乱，可能是椭圆星系或螺旋星系发生碰撞而成或受到引力的 作用而破坏
银河带 • 从东北向西南横跨天空的云雾状光带 • 全年都可以看的到 • 夏季的夜空正面向银河系的核心，所以比较亮 • 银河系是由 1000-4000 亿颗恒星和星团、星 云组成 • 直径约 10 万光年 银河系 • 中间是核球，核球的中部是银核，四周是银盘 • 银盘有四个“旋臂”状结构 • 太阳系和银河系中心约 2.6 万光年 天体系统和宇宙 • 天体的不断运动和天体之间的引力作用，形成宇宙不同大小的天体系统 • 包括行星系、恒星系、星系、和总星系 • 地月系：地球和月球组成的行星系 • 地球的体积和质量较大，所以月球绕地球运动 • 太阳系：是银河系的一部分，太阳和总舵恒星系、星云绕着银河系中心“银核”运动 • 太阳系绕银核一周需要 2.5 亿年 • 总星系：银河系和其他星系共组成的宇宙
第五章 宇宙探秘 膨胀的宇宙 • 哈勃发现所有的星系间的距离不断扩大，都在 远离我们 • 星系一直在运动和变化 宇宙大爆炸 • 大约 138 亿年前，宇宙处于一种高温度和极大密度的状态而诞生，诞生后迅速膨 胀，已知延续至今 • 而现今发现膨胀速度有加速的迹象 对天狼星的观测 • 古埃及人发现天狼星从日出前的东方升起，就意味着洪水将要来临 • 因此制定了历法 • 两河流域的古巴比伦人也发明了历法，精确地观测到太阳和月亮的运行 古希腊人埃拉托斯特尼 • 通过太阳光的观测，以数学方法证明地球是球体，算出了地球的长度 中国古代天文学家张衡 • 改良了浑天仪，正确显示星空的周日视运动 亚里士多德-地心说 • 创立了地心说宇宙模型 • 地球处于宇宙中心静止不动，日、月、行星、恒星等天 体都围绕着地球各自的圆形轨道上绕着地球运转 天文学家哥白尼-日心说 • 把地球从宇宙中心移开，太阳放到宇宙的中心 • 地球和行星绕太阳做圆周运动，月球绕地球转动 牛顿 • 提出万有引力定律 • 物体之间都存在互相吸引的力，如星星绕日运动
康德-拉普拉斯星云说 • 宇宙中的天体不是一成不变，而是演化而成 • 宇宙学：宇宙起源和演化的研究 霍金 • 提出黑洞论和宇宙无边界的设想 • 预言宇宙的两种说法 o 它可以永远膨胀下去 o 它会塌缩而在大挤压处终结 太空探索 • 中国陶成道（万户）开始人类第一次飞天，他手拿两个巨型风筝，点燃了捆绑在座 椅上 47 个火箭，可是飞行失败，不幸遇难 • 美国“哥伦比亚”号太空梭从国际太空站返回地球时，在大气层中解体，7 名航院全 部遇难 现代太空探索 • 1942 年，德国发射世界上第一枚弹道导弹 • 20 世纪 50 年代，美国和苏联在此基础，成功制造出航天运载火箭 • 苏联用洲际导弹改装“卫星”号运载火箭是第一枚成功发射的卫星运载火箭 • 太空飞行器 • 可分为 2 大类 o 无人太空飞行器 ▪ 人造卫星 ▪ 太空探测器 o 载人太空飞行器 ▪ 载人飞船 ▪ 太空站 ▪ 太空梭 ▪ 空天飞机
太空探索 • 苏联 1957 年发射第一颗“斯普特尼克一号” • 人类正式宣告进军太空 • 1961 年苏联航员尤里·加加林完成首次载人太空飞行，绕地球 轨道飞行 108 分钟 • 1965 年，苏联宇航员阿里克谢 ·列昂诺夫进行人类首次太空行 走 • 1969 ，美国“阿波罗 11 号”宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成功登上月球 • 1965 年，美国“水手 4 号”探测器在火星表面 9800km 上空掠过火线，发回 21 张照 片，有史以来第一个成功到达火星 • 1976 年，美国发射“海盗 1 号”探测器在火星着陆 • 2015 年，美国“新视野号”探测器历经 9 年时间，成功掠过冥王星，成功传回冥王 星照片，此后，它将继续向太阳系外太空飞行 科技发展- 天文望远镜 • 天文观测的组要技术 • 哈勃望远镜在 1990 年在美国发射成功，它在地球大气上面，离地面约 550km 的高 空围绕地球飞行 • 不受大气活动干扰，观测到的太空图像清晰、观测距离更遥远、提供更详细的数据 太空站 • 在近地轨道上绕地球长时间运行 • 可供多名宇航员长期工作和生活的载人航天器 • 苏联的“礼炮一号”在 1971 年成功发射升空 • 现今的太空站是由航天员运载和太空梭分批将组 件送入轨道，在太空组装而成
宇宙飞船 • 位于航天运载火箭顶端 • 能容纳 1-4 人 • 任务完成后返回舱利用降落伞或缓冲火箭到地面 • 飞船其余部分留在轨道上成太空垃圾 • 价廉低，安全性好，但是无法重复使用 太空梭 • 可重复使用的大型载人航天器 • 运载量大于宇宙飞船 • 一次可以携带 7 名宇航员和大量物资，可以携带 大型整件物品 太空探测的意义 • 认识宇宙的演变 • 拓展人类的生存空间 • 开发利用资源 • 促进科技发展 其奥尔科夫斯基 • “航天之父”说过：地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里 • 宇航员的空间资源、环境资源、矿产资源和能源等，随着人类对宇宙探索的步步深 入将逐步得到开发利用 • 宇宙的环境具有地球不具备的微重力、高真空、强辐射和超低温等特殊的条件 • 人类可在这些条件下研发新材料、新工艺、进行生物和医学特殊研究，对宇宙空间 资源的利用 人造卫星 • 对地球的自然灾害、农业生产进行监测 • 调查地球上的资源分布 • 预报天气变化 宇宙矿产 • 月球、行星和其他天体有着丰富的矿产资源
• 地球最常见的 17 种元素在月球上有广泛的分布 • 其中铁、铝的贮藏特别丰富，稀有金属的贮藏量可能超过地球 “尿不湿” • 婴儿用品“尿不湿”是从宇航技术转过来的 • 由第一位宇航员加加林开始，宇航员排尿问题难以解决 • “太空服之父”唐鑫源改进太空服，利用高分子吸收体成功制作了一种吸水 1400ml 的纸质尿片 飞向遥远的星空 • 至今只有美国在 1977 年发射的“旅行者 1 号”探测器成功飞出太阳系 • 在 2012 年，“旅行者 1 号”飞行长度 35 年，已经证实离开了太阳系，继续飞向太阳 系以外的星际空间 • 截止于 2015 年，“旅行者 1 号”已飞行约 200 亿 km，约合 0.002 光年 • 宇宙太大了，离太阳最近的恒星比邻星与我们也有 4.2 光年的距离
第六章 简单机械的应用 杠杆 • 阿基米德说过：只要给我一个支点，给我一根足够长的杠杆，我也可以推动地球 • 阿基米德利用杠杆原理，造过一个机械，它让国王能轻松的用一只手，就把一艘船 拉上岸，让全国百姓佩服得五体投地 杠杆原理 • 当一个系统静止平衡时，作用在系统上的各力矩总和为零，这种现象称为杠杆原理 杠杆的 7 要素 • 三点丶二力丶二臂 • 三点 o 支点 O： 杠杆绕着转动的点. o 动力作用点：在杠杆上施加动力的点 o 阻力作用点：在杠杆上施加阻力的点 • 二力 o 动力 F 1 ： 促使杠杆转动的力 o 阻力 F 2 ： 阻碍杠杆转动的力 • 二臂 o 动力臂 L1 ： 支点到动力作用线的垂直距离 o 阻力臂 L2 ： 支点到阻力作用线的垂直距离 力的作用线 • 点到线的距离 • 力的作用线：通过力的作用点沿力的方向所画的直线，叫做力的作用线. 杠杆的平衡条件 • 动力 × 动力臂 = 阻力 × 阻力臂 • 表达式： F 1 ．L1 =F 2． F 2 • 这表示在杠杆平衡时，动力丶阻力的大小与它们的力臂成反比
由 得 • 省力杠杆 o 特点： L1 > L2 → F 2 >F 1 省力费距离 o 例：钳子丶撬棍丶刹车踏板丶铡力丶瓶盖起子 • 费力杠杆 o 特点： L1 < L2 → F 2 <F 1 费力省距离 o 例：镊子丶钓鱼杆丶缝纫机踏板丶人的前臂丶理发剪刀 • 等臂杠杆 o 特点： L 1 = L 2 → F 2 = F 1 不省力也不费力 o 例：天平 杠杆的应用 • 机械人：机械臂、机器臂、机器手或机械爪都 是杠杆 • 人体手臂杠杆 第一类杠杆 • 支点位于施力点与重物之间 • 剪刀丶老虎钳丶翘翘板就是利用这种杠杆 • 如果施力臂长，抗力臂短，那就是省力工具。反之就是费力工具 • 如果施力臂等於抗力臂，那这工具不省力也不费力 第二类杠杆 • 抗力点位于支点及施力点之间 • 手推车丶开瓶器丶裁纸刀就是利用这种杠杆 • 这种杠杆，施力臂长，抗力臂短，永远是省力的。所以可以较小力量举起或移动较 重的重物
第三类杠杆 • 施力点位於支点及抗力点之间 • 镊子丶筷子丶扫帚就是利用这种杠杆 • 这种杠杆，施力臂短，抗力臂长，永远是费力的。而它的优点是省时 滑轮 • 由框丶轴丶带槽的轮组成 • 一个周边有槽，可以绕着装在框子里的轴转动的小轮叫滑轮 • 分类：动滑轮 、定滑轮、滑轮组 定滑轮 • 使用时，滑轮轴固定不动的滑轮叫定滑轮 • 特点：不省力，可以改变力的方向 • 定滑轮的实质：它是一个等臂杠杆 动滑轮 • 使用时，滑轮的轴与重物一起移动的滑轮叫动滑轮 • 特点：在动力作用在轮上时，省一半力，不改变力的方向 • 动滑轮的实质：动力臂为阻力臂二倍的杠杆 滑轮组 • 动滑轮和定滑轮组合在一起叫滑轮组 • 特点： o 使用滑轮可以省力，也可以改变力的方向 o 使用滑轮时，不计摩擦及绳重，滑轮组用几段绳子吊着物 体，提起物体所用的力就是总重的几分之一 o F= W/n （为承担重物和动滑轮总重的绳子段数）
轮轴 • 由两个半径不同、能绕同一转轴转动的轮子组成的杠杆类简单 装置 • 其中半径较大的称轮，半径较小的称轴。如辘轳、绞盘等 • 使用时动力作用在轮的边缘，轮转动时，轴一起转动卷起绳子 提起重物，因轮半径大于轴半径，所以使用轮轴能省力 • 计算公式 F1R=F2r • 轮径越大越省力，越小越费力 • 大圆带动小圆→为省力轮轴 • (方向盘丶门把丶水龙头丶螺丝起子丶铅笔机丶打井水 的丶手摇钻) • 小圆带动大圆→为费力轮轴 • (杆面棍丶竹蜻蜓丶溜溜球丶轮轴与轮胎丶风扇马达丶时钟後的发条) 斜面 • 一种常见的可以省力的简单机械 • 沿斜面向上拉物体时，所用的拉力小于物体受 到的重力 • 斜面的坡度越小，所以拉力越小 • 应用:沿斜面容易推轮椅，大桥通常要做很长 的引桥，使汽车较容易驶上桥面 螺旋 • 通常是表面具有凹凸不平呈螺旋线型条纹的圆柱体或圆孔体，称这种圆柱体为“螺 杆”、圆孔体为“螺母”、螺旋线型条纹为“螺纹” • 是个变形斜面，在有限的空间将斜面的坡道做得很长 • 就是通过施加较小的力旋转螺杆，降压在顶托上的重物顶起 机械利益(Mechanical Advantage) • 机械利益(Mechanical Advantage)： 无利用机械所用的力与利用机械所用的力之比 • 设 M 表机械利益，F’=无利用机械所用的力;F= 利用机械所用的力，则 • 机械利益(MA) = F’/F o M=1 不省力，也不省时，但可改变施力方向 o M>1 省力，省时 o M<1 费力，省时
如何提高机械利益 • 机械润滑得好，移动物体所需的力就越小，机械利益就越大 • 增加机械润滑剂，可提高机械利益
第七章 电的应用 串联电路 • 把元件逐个顺次连接起来组成的电路 • 特点：电流路径唯一，开关位置任意 • 流经所有元件的电流是相同的 1 = 2 = 3 • 所有负荷两端的电势差的总和相等于电源的电动势 1 = 2 + 3 并联电路 • 把元件并列连接起来组成的电路 • 特点：断开干路，整个电路形成开路； 断开一条支路，不影响别的支路 • 流经所有分支的电流的总和相等於流经电源的电流1 = 2 + 3 • 任何分支两端的电势差都是相同的1 = 2 = 3 电阻 • 电子在电路中流动时所受的阻碍称为电阻 • 影响电阻大小的因素 o 导体的电阻大小和本身的材料性质有关，例 如：金丶银丶铜是电的良导 体，有较低的电阻；而玻璃丶橡胶等是电的绝缘体，有很高的电阻 o 相同材料的导体，其截面积越大，电阻就越小。导线越长，电阻就越大 o 金属导线温度升高时，导电能力下降，即：金属导线内温度越高，则电阻越 大
• 当两条导线并联在一起时，就相当於增加导线的面积，电阻会变小 • 当两条导线串联在一起时，就相当於增加导线的长度，电阻会变大 欧姆定律 • 西元 1826 年，德国科学家欧姆发现，同一种金属导线在温度保持一定时，导线两 端的电压 V 与流经导 线电流 I 的比值为一定值(此定值即为导线的电阻)，即电流与 电压成正比。 电流强度、电压和电阻的关系 导体中的电流强度与导体两段的电压成正比 V/I= R 串联电路的总电阻等于各串联电阻之和 R = R1+ R2 并联电路的总电阻的倒数，等于各并联电阻的倒数之和 1/R = 1/R1 + 1/R2 电功 • 在一段电路中电场力对定向移动的自由电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电 流所做的功。 • 公式：W＝VIt ，电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压 V 丶电路中 的电流 I 和通电时间 t 三者的乘积 • 单位：在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是 J • 电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是 kW•h。1 kW•h 的物理意义是表示 功率为 1 kW 的用电器正常工作 1 h 所消耗的电能 • 1 kW•h＝1000 W×3600 s＝3.6×106 J 在电流相同时，电压越大，相同时间内电流做的电功越多 在电压相同时，电流越大，在相同时间内电流做的电功越多 电流所做的功和电压、电流和通电时间成正比 ( ) ( ) ( ) I V R 電流 電壓 電阻 =
电功率 • 定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率。用 P 表示电功率 • 公式：P＝VI • 物理意义：功率是表示电流做功快慢的物理量 • 单位：瓦特(W)。 千瓦(kW) • 1W＝1J/s 额定功率与实际功率 • 额定功率：用电器正常工作时的功率 • 实际功率：用电器实际工作时的功率 • 额定功率与实际功率的关系：对一个用电器来说，额定功率只有一个。实际功率可 随着用电器两端的电压和通过的电流的变化而改变。所以实际功率可等于丶小于或 大于额定功率 • 选择用电器时，要注意它的额定电压，只有在额定电压下用电器才能正常工作。实 际电压偏低，用电器消耗的功率低，不能正常工作。实际电压偏高，长期使用会影 响用电器的寿命，还可能烧坏用电器 电功率和热功率/热效应 • 电流做功的实质 o 电场力对电荷做功的过程，实际上是电能转变成其他形式能量的过程 o 在真空中，电荷减少的电势能转化成动能 o 在纯电阻元件中电能完全转化成内能. • 焦耳定律：H＝I 2 Rt • 上式表明，导体中产生的热量 Q 与导体两端的电压丶导体中通过的电流 I 和通电 时间 t 成正比 热功率 • 单位时间内发热的功率叫做热功率 • 公式：P 热＝I 2 R • 电功与电热的关系
电功率与热功率的区别 电功率是指输入某段电路的全部功率或在这段电路上消耗的全部电功率，等于这 段电路两端电压 V 和通过的电流 I 的乘积。电功率 P＝VI，对任何电路都适用 热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，等于通过这段电路中电流的平方 I 2和 电阻 R 的乘积。电热功率 P 热＝I 2 R，对任何电路也都适用 变压器 • 升压变压器 – 使电压升高 – 变压器初级线圈的匝数小于次级线圈的 匝数，变压器输入的电压小于输出的电 压 • 降压变压器 – 使电压降低 – 变压器初级线圈的匝数大于次级线圈的 匝数，变压器输入的电压大于输出的电 压 远距离输电 • 在远距离输电过程中，由于输电导线有电阻，电流通过时会因发热而造成电能的损 耗 • 因此，减少输电的能耗的方法 – 减小输电导线的电阻 – 用较小的电流输电 P =VI, I = P/V • 若要发电厂输出的电功率保持不变，则提高输电电压可以减小输电电流，以减小能 量损耗 • 或增大导线的横截面积减小导线的电阻来达到减小能量损耗的目的 变电站 • 大型发电机产生的电压只有几十千伏，而高压输电的电压通常为几百千伏，甚至上 千千伏，用户使用的电压通常几百伏 • 所以远距离输电时，在输出地把发电厂产生的电利用升压变压器提高电压，在达到 地则要利用降压变压器降低电压
第八章 波和信息 波动的产生 • 物质的某处受到扰动时，则以扰动处为中心，将能量传给邻近的物质，使其依序做 同样的振动，此种现象即称为“波动”，或简称为“波” • 必须介质受到干扰後，才能引起波动 o 传递波动的物质称为介质 o 绳波的介质是绳子 • 弹簧波的介质是弹簧；声波的介质是空气 • 波传播的过程，只有能量前进，介质则在原地附近振动，并不随波前进 • 传播的过程中，波只传送能量，传送波形，不传送物质(介质)。 波的性质 • 需要介质才能传递的波称为力学波(机械波)；例：绳波丶声波丶水波……等 • 不需介质即能传播的波称为非力学波(非机械波)；例：光波丶电波丶磁波……等 • 以不同的施力，振动同一绳子，则用力愈大，振动起伏愈大 • 以相同的力量振动绳子，如果振动的快慢不同，则发现振动愈快时，绳波的数目将 愈多，而波纹也愈密 实例 • 雨滴落在池塘形成圆形波，以波源为起点，沿着半径方向向四周传播 • 下雨时，雨滴掉落水洼，会产生层层的涟漪，并渐渐向外扩散 • 舞台上的彩带舞，啦啦队的波浪舞，彷佛不停止的波动 波的种类 • 依照介质振动的方向来区分 o 横波：介质振动方向和波前进方向垂直，称为横波，又称为高低波 o 纵波：介質振動方向和波前進方向平行 称為纵波，又稱為疏密波
海啸 • 由地震引起 • 地震：地球内部局部发生急剧的破裂或错动产生地震波，在一定范围内引起地面震 动 • 若地震发生于海底浅层，容易引发海水剧烈起伏而形成海啸 • 海啸接近岸边时，因波浪前进速度减小而出现堆积现象，形成滔天巨浪 海啸的前兆 • 海水异常的暴退或暴涨 • 离海岸不远的浅海区，深蓝色的海面突然变成白色，前方出现一道长明亮的水墙 • 位于浅海区的船只突然剧烈地上下颠簸 • 突然从海上传来巨大的咆哮声 波的各部名称 • 波峰：波的最高点 • 波长：波峰和波峰间(波谷丶波谷间)距离 • 波谷：波的最低点 • 振幅：平衡点到波峰(或波谷)的距离 • 周期：振动一次所需的时间(单位：秒) • 频率：平均每一秒钟内所振动的次数 • (单位为次／秒，或赫兹，简称为赫，记为 Hz) • 振动一次产生一个波 • 波速：波动每一秒钟所移动的距离
超声波和次声波 • 人的耳朵能听到的频率范围为 20 赫～20000 赫 • 若发生频率超过 20000 赫以上，耳朵便无法接收，我们将此种高频率的声波，称 为超声波 • 频率低于 20 Hz 的声波称为次声波 超声波 • 超声波可由坚硬的材料振动产生，例如水晶 • 超声波具有高频率丶波长短丶方向性佳丶传播方式和光波类似，采直线进行，容易 有折射和反射的现象 • 无法用光线观察的地方，有时可利用超声波进行探测 超声波应用 • 蝙蝠夜间飞行，视觉退化，利用发出频率 20000 赫～100000 赫的超声波，藉助物 体反射回来的回声，判断附近生物的种类丶大小和位置 • 超声波仪探头发出频率约 2x 106的超声波，超声仪接受并测量反射回来的超声波， 通过反射声波的密度和频率显示在屏上一幅图像，反应胎儿发育状况 • 渔船和舰艇上使用的『声纳』可以发射和接收声波，测量声波反射回来所需的时 间，可以探测海底深度丶鱼群或潜水艇位置等 次声波 • 地震、火山爆发、风暴、雷暴、海浪冲击及机器的振动，都会产生次声波 • 大象、老虎、鳄鱼等动物都能发出次声波 次声波应用 • 大象听声的频率范围 1-20000Hz，大象的脚踏基地面产生出一种次声，这种次声 可以通过地面传导 50km 以外的地方，被其他大象听到 • 检测气体泄露技术，利用次声波衰减慢、传播距离远的特点来进行检测 • 次声波对人体有害 o 次声波的功率很强，人体受影响后，会出现呕吐、呼吸困难、肌肉痉挛、神 经错乱、失去知觉和内脏血管破裂而丧命 o “乌兰格梅奇号”的船员是丧命于次声波
水母耳风暴预测仪 • 海浪与空气摩擦产生 8-13Hz 的次声波，人耳 无法听得到，而水母特殊的听觉系统可以听到 这种声音 • “水母耳风暴预测仪”由喇叭、共振器、传感器 和指示器组成，能接收到风暴的次声波，知道 风暴过来的方向和强度 电磁波 • 电磁波谱可以按照波长或频率的顺序进行排列，如果把每个波段的频率由低至高依 次排列的话 • 它们是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线及 γ 射线。 • 以无线电的波长最长，频率低；宇宙射线的波长最短，频率高 • 速度和光一样，也可以在真空传送 • 波长、频率和波速的关系 v = fλ 无线电波 • 一种波的能量越低，它的频率也就越低。能量最低的波是无线电波 • 电磁波的波长很长，大约超过 30 米 • 如果一股电流在一种导体中来回传播，这会导致电子的振荡，于是就产生了无线电 波 • 如果这些无线电波传播到另一个导体中，这些波可以使得这个导体中的电子也产生 振荡，从而产生一个小的电流 • 这种原理可以运用于通讯 • 可在收音机上利用选台旋钮旋转不同频率的无线电波
紫外线 • 波长在 0.01 微米到 0.4 微米之间的电磁波被称为“紫外线” • 自由电子和原子再结合是就会产生紫外线 • 根据波长的不同分为长波紫外线丶中波紫外线和短波紫外线（分别缩为 UVA, UVB 和 UVC），这三种光线都对我们的皮肤有害 • UVB 和 UVC 比 UVA 更危险，我们已经知道这两种光会造成 DNA 的损坏并最终导 致皮肤癌 • 皮肤对这两种光线反应后会产生黑色素，它会导致皮肤变黑 • 如果大量的 UVB 和 UVC 照射皮肤，就会破坏人体的细胞 • 虽然 UVC 是三者中最危险的一种，但是这种光线大多数都被地球的大气层所阻 隔，尤其是臭氧层 少量紫外线的好处 • 使皮肤更健康 • 合成维他命 D,利于对钙的吸收，增强骨骼牙齿 • 有杀菌作用 红外线 • 波长在 0.007 毫米和 0.3 毫米之间的波我们称为红外线 • 一般热的物体会发射出大量的红外线 • 从太阳到地球大约一半的能量都是以红外 线的形式传播而来的 • 许多分子内振动的原子的频率都在红外线频率的范围之内 • 因为分子会吸收这些频率的光，所以我们可以使用红外线来辨别这里有哪些分子 • 这种技术就是红外线光谱学，我们可以使用许多种不同频率的红外线，来探知哪些 被样本吸收了
微波 • 电磁波的波长小于 30 厘米，大于几毫米 • 就像无线电波一样，微波也可以用于通讯 • 微波除了可以用于通讯，还能加热食物 • 水分子具有两极性，也就是说水分子的一端带有 轻微的正电荷，另一端带有轻微的负电荷 • 当处于一个电场中时，水分子会旋转来适应这个 电场 • 微波炉使用的微波频率是 2.45 千兆赫（也就是每 秒钟振荡 24 亿 5000 万次），这意味着水分子会 快速来回旋转，从而与迅速改变的电场相一致 • 这种振动会使得温度上升，发生这个变化时水分子会将能量传递到食物的分子中， 使得食物分子也发生振动和温度上升 X 射线 • 波长在 0.01 到 10 纳米之间的波被称为“X 射线”。这些波是在原子中的电子从很低 的能量级中被逐出时产生 • 短波长的 X 射线能够穿透肉体，但是会被骨头吸收 • 如果胶卷放在病人身体的另一边，穿透过来的 X 光会和胶卷起反应，而那些被骨 头阻隔了光的胶卷的部分则不会起反应 • 于是人体内骨头的图像就可以通过这种方式形成，但是现代的 X 射线设备通常会 使用电子探测器来代替胶卷 • 人体组织也可以吸收一定程度的 X 射线，所以除了骨头以外的图像也经常用于医 学诊断 伽马射线 • 波长小于 0.01 纳米的电磁射线通常称为伽马射线 • X 射线是由原子内的电子释放的，伽马射线是由原子中的原子核释放，或者物质和 反物质抵消时产生的 • 要阻挡伽马射线是很困难的，为了防止曝光需要使用厚的铅或混凝土来阻隔 • 伽马射线是一种电离子射线，会对生物体组织造成伤害 • 但是伽马射线的破坏性比其它形式的放射物要低，因为它能几乎穿透所有物质的能 力，意味着它会穿透人体而不被大量吸收 • 它经常被运用于放射疗法中来杀死癌细胞
温室效应 • 地球表面的热量主要来自太阳，太阳辐射主要以 可见光形式抵达地球後，令地球受热 • 为了平衡所吸收的入射能量，地球本身亦会向太 空辐射出等量的红外线 • 而大气中的温室气体例如二氧化碳，甲烷及一氧 化二氮会吸收部份地球释放的红外线，然後将部 份重新释放的红外线辐射回地球，形成所谓温室 效应 • 因此，温室气体就像大棉被一样，减少地球流失 热量。如果大气中的温室气体浓度增加，地面吸 收的热量会比以前多，地球的气温就会上升 • 但是，如果大气层没有温室气体，地球表面的平 均温度不会是现在的约 14.5 度，而是十分低的零下 18 度左右 信息的获取 • 科技使人类获取信息的能力得到极大的提高 • 射电望远镜 o 捕获天体发出的电磁辐射，使人类能够看到约 137 亿光年之远的星云和星系 • 显微镜 o 观察细菌和原生动物 o 电子显微镜能观察放大几亿倍的表面原子 信息的贮存 • 光盘 o 贮存信息的极佳的载体，可以储存文字、图片、音频、视频等 • 硬盘 o 电脑主要储存媒介之一 o 移动硬盘为储存介质，用于电脑之间交换大容量数据 • U 盘（USB) o 接口直接与电脑连接，即插入用的微型高容量移动储存设备 • 磁卡 o 储蓄卡、购物卡、门卡、电话卡、职员识别卡贮存不同类型的信息 o 贮存用户的姓名、身份证号码、存款余额等信息
通信技术 • 中国古代烽火台- 传递军事信息 • 无线电通信搭载无线电波通信 o 收音机、气象卫星、广播通信卫星、汽车导航仪等 • 移动电话 o 电话是无线电波发射器和无线电波接收器 o 电话将声音转变为电信号通过无线电波发射出去，又接收到对方发来的无线 电波，把电信转化为发音信号 通信卫星 • 用无线电通信中继站的人造卫星，能够转发无线电信号、 视线地球站之间或地球站与航天器之间的通信，载投射到 另一个地球站或航天器 • 其覆盖面很大，只要在轨道生均匀放置 3 颗通信卫星，可 实现除南北极之外的全球通信 • 它的相对地面时静止的，地面站的天线可以固定对准卫 星，昼夜不间断地进行通信 光纤通信 • 将信息搭载在光波上通过光导纤维进行传递的通信方式 • 优点:光纤通信具有的容量大、造价低、保密性好、传输质量高
第九章 地球资源的可持续利用 人类利用物质的经历 • 原始人： 岩石为建筑材料 • 随着火的使用，人类开始制作陶瓷、陶土材料 • 青铜时代 o 约 6000 年前到 3000 年前 o 开始掌握了利用火的方法来冶炼铜，青铜比铁容易冶炼因为铜的熔点比较低 • 铁器时代 o 越 3000 年前到今天 o 掌握了取火的方法，烧熔和冶炼铜铁 o 铁器坚硬、韧性强、锋利 o 改善生活 现今的新型材料 • 半导体材料、纳米材料、碳纤维复合材料、石墨烯等 • 促进通信、计算机、航空、航天等行业迅速发展 • 以化学的角度分组，材料主要分成 3 大类 o 金属材料 o 无机非金属材料 o 合成高分子材料 合金 • 是在金属中加热融合某些金属或非金属形成的具有金属特征的物质 • 是混合物不是化合物 合金和纯金属相比 • 更大的硬度 • 较低的熔点 • 更高的强度（韧性好，耐拉伸，耐弯曲，耐压打） • 更好抗腐蚀性 铁和钢 • 原料：铁矿石（含有铁的氧化物） • 铁矿石+ 一氧化氮 → 铁 + 二氧化碳 • 煤在高温下产生一氧化氮
• 铁分为生铁和熟铁 • 熟铁、钢和生铁都是铁碳合金，以碳的含量多少来区别 • 铁含碳越多，性质越硬而脆，几乎没有塑性 铁会生锈 • "生锈"其实质是腐蚀或称之为锈蚀，是由于钢铁表面与大气中的氧、水分及其酸、 碱、盐等物质发生化学作用或电化学作用而引起的变色或腐蚀称为锈蚀 • 表面产生的物质是"锈"是铁的氧化物 不锈钢为什么不易生锈 • 与其在基体内加入 12.5%以上的铬有关 • 在氧化性腐败无能蚀介质中，铬能使钢表面很快地生成一层致密的钝化膜，防止金 属基体被破坏 • 当含铬量在 12.5%以上时，形成一层致密的稳定的钝化膜，防锈性能发生跃进式的 实变，耐锈蚀能力大大增强 • 不锈钢不容易生锈，但不是绝对不生锈，只是在相同条件和环境中，较碳钢而言不 容易被腐蚀和生锈 • 不锈钢在加入铬的同时，再加放适量的 Ni、Mo、V 等合金元素后，防锈性能更强 • 在钢中加入锰，可以合成更坚硬的锰钢 • 随着钢中含量的提高，防锈性能上升。表面处理方法和状态同时影响防锈能力 记忆合金 • 一些特定成分的合金，在外力作用下会发生 形变，当外力小时后，在一定的温度下，恢 复原来的形状 • 例子 o 牙齿矫形时，记忆合金可以做成矫形弓 丝，矫形弓丝在恢复原来的形状时，能 对牙齿施力，使牙齿移位矫形 o 眼镜架不小心折弯后，可以恢复原形
非金属材料 • 主要包括陶瓷、玻璃和水泥 • 陶瓷 o 传统陶瓷：以粘土、石英、长石 o 新型陶瓷：人工合成高纯度无机化合物为原料 ▪ 具有一系列优越性，作为太空梭的热绝缘涂层、发动机的叶片等 玻璃 • 普通玻璃： 石英砂、苏打和石灰石等材料经过配料、熔化、成型、退火等工序制 成 • 新型玻璃：激光玻璃、半导体玻璃、防弹玻璃、玻璃纤维 水泥 • 石灰石和黏土混在一起炉中煅烧成熟料后，加石膏磨细而成 • 钢筋混凝土：水泥、钢筋和沙石混合而成，非常牢固坚实 合成高分子材料 • 天然高分子材料 o 木材、棉花、皮革、橡胶、蚕丝 • 合成高分子材料 o 塑料、合成纤维、合成橡胶 o 石油是产生合成高分子材料的主要原料 塑料 • 如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等等 • 从石油中提炼出来的成分为主要原料聚合而成 • 有可塑性 o 将它加热到一定的温度，能熔化成粘稠状的液体，再把它注入不同的模具 里，冷却后成形 合成纤维 • 以石油、天然气中获得小分子有机物为原料 • 不同的合成纤维具有各自独特的性能 o 聚酰胺纤维(尼龙）:耐磨性 o 聚酯纤维(polyester)：耐摺性 o 聚丙烯腈纤维(arcylic fiber)： 保暖性和良好手感
合成橡胶 • 以石油中生产的丁二烯等为主要原料制得的橡胶 • 高弹性、绝缘性、气密性、耐高温或低温等性质 • 用于农业、国防、交通和日常生活 • 造成环境污染：保丽龙结构稳定，不容易分解 地球资源 • 人类直接从自然界取得并用于生活和生产物质和能量 • 也称自然资源 • 包括：生物资源、土地资源、矿产资源、水资源 • 先进的科技，使过去不被认为是资源的空气、自然观景都纳入了地球资源 地球资源的质量或数量在各个地区的差异 • “贫铁矿”：铁矿中的铁含量低；：“富铁矿”: 铁矿中的铁含量高 • 有些草场牧草茂盛多汁，有些草场牧草低矮稀疏 • 马来西亚是个地球资源丰富国家，有丰富的天然橡胶、优质热带硬木和棕油 可更新资源 • 通过自然过程，可以不断自我更新 • 例如：水、生物、土壤、太阳能、风能 不可更新土壤 • 主要是化石燃料（石油、煤、和天然气）和其他矿产资源 • 它们的形成需要经过上亿年，更新过程慢 • 随着人类的开发利用而越来越少 地球资源的保护 • 随着时代发展，人口增长，资源的总量越来越少，生殖面临枯竭 • 矿产资源过度开采造成灾害如：山体中空，引发山体塌陷、山体滑坡和泥石流 • 许多国家都采取法律、经济、技术等手段，防止乱采滥挖，提高资源利用效率 • 寻找矿产资源的替代物入用氢气取代矿产燃料 • 充分利用矿产资源，减少浪费和损失
水资源 • 组要是和流水、湖泊水、沼泽水、地下水和土壤水等淡水 • 淡水是人类水资源的主要来源 • 与海水相比，淡水比例很小 保护水资源 • 全球目前有 11 亿人生活缺水 • 到 2025 年，淡水资源将成为各国面临的严峻问题 • 如何减少用水？ o 采用管道输水，减少水在空气中暴露的时间，然后通过喷灌或滴灌，向植物 供水 o 工业部门使用水循环，节约水的资源 海水淡化 • 利用海水脱盐生产淡水 • 应用反渗透膜和反渗透法 • 海水淡化需要付出的成本和消耗的能源远高于取江河湖水、地下水，但是淡化水的 价格还在不断降低 水的循环 • 水以固态丶液态和气态存在自然界，以这三种形态不断地进行循环 • 自然降水和湖泊流水是不能用来直接饮用的，因为各种自然因素和人为因素，这些 水里会含有各种各样的杂质，直接饮用会对人类健康造成很大的伤害，因此需要先 对水进行处理消毒 • “四部曲”——凝聚（加聚合氯化铝）丶沉淀丶过滤（通过石英砂丶卵石等）丶氯化 （加氯气等） 预处理阶段 • 由于现在的水源水质越来越差，因此在进行常规处理前须经过预处理，在此过程需 添加下列物质 • 凝聚 o 活性炭：物理吸附与化学吸附，物理吸附主要是其多孔结构提供了大量的表 面积，从而使其非常容易达到吸收收集杂质的目的，消除异味和颜色 o 生石灰：减低水的酸性，使杂质凝聚
o 明矾：使杂质凝聚 • 沉淀处理 o 混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个 过程在沉淀池中进行。水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉 淀区，然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓 缩，定期排出池外 • 过滤处理 o 过滤一般是指以石英砂丶卵石等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中 悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质丶有机物丶细菌丶病毒等，使 水澄清的过程 • 滤后消毒处理 o 水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌丶病毒等失去浑浊物保护 或依附，为滤后消毒创造良好条件 o 主要是通过紫外线、氯或臭氧与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作 用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡 o 运送 ▪ 最后，消过毒的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过 输丶配水管网送给千家万户 什么是硬水和软水 ? • 一般在水中溶有酸式碳酸钙[Ca(HCO3)2]丶酸式碳酸镁[Mg(HCO3)2]丶硫酸钙 (CaSO4)丶硫酸镁(MgSO4) 丶 等盐类的水就称为硬水；不含此类物质的水叫做软水 • 硬水的形成：雨水降落地面之前，溶解了空气中的二氧化碳形成碳酸，碳酸会溶解 岩石和土壤中个钙盐和镁盐形成硬水
• 硬水有许多缺点， 使用时有不少麻烦。 例如硬水不能直接进锅炉 ， 因为它易使 锅炉结垢。水在进锅炉前必须进行处理 • 硬水用来洗涤衣服，不仅消耗肥皂多， 而且易使织物变硬 。 这是因 为肥皂是硬 脂酸钠盐 ， 遇到水中的钙镁离子 ， 易生成不溶性的硬脂酸钙和 硬脂酸镁 ， 使肥 皂失去洗涤衣服的作用 硬水的检验 • 利用肥皂，产生比较少的泡沫 • 煮沸后：会产生锅垢 硬水的缺点和优点 优点 缺点 含钙盐，促进骨骼和牙齿成长 浪费肥皂，破坏衣料 会产生锅垢 软水的缺点和优点 优点 缺点 节省肥皂 不适合作为饮用水 不会产生锅垢 硬水的软化 • 目的：把钙盐和镁盐除去 o 离子交换柱- 内有粒子交换树脂，将原水中的钙、镁离子置换出去 o 蒸馏法 o 煮沸法-软化暂时硬水，煮沸后，把白色的沉淀物过滤，就得软水 o 加入苏打-软化永久硬水 o 在永久硬水中加入苏打，苏打就会和钙盐和镁盐起作用，产生白色沉淀，滤 去沉淀，就得软水 • 长期使用硬水，应随产生的水垢会堵塞管道导致故障 污水的来源 • 污水：水中含有污染物质，造成水的使用价值降低或丧失
• 来源 o 工厂未经处理直接排放废水 o 生活中产生的污水如厨房排水等 o 人体排出的粪便 o 医疗废弃物含有微生物 o 工厂有毒化学药品的污水直接排入河流湖泊中 o 矿业产生有毒金属如汞、铅、镍、镉饮用后会损害神经系统 o 油轮沉没或油井破裂污染海水 富营养化污染 o 过多的化肥会被雨水冲走，流入池塘丶溪流和江河 o 促使藻类生长和繁殖的氮丶磷化合物 o 湖泊和池塘便会长满藻类，藻类死亡后，再腐败丶分解过程中，湖中的氧气被微生 物快速消耗，导致鱼类与其他生物死亡 污水处理 o 自然净化 o 植物的根能过滤水中较大的颗粒 o 水生的浮萍能吸收金属离子 o 细菌能去除有毒化学物质 o 细菌也能分解石油，用于清除油性溢出物 o 水的自净能力有限，若污染物的总量过高，就必须通过污水处理系统 污水处理的一般过程 • 通过机械处理，如网格、沉淀等，除去污水中的石块、砂石和硬化结块的油脂 • 加入絮凝剂化学药剂进行初级处理 • 生物处理，污染物在微生物作用下被降解 • 最后进行污水深度处理，营养物去除和通过加氯、紫外线辐射、臭氧对污水进行消 毒 生物的资源 • 动物资源：野生动物资源、渔业资源 • 植物资源：森林资源、草地资源、野生植物资源 • 微生物资源：细菌资源、真菌资源
资源的利用 • 经济利用：木材、可食用野生植物和动物 • 药用生物资源：人参、枸杞 • 观赏生物资源：观赏动植物 • 科学研究：基因工程 • 保护环境：科学家利用嗜食石油的螺菌吞食石油，清洁泄 漏的石油 发酵罐 • 生物反应器产生抗生素、酒精和维生素 设施农业 • 采用工程技术手段进行行动植物高效生产、从坟里有生物资源的农业生产方式 • 水培 • 网箱养殖 水培 • 无土栽培技术 • 将植物的根固定在定植篮内使根系自然散入植物营 养液中 • 营养液代替土壤向植物提供水分、养分和温度等 网箱养殖 • 将网片制成箱笼，放置在一定水流、水质清新、溶 氧量较高的湖、河、海、水库等水域进行水产品养 殖 保护生物资源 • 森林 o 提供木材、许多动物的栖息地、涵养水源、 保持水土、防风固沙、调节气候、净化空气、减少噪音 o 伐木、毁林开荒造成水土流失、土地荒漠化、气候恶化 o 许多国家启动了天然资源保护工程，合力采伐、防止森林火灾和防止病虫 害，保护资源
休渔期 • 在休渔期内，禁止任何人在规定的海域捕鱼 • 保护渔业资产 仿生学 • 利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术 • 海豚游泳时，特殊的体形和皮肤结构能使其身体表面不产生紊流，科学家将这一原 理应用到了潜艇设计上 • 苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由 3000 多只小眼组成，科学家模仿它则研发出了“蝇眼 照相机”，一次就能照出千百张相同的照片 • 苍蝇的平衡棒是天然“导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”，可用在火箭和飞 机上，自动驾驶
第十章 能源的可持续利用 能源 • 自然界中能为人类提供能量的资源 • 例如：煤炭、石油、天然气、风、河流、潮汐、草木燃料和太阳辐射等 • 煤、天然气可以通过燃烧将其中的化学能转化为热能 • 地下热水的热能可以暖化寒冷地区 • 铀矿石在古代是普通的岩石，但是现在它可以提取核燃料，而产生核能的重要原料 地球天然资源 • 可更新资源 o 可以循环使用的资源或在短时间内再生的资源 o 例子：森林、土壤 • 不可更新资源 o 不能再生不给的资源 o 例子：石油、天然气 一次能源 • 接取自自然界没有经过加工转换的各种能源 • 煤炭、石油、天然气、太阳辐射、风能、水流、生物质能、地热能等 二次能源 • 由一次能源经过加工或转换得到的其他种类形式的能源 • 例如：电能、汽油、柴油、酒精、煤气 常规能源 • 煤、石油、天然气、水能 • 被大规模产生和广泛利用的能源 • 世界主要的能源是煤、石油、天然气，但根据能源的计算， 估计石油和天然气只 能够开采 50 年，而煤只能开采多 200 年 • 目前科技和社会朝着高效、清洁、低碳或无碳的天然气、水能、核能、太阳能、风 能等方向发展