上篇 自然科學專技知識點

第一章 自然科技常識

第一節 現代科學技術概述

一、什么是科學 ★★★

1888年，達爾文曾給科學下過一個定義：“科學就是整理事實，從中發現規律，做出結論”。達爾文的定義指出了科學的內涵，即事實與規律。科學要發現人所未知的事實，并以此為依據，實事求是，而不是脫離現實的純思維的空想。至于規律，則是指客觀事物之間內在的本質的必然聯系。因此，科學是建立在實踐基礎上，經過實踐檢驗和嚴密邏輯論證的，關于客觀世界各種事物的本質及運動規律的知識體系。

二、科學探究的重要方法 ★★★

（一）控制變量法

所謂控制變量法，就是在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規律的因素和條件加以人為控制，只改變某個變量的大小，而保證其他的變量不變，最終解決所研究的問題。

這種方法在實驗數據的表格上的反映為：某兩次實驗只有一個條件不相同，若兩次實驗結果不同，則與該條件有關，否則無關。反過來，若要研究的問題是否與某一因素有關，則應只使該因素不同，而其他因素均應相同。

（二）等效替代法

用相等或容易測得的量代替不便直接求出的量，這種方法就是等效替代法。等效替代法是常用的科學思維方法。等效是指不同的現象、模型、過程等在意義、作用效果或規律方面是相同的。它們之間可以相互替代，而保證結論不變。等效的方法是指面對一個較為復雜的問題，提出一個簡單的方案或設想，而使它們的效果完全相同，從而將問題化難為易，求得解決。

（三）轉換法

在自然科學中對于一些不易直接測量的量，通過用易測量的量進行間接測量；一些比較抽象的、看不見摸不著的物質的微觀現象，要研究它們的運動規律，使之轉化為學生熟知的、看得見摸得著的宏觀現象來認識它們，這種研究問題的方法叫作轉換法。

（四）理想模型法

實際現象和過程一般都十分復雜，涉及眾多因素，采用模型方法可起到簡化和純化的作用。忽略次要因素，從復雜事物中抽象出理想模型，合理近似的反映所研究事物的本質特征，這種研究問題的方法叫理想模型法。

（五）科學推理法

推理法是根據已知現象和規律，通過想象和推理對未知的現象做出科學的推理和預見。推理法是在觀察實驗的基礎上，忽略次要因素，進行合理的推理，得出結論，達到認識事物本質的目的。

（六）類比法

類比法是指將兩個相似的事物做對比，從已知對象具有的某種性質推出未知對象具有相應性質的方法。類比法在自然科學中有廣泛的應用。所謂類比，實際上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理。它是根據兩個（或兩類）對象之間在某些方面的相同或相似而推出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維。

（七）歸納法

歸納法是通過樣本信息來推斷總體信息的技術。要做出正確的歸納，從整體中選出的樣本要足夠大而且具有代表性。為了驗證一個規律或定律，就要反復地通過實驗來驗證它的正確性，然后分析歸納，得出正確的結論。

（八）圖像法

利用圖像這種特殊且形象的數學語言工具，來表達各種現象的過程和規律，這種方法叫圖像法。

（九）猜想法

猜想也稱想象或幻想，是用已知的知識對某些未知的事物做出科學的預測。它是人的思維的最高境界，合理的想象往往是人類創造發明的源泉。

第二節 自然科技知識

一、物理學

（一）與電學知識有關的現象

◆ 微波爐加熱均勻，熱效率高，衛生無污染。其加熱原理是利用電能轉化為電磁能，再將電磁能轉化為內能。

◆ 浴霸中的電燈是利用電流的熱效應工作，將電能轉化為內能和光能。

（二）與力學知識有關的現象

◆ 菜刀的刀刃薄是為了減小受力面積，增大壓強。

◆ 菜刀柄、鍋鏟柄、電水壺把手有凸凹花紋，使接觸面粗糙，增大摩擦。

（三）與熱學知識有關的現象

◆ 與熱學中的熱膨脹和熱傳遞有關的現象

· 使用爐灶燒水或炒菜，要使鍋底放在火苗的外焰，不要讓鍋底壓住火頭，可使鍋的溫度升高快，是因為火苗的外焰溫度高。

· 往保溫瓶灌開水時，不灌滿能更好地保溫。因為未灌滿時，瓶口有一層空氣。空氣是熱的不良導體，能更好地防止熱量散失。

· 冬季從保溫瓶里倒出一些開水，蓋緊瓶塞時，常會看到瓶塞馬上跳一下。這是因為隨著開水倒出，進入一些冷空氣，瓶塞塞緊后，進入的冷空氣受熱很快膨脹，壓強增大，從而推開瓶塞。

· 煮熟后滾燙的雞蛋放入冷水中浸一會兒，容易剝殼。因為滾燙的雞蛋殼與蛋白遇冷會收縮，但它們收縮的程度不一樣，從而使兩者脫離。

◆ 與物體狀態變化有關的現象

· 液化氣是在常溫下用壓縮體積的方法使氣體液化再裝入鋼罐中的；使用時，通過減壓閥，液化氣的壓強降低，由液態變為氣態，進入灶中燃燒。

· 燒水或煮食物時，噴出的水蒸氣比熱水、熱湯燙傷更嚴重。因為水蒸氣變成同溫度的熱水、熱湯時要放出大量的熱量（液化熱）。

· 夏天自來水管壁大量“出汗”，常是下雨的征兆。自來水管“出汗”并不是管內的水滲漏，而是因為自來水管大都埋在地下，水的溫度較低，空氣中的水蒸氣接觸水管，就會放出熱量液化成小水滴附在外壁上。如果管壁大量“出汗”，說明空氣中水蒸氣含量較高，濕度較大，這正是下雨的前兆。

· 油炸食物時，濺入水滴會聽到“叭、叭”的響聲，并濺出油來。這是因為水的沸點比油低，水的密度比油大，濺到油中的水滴沉到油底迅速升溫沸騰，產生的氣泡上升到油面破裂而發出響聲。

二、化學

◆ 在緊閉門窗的房間里生火取暖或使用熱水器洗澡，常產生一種無色、無味并易與人體血紅蛋白結合而引起中毒的氣體是一氧化碳。

◆ 能夠破壞地球大氣層，從而形成臭氧層空洞的氣體是氟氯烴。

◆ 醫用消毒酒精的濃度（體積分數）是75%。

◆ 醫院輸液常用的生理鹽水，所含氯化鈉與血液中含氯化鈉的濃度大體上相等。生理鹽水中NaCl的質量分數是0.9%。

◆ 萘衛生球放在衣柜里變小，這是因為萘在室溫下緩緩升華。

◆ 二氧化碳在大氣層中過量累積，使地球紅外輻射不能透過大氣，從而造成大氣溫度升高，產生了“溫室效應”。

◆ 醫院放射科常用“鋇餐”檢查食道、胃等部位疾病，用作“鋇餐”的物質是硫酸鋇。

◆ 日常生活中油條、饅頭里也加入一定量的堿，這種堿的化學名稱是碳酸鈉。

◆ 液化石油氣早已進入家庭，它的主要成分是丙烷和丁烷。

◆ 天然氣主要成分為甲烷。若有一套以天然氣為燃料的灶具改燒液化石油氣，應采用的正確措施是增大空氣進入量或減少液化氣進入量。

◆ 泥瓦匠用消石灰粉刷墻，常在石灰中加入少量的粗食鹽，這是利用粗食鹽中含有的易潮解的物質潮解，有利于二氧化碳的吸收。這種易解潮的物質是氯化鎂。

◆ 我國古代書法家的真跡能保存至今的原因是使用墨汁或碳素墨水，使字跡久不褪色，這是因為碳的化學性質穩定。

◆ 在字畫上常留下作者的印鑒，其印鑒鮮艷紅潤，這是因為紅色印泥含有不褪色、化學性質穩定的紅色物質，這種物質是朱砂（硫化汞）。

◆ 盛在汽車、柴油機水箱里的冷卻水，在冬天結冰后會使水箱炸裂。為了防凍，常加入少量的乙二醇。

◆ 醫院里的灰錳氧或PP粉是高錳酸鉀。

◆ 罐頭中的防腐劑是苯甲酸鈉。

◆ 水壺、保溫瓶和鍋爐中水垢的主要成分是：碳酸鈣和氫氧化鎂。

◆ 劇烈運動后，感覺全身酸痛，這是因為肌肉中增加了乳酸。

◆ 電視中播放文藝演出時，經常看到舞臺上煙氣騰騰，現在普遍用的發煙劑是乙二醇和干冰。

◆ 若長期存放食用油，最好的容器是玻璃或陶瓷容器。

◆ 不粘鍋之所以不粘食物，是因為鍋底涂上了一層特殊物質特氟龍，其化學名叫聚四氟乙烯，俗名叫“塑料王”。

三、生物學

生物技術又稱為生物工程，或稱為生物工程技術，是指利用生物的特定功能，通過現代工程技術的設計方法和手段來生產人類需要的各種物質，或直接應用于工業、農業、醫藥衛生等領域改造生物，賦予生物以新的功能和培育出生物新品種等的工藝性綜合技術體系。生物技術包括傳統生物技術和現代生物技術兩部分，現代生物技術是在傳統生物技術的基礎上發展起來的，但與傳統生物技術又有著質的差別。

在當今世界現代生物技術已被世界各國視為一種高新技術，特別是進入21世紀后，生物技術與信息技術更成為領先技術，有人因此把21世紀稱為“生命科學的世紀”。生物技術之所以會被如此重視和關注，不僅是因為它是解決人類所面臨的諸如食品短缺、健康問題、環境問題及資源問題的關鍵技術，還在于它與理、工、農、醫等科技的發展，與倫理、道德、法律等社會問題都有著密切的關系，對國民經濟會產生重大的影響。所以，生物技術既是現實生產力，也是具有巨大經濟效益的潛在生產力。因此，了解并學好生物技術不僅是必要的，而且也是及時和重要的。在此著重討論生物技術中的一個方面——基因工程。

1．基因工程

基因工程，又稱為重組DNA技術，是根據人們的科研或生產需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遺傳物質（DNA片段），在體外切割，拼接形成重組DNA，然后將重組DNA與載體的遺傳物質重新組合，再將其引入到沒有該DNA的受體細胞中，進行復制和表達，生產出符合人類需要的產品或創造出生物的新性狀，并使之穩定地遺傳給下一代。

因此，基因工程的原理就是對遺傳物質進行操作，把編碼所需要的蛋白或性狀的控制基因轉入其他基因組，從而得到所需要的產品。

基因工程有兩個重要的特征，第一是可把來自任何生物的基因轉移到與其毫無關系的任何其他受體細胞中，因此可以按照人們的愿望，改造生物的遺傳特性，創造出生物的新性狀；第二是某一段DNA可在受體細胞內進行復制，為準備大量純化的DNA片段提供了可能，拓寬了分子生物學的研究領域。

2．基因工程技術在農業上的應用

基因工程技術是20世紀70年代出現的一項新型的現代生物技術，它的應用范圍十分廣泛。由于基因工程的應用，給現代農業帶來了許多新的熱點，給我國和全球的農業生產和發展帶來空前的機遇和挑戰。

基因工程在農業上的應用體現在以下幾個方面：

（1）增加農作物產品的營養價值，如：增加種子、塊莖的蛋白質含量，改變植物蛋白的必需氨基酸比例等。

（2）提高農作物的抗逆性，如：抗病蟲害、抗旱、抗澇、抗除草劑等性狀。

（3）提高光合作用效率，這是提高農作物產量的一個有效方法。

（4）生物固氮的基因工程。若能通過基因工程把禾谷等非豆科植物轉變為能同根瘤菌共生，或具固氮能力的植物，那么將代替無數個氮肥廠。在這一領域人們已進行了大量的研究，進展顯著。

四、天文知識

◆ 行星

定義：通常指自身不發光，環繞著恒星的天體。

常見行星：金星、水星、火星、木星、土星和地球等。

◆ 恒星

定義：由熾熱氣體（主要是氫和氦）組成，能自己發光發熱的球狀或類球狀天體。

常見恒星：離地球最近的恒星是太陽，其次是半人馬座的比鄰星。

◆ 黑洞

定義：一種根據廣義相對論預言的特殊天體。

特征：它體積小、密度大、引力強，有一個封閉的視界（即黑洞的邊界），可以吸收一切進入視界的物質和輻射。

形成：恒星進入晚期出現大爆發——向宇宙空間拋射出大量的物質，只留下一個致密的核心天體。如果這個天體的密度相對較小，就會形成白矮星；如果密度較大，就會形成中子星；如果密度特別大，就會形成黑洞。

◆ 銀河系

定義：由大約1000億—2000億顆恒星組成的龐大的恒星體系。

特征：透鏡形的系統，中間厚、邊緣薄；正面看像漩渦；側面看像鐵餅；主體部分似銀盤；自轉（離銀河中心越近，自轉越快，銀河系邊緣自轉較慢）。

◆ 太陽系

定義：由太陽、行星及其衛星、小行星、彗星、流星體和星際物質構成。

特征：太陽是中心（集中了太陽系99.8%的質量），吸引著其他成員環繞太陽公轉；圍繞太陽運轉的天體主要是八大行星（距離由近至遠分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，木星的質量和體積最大）；位于銀河系的邊緣附近，圍繞銀河系中心轉一周需要2.5億年。

◆ 太陽黑子

定義：在太陽表面，有一層薄薄的、圓圓的、明亮發光的氣體——光球，光球上經常出現一些黑斑，這就是太陽黑子。中國是世界上最先發現黑子的國家。

特征：非固態黑斑；太陽上物質活動最劇烈的區域（是太陽活動的重要標志）；活動存在著周期性；多數成群出現（“黑子群”，出現時會擾亂地球的電離層和磁場，并在地球的兩極地區引發極光）；有生有滅。

◆ 色球和日珥

色球：太陽大氣的中間層是色球，位于光球之上。由于地球大氣散射太陽光，形成了“藍天”，所以我們平時無法用肉眼看到色球，只有在日全食時才能觀測到。

日珥：指從色球上面不時升起巨大的紅色氣浪。只有在日全食時或者借助于觀測儀器才能觀測到。

◆ 日冕和太陽風

日冕：在太陽的最外面，有一層又厚又暗的大氣，被稱為“日冕”，形狀與太陽的強弱活動有關。

太陽風：日冕離太陽較遠，受到的引力較小，高溫又使日冕的物質運動加快，不時有一小部分高能帶電粒子飛逸到行星際空間，似乎是從太陽吹出來的一股“風”，即“太陽風”。太陽風會干擾地球的磁場。

◆ 流星

定義：流星體（通常包括宇宙塵粒和固體塊等空間物質）接近地球時，地球的引力會使這些固體物質高速落入地球的大氣層，與大氣發生劇烈的摩擦所產生的光跡。

◆ 彗星

定義：一種在扁長軌道（極少數是近圓軌道）上繞太陽運行的質量較小的天體，因形狀像掃帚，又被稱為“掃帚星”，被古人視為不祥之物。

組成：彗核（最明亮的部分，由冰凍的水、二氧化碳、氮和塵埃組成）；彗發（彗核周圍一層蓬松狀的物質）；彗尾（當彗星接近太陽時，彗發變大，太陽風將彗發的氣體和微塵推開形成“彗尾”）。

著名的彗星：哈雷彗星、恩克彗星。

◆ 天文臺

定義：古今中外的天文工作者進行天文觀測和天文研究的基地。

大約公元前2600年，古埃及人建立了世界上第一座天文臺。

五、地理知識

◆ 區時

劃分原因：地球不停地由西向東自轉，不同的地方時刻有差異。

定義：國際規定將全球劃分為24個時區，將全球的地方時統一規劃為24個。在每個時區，各自使用一個統一的時刻，稱為區時。相鄰兩個時區的區時相差1個小時。

◆ 大氣層

定義：在地球引力的作用下，地球的外表有一層厚厚的大氣緊緊裹著地球。

特點：離地面越近，大氣的密度越大；越到高空，大氣就越稀薄。

組成：主要是氮氣和氧氣，少量氫、氬、氦、二氧化碳和臭氧等，以及一些固體微粒。

劃分：根據不同高度大氣的特點，大氣層可劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層。

◆ 海市蜃樓

定義：由于光線在大氣層中的折射而產生的自然現象。一般發生在沙漠地區和海邊，折射的光線把遠處的景物顯示在空中或地面，形成奇異的幻景。

形成原因：地面景物反射的光在不同密度的空氣中傳播時，會發生折射，使其曲線投影到很遠的地方成像，從而形成海市蜃樓。不過，海市蜃樓只能在無風或風力微弱的條件下出現。

◆ 極光

形成原因：由于太陽的激烈活動，日冕放射出無數的帶電粒子，在地球磁場作用下，帶電粒子流沿磁力線高速沖入兩極上空的大氣層，使地球高層大氣受激發而發出極光。

出現地點：高緯度地區，如南半球（南極光）、北半球（北極光）。

極光帶：極光出現最多的地帶。

◆ 寒潮

定義：又稱寒流，指大范圍的冷空氣，在特定的天氣條件下迅速向中低緯度地區移動、擴散的現象。

發布寒潮警報的標準（中國）：由于冷空氣的侵入，在24小時內氣溫下降10℃以上，最低氣溫降至5℃以下；或在24小時內氣溫下降7℃以上，最低氣溫降至3℃以下。

分類：全國性寒潮（影響大部分地區的寒潮）；區域性寒潮（只影響部分地區的寒潮）。

◆ 梅雨

定義：每年春末夏初，從江淮流域經朝鮮半島南端到日本南部會出現雨期較長的連陰雨。這時正值江南梅子黃熟，這種天氣因此被稱為“黃梅天”或“梅雨”。由于此時陰雨較多，空氣很潮濕，物品極易受潮腐爛，因而又有“霉雨”之稱。梅雨是東亞地區特有的天氣現象。

形成原因：冷暖兩股空氣交鋒的結果。

◆ 龍卷風

特點：破壞力極強；涉及范圍小；時間短；常一邊旋轉一邊前進。

形成原因：夏季暴雨天氣使積雨云迅速發展，導致地面氣溫和高空氣溫相差五十多度，這樣，熱空氣迅速上升，強烈的空氣繞動產生旋轉。當旋轉作用大到一定程度時，龍卷風就形成了。

◆ 臺風

定義：發生在太平洋和印度洋上的一種強烈的大氣漩渦。

形成原因：在熱帶洋面，每年夏秋季節，濕熱空氣迅速上升，地面氣壓降低，周圍較冷的空氣就流過來補充，這樣就形成了一個強烈的空氣漩渦。濕熱氣流在上升時遇冷凝結成水滴，并釋放出熱量，漩渦中心變暖，氣壓更低，更促使低層空氣不斷上升，周圍的氣流加速旋轉，就有可能形成臺風。

◆ 地球的結構

地殼：是地球表面薄薄的一層堅硬的固體外殼，海洋部分的地殼最薄，陸地部分的地殼較厚。

地幔：是地球中間的一層，是地球最大的部分，占整個地球體積的80%以上。

地核：在地球的最里面，是地球的中心，分為內核和外核。外核是熔化了的鐵；內核是固體狀態的鐵，溫度高達6000℃。

◆ 地震

定義：地球內部發生的急劇破裂產生的震波，在一定范圍內引起地面震動的現象。

分類（按形成原因）：構造地震（由于地球內部引力地質構造發生形變而產生的地震）；火山地震（由火山活動引起的地震）；塌陷地震（因巖層崩塌陷落而造成的地震）。

地震等級：地震本身強度大小的標度，世界上記錄到的強度最大的地震是9.0級。

震源：地震發源地，在地下幾公里、幾十公里甚至幾百公里。

地震烈度：不同地區受地震影響大小的標度，與距震中距離、震源深度以及地質構造有關。

◆ 四大洋

定義：遠離大陸、面積遼闊、水深2000—3000米以上的水域，是世界海洋的主體。

太平洋：1.8億平方千米（世界第一大洋），平均深度在4000米左右。馬里亞納海溝有11034米深，為世界海洋最深點。

大西洋：9165.5萬平方千米，平均深度為3597米。在海底中部，有一條大約長1.7萬千米的大西洋海嶺。

印度洋：7617.4萬平方千米，平均深度為3711米。有“熱帶海洋”之稱。

北冰洋：1475萬平方千米（世界最小的大洋）。世界上最為寒冷的大洋。

◆ 島嶼

定義：散布在江河湖海中的小塊陸地，面積很小的叫嶼，如鼓浪嶼；面積較大的稱為島，如臺灣島；彼此相距較近的一群島嶼稱為群島，如夏威夷群島。

分類（按照成因）：大陸島（由于地殼運動或海水侵蝕而從大陸分裂出去的島）；火山島（由從地殼內部噴出的碎屑物質堆積露出水面而形成的）；珊瑚島（由熱帶淺海區的珊瑚遺體、泥沙和碎屑及其他生物的甲殼堆積而成）；沖積島（主要是由河流泥沙堆積而成）。

◆ 海峽

定義：海洋中連接兩個相鄰海區的狹窄水道，常被人們稱為“海上走廊”。如連接太平洋與印度洋的馬六甲海峽，連接東海與南海的臺灣海峽，連接地中海和大西洋的直布羅陀海峽等。

形成原因：地殼運動形成的。

◆ 海灣

定義：洋或海伸入陸地的部分，一般三面靠陸，一面與海相連。

我國海灣：山東半島的膠州灣、北部的渤海灣、東部的杭州灣等。

◆ 山脈

定義：沿著一定方向延伸，包括若干條山嶺和山谷組成的山體，因成脈狀而被稱為山脈。

世界最大的山脈：喜馬拉雅山脈，主峰珠穆朗瑪峰海拔8844.43米，為世界海拔最高山峰。

世界最長的山系：科迪勒拉山系。

◆ 平原

定義：陸地上海拔高度相差比較小的地區，是陸地上最平坦的地域。

特點：海拔一般在200米以下，地貌寬廣平坦，起伏很小。

分類：構造平原；侵蝕平原；堆積平原。

◆ 高原

定義：海拔較高（一般在500米以上）、面積較大、頂面起伏較小、外圍較陡的高地。

著名高原：我國的青藏高原是世界上最高的高原，平均高度在海拔4000米以上，有“世界屋脊”之稱；世界上最大的高原是南美的巴西高原，面積500萬平方千米。

◆ 盆地

定義：四周由山脈或高原環繞，中部比較低平或內部有小的丘陵、山脈，其形如盆狀的地形稱盆地。

分類：構造盆地；侵蝕盆地。

著名盆地：剛果盆地（世界最大盆地）；我國塔里木盆地、準噶爾盆地、柴達木盆地、四川盆地（“天府之國”）。

◆ 河流

定義：由一定區域內的地表水和地下水補給，經常或間歇地沿著狹長的凹地流動的水流。

著名河流：長江、黃河、尼羅河、亞馬孫河、雅魯藏布江、萊茵河、伏爾加河、多瑙河等。

◆ 草原

定義：在溫帶從半濕潤到半干旱條件下，形成的一種旱生或半旱生的多年生草本植物占優勢的地帶景觀。

著名草原：歐亞草原區（世界最大草原區）、北美草原區、潘帕斯草原、非洲熱帶草原。

◆ 沙漠

定義：地表覆蓋流沙、沙丘分布廣泛的地區（全世界的沙漠約占陸地總面積的10%）。

形成原因：氣候條件。

分類：溫帶沙漠（如塔克拉瑪干大沙漠）；熱帶和亞熱帶沙漠（如撒哈拉沙漠）。

◆ 湖泊

定義：在陸地上較為封閉的天然洼地里積蓄的流動緩慢或停滯的水體，號稱“天然水庫”。

世界之最：最大湖泊——里海；最深湖泊——貝加爾湖；最低、最咸湖泊——死海。

我國最大的咸水湖是青海湖。

◆ 運河

定義：由人工開鑿用以溝通地區或水域間水運的水道。

分類：溝通內陸水系的運河、溝通世界海洋的運河、以灌溉為主綜合利用的運河。

三大國際運河：基爾運河、巴拿馬運河、蘇伊士運河。

中國的京杭大運河是世界上最長的運河。

六、材料科學

1．超導材料

某種物質在低溫范圍內，當溫度降到某一定值時，電阻突然消失，幾乎為零，這種現象叫作超導現象，具有這種性質的物質稱為超導材料或超導體。

超導材料主要分為常規超導體（也稱低溫超導體，包括金屬元素超導材料、合金超導材料、金屬間化合物超導材料）、高溫超導體（如：氧化物超導材料）和有機超導體（如：RbCs2C60）等。

超導材料主要具有三大特點：（1）直流電阻為零；（2）完全反磁性；（3）有量子效應。這些特征可廣泛應用于電子、電力、能源、交通等部門。

超導材料的應用主要有：（1）制作磁體，應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達10000MW）；可制作通信電纜和天線，其性能優于常規材料。（2）制作無摩擦陀螺儀和軸承。（3）制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等。

2．納米材料

目前，國際上將處于1nm—100nm尺度范圍內的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米微晶所構成的材料，統稱為納米材料，包括金屬、非金屬、有機、無機和生物等多種粉末材料。

由于納米材料尺寸特別小，它就產生了兩種效應，即小尺寸引起的表面效應和量子效應，即它的表面積比較大，處于表面上的原子數目的百分比顯著增加，當材料顆粒直徑只有1納米時，原子將全部暴露在表面，因此原子極易遷移，使其物理性能發生極大變化。一是它對光的反射能力變得非常低；二是其機械、力學性能成幾倍增加；三是其熔點會大大降低；四是其有特殊的磁性。

由于納米材料的上述特性，其大致有如下用途：

（1）納米結構材料：包括純金屬、合金、復合材料和結構陶瓷，具有十分優異的機械、力學及熱力性能。可使構件重量大大減輕。

（2）納米催化、敏感、儲氫材料：用于制造高效的異質催化劑、氣體敏感器及氣體捕獲劑，用于汽車尾氣凈化、石油化工、新型潔凈能源等領域。

（3）納米光學材料：用于制作多種具有獨特性能的光電子器件。如量子阱GaN型藍光二極管、量子點激光器、單電子晶體管等。

（4）納米結構的巨磁電阻材料：磁場導致物體電阻率改變的現象稱為磁電阻效應，對于一般金屬其效應常可忽略。但是某些納米薄膜具有巨磁電阻效應。在巨磁電阻效應發現后的第6年，1994年IBM公司研制成巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍。這種材料還可以制作測量位移、角度的傳感器，廣泛應用于數控機床、汽車測速、非接觸開關、旋轉編碼器中。

（5）納米微晶軟磁材料：用于制作功率變壓器、脈沖變壓器、扼流圈、互感器等。

（6）納米微晶稀土永磁材料：將晶粒做成納米級，可使釹鐵硼等稀土永磁材料的磁能積進一步提高，并有希望制成兼備高飽和磁化強度、高矯頑力的新型永磁材料（通過軟磁相與永磁相在納米尺度的復合）。

七、農業科學

1．集約農業

集約農業是農業中的一種經營方式。它是把一定數量的勞動力和生產資料，集中投入到較少的土地上，采用集約經營方式進行生產的農業。它通過應用先進的農業技術措施來增加農產品產量，因此稱為集約農業。農業集約經營的水平，取決于社會生產力的水平，并受社會制度的制約和自然地理條件、人口狀況的影響。

主要西方國家的農業，都經歷了一個由粗放經營到集約經營的發展過程，然而由于各國條件不同，在實行集約化的過程中則各有側重。有的側重于廣泛地使用機械和電力，有的側重于選用良種、大量施用化肥、農藥，并實施新的農藝技術。前者以提高（活）勞動生產率為主，后者以提高單位面積產量為主。

我國是一個人口眾多的農業國，長期以來，農業集約經營主要是勞動密集型的。隨著國民經濟的發展和科學技術的進步，我國農業的資金、技術集約經營也在發展。目前集約農業具體表現為大力進行農田基本建設，發展灌溉，增施肥料，改造中低產田，采用農業新技術，推廣優良品種，實行機械化作業等。中國的長江三角洲、珠江三角洲和成都平原等地區均屬集約農業。

農業集約化通過使用高產農作物品種、化肥、殺蟲劑、灌溉以及農業機械化，從根本上提高了糧食作物的產量，在一定程度上緩解了我國快速增長的人口與耕地資源相對不足之間的矛盾。

2．設施農業

設施農業屬于高投入高產出，資金、技術、勞動力密集型的產業。它是利用人工建造的設施，使傳統農業逐步擺脫自然的束縛，走向現代工廠化農業、環境安全型農業、無毒農業的必由之路，同時也是農產品打破傳統農業的季節性，實現農產品的反季節上市，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法。設施農業具有節水、聚能、高產、高效等特點，是農業現代化的重要標志。

現代設施農業涵蓋建筑、材料、機械、自動控制、品種、園藝技術、栽培技術和管理等學科，內容包含設施栽培、飼養，各類型玻璃溫室，塑料大棚，連棟大棚，中、小型塑料棚及地膜覆蓋，還包括所有進行農業生產的保護設施。

設施農業的類型主要有五種：陽畦、小拱棚、塑料大棚、日光溫室、智能溫室。其中智能溫室是設施農業的代表，現代化智能溫室是實現作物優質高效生產的重要設施。完整的智能溫室由溫室框架結構、溫室材料、通風系統、灌溉施肥系統等組成。

設施農業從種類上分，主要包括設施園藝和設施養殖兩大部分。設施養殖主要有水產養殖和畜牧養殖兩大類。

設施農業是現代農業的重要形式，通過綜合應用現代工程技術、生物技術和信息技術，提高農產品的產量和質量。加快設施農業建設，對于推動現代農業發展有著十分重要的作用。

3．生態農業

生態農業是一種知識密集型的現代農業體系，是農業發展的新型模式。它是指在保護、改善農業生態環境的前提下，遵循生態學、生態經濟學規律，運用系統工程方法和現代科學技術，集約化經營的農業發展模式。簡單地說生態農業就是按照生態學原理進行集約經營管理的綜合農業生產體系，是能獲得較高的經濟效益、生態效益和社會效益的現代化農業。

生態農業具有如下特點：

（1）生態農業是建立在合理利用自然資源基礎上的一種科學性的農業；

（2）生態農業是一種大農業生產，是注重農、林、牧、副、漁全面發展、農工商綜合經營的一種綜合性的農業；

（3）生態農業是一種能以較少的投入獲得較多產出的高效農業；

（4）生態農業是一種優化了的良性循環的農業生態系統，其內部組成與結構復雜，具有較強的抵抗外界干擾的緩沖能力和較高的自我調節能力，是一種具有穩定和持續發展能力的農業；

（5）生態農業是一個自我維持系統，一切副產品都要再循環，盡量減少損失，提倡使用固氮植物、作物輪作以及正確處理和使用農家肥料等技術來保持土壤肥力。

簡單地說，生態農業是在良好的生態條件下所從事的高產量、高質量、高效益農業。它不單純著眼于短期的產量，短期的經濟效益，而是追求經濟、社會、生態效益的高度統一，使整個農業生產步入可持續發展的良性循環軌道。

生態農業模式的類型很多，主要有以下三個類型：

（1）時空結構型。這是一種根據生物學、生態學特征和生物之間的互利共生關系而合理組建的農業生態系統，使處于不同生態位置的生物種群在系統中各得其所，相得益彰，更加充分地利用太陽能、水分和礦物質營養元素，是在時間上多序列、空間上多層次的三維結構，其經濟效益和生態效益均佳。具體有果林地立體間套模式、農田立體間套模式、水域立體養殖模式、農戶庭院立體種養模式等。

（2）食物鏈型。這是一種按照生態系統的能量流動和物質循環規律而設計的良性循環的農業生態系統。系統中一個生產環節的產出是另一個生產環節的投入，使得系統中的廢棄物多次循環利用，從而提高能量的轉換率和資源利用率，獲得較大的經濟效益，并有效地防止農業廢棄物對農業生態環境的污染。具體有種植業內部物質循環利用模式、養殖業內部物質循環利用模式、種養加工三結合的物質循環利用模式等。

（3）時空食物鏈綜合型。這是時空結構型和食物鏈型的有機結合，使系統中的物質得以高效生產和多次利用，是一種適度投入、高產出、少廢物、無污染、高效益的模式類型。

生態農業長期追求的目標是把傳統農業技術的精華和現代農業技術按照生態優化的規律加以集成，建立起具有生態合理、經濟高效的現代化持續農業發展模式，使農業經濟的增長與農業生態環境的改善結合起來，達到經濟效益、社會效益和生態效益的統一。因此，生態農業得到了越來越廣泛的關注和應用，是具有較強的發展潛力的現代農業。

八、通信技術

（一）現代通信技術概況

通信的發展可分為三個階段：第一階段是語言和文字通信階段。在這一階段，通信方式簡單，內容單一。第二階段是電通信階段。1937年，莫爾斯發明電報機，并設計莫爾斯電報碼。1876年，貝爾發明電話機。這樣，利用電磁波不僅可以傳輸文字，還可以傳輸語音，由此大大加快了通信的發展進程。1895年，馬可尼發明無線電設備，從而開創了無線電通信發展的道路。第三階段是電子信息通信階段。

21世紀是一個信息社會，信息交流已經成為人們生活的基本需要。通信作為傳輸和交換信息的重要手段，是推動人類社會文明進步與發展的巨大動力。

目前，通信技術正發生著百年未遇的巨大變化。現代通信已由原先單純的信息傳遞功能逐步深入到對信息進行綜合處理，如信息的獲取、傳遞、加工等各個領域。特別是隨著通信技術的迅速發展，如衛星通信、光纖通信、數字程控交換技術等的不斷進步，以及衛星電視廣播網、分組交換網、用戶電話網、國際互聯網絡等通信網的建設，通信作為社會發展的基礎設施和發展經濟的基本要素，越來越受到世界各國的高度重視和大力發展。

從總體上看，通信技術實際上就是通信系統和通信網的技術。通信系統是指點對點通信所需的全部設施，而通信網是由許多通信系統組成的多點之間能相互通信的全部設施。

現代的主要通信技術有數字通信技術、程控交換技術、信息傳輸技術、通信網絡技術、數據通信與數據網、ISDN與ATM技術、寬帶IP技術、接入網與接入技術。

（二）現代通信技術對社會、政治、經濟的影響

通信技術作為信息技術的重要組成部分，使人類進入了虛擬時代、數字時代。其虛擬性激發了人們創造能力的巨大發展。通信技術的進步還改變了人們的某些生活方式。比如：借助光纖通信技術，遠程教育、家庭辦公、遠程醫療、網絡購物等原本看起來不可思議的事，現在借助于高性能的通信網和計算機都已經實現。

通信技術對政治的影響最集中表現于軍事方面，通信技術在戰爭中一直都扮演著十分重要的角色。

通信業是個高技術行業，由于新技術的使用，運營商不僅提高了服務質量，同時還開發出了如數據業務、視頻業務、短信業務等新服務品種，多方面地滿足消費者需要。

現代通信技術還使得電子商務成為可能，為企業交易提供了更廣闊的空間，同時也大大降低了交易成本，提高了企業的勞動生產率和工作效率。

與此同時，通信不僅在預報氣象變化、傳遞氣象信息等方面發揮積極作用，而且在戰勝洪水等自然災害方面也有不可低估的作用。

（三）現代通信技術的發展趨勢

通信技術與計算機技術、控制技術、數字信號處理技術相結合是現代通信技術的典型標志，目前通信技術總的發展趨勢可以概括為“六化”，即數字化、綜合化、融合化、寬帶化、智能化和個人化。這些方式的實現，最終取決于衛星通信技術、移動通信技術、光纖通信技術三大領域的發展程度。實現毫米波衛星通信和衛星通信體制的數字化及通信網數字化應是今后主要的發展方向。

基于現代通信技術的發展現狀，再考慮到市場需求的導向作用，未來通信技術的發展將具備以下特點：

1．從點到點通信向多點間通信發展

傳統的點到點間的通信方式，將難以滿足未來市場發展的需求，而實現多點間的通信，如電視會議系統等，將是未來通信技術的一大特點。

2．雙（多）向控制

通信系統的交互性將表現得更充分，參與通信的任何一方都可發出控制請求并得到系統的響應。

3．實時性

隨著CPU的運行速度、交換設備的信息轉換速度、信源的編解碼速度、信道傳輸速度以及信道容量的提高，通信系統的實時性將得到極大提高。諸如目前可視電話、WWW等服務項目中的靜態圖像傳送，將來很可能被實時動態圖像傳輸所代替。

4．多元化立體信息的通信

人類從自然界獲得信息靠的是視、聽、觸、嗅、味覺，而當前的通信系統只能滿足人們的視聽感覺。未來市場的需求必定會對計算機信息系統提出更高要求，要求它提供的信息更接近于自然信息源。雖然視聽感覺已占了人類獲取信息量的90%，但更加全面、更加逼真的信息交流始終是人類追求的更高目標。因此，未來通信的信息將是包含視、聽、觸、嗅覺在內的立體信息。

5．信息再現的仿真化

通信系統傳輸的信息在到達目的地后，需要以數據、文本、圖像、聲音等形式恢復再現。目前通信系統中普遍使用的顯示器、喇叭等配置，其恢復的視場、聲場與真實環境相去甚遠。而近年來以虛擬現實技術建立的仿真系統，卻可達到很高的模擬真實環境的水平。因而，未來通信系統在實現信息重現時，高仿真度也將是其一大特點。