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第一章 自然科学概述　 1

第一节 科学、自然科学和技术　 2

一、科学　 2

二、自然科学　 4

三、技术　 5

四、科学和技术的关系　 5

第二节 自然科学研究方法　 7

一、科学研究的一般方法　 7

二、历史上著名的科学研究方法　 8

三、现代自然科学研究方法简介　 10

四、科学态度和科学精神　 12

一、自然科学与社会变革　 14

二、知识经济时代　 14

第三节　科学与社会　 14

三、科学技术与生态调节　 16

四、科学与社会思想文化　 16

五、科学与科学教育　 17

第四节 自然科学的发展　 19

一、古代重要科学成果　 19

二、欧洲中世纪的科学技术　 31

三、近现代科学技术的发展　 32

思考与练习 36

拓展性阅读导航　 37

第二章 物理学基础理论　 38

第一节 时间与空间 40

一、时间是什么　 40

二、时间的测量　 40

三、时间箭头　 42

四、空间是什么　 44

五、空间的维度　 44

六、空间的测量　 46

七、空间是平直的吗　 46

八、时空与物质的关系　 47

第二节 物质　 47

一、物质是客观存在　 48

二、物质的存在形态　 48

三、真空　 53

四、暗物质与暗能量　 54

第三节 运动 55

一、运动的绝对性　 56

二、物质的运动形态　 56

三、物质运动形态之间的关系　 58

第四节　相互作用 61

一、电磁相互作用　 62

二、引力相互作用　 62

三、弱相互作用　 63

四、强相互作用　 63

五、统一场论　 63

第五节 能量守恒定律　 66

一、能量的概念　 67

二、动能和势能　 67

三、能量转化与守恒定律　 71

第六节 动量守恒定律与角动量守恒定律 77

一、动量与冲量　 77

二、动量定理　 78

四、角动量与冲量矩　 80

三、动量守恒定律　 80

第七节 电荷守恒定律　 84

一、电荷及其相互作用　 84

二、电荷的量子化与宏观电中性　 85

三、电荷的迁移与电荷守恒定律　 86

第八节 宇称守恒定律　 87

一、宇称的概念　 87

二、宇称守恒定律　 87

第九节　对称性与守恒定律　 90

一、对称性的定义　 90

二、物理定律的对称性　 91

三、对称性与守恒定律　 91

第十节　热力学第二定律　 92

一、热力学第二定律的两种表述及其等价性　 93

二、热力学第二定律与不可逆过程　 94

思考与练习 99

拓展性阅读导航　 100

第三章 相对论与量子理论　 101

第一节　相对论基础　 103

一、伽利略变换和力学相对性原理　 103

二、爱因斯坦相对性原理和光速不变原理　 105

三、洛伦兹变换　 106

四、狭义相对论的时空观　 111

第二节 相对论动力学的主要结论　 114

一、相对论质量、动量与相对论动力学基本方程　 115

二、相对论动能　 116

三、质量和能量的关系　 117

四、相对论能量和动量的关系 117

一、黑体辐射规律与普朗克量子假设　 118

第三节　早期量子论　 118

二、光电效应与爱因斯坦的光子理论　 122

三、氢原子光谱和玻尔的氢原子理论　 126

第四节　量子力学简介　 131

一、德布罗意波和波粒二象性　 132

二、不确定关系　 133

三、概率波　 135

四、波函数 137

五、薛定谔方程　 141

思考与练习 143

拓展性阅读导航　 143

第四章　宇宙的起源和演化 145

第一节 宇宙观的演化　 146

二、地心说　 147

一、毕达哥拉斯的宇宙模型　 147

三、日心说 148

四、绝对时空观与相对论　 149

五、银河系与河外星系　 150

六、现代宇宙模型　 151

第二节 宇宙的起源和演化　 153

一、宇宙的起源　 153

二、宇宙的演化　 154

三、大爆炸理论的证据　 158

第三节　人类对宇宙的探测 160

一、窥探宇宙的“千里眼” 160

二、俘获神秘的“光” 162

三、太空望远镜　 164

第四节 宇宙的未来　 167

一、封闭式宇宙模型　 168

二、开放式宇宙模型 168

三、平直式宇宙模型 169

四、张开想象的翅膀　 169

思考与练习 171

拓展性阅读导航　 171

第五章　地球环境的演变　 173

第一节　地球的起源　 174

一、太阳系的主要特征　 174

二、太阳系起源说　 178

三、太阳系行星的形成——戴文赛的星子说　 183

一、地球内部圈层的形成　 184

第二节 地球圈层的演化　 184

二、地球外部圈层的形成　 185

第三节　地表环境的演变 187

一、太古代和元古代的地表环境　 188

二、古生代地表环境的演变　 190

三、中生代地表环境的演变　 192

四、第三纪地表环境的演变　 195

五、第四纪地表环境的演变　 201

第四节 地球环境演变的基本规律　 210

一、海陆格局的形成——板块构造学说　 210

二、地表形态的演变——地貌旋回　 213

三、地表环境的地域分异规律　 217

四、地球科学的进展　 221

思考与练习 223

拓展性阅读导航　 224

第六章　生命的起源和智慧的演进　 225

第一节　生命的本质　 226

一、生物大分子　 227

二、染色体基因理论　 228

三、遗传的物质基础　 230

四、基因及其对生物性状的控制 232

五、人类基因组计划　 238

第二节 生命的起源 241

一、生命起源的环境条件　 241

二、生命起源的化学进化过程　 242

三、生命起源研究中的几个问题　 245

第三节 生物的进化　 248

一、动植物的进化　 248

二、生物进化的原因　 252

三、生物进化的规律　 257

四、生物进化的证据　 260

第四节 人类的起源和智慧的发展　 264

一、人类的起源　 265

二、人类智慧的发展　 270

思考与练习　 274

拓展性阅读导航　 274

第七章 微观世界的探索　 276

第一节　揭开微观世界面纱的重大发现　 278

一、X射线的发现　 279

二、放射性现象的发现　 280

三、电子的发现　 281

第二节 原子的结构　 282

二、卢瑟福的原子模型　 283

一、汤姆孙的原子模型　 283

三、玻尔的原子模型　 284

第三节　原子核的结构　 285

一、质子的发现　 285

二、中子的发现　 287

三、核力 288

四、原子核的衰变　 288

五、核能及其开发与利用　 290

第四节 基本粒子和夸克模型 297

一、基本粒子　 298

二、强子结构的夸克模型　 302

第五节　揭示微观世界的新武器　 307

一、电子显微镜　 307

二、高能粒子加速器　 308

拓展性阅读导航　 311

思考与练习 311

第八章 非线性科学简介　 313

第一节 系统、线性与非线性科学　 315

一、一般系统论　 315

二、线性与非线性科学　 323

三、复杂世界中的规整性的发现　 325

第二节　混沌现象　 328

一、混沌现象　 328

二、混沌的特征　 330

三、奇怪吸引子　 331

四、蝴蝶效应　 333

五、周期倍化现象　 335

六、通向混沌的三条道路　 336

一、分形　 337

第三节　分形与分维　 337

二、分维　 342

三、分形学的应用及意义　 344

第四节　耗散结构理论与自组织现象　 346

一、耗散结构产生的背景　 346

二、自组织现象　 349

三、耗散结构理论的建立　 351

四、耗散结构理论创立的意义及应用 354

思考与练习 355

拓展性阅读导航　 355

第九章　人与自然　 357

第一节 人与自然关系的历史演化 358

一、人与自然关系的原始和谐　 359

二、人与自然关系的初步异化　 359

三、人与自然关系的基本对立　 361

第二节　人类的发展对自然的影响　 362

一、人口激增对自然资源的影响　 363

二、人类社会发展对自然环境的影响　 368

第三节 人与自然和谐共处和协调发展　 376

一、人与自然协调发展的基础和条件　 376

二、对人与自然关系的反思——树立生态文明观　 377

第四节 可持续发展战略　 381

一、可持续发展理论　 382

二、可持续发展理论的实施　 385

三、中国的可持续发展　 390

思考与练习 394

拓展性阅读导航　 394

参考文献　 395