单元教学计划

教学内容

1.本单元数学的主要内容.

(1)圆有关的概念:垂直于弦的直径,弧、弦、圆心角、圆周角.

(2) 与圆有关的位置关系:点和圆的位置关系,直线与圆的位置关系, ? 圆和圆的位置 关系.

(3)正多边形和圆.

(4)弧长和扇形面积:弧长和扇形面积,圆锥的侧面积和全面积.

2.本单元在教材中的地位与作用.

学生在学习本章之前,已通过折叠、 对称、 平移旋转、 推理证明等方式认识了许多图形 的性质, 积累了大量的空间与图形的经验. 本章是在学习了这些直线型图形的有关性质的基 础上, 进一步来探索一种特殊的曲线──圆的有关性质. 通过本章的学习, 对学生今后继续 学习数学, 尤其是逐步树立分类讨论的数学思想、 归纳的数学思想起着良好的铺垫作用. 本 章的学习是高中的数学学习,尤其是圆锥曲线的学习的基础性工程.

教学目标

1.知识与技能

(1)了解圆的有关概念,探索并理解垂径定理,探索并认识圆心角、弧、 ? 弦之间的相 等关系的定理,探索并理解圆周角和圆心角的关系定理.

(2) 探索并理解点和圆、直线与圆以及圆与圆的位置关系:了解切线的概念, ? 探索切 线与过切点的直径之间的关系, 能判定一条直线是否为圆的切线, 会过圆上一点画圆的切线.

(3)进一步认识和理解正多边形和圆的关系和正多边的有关计算.

(4) 熟练掌握弧长和扇形面积公式及其它们的应用; ? 理解圆锥的侧面展开图并熟练掌 握圆锥的侧面积和全面积的计算.

2.过程与方法

(1)积极引导学生从事观察、测量、平移、旋转、推理证明等活动. ? 了解概念,理解 等量关系,掌握定理及公式.

(2)在教学过程中,鼓励学生动手、动口、动脑,并进行同伴之间的交流.

(3) 在探索圆周角和圆心角之间的关系的过程中, ? 让学生形成分类讨论的数学思想和 归纳的数学思想.

(4)通过平移、旋转等方式,认识直线与圆、圆与圆的位置关系, ? 使学生明确图形在 运动变化中的特点和规律,进一步发展学生的推理能力.

(5)探索弧长、扇形的面积、 ? 圆锥的侧面积和全面积的计算公式并理解公式的意义、 理解算法的意义.

3.情感、态度与价值观

经历探索圆及其相关结论的过程, 发展学生的数学思考能力; 通过积极引导, 帮助学生 有意识地积累活动经验, 获得成功的体验; 利用现实生活和数学中的素材, 设计具有挑战性 的情景,激发学生求知、探索的欲望.

教学重点

1.平分弦(不是直径)的直径垂直于弦, ? 并且平分弦所对的两条弧及其运用.

2.在同圆或等圆中,相等的圆心角所对的弧相等, ? 所对的弦也相等及其运用.

3. 在同圆或等圆中, 同弧或等弧所对的圆周角相等, ? 都等于这条弧所对的圆心角的一 半及其运用.

4.半圆(或直径)所对的圆周角是直角, 90? °的圆周角所对的弦是直径及其运用.

5.不在同一直线上的三个点确定一个圆.

6.直线 L 和⊙ O 相交 ?dr及 其运用.

7.圆的切线垂直于过切点的半径及其运用.

8. ? 经过半径的外端并且垂直于这条半径的直线是圆的切线并利用它解决一些具体问 题.

9. 从圆外一点可以引圆的两条切线, 它们的切线长相等, ? 这一点和圆心的连线平分两 条切线的夹角及其运用.

10.两圆的位置关系:d 与 r 1和 r 2之间的关系:外离 ?d>r1+r2;外切 ?d=r1+r2;相 交 ?│ r 2-r 1│ <><│ r="" 2-r="">

11.正多边形和圆中的半径 R 、边心距 r 、中心角 θ之间的等量关系并应用这个等量关 系解决具体题目.

12. n °的圆心角所对的弧长为 L=180n R π, n °的圆心角的扇形面积是 S 扇形 =2

360n R π及其 运用这两个公式进行计算.

13.圆锥的侧面积和全面积的计算.

教学难点

1.垂径定理的探索与推导及利用它解决一些实际问题.

2. 弧、 弦、 圆心有的之间互推的有关定理的探索与推导, ? 并运用它解决一些实际问题.

3.有关圆周角的定理的探索及推导及其它的运用.

4.点与圆的位置关系的应用.

5.三点确定一个圆的探索及应用.

6.直线和圆的位置关系的判定及其应用.

7.切线的判定定理与性质定理的运用.

8.切线长定理的探索与运用.

9.圆和圆的位置关系的判定及其运用.

10.正多边形和圆中的半径 R 、边心距 r 、中心角 θ的关系的应用.

11. n 的圆心角所对的弧长 L=180n R π及 S 扇形 =2

360

n R π的公式的应用. 12.圆锥侧面展开图的理解.

教学关键

1. 积极引导学生通过观察、 测量、 折叠、 平移、 旋转等数学活动探索定理、 ? 性质、 “三 个”位置关系并推理证明等活动.

2.关注学生思考方式的多样化,注重学生计算能力的培养与提高.

3.在观察、 操作和推导活动中, 使学生有意识地反思其中的数学思想方法, ? 发展学生 有条理的思考能力及语言表达能力.

单元课时划分

本单元教学时间约需 13课时,具体分配如下:

28. 1 圆的认识 3课时

28. 2 与圆有关的位置关系 7课时

28. 3 圆中的计算问题 3课时

教学活动、习题课、小结 3课时

28.1.1圆的基本元素

教学目标 :

使学生理解圆、等圆、等弧、圆心角等概念,让学生深刻认识圆中的基本概念。

重点难点 :

1、重点:圆中的基本概念的认识。

2、难点:对等弧概念的理解。 教学过程 :

一、圆是如何形成的 ?

请同学们画一个圆,并从画圆的过程中阐述圆是如何形成的。

如右图,线段 OA 绕着它固定的一个端点 O 旋转一周,另一个端点 A 随之旋转所形成的 图形。同学们想一想,如何在操场上画出一个很大的圆?说说你的方法。

由以上的画圆和解答问题的过程中, 让同学们思考圆的位置是由什么决定的?而大小又 是由谁决定的?(圆的位置由圆心决定,圆的大小由半径长度决定)

二、圆的基本元素

问题:据统计,某个学校的同学上学方式是,有 50%的同学步行上学,有 20%的同学 坐公共汽车上学,其他方式上学的同学有 30%,请你用扇形统计图反映这个学校学生的上 学方式。

我们是用圆规画出一个圆,再将圆划分成一个个扇形,右上图 23.1.1就是反映学校学生上 学方式的扇子形统计图。

A

如图 28.1.2, 线段 OA 、 OB 、 OC 都是圆的半径, 线段 AB 为直径, . 这个以点 O 为圆心的圆叫作 “圆 O ”,记为“⊙ O ”。线段 AB 、 BC 、 AC 都是圆 O 中的弦,曲线 BC 、 BAC 都是圆中的弧,分

别记为 BC ︵

、 BAC ︵ ,其中像弧 BC ︵ 这样小于半圆周的圆弧叫做劣弧,像弧 BAC ︵ 这样的大于半 圆周的圆弧叫做优弧。

∠ AOB 、∠ AOC 、 ∠ BOC 就是圆心角。

结合上面的扇形统计图,进一步阐述圆心角、优弧、劣弧等圆中的基本元素。

三、课堂练习

1、直径是弦吗?弦是直径吗?

2、半圆是弧吗?弧是半圆吗?

3、半径相等的两个圆是等圆,而两段弧相等需要什么条件呢?

4、比较右图中的三条弧,先估计它们所在圆的半径的大小关系,再用圆规

验证你的结论是否正确。

5、说出上右图中的圆心角、优弧、劣弧。

6、直径是圆中最长的弦吗?为什么?

四、 小结本节课我们认识了圆中的一些元素, 同学应能从具体的图形中对这些元素加以识别。

五、作业

1、如图, AB 是⊙ O 的直径, C 点在⊙ O 上,那么,哪一段弧是优弧,哪一段弧是劣弧?

2、经过 A 、 B 两点的圆的几个?它们的圆心都在哪里?

3、长方形的四个顶点在以 为圆心,以 为半径的圆上。

4、如图,已知 AB 是⊙ O 的直径, AC 为弦, OD ∥ BC ,交 AC 于 D , 6BC cm ,求 OD 的 长。

5、已知:如图, OA 、 OB 为⊙ O 的半径, C 、 D 分别为 OA 、 OB 的中点,试说明 AD=BC。 六、课后信息:

28.1.2圆的对称性

第 1题

第 4题

(第 3题 ) B

教学目标:

使学生知道圆是中心对称图形和轴对称图形 , 并能运用其特有的性质推出在同一个

圆中 , 圆心角、弧、弦之间的关系,能运用这些关系解决问题,培养学生善于从实验中获取 知识的科学的方法。

重点难点:

1、重点:由实验得到同一个圆中,圆心角、弧、弦三者之间的关系。

2、难点:运用同一个圆中,圆心角、弧、弦三者之间的关系解决问题。

教学过程:

一、由问题引入新课:要同学们画两个等圆, 并把其中一个圆剪下,让两个圆的圆心重合, 使得其中一个圆绕着圆心旋转, 可以发现, 两个圆都是互相重合的。 如果沿着任意一条直径 所在的直线折叠,圆在这条直线两旁的部分会完全重合。

由以上实验,同学们发现圆是中心对称图形吗?对称中心是哪一点?圆不仅是中心对 称圆形,而且还是轴对称图形,过圆心的每一条直线都是圆的对称轴。

二、新课

1、同一个圆中,相等的圆心角所对的弧相等、所对的弦相等。

垂直于弦的直径平分弦,并且平分弦所对的两条弧。

实验 1、 将图形 28.1.3中的扇形 AOB 绕点 O 逆时针旋转某个角度, 得到图 28.1.4中的图形, 同学们可以通过比较前后两个图形,发现 AB AB =, AB AB =。

实质上, AOB ∠确定了扇形 AOB 的大小,所以,在同一个圆中,如果圆心角相等,那 么它所对的弧相等,所对的弦相等。

问题:在同一个圆中,如果弧相等,那么所对的圆心角,所对的弦是否相等呢?

在同一个圆中,如果弦相等,那么所对的圆心角,所对的弧 是 否 相 等呢?

实验 2、如图 28.1.7,如果在图形纸片上任意画一条垂直 于 直 径 CD 的弦 AB ,垂足为 P ,再将纸片沿着直径 CD 对折,比较 AP 与 PB 、 AC ︵ 与 CB ︵

,你能发现什么结论? 显然, 如果 CD 是直径, AB 是⊙ O 中垂直于直径的弦, 那 么 A P =, AC BC

=, AD BD =。请同学们用一句话加 以 概 括。

( 垂直于弦的直径平分弦,并且平分弦所对的两条弧)

2、同一个圆中,圆心角、弧、弦之间的关系的应用。 (1)思考:如图,在一个半径为 6米 的圆形花坛里, 准备种植六种不同颜色的花卉, 要求每种花卉的种植面积相等, 请你帮助设 计种植方案。 (2)如图 28.1.5,在⊙ O 中, AC BC =, 145∠=?,求 2∠的度数。 3、课堂练习 图

28.1.3 图

28.1.4

图 23.1.7

(1)如图,在⊙ O 中, AB ︵ =AC ︵ , ∠ B =70°. 求∠ C 度数 .

(第 1题

) (第 2题)

(2)如图, AB 是直径, BC ︵ =CD ︵ =DE ︵

,∠ BOC =40°,求∠ AOE 的度数

(3) 已知, 在⊙ O 中, 弦 AB 的长为 8cm , 圆心 O 到 AB 的距离为 3cm , 求⊙ O 的半径。

三、课堂小结

本节课我们通过实验得到了圆不仅是中心对称图形,而且还是轴对称图形,而由圆的 对称性又得出许多圆的许多性质,即(1)同一个圆中,相等的圆心角所对弧相等,所对的 弦相等。 (2)在同一个圆中,如果弧相等,那么所对的圆心角,所对的弦相等。 (3)在同一 个圆中,如果弦相等,那么所对的圆心角,所对的弧相等。 (4)垂直于弦的直径平分弦,并 且平分弦所对的两条弧。

四、作业

P 42 习题 1、 2、 3、 4、 5

五、课后信息:

28.1.3圆周角

教学目标:

使学生知道什么样的角是圆周角,了解圆周角和圆心角的关系,直径所对的圆周角 的特征; 并能应用圆心角和圆周角的关系、 直径所对的圆周角的特征解决相关问题, 同时, 通过对圆心角和圆周角关系的探索,培养学生运用已有知识,进行实验、猜想、论证,从 而得到新知。

重点难点:

1、重点:认识圆周角,同一条弧的圆周角和圆心角的关系,直径所对的圆周角的特 征。

2、 难点:发现同一条弧的圆周角和圆心角的关系, 利用这个关系进一步得到其他知 识,运用所得到的知识解决问题。

教学过程:

一、认识圆周角

如下图, 同学们能找到圆心角吗?它具有什么样的特征? (顶点在圆心, 两边与圆相交的角 叫做圆心角) ,今天我们要学习圆中的另一种特殊的角,它的名称叫做圆周角。

第 5题

究竟什么样的角是圆周角呢?像图(3)中的解就叫做圆周角,而图(2) 、 (4) 、 (5)中的 角都不是圆周角。同学们可以通过讨论归纳如何判断一个角是不是圆周角。 (顶点在圆上, 两边与圆相交的角叫做圆周角)练习:试找出图中所有相等的圆周角。

二、圆周角的度数

探究半圆或直径所对的圆周角等于多少度?而 90?的圆周角所 对的弦是否是直

径?

如图 28.1.9, 线段 AB 是⊙ O 的直径, 点 C 是⊙ O 上任意一点 (除点 A 、 B ) , 那 么, ∠ ACB 就是直径 AB 所对的圆周角 . 想想看,∠ ACB 会是怎么样的角?为什么呢?

启发学生用量角器量出 ACB ∠的度数, 而后让同学们再画几个直径 AB 所对的 圆周 角,并测量出它们的度数,通过测量,同学们感性认识到直径所对的圆周角等于 90?(或直 角) ,进而给出严谨的说明。

证明:因为 OA =OB =OC , 所以△ AOC 、 △ BOC 都是等腰三角形, 所以∠ OAC =∠ OCA , ∠ OBC =∠ OCB . 又 ∠ OAC +∠ OBC +∠ ACB =180°,所以 ∠ ACB =∠ OCA +∠

OCB =2

180

=90°. 因此,不管点 C 在⊙ O 上何处(除点 A 、 B ),∠ ACB 总等于 90°,即 半圆或直径所对的圆周角都相等,都等于 90°(直角) 。 反过来也是成立的, 即 90°的圆 周角所对的弦是圆的直径

三、探究同一条弧所对的圆周角和圆心角的关系

1、 分别量一量图 28.1.10中弧 AB 所对的两个圆周角的度数比较一下 . 再变动点 C 在圆周

上的位置,看看圆周角的度数有没有变化 . 你发现其中有什么规律吗? (2) 分别量出图 23.1.10中弧 AB 所对的圆周角和圆心角的度数,比 较一下,你发现什么? 我们可以发现,圆周角的度数没有变化 . 并且圆周角的度数恰好为同 弧所对的圆心角的度数的一半。 由上述操作可以猜想:在一个圆中,一条弧所对的任意一个圆周角的 大小都等于该弧所对的圆心角的一半。

为了验证这个猜想, 如图 28.1.11所示, 可将圆对折, 使折痕经过圆心 O 和圆周角的顶 点 C ,这时可能出现三种情况:(1) 折痕是圆周角的一条边, (2) 折痕在圆周角的内部,

(3) 折痕在圆周角的外部。

(第 1题)

图

28.1.9

图

28.1.10

我们来分析一下第一种情况:如图 28.1.11(1),由于 OA =OC ,因此 ∠ A =∠

C , 而∠ AOB 是△ OAC 的外角,所以 ∠ C =2

1∠ AOB . 对(2)、(3),有同样的结论 . (让同学们把推导的过程写出来),由以上的猜想和 推导可以得到:

一条弧所对的圆周角等于该弧所对的圆心角的一半。

思考:

1、在同一个圆中,同弧或等弧所对的圆周角相等吗?为什么?相等的圆周角所

对的弧相等吗,为什么?

2、你能找出右图中相等的圆周角吗?

3、 这是一个圆形的零件, 你能告诉我, 它的圆 心的位置 吗?你有什么简捷的办

法?

4、如图,如图 28.1.12, AB 是⊙ O 的直径,∠ A =80°.求∠ ABC 的 度 数. 5、 在圆中, 一条弧所对的圆心角和圆周角分别为 (2x +100) °和 (5x -

30)°,求这条弧所对的圆心角和圆周角的度数 .

四、小结 本节课我们一同探究了同圆或等圆中, 一条弧所对的圆周 角 等 于 这 条弧所对的圆心角的一半;由这个结论进一步得到:同圆或等 圆 中 , 同 弧或等弧所对的圆周角相等,都等于该弧所对的圆心角的一半; 相等的圆周角所对的弧 相等;半圆或直径所对的圆周角都相等,都等于 90°(直角) 。 90°(直角)的圆周角所 对的弦是圆的直径等结论, 希望同学们通过复习, 记住这些知识, 并能做到灵活应用他们 解决相关问题。

四、作业

P 43 习题 28.1 6、 7、 8

五、课后信息:

28.2.1点与圆的位置关系

图

28.1.11

图

28.1.12

教学目标:

使学生能够用数量关系来判断点与圆的位置关系 , 掌握不在一条直线上的三点确定 一个圆 , 能画出三角形的外接圆 , 求出特殊三角形的外接圆的半径 , 渗透方程思想。 重点难点:

1、重点:用数量关系判断点和圆的位置关系 , 用尺规作三角形的外接圆 , 求直角三角形、等 边三角形和等腰三角形的半径。

2、难点:运用方程思想求等腰三角形的外接圆半径。

教学过程:

一、用数量关系来判断点和圆的位置关系

同学们看过奥运会的射击比赛吗?射击的靶子是由许多 圆 组 成的,射击的成绩是由击中靶子不同位置所决定的;右图是一 位 运 动员射击 10发子弹在靶上留下的痕迹。你知道这个运动员的成 绩 吗?请同学们算一算。 (击中最里面的圆的成绩为 10环,依次 为 9、

8、?、 1环)

这一现象体现了平面上的点与圆的位置关系,如何判断点与圆 的 位 置关系呢?我们知道圆上的所有点到圆心的距离都等于半径, 若点在圆上, 那么这个点到圆 心的距离等于半径, 若点在圆外,那么这个点到圆心的距离大于半径, 若点在圆内,那么这 个点到圆心的距离小于半径。

如图 28.2.1,设⊙ O 的半径为 r , A 点在圆内, B 点在圆上, C 点在圆外,那

OA r .反过来也成立,即 若点 A 在⊙ O 内

OA r

< 若点="" a="" 在⊙="" o="" 上="">

r = 若点 A 在⊙ O 外 OA r > 思考与练习

1、⊙ O 的半径 5r cm =,圆心 O 到直线的 AB 距离

3d OD cm ==。在直线 AB 上有 P 、 Q 、 R 三点,且有 4PD cm =, 4QD cm >,

4RD cm <。 p="" 、="" q="" 、="" r="" 三点对于⊙="" o="">

2、 Rt ABC 中, 90C ∠=?, CD AB ⊥, 13AB =, 5AC =, 对 C 点为圆心, 60

13

为半径的圆与点 A 、 B 、 D 的位置关系是怎样的?

二、不在一条直线上的三点确定一个圆

问题与思考:平面上有一点 A , 经过 A 点的圆有几个?圆心在哪里?平面上有两点 A 、 B ,经过 A 、 B 点的圆有几个?圆心在哪里?平面上有三点 A 、 B 、 C ,经过 A 、 B 、 C 三点的 圆有几个?圆心在哪里?。

图 23.2.2 图 23. 2. 3

图 28.2.1 图 28.2.4

从以上的图形可以看到, 经过平面上一点的圆有无数个, 这些圆的圆心分布在整个平 面;经过平面上两点的圆也有无数个,这些圆的圆心是在线段 AB 的垂直平分线上。经过 A 、

B 、 C 三点能否画圆呢?同学们想一想,画圆的要素是什么?(圆心确定圆的位置,半径决 定圆的大小) ,所以关键的问题是定其加以和半径。

如图 28.2.4,如果 A 、 B 、 C 三点不在一条直线上,那么经过 A 、 B 两点所画的圆的圆心 在线段 AB 的垂直平分线上,而经过 B 、 C 两点所画的圆的圆心在线段 BC 的垂直平分线上, 此时,这两条垂直平分线一定相交,设交点为 O ,则 OA =OB =OC ,于是以 O 为圆心, OA 为 半径画圆,便可画出经过 A 、 B 、 C 三点的圆.

思考:如果 A 、 B 、 C 三点在一条直线上,能画出经过三点的圆吗?为什么?

即有:不在同一条直线上的三个点确定一个圆

也就是说, 经过三角形三个顶点可以画一个圆, 并且只能画一个. 经过三角形三个顶点 的圆叫做三角形的 外接圆 . 三角形外接圆的圆心叫做这个 三 角形的 外心 . 这个三角形叫做这 个圆的 内接三角形 . 三角形的外心就是三角形三条边的垂直平分线的交点, 它到三角形三个 顶点的距离相等。

思考:随意画出四点,其中任何三点都不在同 一 条 直

线上,是否一定可以画一个圆经过这四点?请举例 说明。

三、例题讲解

例 1、如图,已知 Rt ABC 中, 90C ∠=?, 若 5AC cm =, 12BC cm =, 求 ABC 的外接圆半 径。 解:略

例 2、如图,已知等边三角形 ABC 中,边长为 6cm ,求它的外接圆半径。

解:略

例 3、如图,等腰 ABC 中, 13AB AC cm ==, 10BC cm =,求 ABC 外接圆的 半径。

四、小结

本节课我们学习了用数量关系判断点和圆的位置关系和不在同一直线上的三点确定 一个圆,求解了特殊三角形直角三角形、等边三角形、等腰三角形的外接圆半径,在求解 等腰三角形外接圆半径时,运用了方程的思想,希望同学们能够掌握这种方法,领会其思 想。

五、作业

P 54 习题 28.2 1、 2、 3

六、课后信息:

例 1C B A O

E D 例 2C B A

O A D 例 3C B

28.2.2直线与圆的位置关系

教学目标:

使学生掌握直线与圆的位置关系,能用数量来判断直线与圆的位置关系。

重点难点:

用数量关系 (圆心到直线的距离) 判断直线与圆的位置关系即是教学重点又是教学难 点。

教学过程:

一、用移动的观点认识直线与圆的位置关系

1、同学们也许看过海上日出,如右图中,如果我们把太阳看作一个圆,那么太阳在 升起的过程中,它和海平面就有右图中的三种位置关系。

2、请同学在纸上画一条直线,把硬币的边缘看作圆,在纸上移动硬币,你能发现直线与圆 的公共点个数的变化情况吗?公共点个数最少时有几个?最多时有几个? 二、数量关系判断直线与圆的位置关系

从以上的两个例子,可以看到,直线与圆的位置关系只有以下三种,如下图所示: 如果一条直线与一个圆没有公共点,那么就说这条直线与这个圆 相离 ,如图 28.2.6(1)所 示. 如果一条直线与一个圆只有一个公共点, 那么就说这条直线与这个圆 相切 , 如图 28.2.6(2)所示.此时这条直线叫做圆的 切线 ,这个公共点叫做 切点 .如果一条直线与一个圆有 两个公共点,那么就说这条直线与这个圆 相交 ,如图 28.2.6(3)所示.此 时这条直线叫做圆的 割线 .

如何用数量来体现圆与直线的位置关系呢?

如上图,设⊙ O 的半径为 r ,圆心 O 到直线 l 的距离为 d ,从图中可以看出:

若 d r >

直线 l 与⊙

O 相离; 若 d r =直线 l 与⊙ O 相切; 若 d r <直线 l="" 与⊙="" o="">

所以, 若要判断圆与直线的位置关系, 必须对圆心到直线的距离与圆的半径进行比较 大小,由比较的结果得出结论。 三、练习与例题

练习 1、已知圆的半径等于 5厘米,圆心到直线 l 的距离是:(1) 4厘米; (2) 5厘米; (3)

图 28.2.6

6厘米 . 直线 l 和圆分别有几个公共点?分别说出直线 l 与圆的位置关系。

练习 2、已知圆的半径等于 10厘米,直线和圆只有一个公共点,求圆心到直线的距离 .

练习 3、如果⊙ O 的直径为 10厘米,圆心 O 到直线 AB 的距离为 10厘米,那么⊙ O 与直线 AB 有怎样的位置关系?

例题:例 1、如图,在以 O 为圆心的两个同心圆中,大圆的直径 AB 交小圆于点 C 、 D ,大圆 的弦 EF 与小圆相切于点 C , ED 交小圆于点 G ,

设大圆的半径为 10cm , 8EF cm =,求小圆的半径 r 和

EG 的的长度。

解:连结 CG

因为 EF 切小圆于 C 点, AB 为大圆的直径

所以 EF AB ⊥, 1

42

EC EF cm =

=

所以 3r OC cm ===。

所以 ED =

=

因为 CD 是小圆的直径

所以 OG DE ⊥,在 Rt EOG 和 Rt EDC 中 因为 ECD DGC ∠=∠, E E ∠=∠ 所以 Rt EOG Rt EDC

所以 EC ED EG EC =,即 2

EC ED EG =?

, 2EC EG ED === 三、小结

本节课我们学习了直线与圆的位置关系, 当我们判断直线与圆的位置关系时, 应该用 数量关系 (圆心到直线的距离) 来体现, 即上面讲解的圆心到直线的距离与圆的半径进行 比较大小,从而断定是哪种关系。

若 d r >

直线 l

与⊙ O 相离; 若 d r =直线 l 与⊙ O 相切; 若 d r <直线 l="" 与⊙="" o="">

四、作业

P 55 习题 28.2 5、 6 五、课后信息:

28.2.3切线(一)

B

A

教学目标:

1、使学生掌握切线的识别方法,并能初步运用它解决有关问题;

2、通过切线识别方法的学习,培养学生观察、分析、归纳问题的能力;

教学重点和难点 :

切线的识别方法是重点;而方法的理解及实际运用是难点.

教学过程设计 :

一、从学生已有的知识结构提出问题

1、复习、回顾直线与圆的三种位置关系.

2、根据几何画板所示图形,请学生判断直线和圆的位置关系.

学生判断的过程, 提问:你是怎样判断出图中的直线和圆相切的?根据学生的回答, 继续提 出问题:如何界定直线与圆是否只有一个公共点?(画板演示)

教师指出, 根据切线的定义可以识别一条直线是不是圆的切线, 但有时使用定义识别很不方 便,为此我们还要学习识别切线的其它方法. (板书课题 )

二、师生共同探讨、发现结论

1、由上面的复习,我们可以把上节课所学的切线的定义作为识别切线的方法 1——定义法:与圆只有一个公共点的直线是圆的切线.

2、当然,我们还可以由上节课所学的用圆心到直线的距离 d 与半径 r 之间的关系来判断直 线与圆是否相切,即:当 d r

时,直线与圆的位置关系是相切.以此作为识别切线的方法

2——数量关系法:圆心到直线的距离等于半径的直线是圆的切线.

3、 继续观察复习时的图形, 如图, 圆心 O 到直线 l 的距 离 d 等于半径 r ,直线 l 是⊙ O 的切线,这时我们来观 察直线 l 与⊙ O 的位置, 可以发现:(1) 直线 l 经过半径 OA 的外端点 A ; (2)直线 l 垂直于半径 OA .这样我 们就得到了从位置上来判断直线是圆的切线的方法 3——位置关系法:经过半径的外端且垂 直于这条半径的直线是圆的切线.

4、思考:现在,任意给定一个圆,你能不能作出圆的切线?应该如何作?

请学生回顾作图过程, 切线 l 是如何作出来的 ? 它满足哪些条件 ? 引导学生总结出:①经过半 径外端;②垂直于这条半径.

请学生继续思考:这两个条件缺少一个行不行 ? (学生画出反例图)

(图 1) (图 2) (图 3)

图 (1)中直线 l 经过半径外端,但不与半径垂直; 图 (2)中直线 l 与半径垂直,但不经过半径

外端. 从以上两个反例可以看出,只满足其中一个条件的直线不是圆的切线. 最后引导学生分析, 方法 3实际上是从前一节所讲的 “圆心到直线的距离等于半径时直线和 圆相切” 这个结论直接得出来的, 只是为了便于应用把它改写成 “经过半径的外端且垂直于 这条半径的直线是圆的切线”这种形式. 三、应用定理,强化训练

例 1、如图,已知直线 AB 经过⊙ O 上的点 A ,并且 AB =OA , ∠OBA=45?,直线 AB 是 ⊙ O 的切线吗?为什么?

例 2、如图,线段 AB 经过圆心 O ,交⊙ O 于点 A 、 C , ∠BAD =∠B =30?,边 BD 交圆于点

D . BD 是⊙ O 的切线吗?为什么?

分析:欲证 BD 是⊙ O 的切线,由于 BD 过圆上点 D ,若连结 OD , 则 BD 过半径 OD 的外端, 因此只需证明 BD ⊥ OD , 因 OA =OD , ∠BAD =∠B ,易证 BD ⊥ OD .

教师板演,给出解答过程及格式.

课堂练习:课本 49页练习 1-4

四、小结 提问:这节课主要学习了哪些内容 ? 需要注意什么问题 ?

在学生回答的基础上,教师总结: 主要学习了切线的识别方法,着重分析了方法 3成立的 条件,在应用方法 3时,注重两个条件缺一不可. 识别一条直线是圆的切线,有三种方法:

(1)根据切线定义判定,即与圆只有一个公共点的直线是圆的切线;

(2)根据圆心到直线的距离来判定,即与圆心的距离等于圆的半径的直线是圆的切线;

(3)根据直线的位置关系来判定,即经过半径的外端且垂直于这条半径的直线是圆的 切线, 说明一条直线是圆的切线,常常需要作辅助线,如果已知直线过圆上某一点,则作出过 这 一点的半径,证明直线垂直于半径即可 (如例 2) . 五、布置作业 习题 28.2 7 六、课后信息:

23.2.3切线(2)

【教学目标】 :

通过探究 , 使学生发现、掌握切线长定理,并初步长定理,并初步学会应 用切线长定理解决问题, 同时通过从三角形纸片中剪出最大圆的实验的过程中 发现三角形内切圆的画法,能用内心的性质解决问题。

【重点难点】 :

1、重点:切线长定理及其应用,三角形的内切圆的画法和内心的性质。

2、难点:三角形的内心及其半径的确定。

【教学过程】 :

一、巩固上节课学习的知识

请同学们回顾一下, 如何判断一条直线是圆的切线?圆的切线具有什么性质? (经过 半径外端且垂直于这条半径的直线是圆的切线;圆的切线垂直于经过切点的半径。 )

你能说明以下这个问题?

如右图所示, PA 是 BAC ∠的平分线, AB 是⊙ O 的切线,切点 E ,那么 AC 是⊙ O 的切 线吗?为什么?

解:连结 OE ,过 O 作 OF AC ⊥,垂足为 F 点

因为 AB是⊙ O 的切线

所以 OE AB ⊥ 又因为 PA 是 BAC ∠的平分线, OF AC ⊥ 所以 OF OE =

所以 AC是⊙ O 的切线

二、 探究从圆外一点引圆的两条切线,切线长相等以及这一点与圆心的连线平

分两条切线的夹角

问题 1、从圆外一点可以作圆的几条切线?请同学们 画 一

画。

2、请问:这一点与切点的两条线段的长度相等 吗 ? 为

什么?

3、切线长的定义是什么?

通过以上几个问题的解决,使同学们得出以下的结论:

从圆外一点可以引圆的两条切线,切线长相等。这一点与圆心的连线 平分两条切线的夹角。

在解决以上问题时,鼓励同学们用不同的观点、不同的知识来解决问题, 它既可以用书上阐述的对称的观点解决,也可以用以前学习的其他知识来解决 问题。

三、对以上探究得到的知识的应用

思考:右图, PA 、 PB 是,切点分别是 A 、 B ,直线 EF 也是⊙ O 的切线,切点为 P ,交 PA 、 PB 为 E 、 F 点,已知 12PA cm =, 70P ∠=?, (1)求 PEF 的周长; (2)求 EOF ∠的度数。

解:(1)连结 PA 、 PB 、 EF 是 ⊙ O 的切线

所以 PA PB =, EA EQ =, FQ FB =

所

以

PEF 的 周 长

24OE EP PF FB PA PB cm =+++=+=

(2)因为 PA 、 PB 、 EF 是 ⊙ O 的切线

所以 PA OA ⊥, PB OB ⊥, EF OQ ⊥ AEO QEO ∠=∠, QFO BFO ∠=∠ 所以 180110AOB P ∠=?-∠=? 所以 1

552

EOF AOB ∠=

∠=?

F

B

图 28.2.12

四、三角形的内切圆

想一想,发给同学们如图 28.2.12所示三角形纸片,请在它的上面截一个面

积最大的圆形纸片?

提示:画圆必须确定其位置和大小,即确定圆的圆心和半径,而要截出的圆 的面积最大,这个圆必须与三角形的三边都相切。

如图 23.2.13,在△ ABC 中,如果有一圆与 AB 、 AC 、 BC 都 相

切,那么该圆的

圆心到这三角形的三边的距离都相等,如何找到这个圆的 圆 心 和

半径呢?

等待同学们想过之后再阐述如何确定圆心和半径。

我们知道,角平分线上的点到角的两边距离相等,反 过 来 ,

到角两边距离相等

的点在这个角的平分线上。因此,圆心就是△ ABC 的角平 分 线 的 交点,而半径是这 个交点到边的距离。

根据上述所阐述的,同学们只要分别作 BAC ∠、 CBA ∠的平分线,他们的交

点 I 就是圆心,过 I 点作 ID BC ⊥,线段 ID 的长度就是所要画的圆的半径,因此以 I 点 为圆心, ID 长为半径作圆,则⊙ I 必与△ ABC 的三条边都相切。

与三角形各边都相切的圆叫做三角形的 内切圆, 三角形的内切圆的圆心叫做三角形的 内心, 这个三角形叫做圆的 外切三角形, 三角形的内心就是三角形三条内角平分线的交点, 它到三角形三边的距离相等。

问题:三角形的内切圆有几个?一个圆的外切圆三角形是否只有一个?

例题:△ ABC 的内切圆⊙ O 与 AC 、 AB 、 BC 分别相切于点 D 、 E 、 F ,且 AB =5厘米, BC

=9厘米, AC =6厘米,求 AE 、 BF 和 CD 的长。

解:因为⊙ O 与△ ABC 的三边都相切

所以 AE ED =, BE BF =, CD CF = 设 AE x =。 BF y =, CD z =

则

{

596x y y z z x +=+=+=

解得:1x =, 4y =, 5z =

即 1AE cm =, 4Bf cm =, 5CD cm =

五、课堂练习

P 51 练习 1、 2、 3

六、小结

1、 切线长定理:从圆外一点可以引圆的两条切线,切线长相等。这一点与圆心连线平

分两条切线的夹角。 2、 三角形的内切的内心是三角形三条角平分线的交点, 它到三角形三条边的距离相等。

七、作业

参见补充作业

图

28.2.13

B A

八、课后信息:

28.2.4圆与圆的位置关系

教学目标:

使学生了解圆与圆位置关系的定义,掌握用数量关系来识别圆与圆的位置关系。

重点难点:

用数量关系识别圆与圆的位置关系是本节课的教学重点,又是本节课的教学难点。 教学过程:

一、认识生活中有关圆与圆的位置关系的一些图形

在现实生活中,圆与圆有不同的位置关系,如下图所示:

圆与圆的位置关系除了以上几种外, 还有其他的位置关系吗?我们如何判断圆与圆的 位置关系呢?这些问题待学习完这节课后就可以得到解决。 二、用公共点的个数阐述两圆的位置关系

请同学们在纸上画一个圆, 把一枚硬币当作另一个圆, 在纸上移动这枚硬币, 观察两 圆的位置关系和公共点的个数。

如图 23.2.14(1)、(2)、(3)所示,两个圆没有公共点,那么就说两个圆相离, 其中(1)又叫做 外离 ,(2)、(3)又叫做 内含。 (3)中两圆的圆心相同,这两个圆还 可以叫做 同心圆。 如果两个圆只有一个公共点, 那么就说这两个圆 相切 , 如图 23.2.14(4) 、 (5)所示.其中(4)又叫做 外切 ,(5)又叫做 内切。 如果两个圆有两个公共点,那么就 说这两个圆 相交 ,如图 23.2.14(6)所示。

奥运会五环

图

28.2.15

三、用数量关系识别两圆的位置关系

思考:如果两圆的半径分别为 3和 5,圆心距(两圆圆心的距离) d 为 9,你能确定 他们的位置关系吗?若圆心距 d 分别为 8、 6、 4、 2、 1、 0时, 它们的位置关系又如何呢?

利用以上的思考题让同学们画图或想象, 概括出两圆的位置关系与圆心距、 两圆的半 径具有什么关系。

(1)两圆外离 d R r ?>+; (2)两圆外切 d R r ?=+;

(3)两圆外离 R r d R r ?-<+; (4)两圆外离="" d="" r="" r="" ?="-;" (5)两圆外离="" 0d="" r="" r=""><>

为了使学生对两圆的位置关系用数量关系体现有更深刻的理解以及更牢的记忆, 教师 可有以下数轴的形式让学生加以理解。

要判断两圆的位置关系, 要牢牢抓住两个特殊点, 即外切和内切两点, 当圆心距刚好 等于两圆的半径和时,两圆外切,等于两圆的半径差时, 两圆内切。若圆心距处于半径和 与半径差之间时,两圆相交,大于两圆半径和时,两圆外离,小于两圆半径差时,两圆内 含。

四、例题与练习

例 1、已知⊙ A 、⊙ B 相切,圆心距为 10 cm ,其中⊙ A 的半径为 4 cm ,求⊙ B 的半径。 分析:两圆相切,有可能两圆外切,也有可能两圆内切,所以⊙ B 的半径就有两种情 况。

解 设⊙ B 的半径为 R . (1) 如果两圆外切,那么

d =10=4+R , R =6.

(2) 如果两圆内切,那么

d =|R -4|=10, R =-6(舍去) , R =14.

所以⊙ B 的半径为 6 cm或 14 cm

例 2、 两圆的半径的比为 2:3, 内切时的圆心距等于 8cm , 那么这两圆相交时圆心距 的范围是多少?

解:设其中一个圆的半径为 2r ,则另一个圆的半径为 3r

外离 相交 外

切 内 切 内含

因为内切时圆心距等于 8 所以 328r r -= 所以 8r =

当两圆相交时,圆心距的取值范围是 840() d cm

练习:课本P 54 练习 1、 2、 3 五、小结

就好象识别点与圆、 直线与圆的位置关系一样, 这节课我们同样也用数量关系来体现 圆与圆的位置关系。 在识别圆与圆的位置关系时, 关系式比较多, 也难于忘记,如果同学 们能够掌握老师上课时讲的用数轴来体现圆与圆的位置关系, 理解起来就会更深刻, 记忆 也会更容易。 六、作业

P 55 习题 8、 9、 10、 11、 12、 13

28.3.1弧长和扇形的面积

教学目标:

认识扇形, 会计算弧长和扇形的面积, 通过弧长和扇形面积的发现与推导, 培养学生 运用已有知识探究问题获得新知的能力。 重点难点:

1、重点:弧长和扇形面积公式,准确计算弧长和扇形的面积。 2、难点:运用弧长和扇形的面积公式计算比较复杂图形的面积。 教学过程:

一、发现弧长和扇形的面积的公式

1、弧长公式的推导。

如图 28.3.1是圆弧形状的铁轨示意图,其中铁轨的半径为 100米, 圆 心角为

90°.你能求出这段铁轨的长度吗 ? (取 3.14)我们容易看出这段 铁 轨 是 圆 周长的 4

1

, 所以

铁轨的长度 l≈

4

100

32??=157.0(米) . 问题:上面求的是 90?的圆心角所对的弧长, 若圆心角为 n ?, 如何计算它所对的弧长呢?

请同学们计算半径为 3cm ,圆心角分别为 180?、 90?、 45?、 1?、 n ?所对的弧长。

B

B

A B

图 28.3.1

等待同学们计算完毕,与同学们一起总结出弧长公式(这里关键是 1?圆心角所对的 弧长是多少,进而求出 n ?的圆心角所对的弧长。 )

弧长的计算公式为

1802360r n r n l ππ=?=

练习:已知圆弧的半径为 50厘米,圆心角为 60°,求

此 圆 弧

的长度。

2、扇形的面积。

如图 28.3.3,由组成圆心角的两条半径和圆心角所对 的 弧 所

围成的图形叫做 扇形

问:右图中扇形有几个? 为 1?的

同求弧长的思维一样, 要求扇形的面积, 应思考圆心角 扇形面积圆

面积的几分之几?进而求出圆心角 n 的扇形面积。

如果设圆心角是 n °的扇形面积为 S ,圆的半径为 r ,那么扇形的面积为

lr

r r n r n S 2121803602=?==ππ.

因此扇形面积的计算公式为

3602

r n S π=

或

lr S 21= 练习 :1、如果扇形的圆心角是 230°,那么这个扇形的面积等于这个扇形所在圆的面积的

____________;

2、扇形的面积是它所在圆的面积的 32

,这个扇形的圆心角的度数是 _________°.

3、扇形的面积是 S ,它的半径是 r ,这个扇形的弧长是 _____________ 二、例题讲解

例 1 如图 28.3.5,圆心角为 60°的扇形的半径为 10厘米,求这个扇

形的面积和周长.(π≈ 3.14) 解:

因为 n =60°, r =10厘米,所以扇形面积为

360

1014. 36036022??≈=r n S π

=52.33(平方厘米 ) ;

扇形的周长为

B

B

A

图 28.3.5

20180

10

14. 3602180+??≈+=

r r n l π=30.47(厘米)。 例 2、右图是某工件形状,圆弧 BC 的度数为 60?, 6AB cm =,点 B 到点 C 的距离等于

AB ,

30BAC ∠=?,求工件的面积。 解:因为 BC

的度数为 60?, 30BAC ∠=? 所以点 A 在 BC

所在的圆上,设这个圆的圆心为 O 点 连结 OA 、 OB 、 OC 、 BC 所以 60BOC ∠=?

所以 BOC 是等边三角形 因为 AB=BC

所以 AOB 也是等边三角形 所以四边形 AOCB 是菱形 那么 OA ∥ BC ,则 ABC BOC S S =

所以 S 工件 =S扇形 BOC 2

26066() 360

cm ππ?=

= 三、小结

本节课我们共同探寻了弧长和扇形面积的计算公式, 一方面, 要理解公式的由来, 另 一方面,能够应用它们计算有关问题,在计算力求准确无误。

四、作业

P 62 习题 1、 2 五、课后信息:

28.3.2圆锥的侧面积和全面积

教学目标:

通过实验使学生知道圆锥的侧面积展开图是扇形,知道圆锥各部分的名称,能够计 算圆锥的侧面积和全面积。 重点难点:

圆锥的侧面展开图,计算圆锥的侧面积和全面积。 教学过程:

一、 由具体的模型认识圆锥的侧面展开图, 认识圆锥各个部分的 名称

把一个课前准备好的圆锥模型沿着母线剪开,让学生观察 圆 锥 的 侧 面展开图,

学生容易看出,圆锥的侧面展开图是一个扇形。

如图 28.3.6,我们把圆锥底面圆周上的任意一点与圆锥顶点的连线叫做圆锥的 母线,连结顶点与底面圆心的线段叫做圆锥的高,如图中 a ,而 h 就是圆锥的高。

问题:圆锥的母线有几条? 二、圆锥的侧面积和全面积

图 28.3.6

问题; 1、沿着圆锥的母线,把一个圆锥的侧面展开,得到一个扇形,这个扇形的弧长

与底面的周长有什么关系?

2、圆锥侧面展开图是扇形,这个扇形的半径与圆锥中的哪一条线段相等? 待学生思考后加以阐述。

圆锥的底面周长就是其侧面展开图扇形的弧长,圆锥的母线就是其侧面展开图扇形的 半径。

圆锥的侧面积就是弧长为圆锥底面授周长、半径为圆锥的一条母线的长的扇形面积, 而圆锥的全面积就是它的侧面积与它的底面积的和。 三、例题讲解

例1、一个圆锥形零件的母线长为 a ,底面的半径为 r ,求这个圆锥形零件的侧面积 和全面积.

解 圆锥的侧面展开后是一个扇形,该扇形的半径为 a ,扇形的弧长为 2πr ,所以

S 侧 =21

×2πr ×a =πra ;

S 底 =πr 2

;

S =πra +πr 2

.

答:这个圆锥形零件的侧面积为 πra ,全面积为 πra +πr 2

例 2、已知:在 Rt ABC 中, 90C ∠=?, 13AB cm =, 5BC cm =,求以 AB 为轴旋

转一周所得到的几何体的全面积。 分析:以 AB 为轴旋转一周所得到的几何体是由公共底面的两个圆锥所组成的几何体,

因此求全面积就是求两个圆锥的侧面积。

解:过 C 点作 CD AB ⊥,垂足为 D 点

因为三角形 ABC 是 Rt ABC , 90C ∠=?, 13AB cm =, 5BC cm =, 所以 12AC cm =

512601313

AC BC CD AB ??=

==

底面周长为 6012021313ππ?= 所以 S 全 211201120102052() 21321313cm πππ

=?

?+??= 答:这个几何体的全面积为

21020() 13cm π

。 四、课堂练习

1、一个圆柱形水池的底面半径为 4米,池深 1.2米 . 在池的内壁与底面抹上水泥,抹

水泥部分的面积是多少平方米? 2、 已知一个圆锥与一个圆柱的底面半径都为 3米, 高都为 4米 . 它们两者的侧面积相 差多少?侧面积的比值为多少? 1

五、小结

本节课我们认识了圆锥的侧面展开图, 学会计算圆锥的侧面积和全面积, 在认识圆锥的 侧面积展开图时, 应知道圆锥的底面周长就是其侧面展开图扇形的弧长。 圆锥的母线就是其 侧面展开图扇形的半径,这样在计算侧面积和全面积时才能做到熟练、准确。 六、作业

P 62 习题 3、 4

D C

B

A

七、课后信息:

圆复习课

教学目标:

1、解圆及其有关概念 , 了解弧、弦、圆心角的关系。

2、握圆周角与圆心角的关系,直径所对圆周角的特征;会利用垂径定理解题;会判定 点与圆的位置关系。

3、深入理解“转化” 、 “分类讨论”的数学思想,并培养自主探究积极参与的学习习惯。 教学重点:

1、解圆及其有关概念 , 了解弧、弦、圆心角的关系。

3、握圆周角与圆心角的关系,直径所对圆周角的特征;会利用垂径定理解题;会判定 点与 教学难点:

握圆周角与圆心角的关系, 直径所对圆周角的特征; 会利用垂径定理解题; 会判定点与

教学过程:

(一)题组探究复习回顾旧知,并知识建构。

先回顾旧知,再抢答。并互相补充知识点,进一步完善知识结构。 相对应的练习题应指 导学生说出相应的知识点及思路。

基础练习:

1、观察下图,回答问题:写出

(1)一条直径 四条半径 (2)三条弦 四个圆周角 (3)三个圆心角 一条优弧 2、在⊙ O 中, AC ︵ =BD ︵

,∠ 1=45°,求∠ 2的度数 .

(第1题

)

(第4题)

(第 3、 6题 )

3、如图,⊙ O 的直径 AB 垂直于弦 CD , AB 、 CD 相交于点 E ,∠ COD =100°,则∠ ∠

4、如图,∠ A 是⊙ O 的圆周角,∠ A =40°,则∠ OBC 的度数 5、

已知圆的半径等于 5厘米,圆心到直线 l 的距离是

4厘米;(2) 5厘米;(3) 6厘米 . 直线 l 和圆分别有几个公共点?分别说出直线 l 与圆的 位置关系 .

6、如图AB是⊙O的的直径,弦CD┻AB于E,CD=8、BE=2,则⊙OR的 半径的长是

老师在学生回答的基础上与学生一起梳理知识结构,并板书。

(二)自主探究与合作交流研究圆周角与圆心角的关系,直径所对圆周角的特征 , 垂径定理等知识。

学生审题 , 自主探究解法后,交流。指名学生代表回答。本题有多种解法,培养学生的 发散思维能力、比较思维能力。

分组解,选小组代表板演。

学生先自主探究,再交流想法。

例 1:如图4-4-3,AB是⊙ O 的直径,C、D是⊙ O 上两点,∠D=130o,

则

(1)∠ACB= o

(2)∠ BAC 的度数为 o

教法:由学生分析后板演。

例2如图4-4-4,⊙ O 的半径为5,弦AB的长为8,M是弦AB的动点,则线段

第 2图

OM长的最小值是

教法:学生合作交流,共同探讨解法。

(三)应用与拓展

本部分内容作为课堂检测用,时间为 15分钟。小组内互批。当时知道结果,有利于学生的 学习。

达标测评:

1、 一条弦分一圆为2cm 和6cm 两部分,若此弦与直径成45o角,则该弦长为

2、 如图4-4-9,AB、CD是⊙O的直径,DF、BE是弦,且DF=BE。 求证:∠D=∠B

3、如图4-4-10,在⊙O中,弦AB=2cm ,圆周角∠ACB=30o,求⊙O的直 径。

4、如图4-4-7,直线AB交圆于点A、B两点,点M在圆上,点P在圆外,且点M, P在AB的同侧,

∠AMB=50o,设AMB=x o,当点P移动时,求 x 的变化范围。

(四)小结与作业

小结:谈一下你有哪些收获?

作业:复习资料上相关题

(五)板书设计

课题:圆(1)

基本概念:弧、弦、圆心角、圆周角

中心对称 弧、弦、圆心角、圆周

角的关系

圆 对称性

轴对称 垂径定理

点与圆的位置关系 (六)教后记

华师大科学九下电子版3

第5章 生物的遗传和变异 131

摩尔根 (T.H.Morgan, 1866—1945)是美国实验胚胎

学家、 遗传学家, 他在孟德尔定律的基础上创立了基因学

说。他认为, 基因是组成染色体的遗传单位, 证明了基因在

染色体上占有一定的地位, 而且呈线性排列。他还认为, 在

生物个体发育中, 一定的基因在一定的条件下, 控制着一定

的代谢过程, 从而体现在一定的遗传特性和特征上, 基因可

通过突变而导致性状的变异。摩尔根因对遗传学发展的卓

越贡献, 于1933年获诺贝尔生理学或医学奖。主要著作有

《基因论》 、 《孟德尔式遗传机制》 、 《实验胚胎学》 。

图5.1.12 孟德尔进行的豌豆杂交试验

图5.1.13

摩尔根 人类的遗传病

你注意过没有, 有的人对区分红色和绿色有困难。不能正确分辨颜色的人

是色盲病患者, 色盲是一种遗传病。

132 科 学

观看图5.1.14, 你能否读出图上的数字?统计一下全班同学中不能正确辨别红色和绿色的

人数。 活动

测试色觉 图5.1.14 色盲检测图 左:正常人看到的检测图; 右:色盲患者看不到检测图中的红绿色

常见的遗传病除色盲外, 还有白化病、 血友病、 先天性愚型病等。白化病患 者皮肤缺少黑色素, 皮肤白得异常。血友病患者的血液里缺少一种凝血因子, 身 上有一个小伤口, 就会出血不止, 甚至死亡。先天性愚型病患者天生智力低下。

通常每个正常人都携带一些不正常的基因。当这些致病基因所控制的性 状在人体上表现出来时, 人就患某种遗传病。另外, 当遗传物质发生变化时, 也可能使人患遗传病。据研究, 目前已知的遗传病基因有数千种, 即有数千 种遗传病, 但遗传病基因不一定与遗传病能一一对应。遗传病一般不能根治。 虽然目前科学家正在寻找遗传病的基因疗法, 但这种方法不仅在经济上耗费 很大, 而且目前仍存在潜在危险和疗效不确定问题。所以, 我们必须重视预 防遗传病, 包括禁止近亲结婚, 提倡婚前检查和产前检查, 广泛开展遗传咨询 等预防措施。

第5章 生物的遗传和变异 133

优生

优生是指应用遗传学原理来改善人类的遗传素质, 生育智力和体质都优秀 的子代, 尽量降低有先天缺陷的子代的出生率。要达到优生, 通常从两方面着 手:一是寻找各种方法, 减少人类产生不利性状的几率, 如改善人类生存环境, 避免基因不利的突变; 通过禁止近亲结婚、 实行婚前检查和产前检查预防遗传 病。二是设法增加或维持人类产生有利性状的几率, 降低人类产生不利性状子 代的几率。

遗传病基因有很多是隐性基因, 通常不容易表现出来。近亲的男女之间基 因有很多是相同的, 如父母与子女之间有1/2基因相同, 祖父母与孙代、 外祖父 母与孙代之间有1/4基因相同, 表兄妹、 堂兄妹之间有1/8基因相同。当近亲 结婚时, 隐性基因就容易表现出来, 发生遗传病的几率就远比非近亲结婚大, 有 的可多几倍至几十倍。例如表兄妹结婚所生子女的发病率比正常人:色盲病高 17.9倍, 白化病高13.5倍, 先天性聋哑病高7.8倍。这不仅给家庭带来了极大的 不幸, 还降低了中华民族的人口素质。

我国婚姻法明确规定, 禁止直系血亲和三代以内的旁系血亲结婚。堂兄弟 姐妹、 姑表兄弟姐妹、 姨表兄弟姐妹、 叔和侄女、 舅和外甥女等之间结婚在法律上 都是不允许的。

1. 你有哪些遗传性状像父 (母) 亲?

2. DNA、 基因和染色体有什么关系?

3. 如果某人细胞的染色体为XY, 其X和Y分别来自 ( ) 。

A. 父亲、 母亲

B. 母亲、 父亲 C. 父亲、 母亲或父亲 D. 母亲或父亲、 父亲

4. 如果你不能卷舌 (或无耳垂、 无酒窝) , 而你父母亲都能卷舌 (或有耳垂、 有酒窝) , 请你作 出解释, 并写出你父母亲遗传给你的这对基因 (决定卷舌的基因用R、 r, 决定耳垂的基因用E、 e, 决定酒窝的基因用D、 d表示) 。

5. 小林和小周是表兄妹关系, 他们不能结婚的原因是他们的基因有 ( ) 相同, 不良隐性 基因容易表现出来。

A. 四分之一 B. 二分之一 C. 八分之一 D. 十六分之一

134 科 学

2 生物的变异

生物的变异现象在自然界普遍存在。可遗传的有利变异

在生物进化和生产上有重要的意义。

变异现象

同一母狗或母猫生下的后代很相似, 但在大小、 毛色、 性情等方面总有差别。 把同一穗子上结的小麦或水稻种子种下去, 长出的幼苗在植株的高矮、 穗的大小 等方面也不完全相同。我们把这种同种生物的子代与亲代之间, 以及子代个体 之间存在的性状差异现象称为变异 (variation) 现象。

图5.2.1

同一雌性动物生下的后代性状的差异

事实上, 在自然界根本找不到两株完全相同的植物; 找不到两个完全相同的 动物; 也找不到两个完全一样的人, 即使是同卵双生的兄弟或姐妹之间也存在一 些性状差异。和遗传现象一样, 生物界也普遍存在着变异现象。

不遗传的变异和可遗传的变异

将小麦或玉米种子种在贫瘠、 缺水的树阴下的土壤中, 它们的幼苗会长得很

第5章 生物的遗传和变异 135

图5.2.2

生长在不同环境条件下的玉米果穗大小

某兄弟二人, 哥哥长期在野外工作, 脸色和皮肤较黑; 弟弟长期在室内工作, 脸色和皮肤较白。

上述的变异只是由外界环境的影响引起的, 遗传物质并没有发生变化, 因此 不能遗传给后代, 这样的变异称为不遗传的变异。

但是, 我们也发现许多变异是能遗传的。例如, 某对色觉正常的夫妇生了 一个色盲的儿子, 这种变异是能遗传的。在生物界可遗传的变异是非常普遍 的, 例如, 1791年美国一农民在羊群中发现一只腿特别短的变异个体, 后经长 期 选 育 培 育 成 背

长、 腿 短、 产 毛 多

和易饲养管理的安

康 羊 (图5.2.3) 。

再如许多花卉的花

色、 农作物的果实

形态也常发生可遗

传的变异。可遗传

的变异都是遗传物 瘦弱, 结出的果实会很小; 但是, 如果将它们的种子种在肥沃、 水分和阳光充足 的土壤中, 它们的幼苗将会长得健壮,

结出的果实很饱满。

图5.2.3 安康羊 (右)

136 科 学

质发生改变 (包括基因突变) 而

引 起 的。 许 多 物 理 因 素 (如 各

种 射 线)和 化 学 因 素 (如 亚 硝

酸盐等)都可使基因突变的机

会增多。

生物的变异多种多样。对

某种生物来说, 有的变异有利于

它的生存。例如, 小麦或水稻中

出现矮株、 抗倒伏的变异, 这种

变异对它们的生存有利, 是有利

变异。有的变异不利于生物的生存。例如, 玉米有时会出现白化苗, 这样的幼苗 没有叶绿素, 不能进行光合作用, 很快会死亡,

这种变异就是不利变异。

图5.2.5 不利变异——白化苗

4~5人一组, 到公园、 农田、 校园观察植物或动物的变异。找出变异, 通过小组讨论, 确定哪 些变异是不遗传的变异, 哪些是可遗传的变异; 哪些是有利变异,

哪些是不利变异。

活动

观察生物的变异

图5.2.4 彩色玉米

变异的意义

变异在生物进化上的意义

地球上的环境是复杂多样、 不断变化的, 某些不利环境甚至可能对某些生物 的生存和种族繁衍造成很大的威胁。生物的可遗传有利变异, 会产生新的生物 类型, 将使它们能适应变化的环境, 不断进化。

变异在生产上的应用

在自然界, 由于各种物理、 化学因素的影响, 生物很可能产生可遗传的变异。 如果这种变异对人类有益, 如牛群中出现产奶较多的奶牛, 或出现瘦肉较多的 猪, 人类就挑选这种生物进行大量的繁殖和选育, 得到生物的新品种。又如五彩 缤纷、 千姿百态的金鱼, 是很久以前鲫鱼的变异, 是后来经过千百年人工选择培

育而成的。

图5.2.6 各种金鱼品种的产生

生物的可遗传变异在自然界出现的频率是十分低的。农牧业生产依靠天然 的基因突变来选育农作物、 家禽、 家畜的新良种, 往往满足不了人类生产活动的 需要。因此, 人类经常采用各种理化因素诱导生物变异, 通过有性杂交改良品种 等措施来获得可遗传变异。例如, 人类将农作物的种子进行返回式卫星搭载, 利 用太空中的强辐射、 高真空和微重力诱导基因突变, 已获得了许多优良品种。又 如, 有的小麦产量高, 但易倒伏 (高秆) , 而有的小麦抗倒伏 (矮秆) , 但产量不高。 于是人们将这两个小麦品种进行有性杂交, 经过几代选育以后, 就获得了高产、 矮秆、 抗倒伏的新品种。

第5章 生物的遗传和变异 137

138 科

学

视窗 太空育种

在太空中, 由于辐射强烈, 地球对种子

的引力大大减弱 (仅为地面的10-3~10-6) ,

就会使种子处于强辐射和微重力状态。在

空间辐射和微重力等多种空间环境因素的

综合作用下, 种子内的遗传物质很容易发

生改变。因此, 人类已利用返回式卫星 (或

宇宙飞船、 航天飞机) , 把农作物的种子带

到太空, 使种子产生变异, 然后在地面种

植, 从中选育新品种。1987年以来, 我国科 学工作者已利用太空育种, 培育出了 “卫星87-2” 青椒 (俗称太空椒) 、 “航育1号” 水稻、 “豫麦13” 小麦等高产、 优质和抗病性强的作物新品系。例如,太空椒果实大、 肉厚、 口感好, 维生素C含量高, 单位面积产量比普通青椒高25%~30%

。

随着科学技术的发展, 人类已能运用基因工程 (genetic engineering) 的手 段, 局部改变生物基因组的结构, 培育出高产、 优质、 抗病性强, 甚至能制造医用 药物的微生物、 动物和植物。

阅读 基因工程

用人工的方法从某种生物的基因组中克隆出某种基因, 并采用合适的方法把这种 基因转移到另外一种生物的基因组中, 使其在后者中表现出新的遗传性状的技术称为 基因工程。基因工程从20世纪70年代开始发展, 至今已经取得了很多重要的成果。例 如, 人类已经把治疗人类疾病的人胰岛素、 生长激素、 干扰素等重要药物合成的基因转 移到大肠杆菌中, 并利用细菌繁殖快的特点进行大规模发酵生产。

图5.2.7 太空椒 (左) 和普通椒

第5章 生物的遗传和变异 139

查阅基因工程成果的资料,

讨论转基因生物产品的应用前景。

活动

嫁接

你看到过既结苹果又结梨的树吗?这是通过嫁接获

得的。

嫁接是把一个植物体上的芽或枝, 接到另一个植物

体上, 并使它们长在一起, 成为一个完整植物体的技术。

接上去的部分称为接穗, 被接的植物体称为砧木。嫁接

常选用经济价值高、 遗传性状好或有观赏价值的优良品

种植物作接穗, 而用野生的、 生命活动旺盛的同种、 同属

或同科植物作砧木。 图5.2.8 通 过枝接获得的同时

结两种果实的果树

用种子繁殖果树, 往往会造成果树形态、 产量、 品质、 成熟期的变异, 嫁接能 防止优良品种的变异, 保持优良品种的优良遗传性状, 并使果树提前开花, 是果 树栽培常用的技术。嫁接有多种方法。

图5.2.9

嫁接的方法

活动由2~

3人合作进行。

活动 嫁接

140 科 学 1. 下列几种变异中, 属于不遗传的变异的是

, 属于可遗传的变异的是 。

A. 同一品种的水稻, 生长在遮阴处的比生长在阳光下的秆细、 穗小

B. 家兔体表的毛, 有白色、 黑色、 灰色等类型

C. 成熟的苹果果实有红色的、 黄色的和绿色的

D. 成熟的玉米籽粒有黄色的、 黑色的和红色的 2. 下列几种变异中, 属于有利变异的是

, 属于不利变异的是

A. 玉米的白化苗 B. 小麦的矮秆 3. 变异对生物的进化有什么意义? 4. 举例说明变异在生产上的应用。

1. 生物子代与亲代之间相似的现象, 称为遗传现象。生物的遗传现象普遍存在。 本章学到了什么

1. 选择接穗和砧木

通过小组讨论,选择接穗和砧木, 如不同花色的月季、 不同品种的果树、 西瓜茎和南瓜……任 意两种植物是否都能嫁接在一起?

2. 选择适当的嫁接方法

根据确定的接穗和砧木, 选择适当的嫁接方法, 如西瓜 (黄瓜) 茎和南瓜:选择健壮的南瓜 幼苗作砧木, 用刀切去茎的顶部, 并在切面顶端中央向下劈一条深约1~1.5 cm的劈缝; 然后, 剪 下西瓜茎顶端约 3 cm长的一段作接穗 (茎的直径宜与砧木大致相同, 应留1~2片叶) , 用刀将下 端削成一个长约 1 cm的双斜面, 并迅速将其插入砧木的劈缝中, 使它们的形成层紧密贴合; 最 后, 用塑料绳包扎接口处, 并给植株适当浇水, 罩上塑料薄膜保持湿度 (如温度高, 应在最初几天 遮阴) 。

你还可以选择另外的嫁接方法, 看看哪种方法好。

3. 观察和记录

观察和记录新植物体的性状与接穗、 砧木有何异同。

2. 控制生物遗传的物质存在于染色体上。每条染色体是一个DNA大分子, 基因 是具有遗传功能的一个DNA片段, 它决定了生物体的性状。

3. 生物的遗传是有规律的。

4. 如果母亲的卵细胞与父亲含X染色体的精子结合, 所生的孩子是女性; 如果母 亲的卵细胞与父亲含Y染色体的精子结合, 所生的孩子是男性。

5. 我国婚姻法规定, 禁止直系血亲和三代以内旁系血亲结婚。

6. 同种生物子代与亲代之间, 以及子代个体之间存在的性状差异现象称为变异 现象。生物的变异现象普遍存在。

7. 可遗传的有利变异在生物进化上有重要的意义。

8. 人类把生物的变异用于生产。

第5章 生物的遗传和变异 141

142

第6章 能源与社会

143

1 能源和能源的分类

地球的内部和表面存在着各种形态的能源, 其中多数形

态的能源的能量都直接或间接地来自太阳。

能源

1. 我们在生活中会使用各种能, 请你说出做饭、 取暖、 照明、 收看电视等各种活

动中用到的能的名称。

2. 你能说出这些能的来源吗?

地球上存在着许多可以提供给人类能量的物质资源。煤炭、 柴草、 天然气、 石油等是可以从地球内部或地球表面经过开采或收割取得的自然资源。在家庭 里, 主要通过燃烧的方式从这些资源里获取内能。在生产等社会活动中, 除了从 这些资源中获得内能外, 还可以通过能量转换的方式获得机械能、 化学能、 电能、 光能等。例如, 汽车、 火车、 飞机、 轮船等交通工具在行驶时需要的能量, 就是从 这些资源中由内能转换来的机械能。在生活和生产中普遍使用的电能, 虽然并 非直接来自自然界, 但也是重要的资源。

在科学上, 把能够直接或者经过转换而获得内能、 机械能、 电能、 化学能等各 种能的资源称为能源 (energy source) 。煤炭、 柴草、 天然气、 石油、 风力、 水力、 铀、 太阳、 电等都是能源。

144 科

学

图6.1.1 煤气灶 图6.1.2

微波炉

能源是保证人类生存、 生产发展和社会进步不可缺少的重要物质基础。没 有相当数量的能源供给,

现代社会就无法维持。

在生活和生产中我们会遇到各种各样的能源。这些能源中, 有的可以用作燃

料, 如烟煤、 无烟煤、 植物秸秆、 油页岩、 石油、 煤油、 汽油、 柴油、 煤气、 天然气、 酒

精、 甲醇、 沼气、 铀等; 有的不能作为燃料, 如水力、 风力、 潮汐、 海洋、 波浪、 电、 激

光、 太阳等。

1. 你能说出以上能源中哪些是自然界中天然形成的, 哪些是需要经过人工转

换后才能得到的吗?

2. 你能说出以上能源中哪些可以重复产生, 哪些能源消耗殆尽后会从地球上

永远地消失吗?

一次能源和二次能源

人类使用的能源种类很多, 按照是否在自然界中天然形成, 可把能源分成一 次能源和二次能源两大类。

在自然界中天然形成的能源, 统称为一次能源。泥煤、 褐煤、 烟煤、 无烟煤、 石油、 天然气、 油页岩、 植物秸秆、 太阳能、 核能、 水能、 风能、 地热能、 海洋能、 潮

第6章 能源与社会 145

可再生能源和不可再生能源

在一次能源中能够重复产生、 永续利用的天然能源称为可再生能源, 在短 期内不能重复产生的天然能源称为不可再生能源。太阳能、 风能、 水能、 生物质 能、 地热能、 海洋能、 潮汐能等都是可再生能源; 煤炭、 石油、 天然气等化石能源 都是不可再生能源。现阶段正在使用的核能, 由于原料来自天然矿石, 也是不 可再生能源。化石能源和矿石资料一旦被人类开采使用殆尽, 就永远地从地球 上消失了。

常规能源和新能源

汐能等都是一次能源。

凡是由一次能源经人工方法转换来的能源, 统称为二次能源。煤气、 焦炭、 汽油、 煤油、 柴油、 电、 激光、 酒精等都是二次能源。

大多数一次能源直接或间接地来源于太阳辐射能。例如, 生物质能是地 球上的生物在太阳光的照射下通过光合作用而形成的, 化石燃料是古代生物 被埋在地下, 经过长期的地质作用而慢慢形成的。所以生物质能和化石燃料都 来源于太阳辐射能。此外, 像水能、 风能、 海洋能等也来源于太阳辐射能。来源 于地球自身的一次能源有核能、 地热能。来源于地球和太阳、 月亮共同作用的 能源有潮汐能。

在能源科学里, 把利用历史长、 使用

范围广、 技术成熟程度高的能源称为常规

能源。煤炭、 石油、 天然气等常规能源使

用最广泛, 在当代社会能源构成中占了很

大的比重。

与常规能源相对应, 推广时间短、 使

用范围小以及目前还处在研究或开发过

程中的能源, 如太阳能、 风能、 新型生物

质能、 海洋能、 地热能和潮汐能等都是新

能源。

图6.1.3

火力发电

146 科 学

图6.1.4

大庆油田

能源的分类

第6章 能源与社会 147

1. 在自然界中

的能源称为一次能源, 由一次能源经人工方法转换来的能源称为

2. 能够重复产生、 永续利用的天然能源称为

, 在短期内不能重复产生的天然能源 称为 3. 人类利用煤、 石油、 天然气的能量, 实际上是间接利用了

。 4. 在煤、 石油、 核能 (核裂变能) 、 地热能、 太阳能、 天然气中属于常规能源的是 属于新能源的是

1. 通过去图书馆和上网的方式, 分别收集煤炭、 石油、 水能、 核能这四种能源在世界和中国 的分布状况 (分布区域) 。

2. 根据收集到的情况, 讨论这四种能源在分布上有何不同。

3. 怎样才能因地制宜地利用这些能源?

活动 调查世界和我国主要能源的分布与利用

148 科 学

2 太阳能的利用

太阳是人类的天然能源库。直接和高效地利用太阳辐射

能是当代能源技术的重大课题。

太阳能的优点

在 《科学》 (七年级) (上) 中我们学过关于太阳系的知识, 我们知道太阳会发

光发热, 是地球上人类活动的主要能量来源。现在请你思考后回答下面的问题:就 你所知, 人类可以通过哪些方式获取太阳能?

太阳是人类的天然能源库。太阳以源源不绝的辐射方式向地球输送能量。 太阳能 (solar energy) 具有许多优点。第一, 太阳能无处不在, 非常普遍, 到处 可以利用, 不需要开采和运输; 第二, 太阳能无污染, 对环境无害; 第三, 太阳能 可以长期持续利用; 第四, 太阳能的能量巨大。

目前利用太阳能的形式主要有三种。

太阳能利用的光—热转换

第一种形式是把太阳能直接转换成其他物体的内能, 称为光—热转换。 光—热转换通常利用平板吸收、 聚焦反射等方式收集太阳辐射能, 前者称为平板 型集热器, 后者称为聚焦型集热器。太阳能热水器、 太阳能干燥器、 太阳能蒸馏 器、 箱式太阳灶、 太阳能温室等属于平板型集热器; 反射式太阳灶、 太阳能蒸汽

锅等属于聚焦型集热器。

图6.2.1 家用太阳能热水器 图6.2.2 大面积太阳能热水系统

目的

利用手边容易找到的材料制作一个简易的反射式太阳灶。

步骤

1. 在课内完成以下讨论题:

(1) 你认为可以利用哪些器件或物品作为反光材料?

(2) 在制作小型反射器时你打算采用什么形状的反射面?

(3) 怎样知道反射面上各部分反射光的会聚处?

(4) 请设计一个反射式太阳灶, 并说明需要用哪些材料。

(5) 如何知道你制作的反射式太阳灶具有实用意义?

2. 利用课余时间以个人或小组形式收集材料并完成反射式太阳灶的制作。

3. 交流和展示作品。

活动

制作简易反射式太阳灶

阅读 太阳能热发电站的工作原理

太阳是一个巨大的能源。通过测定得知, 当阳光垂直照射时, 地面每平方米面积上

第6章 能源与社会 149

150 科

学 每秒内约可获得800 J的能量, 10天内到达地球的太阳能比地球岩石圈内蕴藏的所有化 石燃料的总量还要多。

为了充分利用太阳能, 在光照充足的地区, 已经建立了太阳能热发电站, 以达到用

太阳能发电的目的。太阳能热发电站的工作原理是这样的:用许多反射镜将阳光集中 到一个集热装置上, 通过热交换器, 使管道系统内的水 (工作物质) 沸腾变成高温高压 蒸汽, 推动涡轮发电机转动而发电。

太阳能利用的光—电转换

第二种形式是太阳能直接转换成电能, 称为光—电转换。最常见的光—电 转换装置是太阳能电池。太阳能电池发电简单、 方便、 不耗燃料、 少维护, 是一 种安全、 灵活、 无噪声、 无污染的发电系统。太阳能电池可以组装成任意大小的 直流或交流电源, 可直接供电或并网发电。小型太阳能电池, 发电功率仅几毫 瓦, 常用于电子手表和计算器, 中型的太阳能电池可用于汽车、 飞机、 船舶等作 为动力源, 大型太阳能电池可用于发电站, 发电功率可达数千千瓦。太阳能发 电也可以通过光—热—电的方式获得, 即利用太阳能集热器把光能转换成蒸汽 的内能,

然后让蒸汽驱动汽轮机发电。

太阳能电池是把太阳能直接变为电能的转换器。第一块太阳能电池是100多

年前的硒光电池, 但是真正有实用价值的太阳能电池是美国贝尔实验室的科学家

在1954年制成的硅太阳能电池。目前太阳能电池中最为成熟的是单晶硅太阳能电

池, 而且太阳能电池的转换效率已超过20%。

太阳能电池具有重量轻、 寿命长和适用面广等特点, 是人造卫星、 空间探测器

和空间站等航天器的主要电源, 人造卫星上的两翼就是太阳能电池阵列。

太阳能电池

第6章 能源与社会 151

材料 一块太阳能电池板、 二根导线、 一台电压表、 一张黑纸。

步骤

用导线把太阳能电池板的两极接在电压表上。把太阳能电池板置放在有阳光的地方, 观察 电压表的指针是否转动。

用黑纸遮住太阳能电池板, 再观察电压表的指针是否转动。

对两次观察的结果进行比较,

并加以说明。

活动

观察太阳能电池产生的电压

图6.2.3

太阳能车

太阳能利用的光—化学转换

第三种形式是太阳能直接转换成化学能, 称为光—化学转换。自然界中绿 色植物的光合作用, 是把太阳能转变成化学能贮存起来的理想能量循环。目前 正在研究中的光—化学转换装置, 是仿效光合作用中的光催化反应分解水, 从中 获得可用作各种动力源的氢能。由于氢和水在光化学装置中构成可逆循环, 因 此既无污染,

又可持续利用。

视窗 太阳能房屋

科学家们正在设计一种太阳能房屋, 目前已造出样品房。这种房屋没有外部的 输入电线, 室内需要的电力完全靠太阳能供给。没有污染、 没有停电的苦恼, 只有

152 科

学

光明和温暖。

新型房屋的屋顶是用太阳能光电板搭建的, 窗户也用光电板建造, 既能获得能

源, 又能遮蔽风雨, 真是两全其美。

图6.2.4

太阳能房屋原理示意图

根据本地区光照和气候等特点, 讨论本地区应该怎样利用太阳能。 1. 太阳以源源不断的

方式向地球输送能量。 2. 目前利用太阳能的形式主要有三种, 它们是 和 3. 在太阳能热水器、 反射式太阳灶、 太阳能蒸汽锅、 太阳能蒸馏器中属于平板型集热器的是

, 属于聚焦型集热器的是

第6章 能源与社会 153

3 核能的开发与放射性防护

放射性和放射性元素

在日常生活中, 我们常常听说有些建筑材料, 如花岗石、 大理石等天然石材, 会有放射性, 用它建造房屋, 对居住在里面的人会有危害; 我们也知道, 患有某 些癌症的病人, 可以利用某种放射线, 把癌细胞杀死。那么什么是放射性?什么 样的物质会发出放射线呢?

科学研究发现, 铀 (U) 、 钋 (Po) 、 镭 (Ra) 等元素能够自发地放出放射线。 除了这些元素以外, 还有许多天然存在的元素也都能自发地放出放射线。科学 家把元素的这一特性叫做放射性 (radioactivity) , 并把能够自发地放射穿透力 很强射线的元素叫做放射性元素。

那么放射性元素所放出的射线又是些什么呢?原来放射性元素在衰变或裂变 时会放出能量很高的粒子流, 如会

释放出带正电的α射线 (高能氦核

流) 、 带 负 电 的β射 线 (高 能 电 子

流) 和电中性的γ射线 (高能电磁

波) 。这些射线都能贯穿物质, 其中

贯穿物质本领最强的是γ射线, 其

次为β射线, 最弱的是α射线。

另外, 原子核在裂变时会放出

速度很大的中子流和原子核碎片流。

在日本福岛核电站事故中经常提

到的I 131(碘 — 131) ,

就是原子核碎片。 图6.3.1 α、 β、 γ的穿透力

核能 (nuclear energy) 是原子核在裂变或聚变时释放的

能。开发和利用核能是当代能源技术的重大课题。在利用核

能或放射性元素为人类服务的同时, 必须防止放射性对人类

及环境带来的危害。

核能和核能的释放

原子核在转变过程中所释放的能叫做原子核能, 简称核能。核能过去也 称原子能。例如, 放射性元素镭的原子核分裂时放出放射线, 并释放出能。 这种能就是核能, 它使含镭元素的盐发热。因此镭盐样品的温度始终比周围 温度高。

核能是从原子核内部释放出来的, 它比化学反应中所释放出的化学能要大 得多。比如, 我们若能把1g氮核全部转变成氧核时, 所释放出来的核能, 就相当 于燃烧4t煤所释放的化学能。

但是一个元素的原子核不会轻易转变, 它的能也不会随便释放。那么又如 何使原子核释放出其内部的核能呢?

核能的释放有两条途径:重核的裂变和轻核的聚变。

1938年德国科学家哈恩 (O. Hahn, 1879—1968)等人用中子轰击铀核 时, 发现铀核吸收中子后, 分裂成了两个中等质量的原子核 (氪-92与钡-141) , 同时释放出巨大的能量。人们把这个现象叫做重核的裂变 (fission) 。

约里奥 — 居里 (F.Joliot— Corie, 1900—1958) 等科学家很快又在实验中证 明, 每次铀核裂变还会放射出2~3个中子来。如果其中2个中子又击中另外2个 铀核, 它们分裂后又会放出4~6个中子来。这样, 由中子引起的裂变铀核由2变 4, 4变8……越来越多, 释放出的能量也就越来越大, 这种链锁式的铀核裂变反 应称为链式反应 (chain reaction) 。

如果原子核裂变的链式反应不加限制, 形成雪崩式的裂变反应, 在短时间 内放出巨大的能量, 就会发生猛烈的爆炸。原子弹 (atomic bomb) 就是应用 这一原理制造的。如果控制链式 反应的速度, 主要是对中子的数 量及能量加以控制, 使原子核的 裂变反应连续而缓慢地进行, 核 能有控制地平稳释放, 这样核能 就可以得到和平利用。可控制地 进行核反应的装置称为核反应堆 (nuclear reactor) 。核电站就是 利用核反应堆提供的能量发电的。 这是目前和平利用原子核能的主

要途径。

图6.3.2 铀核的裂变示意图

154 科 学

第6章 能源与社会 155

爱因斯坦

阿尔伯特?爱因斯坦 (A. Einstein, 1879—1955) 于1879

年3月14日出生在德国慕尼黑一个犹太人的家庭中。作为一代

科学巨匠, 20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦, 在中小学期间并

不是一个天才少年, 也没有什么出众的表现。相反, 读完中学后,

爱因斯坦没有考取大学, 经过一年补习后才考入瑞士联邦工业大

学。大学毕业后, 作为一个 “差生” 又找不到工作, 经朋友介绍才

进入瑞士伯尔尼专利局, 当一个专门审查专利申请的小职员。

学习上不出众, 个性独立内向的爱因斯坦, 却很早就喜

欢独自对知识的探索。他从小对数学与一些小机器特别有兴

趣。他对欧几里得几何的清晰优美、 数学证明的明晰可靠留

下了深刻印象; 对小时候父亲给他的一个小罗盘非常喜欢,

对那个永远指向北边的罗盘磁针, 感到十分惊奇, 总想探明在 它背后隐藏着的什么东西。强烈的好奇心, 唤起了他探索自然奥秘的极大兴趣。大学毕业后 的爱因斯坦, 在伯尔尼专利局 7年的业余时间里, 进行了潜心的自由研究, 这位年轻的专利审查 员创造了举世瞩目的科学奇迹。他在1905年发表的五篇科学论文, 几乎涉及了 20世纪理论物 理发展的主要领域, 有人说这五篇论文都有资格获得诺贝尔奖, 他的研究工作开创了物理学的 一个新时代。

爱因斯坦在科学上的主要贡献是在相对论与量子论这两个方面。相对论完全由他独立创 立。在量子论的创立中, 他也做出了重要的贡献。正是因为他对光电效应的理论解释, 获得了 1921年的诺贝尔物理学奖。创立相对论是爱因斯坦最重要的贡献。爱因斯坦的相对论虽然遭到 许多人的反对与不理解, 但最终取得了成功, 成为现代物理学的基础理论之一, 至今还没有一个 实验与相对论结论相违背。

1933年, 希特勒上台后, 作为犹太人的爱因斯坦受到德国纳粹势力的种种迫害, 他移居美 国, 在普林斯顿高级研究所工作。1955年4月18日, 爱因斯坦病逝于美国普林斯顿。作为一个 科学家, 爱因斯坦在诸多领域做出了里程碑式的贡献; 作为一个思想家, 他留下了许多启迪人们 思想的精神财富; 作为一个争取自由与和平的战士, 他对邪恶势力展开了不懈的斗争。他是在许 多方面值得我们学习的一位伟人。

图6.3.3 爱因斯坦

重核裂变发现以后, 人们很快就发现较轻的原子核结合成较重的原子核时, 也能释放能量, 这种现象叫做轻核的聚变 (fusion) 。轻核的聚变会放出更大的 核能。

156 科 学

① 氘, 音 d āo

。 ② 氚, 音 c h u ān

。 图6.3.4 氢核的聚变反应

例如一个氘核 ① (原子量为2的氢核, 核内有1个质子与1个中子) 和一个氚 核 ②

(原子量为3的氢核, 核内有1个质子与2个中子) 都是带正电的, 相互靠近时 要相互排斥。但把它们加热到很高温度, 可以使它们聚合为氦核, 这种聚变现象 只能在高温高压条件下发生, 所以就称为热核反应。这种聚变反应放出的能量 比铀核裂变放出的能量还要大几十倍。氢弹 (hydrogen bomb) 是比原子弹爆 炸力更强的核武器, 它就是利用核聚变原理制成的。

到目前为止, 人们还未找到实用的控制核聚变反应的方法。所以还不能做 到和平利用核聚变的能量。自然界中的太阳及许多恒星内部正进行着规模巨大 的热核反应, 正是热核反应为太阳提供了巨大的能量, 让我们地球上的人类享用 着聚变反应所释放的能量。

第6章 能源与社会

157

科学 技术 社会 环境 1960年中国科学院建立了原子能研究所, 党

中央调集了我国钱三强、 朱光亚、 陈能宽、 程开甲、

王淦昌、 邓稼先、 周光召与王承书等一大批优秀科

学家进行研究。

研制原子弹

的 浩 大 工 程, 在

一 无 具 体 资 料、

二无大型电子计

算机的极其艰苦

的 条 件 下, 完 全 靠科学家们扎实的基础理论功底, 高度的爱国热

情, 硬是用手摇计算机进行繁重而大量的计算工

作, 加班加点, 仅用了一个月, 反复计算39次, 纠正

了外国专家的错误结论, 精确模拟出了原子弹爆炸

的全过程, 制定出了我国第一颗原子弹的设计方

案。又经过我国科学家及工程技术人员的艰苦奋

斗, 进行了无数次的实验, 攻克了一个又一个难关,

终于成功造出了原子弹。

1964年10月16日, 我国第一颗原子弹试验爆

炸成功。这是独立自主, 艰苦奋斗精神的胜利。这 一天是中国人民扬眉吐气的日子。

第一颗原子弹试爆成功后, 我国科学家与工程

技术人员又马不停蹄地继续进行氢弹的研制工作。

1967年6月17日, 我国又成功试爆了第一颗氢弹。

从第一颗原子弹到第一颗氢弹, 两次爆炸仅隔两年

零8个月时间。而美国用了7年, 苏联用了4年, 英

国用了5年, 法国则用了8年。氢弹爆炸的成功, 说

明我国核技术水平已经位居世界前列。

我国研制原子弹与氢弹完全是为了巩固国防,

不受他国的核威胁。从第一颗原子弹爆炸之日起,

我国政府就一再重申, 在任何时候, 任何情况下,

我国的原子弹和氢弹

图6.3.5

物理学家钱三强

图 6.3.6 我 国第一颗原子弹试验

时的蘑菇云 图6.3.7 我 国的第一颗氢弹试验 成功

158 科

学

我国都不会首先使用核武器, 也绝不对无核武器国家使用或威胁使用核武器。1996

年7月29日, 我国政府郑重宣布, 从1996年7月30日起中国开始暂停核试验。同时

向世界各国, 特别是有核武器国家呼吁实现无核武器的世界, 确保各国共享和平、 安

全、 稳定与繁荣。

核电站

核电站的核心是核反应堆。核反应堆的主要材料是核燃料、 慢化剂和冷却 剂。目前世界上的核电站大多数用低浓度铀或天然铀作为核燃料。

核裂变反应时产生的能量由循环流动的水流导出。为了保证核反应堆的 放射性不会被水流带出, 核反应堆中安装了两个循环水回路。第一回路是不锈 钢管组成的管道, 管道通过反应堆的中心。管道里充满水, 依靠泵的动力使水

在管道里循环流动, 把核反应放出的能

量带出。第二个回路通过热交换器, 获

取第一个回路的能量, 使第二回路中的

水转化成蒸汽, 推动汽轮机运转, 把内

能转化成机械能。汽轮机带动发电机,

把机械能转化成电能。通过汽轮机后

的蒸汽则进入冷凝器, 液化成水, 以便

循环使用。

图6.3.8 核电站中的反应堆

图6.3.9

核电站工作示意图

第6章 能源与社会

159

我国浙江省海盐县风景秀丽的海边有一道亮丽的人工风景线——秦山核电站。 秦山核电站是我国依靠自己的力量设计、 建造和运营管理的第一座核电站。秦山 核电站一期工程于1985年3月开工, 1991年12月首次并网发电, 1994年4月投入商业 运行, 1995年7月通过国家验收。秦山核电站一期工程的建成使我国成为继美、 英、 法、 苏联、 加拿大、 瑞典之后世界上第七个能够自行设计、 建造核电站的国家。

秦山核电站一期工程装机容量为3×105 kW, 它竣工后又开始了二期和三期工程 的建设。秦山核电站二期工程的1号机组已在2002年4月15日投入商业运行, 比计 划提前了47天; 三期工程的1号机组也在2002年底前投入了商业运行。秦山核电站 对于缓解我国华东地区的用电紧张发挥了有效的作用。

秦山核电站最引人注目的是有十几层楼高呈圆柱形球状屋顶的建筑, 称为安全 壳厂房。安全壳厂房的外壳厚约1 m, 用预应力钢筋混凝土浇筑制成; 在外壳内是 一层用钢板拼接而成的内壳, 核反应堆则安装在内壳的中央。为了防止核反应堆中 的放射性物质外泄污染环境, 整个厂房被密封。

秦山核电站一期和二期工程的核反应堆都采用压水反应堆, 三期工程则采用了 更先进的重水反应堆。重水反应堆采用天然铀作核燃料, 可以不停堆进行换料; 用 重水作慢化剂和冷却剂, 可以大量生产同位素。

秦山核电站具有很高的安全性, 经专家测试, 每年的辐照量只有1~2毫雷姆 (国际标准为5毫雷姆) , 相当于经常看电视受到的辐照量, 对人体无影响。

秦山核电站

图6.3.10 中国秦山核电站

160 科 学 步骤 1. 收集关于是否要大力发展核电站方面的各种观点和资料, 包括:

(1) 我国和其他国家有关发展核电站的政策和方针;

(2) 我国能源的种类、 分布、 利用状况、 对环境的影响;

(3) 各类发电站的优越性及缺点;

(4) 重大的核泄漏事故;

(5) 专家和一般居民对在我国建设核电站的看法、 意见和建议。

2. 从能源、 环保、 安全及经济等角度讨论我国是否应当发展核电。

(1) 你认为在我国是否需要建设核电站?能不能完全依靠煤、 石油及水力来发电?

(2) 核电站很危险吗?

(3) 核电站会对环境造成污染吗?

(4) 建设核电站会不会增加居民用电的开支?

(5)

建设核电站对周围地区的经济发展有没有好处?

活动 关于我国是否应该大力发展核电站的讨论

阅读 核电站的优越性

核电站与目前流行的燃煤电站和水电站相比具有无可比拟的优点。首先, 核 电 站 的 经 济 效 益 高。 核 燃 料 具 有 很 高 的 能 量 密 度, 1 kg铀 全 部 裂 变 释 放 出 的 能 量相当于 2 500 t优质煤燃烧释放的能量, 核燃料的运输也远比煤的运输方便、 经 济, 所以 1 kW?h核电的成本仅为煤电的 1/2。其次, 核电站与燃煤、 燃油电站相 比, 对环境的污染小、 清洁, 走进核电站你会有来到花园的感觉。据测试和统计, 目前污染全球大气的二氧化硫, 有 46%来自火电厂。第三, 安全性高。据统计, 核电站发生意外而伤亡的几率远低于火灾、 水灾、 飞机失事而带来意外伤亡的几 率。尽管世界上已经出现过像美国三里岛核电事故和苏联切尔诺贝利核电站泄漏 事故, 但是事后调查发现这些事故均为可避免的人为因素所引起。第四, 资源丰 富。 核 电 站 用 的 核 燃 料 主 要 是 铀, 按 照 目 前 技 术 开 发 水 平 和 对 地 球 上 铀 储 量 的 估计, 天然铀资源可以供人类使用几千年, 比起石油、 天然气和煤炭等化石资源可 供人类使用的年限长得多。

第6章 能源与社会

161

2011年3月11日, 日本发生9.0级大地震, 引发海啸, 并造成重大伤亡。在地

震和海啸共同影响下, 福岛第一核电站发生了核泄漏和氢气爆炸的重大事故。

导致福岛核电站重大事故的起因是地震和海啸, 供电中断则是导致事故的直

接原因。3月11日地震刚一发生福岛第一核电站的核反应堆便立即紧急停机。停

机后, 内部的燃料棒仍然会自行发热, 所以必须注水冷却, 否则会造成因内部温度

不断升高而产生水蒸气爆炸。开动水泵注水需要电源。但是福岛第一核电站本身

已经不再发电, 后备的柴油发电机被海啸淹没, 蓄电池的电很快用完, 地震和海啸

又使得外电网无法接入, 供电被彻底中断。这样, 注水冷却无法继续, 燃料棒温度

不断升高, 出现了 “堆芯熔融” , 放射性物质发生泄漏。另外, 反应堆温度升高, 又

导致氢气爆炸。

福岛核电站事故是继美国三里岛核电站和苏联切尔诺贝利核电站两起重大事

故后的第三起重大事故。发生后, 人们对我国核电站的安全性又一次提出了质疑。

但是多数专家认为, 目前我国的核电站是在其他国家已经取得大量安全和防护经

验后建造的, 其技术指标和安全措施远高于福岛核电站等事故核电站。例如, 我国

秦山核电站的反应堆, 采用了不需要交流电源和应急发电机实现冷却堆芯的 “非能

动” 的先进技术, 因此类似于福岛核电站的事故就不可能发生。当然, 核电站和其

他任何事物一样不存在百分之一百的安全性。只有在技术上、 选址上、 管理上自始

至终把核电站的安全放在首位, 才能确保核电站的安全运行, 即使出现事故也能把

损失和影响减到最低。

日本福岛核电站事故及核电站的安全性

放射性的应用与防护

放射性元素的放射线在工农业生产及医疗卫生等各方面有着广泛的应 用。工业上利用放射线的穿透物体的本领, 用来检测控制钢板或纸张的厚度, 也可以用来检查金属内部的砂眼及裂缝。农业上, 通过放射线照射种子, 使 种子发生变异, 培育出优良品种, 使农业增产。在医疗卫生上, 利用射线可 以检查和治疗恶性肿瘤。这是因为放射线有很高的能量, 可以使生物细胞 内的水分子、 DNA分子分解, 使癌细胞不再分裂、 繁殖, 从而起到抑制、 消除 肿瘤病灶的作用。

162 科 学

长期过量的放射线照射对人体是有害的。在需要利用放射线的地方, 如医 院、 实验室, 必须用铅玻璃、 铅板等把放射性物质与人体隔开。严格管理放射源, 不允许非专业人员接触放射源。防止放射性物质泄漏, 以避免污染环境。

除了核电、 医用核设施外, 燃煤、 大理石、 夜光珠等也都具有放射性, 因此 除避免与它们直接接触外, 应尽量少食用经煤炭直接烘烤的食物, 注意室内 通风排气。

图6.3.11

放射性的应用

(a)放射性测控钢板

视窗 放射性元素与考古

每一种放射性元素随着射线的不断放射, 射线的强度不断减弱, 元素进行着自

发衰变, 从一种元素转变为另一种元素。如放射性元素铀, 经过放射衰变最后转变

为元素铅。根据物质内部所含放射性元素与其衰变后新元素的比例, 我们可以推算

出一些物质存在的年代。

对于含铀的岩石, 可以根据这种岩石含轴和铅的比例来推算岩石的年代。对于

不含铀的岩石可以测查出它含有的其他放射性元素, 比如岩石有元素铷, 则可根据

铷与锶的比例来确定岩石年代。例如, 我国考古工作者测出河北省迁西县内古岩石

的年龄为36亿年。美国科学家测出 “阿波罗” 登月采集的岩石年龄为37亿年。

(b)γ刀治疗癌症

第6章 能源与社会

163

对于古生物化石常利用放射性元素碳 — 14(146C)

的含量来测定其年代。当测出 一些古生物样品 (如木炭、 泥炭、 化石等) 相对当代物体内的 146C含量比,

就可以推算

出古生物死亡或沉积的年代。

图6.3.12 放射性元素的衰变

1. 天然的放射性元素主要有 和 等。它们能自发放射出 、 和

三种能贯穿物质的射线, 其中贯穿本领最强的是 射线, 最弱的 是 2. 核能是由

发生转变时放出的能量。 3. 核能的释放有 和 两条途径。 4. 核电站的核心是

4 新能源与可持续发展

现代社会对能源的需求越来越多, 社会的可持续发展离

不开能源的可持续利用。我们一方面应积极开发新能源, 另

一方面还应合理利用和节约现有的能源, 提高能源的利用率,

开发能源利用的新技术。

新能源的开发

人类使用了数千年之久的化石能源在数十年到数百年之内将会枯竭, 研究 和开发新能源是摆脱能源危机的根本途径。目前正在开发利用的一次能源除了 太阳能以外, 还有风能 (wind energy) 、 地热能 (terrestrial heat energy) 、 海洋 能 (marine energy) 、 潮汐能 (tide energy) 、 新型生物质能等; 正在开发的二次 能源除了沼气 (marsh gas) 外, 还有激光能、 氢能等。

风能是太阳辐射能使空气流动而产生的动能。虽然人类早在古代就开始用 风作为动力来灌溉和运输, 如风车、 帆船等, 但是直到20世纪人们才开始用风力 发电。由于风能具有不要运输、 不要开采、 清洁无污染、 可以再生等优点, 开发风

力发电技术已受到世界各国的普遍重视。

中国风能资源很丰富, 可利用的风能资源达1.6×108kW, 居世界第三位。在东 南沿海及附近岛屿、 东北、 西北、 华北和青藏高原等部分地区, 每年有4 000小时以 上的时间风速达到或超过3 m/s, 具有很大的风能开发利用价值。

近年来, 中国风力发电发展很快, 到2010年底, 中国的风力发电累计装机容量 已居世界第一位, 成为世界第一风电大国。

中国的风能资源

164 科 学

第6章 能源与社会 165

图6.4.3 地热发电站

图6.4.1 风力发电机组 图6.4.2 内蒙古朱日和风电场 地热能是地球内部所包含的内能, 它主要来源于地球内部各种放射性元素 的衰变放热。放射性元素衰变放出的热量经过数十亿年的逐渐累积, 在地球内 部蕴藏了巨大的能量。地热能可以直接利用, 天然温泉是直接利用地热能的最 常见形式。地热能也可以用来发电, 地热发电是 20世纪50年代发展起来的新

技术。

地 球 上 地 热 能 的 资 源 非 常 丰 富。 据 现 有 资 料, 地 热 能 的 总 蕴 藏 相 当 于

9 950万亿吨标准煤, 按世界年耗 100亿吨标准煤计算, 可满足人类几万年能源之

需要。目前全世界地热电站发电装机容量已经达到 2×106 kW。中国在 1977年于

西藏羊八井地区建立了一座6×103 kW的地热发电站, 此外中国的广东邓屋和山东

招远等地也相继建立了地热试验电站。截至 2009年, 中国地热能直接利用的

总装机容量已居世界第一位。

中国的地热电站

海洋能的种类很多, 海水动能与势能、 海水温度差及盐度差所具有的能、 海 水中生物所具有的能和海洋中以物质资源形式存在的其他能源等都是海洋能。 如海浪具有动能, 潮汐具有势能, 海洋中的铀和重水则蕴藏着核能。利用各种海 洋能进行发电是开发利用海洋能的主要途径。

学 海洋温差发电是利用热带、 亚热带地区海洋表面温度 (30℃ 左右) 大大高于海

洋深处温度 (5℃ 左右) 的自然现象, 仿效热机的运行原理, 以实现获得电力的新能 源技术。

如果拿海洋温差发电装置与热机比较的话, 海洋表面温度相当于热机的燃料, 工作介质是沸点较低的氨水, 海洋表面海水的温度让氨水沸腾, 成为氨蒸气, 氨蒸 气带动涡轮发电机转动发电, 冷端则是海洋深处的海水。

由于海洋温差始终稳定地存在, 所以, 对于海洋温差发电装置来说, 有着取之 不尽用之不竭的 “燃料” , 而且这种 “燃料” 非常绿色环保。

海洋温差发电

生物质能 (biomass energy) 是可以再生的, 但是由于生物质是生态系统中 能量流和物质流的重要参与者, 每一种生物质对生态系统的相对稳定都有着它 的独特作用, 所以生物质作为能量资源也不能无计划地滥用。例如, 为了用木柴 和干草作燃料, 过度砍伐森林, 破坏草原与植被, 不仅会导致生物质能的减少, 还 会造成生态失衡; 又如, 若把秸秆等农作物残余物只作为燃料, 土壤将因此失去 氮、 磷、 钾等营养成分而导致肥力减退。所以我们应该实施对生物质能的多种转 换和综合利用。

目前, 沼气工程是农村综合利用生物质能比较成功的技术。此外, 新型生物质能

如高油乔木用于生物燃料和绿藻等微生物用于生物制氢等也有着良好的发展前景。 图6.4.4 秸秆燃料压缩成型机 图6.4.5 家用生物质气化炉灶

166 科

167

生物质能是可再生能源, 那么我们能否因生物质能可再生而随意滥用呢?

节能新技术

有一种观点认为现代社会是能源的高消费社会, 强调节约能源会减慢社会前

进的步伐, 你赞同这种观点吗?你认为应当怎样处理发展经济与能源消费之间的

关系?

煤炭、 石油、 天然气等化石能源都是不可再生能

源。因此如何高效和节约地使用这些不可再生能源是

当前迫切需要解决的重大课题之一。

节约能源既要求人们不随意浪费能源, 还要求人

们不断开发能耗小的新型生活用品、 交通工具和动力

机器等, 例如节能型煤炉、 节能型热水器、 节能型汽

车、 节能型灯具等。合理开发利用能源的另一重要途

径是提高能源的开采效率和使用效率, 例如向油井注

水或注气可以提高石油的采收率; 对煤炭进行加工使

之 “气” 化或 “液” 化可以提高燃烧效率, 以及开发超导输电技术以提高电能的

传输效率等。

图6.4.6 节约能源的野营炉

第6章 能源与社会

168 科 学

1. 了解家庭能源消费的情况, 列出每一种能源的月均支出和用在各种能源上总的月均支出

费用。 2. 想一想家庭中有哪些方面可能存在浪费能源的现象。

3. 提出节约能源的具体方法或措施 (包括怎样节省电、 节省煤或其他燃料, 怎样充分利用自 然条件节约能源等) 。

4. 以小组形式交流各自的节能方案, 并根据方案是否条理清楚、 是否实用等标准评选出一 个最好的方案。

5. 在班级中交流各小组推选出来的方案。

活动 设计一个节约家庭能源开支的方案

阅读 燃料电池

传统的发电站是用煤、 石油或天然气等燃料对锅炉中的水加热使其成为蒸汽, 蒸汽 则可以使涡轮发电机在磁场中旋转, 产生电流。整个发电过程中存在两次能量转换:即 先从化学能转化成热能, 再从热能转化成电能。在这样的能量转化过程中, 大部分能量 会转化成无法利用的热能, 能量利用的效率很低, 很多化学能被浪费掉了。

生活中常用的普通电池能直接把化学能转化为电能, 能量利用效率较高。但是普 通电池中的化学物质很昂贵, 要像发电厂那样为城市提供电力, 在经济上就行不通。 燃料电池以特殊催化剂使汽油、 甲烷、 乙醇和氢等燃料与氧发生反应产生二氧化碳 和水, 同时把化学能转化为电能。燃料电池中没有涡轮发电机, 不再需要把水加热至水蒸

气, 所以能量转化效率高达70%左右。另外, 燃料

电池排放的二氧化碳比传统的火力发电要低得多,

大大减少了对大气的污染。燃料电池还具有噪声

低、 灵活性强等优点, 它既可以用于集中发电, 也可

以用于分散发电。

中国的燃料电池研究起步于1958年, 到20世

纪90年代已经成功研制了多种类型的燃料电池。

目前, 用燃料电池作为电动汽车的能源, 已经进入

了推广阶段。

图6.4.7 2011年上海中国国际工业博

览会上展出的燃料电池汽车

第6章 能源与社会 169

阅读 社会的可持续发展

1992年, 在巴西里约热内卢召开的世界环境大会上通过了一部保护全球环境的

《地球宪章》 , 提出人们在发展经济时, 应当注意协调人和自然的关系, 走可持续发展的 道路。

可持续发展是指, 在社会发展过程中, 既要满足当代人的需求, 同时又不损害后代

人满足其需求的能力; 既能使经济持续增长, 又能保持能源和其他资源的再生利用和 环境良化, 在经济发展过程中能保护自然资源总量和总体上的生态完整, 使社会持续进 步。可持续发展理论强调发展应建立在可再生资源的基础上, 按照资源可再生的频率 来使用, 以使社会生产和生活中的废弃物和排泄物能够被自然界分解和消化。

可持续发展理论的基本内容包括:(1) 改革社会政治经济体制, 根治贫穷、 制止资源

退化; (2) 开发和利用清洁或更清洁工艺, 减少对环境的污染, 在制定发展方案时必须先 评估此方案对环境的影响; (3) 控制人口增长的速度, 减轻因人口增长带来的对自然资源 的压力; (4) 在计算经济发展的成本时应把环境成本估算在内, 实现环境成本内在化。

能源与社会的可持续发展

可持续发展战略是我国的基本国策之一。社会的可持续发展离不开能 源的再生利用和环境良化。开发可再生和清洁安全的新能源, 以满足人们 世世代代对能源的需求, 是保证社会可持续发展的重要措施。太阳能、 风 能、 海洋能、 地热能、

生物质能等都是实现社会可持续发展的理想的新能源。

能源利用率是指有效利用的能量占消耗的能源所含能量的比例。目前在世界

大部分地区, 能源利用率都比较低, 远小于50%, 而中国总的能源利用率只在30%

左右。因此, 在节约能源、 提高能源利用率方面有较大的潜力。

能源利用率

170 科 学 1. 风 能 是 太 阳 辐 射 能 使

而 产 生 的 动 能。 风 能 具 有 、 2. 海洋能的种类很多。如海水动能和势能、 海水

差和盐度差所具有的能量等都 是海洋能。

3. 地热能是地球内部所包含的内能, 它主要来源于地球内部

4. 开发

和安全清洁的新能源, 以满足人们世世代代对能源的需求, 是保证社会

探究课题

对本地区综合处理经济、环境和能源三者关 系的建议

目的 在收集资料、 实地调查和分组讨论的基础上, 以小组为单位, 写一份关于本地区综合 处理经济发展、 环境保护和能源利用三者关系的建议报告。

报告分以下几个主要部分:

1. 本地区目前能源的使用和分布状况。

2. 本地区能源使用中存在哪些浪费及不符合环境保护的状况?

3. 从长远来看本地区适宜使用哪几类能源?

4. 怎样才能既保证本地区的经济发展又能做到节约能源?

5. 怎样做到既保证本地区的经济发展又能符合环境保护的要求?

6. 其他你认为值得提出的关于利用能源的建议。

步骤

1. 通过调查访问、 去图书馆或上网收集需要的资料;

2. 小组成员分工写报告中的一部分;

3. 小组讨论, 讨论后由组长或小组成员整理成完整的报告;

4. 在班级中交流各小组的报告;

5. 根据报告内容和参加活动的态度推选出优秀小组。

1. 能源是能够直接或者经过转换而获取内能、 机械能、 电能、 化学能等各种能的 资源。

2. 自然界中天然形成的能源称为一次能源。由一次能源经人工方法转换来的能 源称为二次能源。

3. 在一次能源中凡是能够重复产生、 永续利用的天然能源称为可再生能源, 在短 期内不能重复产生的天然能源称为不可再生能源。

4. 地球上的能源, 虽然各自的成因不同, 但是绝大多数都直接或间接地来源于 太阳。

5. 太阳是人类天然能源库。太阳能具有普遍、 无害、 持续和巨大等优点。目前主 要有光—热转换、 光—电转换和光—化学转换三种利用太阳能的形式。

6. 能够自发地放射能贯穿物质的射线的元素称为放射性元素。

7. 原子核在转变过程中所释放的能叫做核能。核能的释放有重核裂变和轻核聚 变两条途径。

8. 核电站的核心是核反应堆。目前世界上的核电站大多数用低浓度铀或天然铀 作为核燃料。

9. 应当高效地节约使用煤炭、 石油和天然气等化石能源。

10. 积极开发风能、 地热能、 海洋能、 波浪能以及沼气等新能源和发展超导输电、 燃料电池等新技术。

本章学到了什么

第6章 能源与社会 171

172

第7章 科学与社会发展

173

1 科学就是力量

科学给我们洞察自然界以精确的工具, 使我们对自然界

产生具有可知性的信念。

科学, 是以自然界为研究对象的探究活动。科学探究活动, 在西方最早出现 在公元前6世纪之后的古希腊时代。到了17世纪, 科学作为一种社会事业在欧 洲初步形成; 19世纪之后得到全面发展。社会上出现了职业科学家; 科学探究 活动成为有组织的社会活动, 国家科学院、 大学和企业研究开发中心成为科学探 究活动的基地。科学事业的发展促进了近现代科学理论的迅速发展, 取得了令 人炫目的成就, 理论革命层出不穷。在今天, 人们的工作和生活已与科学息息相 关, 社会、 经济和环境的发展也需要科学的支撑,

科学已成为社会的主流文化。

通过三年来的学习, 我们掌握了许多科学知识, 了解了不少科学、 技术与社会

关系的实例。现在大家可以小结一下:科学对社会文明的发展有哪些作用呢?

科学知识是人类认识自然的最高成就

自然界是人类赖以生存的环境。人类生活在自然界里, 对自己观察到的各 种自然现象充满着好奇心。人类为了求生存、 求发展, 首先必须对各种自然现象

174 科 学

加以说明。自从有了人以后, 各种文化形态如神话、 宗教、 艺术、 历史、 哲学和科 学就相继应运而生。这些文化形态都在一定程度上刻意描述和说明自然现象, 试图认识自然界。科学, 可以说是人类历史上出现较晚的一类文化现象, 我们可 以把它看成为今天人类文化最高层次和最为独特的成就。它是一种只有在特殊 条件下才可能得到发展的甚为精致的成果。历史表明, 在众多的文化形态中, 作 为知识系统, 只有科学才为人类提供了认识自然现象精确而有效的工具。自从 科学产生以来, 人类对自然界的认识就愈来愈正确, 愈来愈深入。下面我们仅举 一例来说明这一点。

阅读 人类对自然界物质组成认识的进化

在神话和宗教中, 自然界的万物

都被归结为 “神的创造” 。如在公元前

8世纪古希腊神话 《神谱》 中, 整个自

然界是神创造的, 神 (地母) 创造了广

袤的大地和大地上的万物, 神 (乌兰诺

斯) 创造了天空和天空中的星星。后来

宗教将神话的神创论精致化, 基督教在

《创世纪》 中, 描绘出一幅上帝在7日之 内分门别类地创造万物和人的图景, 其中万物之间在组成上并无什么统一性、 规则性。

到了公元前6世纪之后, 古希腊哲学家主张对自然界作本原性的探索。所谓本原

即是指, 存在着这样一种东西, 自然界中的万物由它而存在, 最初由它而生成, 毁灭后 又复归于它。万物虽然性质多变, 但实体却始终如一, 这种东

西就是万物的元素和本原。公元前3世纪哲学家亚里士多德

(Aristotle, 前384— 前322)把 “土” 、 “水” 、 “ 气” 、 “火”这 四 种

元素作为地球上万物的本原, 试图说明自然界物质组成的统一

性、 规则性。虽然今天人们并不认同这种结论, 但是他用自然界

的物质说明自然界万物的组成和起源, 这对 “神创造万物” 的说

法起到一种釜底抽薪、 从而架空了神的作用。这种跨越是人类

认识自然上的一种进步。

近代之后,

科学得到迅速的发展。17世纪英国化学家波义 图7.1.1

描绘上帝创造人的艺术画图

图7.1.2 亚里士多德

第7章 科学与社会发展

175

耳科学地定义了 “元素” 的概念, 认为土、 水、 气、 火并不是化学元素。到18世纪法国化学 家拉瓦锡通过科学探究, 确证了所谓的 “气” 不是一种元素, 而是氧气、 二氧化碳等具有不 同化学性质气体的混合物; “ 火” 则是物质与氧气在一定条件下进行氧化反应产生的光和 热; “ 水” 也不是一种元素, 而是氢和氧的化合物。今天科学已告诉人们, 地球上的万物是 由100余种化学元素组成的; 科学家还通过对恒星演化的研究, 揭示了这100余种元素的 起源和演化的规律。科学的元素理论被公认为是揭示自然界物质组成的最高知识成就。

同样, 关于自然界的结构、 自然界运动变化的原因、 人与自然的关系等方面, 科学知识在人类认识史上都有类似的情况。

科学方法是开启大自然奥秘之门的钥匙

科学之所以能成为人们认识自然的最高知识成就, 原因是多方面的。其中一 个重要原因, 是科学家们在科学探究中提倡和使用科学方法 (scientific method)

。

视窗 科学家提倡的若干科学探究过程

在近代, 著名科学家伽利略、 牛顿等就提倡和践行如下科学探究的过程。其第

一步是通过实验、 观察获得大量有关自然现象的经验事实、 数据。第二步是对这些

经验事实、 数据进行归纳推理, 概括出具有一般性的科学假设。第三步是再用类似

的实验去检验所得假设的正确性, 使其成为定律。第四步是人们根据这些科学定律

去说明自然现象, 解决当初要解决的问题, 这一步可以用演绎的方法去完成。

著名科学家爱因斯坦在科学研究活动中, 讲究科学方法, 他晚年对自己的科

学探究实践作过总结, 并用下图表示:

图7.1.3 伽利略、

牛顿等的科学探究过程

176 科

学

他认为, 第一步科学研究活动起源于科学问题, 科学家是为了解决科学问题

才去进行科学研究。第二步为了解决问题, 科学家需要建构一个新的理论。于

是科学家便首先依托已有的知识背景, 通过自己创造性思维如直觉、 灵感等非逻

辑活动大胆猜想, 提出假设或公理, 然后再通过演绎方法展开, 推出许多定理。

公理和定理的集合就是理论体系。最后, 第三步科学家再通过观察实验所取得

的经验事实来检验这个理论。

上述两种科学探究方法论路径虽然不同, 但是它们都保证了人们对自然现

象探究的客观性、 严格性和有效性, 从而开启破解大自然奥秘之门。科学家普遍

认为, 在科学探究中虽然不存在唯一正确的方法论路径, 但是应该遵循某一种合

理的方法论路径, 这样才能事半功倍。

图7.1.4

爱因斯坦的科学探究过程

科学家历来都是很重视科学探究过程、 局部要素和具体方法能力的培养。 法国科学家贝尔纳说:“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能, 而拙 劣的方法则可能阻拦才能的发挥。因此, 科学中难能可贵的创造性才华, 由于 方法拙劣可能被削弱, 甚至被扼杀; 而良好的方法则会增长、 促进这种才华…… 在生物学科中, 由于现象复杂, 谬误的来源又极多, 方法的作用较之其他科学甚 至更为重要。 ” 学习和掌握科学方法, 也为人们在工作和生活中做到 “科学地办 事” , 提供参考。

科学精神是维系探究的动力

科学探究活动是一项艰巨的认知活动。科学研究的目的, 在于探究自然现 象背后的规律。这种规律并不是表象的, 而是隐藏在表象背后的本质。科学理 论并不是信手拈来、 唾手可得的。它需要科学家付出辛勤的劳动, 经历无数的磨

第7章 科学与社会发展 177

阅读 徐霞客的探究精神

徐 霞客 (1587—1641) , 我

国 明 代 地 理 学 家, 《徐 霞 客游

记》 是目前保存下来的他大部

分旅游记录, 也是世界上第一

部广泛而系统地探索岩溶地貌

的地理学巨著。徐霞客自22岁

开始出游, 三十多年间, 东渡普

陀, 北历燕冀, 南涉闽粤, 西北

直攀太华之巅, 西南远达云贵

边陲, 足迹遍及当时十四个省

区。他在野外生活中, “ 不避风

雨, 不惮虎狼, 不计程期, 不求 伴侣” , “ 旅泊岩栖, 忍饥耐寒” , 以惊人的毅力克服了非同寻常的困难, 取得了无数珍贵的 实地考察资料。而且, 不管旅途如何惊险劳累, 徐霞客坚持每天将当日的经历、 观察和心 得记录下来。有时跋涉百余里, 晚上寄宿于荒村野寺内, 或露寝于残垣老树下, 他也要点 起油灯, 燃烧篝火, 坚持写野外实录, 并对一些值得注意的疑问作思考分析和专题论述。 他一生中最重要的也是他最后一次旅行, 是50岁时从家乡出发远游西南。旅途中, 三次 遇盗, 四次绝粮。同行的静闻僧遇盗时受重伤去世, 有人劝他中止旅行, 他毫不动摇。 一次他游潇水发源地的三分石, 岭地峻峭没有落脚的地方, 便双手攀竹, 悬空前进, 这样 攀行很长一段路, 天黑时才到达一个较平坦的地方, 由于无水, 晚饭也做不成, 只有烧 柴围火休息。后来风雨交加, 连火也熄灭了, 通宵就这样在旷野的风雨和黑暗中度过。 到了贵州、 云南的多雨地区, 也常淋着雨跋涉在高山深谷之中, 夜晚借宿有时就睡在牲 畜的旁边。又一次游湖南茶陵麻叶洞, 人说洞中有 “神龙奇鬼, 非符术不能进” , 徐霞 客不信这些, 他和一位仆人, 手持火把, 因洞口小, “乃以足先入” 。在云南腾冲时, 为 要采撷悬崖上的一种藤本植物, 在 “无计可得” 的情况下, 只好回到寓所, 与挑夫一道 “取斧缚竿负梯而往” , 终于得到这种未曾见过的植物标本。直到他55岁那年身患重病, 才被云南丽江守派人护送, 经湖北黄冈返回家乡, 第二年去世。他把毕生精力献给了地貌

考察事业。

图7.1.5 徐霞客纪念邮票

难。科学家在从事这种艰辛的工作时, 比从事其他认知活动更需要精神力量的 支撑和维系。

178 科 学

从徐霞客身上, 我们可以看到科学家对科学研究活动的执着、 勤奋和不畏艰苦 的态度, 正是这种科学精神 (scientific spirit) 维系了他完成了十分艰巨的科学探 究活动。科学精神也称为科学的情感、 态度与价值观, 它包含的内容十分丰富。

弘扬科学精神的积极意义还不限于科学界。科学精神可以深化或外化为一 般人类文化精神, 是每一个社会公民应具备的一种重要的科学文化素质。弘扬 科学精神, 对人们形成科学、 文明、

健康的工作和生活方式具有重要意义。

一是具有热爱自然的情感, 如亲近自然、 观赏自然; 对自然现象具有好奇心、 求

知欲; 珍爱生命; 具有节约资源、 保护环境的意识等。

二是具有求实求真的精神, 如注重从经验事实出发, 透过现象探究其背后的规

律性; 践行收集经验事实和背景知识是解决问题的起点; 强调经验事实对假设形成 的奠基和检验作用; 说话要有事实依据, 在事实面前敢于坚持自己的观点, 如有不 符也勇于修正自己的错误等。

三是具有科学办事的态度, 如体验科学、 文明、 健康的生活方式; 力求用科学知

识解释身边的自然现象; 尝试用科学探究的过程和方法解决实际问题; 消除愚昧、 远离迷信等。

四是具有进取负责的品格, 如在学习科学知识上有自信心、 进取心; 在探究和

解决问题上认真、 坚持; 在与人合作交流上诚信、 宽容; 在处理个人与集体关系上有 责任感等。

公民在工作和生活中应弘扬哪些科学精神

1. 举一例说明科学在认识自然界运动变化原因上较其他文化更精确。

2. 举一个科学发现的案例, 指出其科学探究的过程和步骤。 3. 举一例说明科学精神对维系科学探究的作用。

第7章 科学与社会发展 179

2 科学推动技术发展

自近代以来, 新技术的发明越来越依靠科学, 技术发展

呈科学化的特征。

技术活动的要素

人类的生存和发展离不开技术 (technology) 。粮食生产需要农业技术, 材料和能源的生产需要工业技术, 信息的交流需要通信技术, 等等。技术是人 们根据一定的工艺知识、 技术期望、 工具仪器设备、 能源和材料去进行的社会实 践活动。其中, 工艺知识包括技术原理、 有关数据和操作规则; 技术期望涉及

技术目的和评价标准。

阅读 计算机技术

电子计算机技术是人们常用的信息技术。使

用计算机的人就是该技术的主体; 实现信息的采

集、 存储、 传递、 加工和显示就是它的目的, 巨型化、

微型化、 网络化、 智能化是它的发展目标, 也即人们

使用技术时的期望或意志; 它的工艺知识主要涉及

“存贮程序、 串行处理” 的数据处理技术原理; 输入/

输出装置和主机是它的设备, 主机内主要包括中央

处理器和内存; 电是它的能源; 原材料涉及金属、 塑

料和半导体材料等; 敲打键盘和点击鼠标等就是它

的操作活动。 图7.2.1 电子计算机

180 科 学 技术的自主发展

早在远古时代, 人类主要从事狩猎和捕鱼等活动。在这种活动中, 人类在狩 猎、 烹煮、 石器制造、 木器制造、 弓箭制造、 棚舍建筑、 皮毛加工、 制衣、 造木舟和 巫医过程中, 逐步形成了各种实用技术。

约在8千年前, 人类通过第一次产业革命进入农业社会。在农业生产过程 中, 人类逐步形成了一套播种、 锄地、 收割、 打谷、 储藏、 磨粉、 烘焙、 灌溉和酿造 的技术。由于进入农业社会后人类能够进行有计划的生产和过长期定居的生 活, 于是又出现了各种纺纱、 织布的家庭工艺和大型房屋的营造技术。由于生产 力的提高、 剩余产品的增加, 促进了物质财富的相互交换, 这样便促进了远距 离的贸易。这又促进了交通工具的发展, 于是轮车和木船的制造技术得以产生 和发展。随着金属的发现, 铜和青铜的冶炼与金属工具和器皿的加工技术也得 以形成和发展。可以说在这个时期人类迄今尚存的许多实用技术在当时已形 成。与此同时, 职业的工匠队伍在社会中已经出现, 技术已开始有了自己的社 会角色。

这个时期的技术是一种经验型的技术, 它的工艺知识仅是工匠师傅们传统 经验或诀窍的集合, 人们能掌握和使用这些技术, 但他们对其原理并不能作出理 论的说明, 甚至一些技术的工艺知识只能意会而不能言传。因而它们主要是通 过 “师傅带徒弟” 的方式得到传承, 通过工艺经验的不断积累、 改进、 整合和引进 而得到自主发展。

阅读 经验技术的自主发展

对于技术的积累和改进, 我们可以中国古代蔡伦造纸技术为例。蔡伦 (约62—

121) 的造纸技术, 是对距他100年前人们用蚕丝絮或麻缕絮造纸技术工艺经验的积累 和改进。当时人们为了制作丝绵, 先把蚕茧浸泡在水中, 然后反复轻轻捶打, 直到把蚕 茧的纤维充分化开、 拉松。这一过程, 工艺上称为漂絮。漂絮以后, 大都会有一些蚕絮 残留在器物或竹席上, 干了以后就成了絮片。这些絮片, 有些很薄, 有点像薄纱。人们 将这些絮片利用起来作为书写材料。同样, 在制麻工艺中, 无论是大麻还是苎麻, 首先 都要进行腐沤、 漂洗, 然后要反复捶打, 以使其纤维充分化开、 拉松, 最终总会有一些残

华师大科学九下电子版2

马是大家都比较熟悉的哺乳动物。现代的马体型高大, 四肢强壮, 每肢都只 有中趾发达, 末端形成硬蹄。古代的马是什么样的?它和现代的马有什么区别 呢?生物学家曾在不同的地层中发掘出数百具马的化石, 并根据化石来推断当 时马的形态特征。

最早的马化石出现在 5 000万年前的地层中, 是现代马的祖先, 叫始祖马。 始祖马体型小, 体高约 30 cm, 大约只有狐狸一般大小, 前足有四趾, 在森林里 生活。

世

新

全

和

世

新

更

世

新

上

世

新

中

世

新

渐

世

新

始

图2.3.3 马的进化

在渐新世地层中发现的马化石, 体型比较大一些, 前足仍有三趾, 但中趾已 逐渐粗壮; 中新世的马化石, 体型更大, 前足只有中趾显露, 两边的侧趾退化, 开 始适应草原生活。由此我们可以推断现代马是由始祖马进化发展而形成的。

第2章 地球的演化和生物圈的形成 41

42 科 学

比较不同地质年代的化石马和现代马的体型、 脚趾, 根据脚趾的变化 (图2.3.3) , 推测不同年 代马的生活环境,

将观察结果填入下表。

比较化石马和现代马

从马的化石中我们了解了同一类生物是怎样从原

始进化到现代的。那么, 不是同一类的生物, 又是如

何从一类生物演变为另一类生物的呢?化石同样可以

为我们提供证据。如1.5亿年前原始的鸟类 — 始祖

鸟 (图2.3.4) , 既有鸟类的特征, 如有羽毛, 前肢变成

翅, 又像爬行类, 如翅上有爪, 还有一条长尾, 所以始

祖鸟是介于爬行类和鸟类之间的过渡类型, 由此可以

推测鸟类是由爬行类演化而来的。

图2.3.4

始祖鸟化石

图2.3.5 始祖鸟生活景观 图2.3.6

现代鸟

活动

第2章 地球的演化和生物圈的形成

43

在我国辽宁省朝阳市发现了一种新的

原始鸟类化石, 这件化石据称是我国境内迄

今所发现的最原始的一种鸟类化石, 学者们

已将这种鸟类命名为 “原始热河鸟” 。

热河鸟的发现, 为鸟类起源于恐龙的假

说提供了新的证据。热河鸟的一个显著的特

征是保留了一根由20多枚尾椎骨组成的十

分细长的尾, 其原始的骨骼特征与奔龙类恐

龙十分相似。此外, 在热河鸟体内还保存了

许多植物的种子化石, 有趣的是这些种子都

比较完整, 保留了比较新鲜的外表, 这表明

热河鸟是一类以吃种子为生的鸟类。在我国发现的数百件鸟类化石中这还是第一 件保存了有关食性的直接证据。 鸟类起源于恐龙假说的新证据 —

原始热河鸟

图2.3.7 热河鸟复原图

在 不 同 种 类 的 生 物 体 上, 有 些 位 置 相 当 的 器

官, 其外形和功能有很大不同, 如鸟的翅、 鲸的鳍、

马 的 前 肢 和 人 的 上 肢。 这 些 器 官 在 形 态 和 功 能 上

存 在 着 明 显 的 差 异, 但 其 结 构 和 着 生 部 位 却 很 相

似。科学家经过不同生物胚胎发育过程的比较, 发

现 这 些 器 官 在 胚 胎 发 育 过 程 中 有 相 似 的 起 源 (图

2.3.8) , 同源器官的存在, 说明这些生物是从共同

的祖先发展来的。

科学家还发现, 脊椎动物的早期胚胎发育, 都很相似, 如人的胚胎在一个 月时非常像鱼, 手和脚像鱼的鳍, 头部有鳃沟, 又像鱼的鳃裂, 还有一条很明显 的尾。兔、 鸡、 龟等动物的胚胎发育也经历了类似的阶段, 彼此很难区别 (图

2.3.9) 。科学家认为这是胚胎发育重演了它的祖先发育所经历的主要阶段, 反

映了脊椎动物有共同的起源。

图2.3.8 几种脊椎动物的上肢

44 科 学

鱼 蝶螈 龟 鸡 兔 人

图2.3.9 几种脊椎动物胚胎发育比较

达尔文进化学说

生物的进化是经历漫长时间发生的事情, 在古老地层里形成化石的生物很 简单, 在晚一些的地层里, 即离现在较近的年代, 形成化石的生物就较复杂。因

此, 可 以 通 过 比 较 不 同

地 层 中 的 生 物 化 石, 了

解 生 物 进 化 的 历 程 (图

2.3.10) 。

从图中可以看出, 各

类生物的化石在地层里按

照一定顺序出现, 并且反

映出生物进化的主要趋势:

生物的种类由少到多, 生活

习性一般由水生到陆生, 生

物体构造由简单向复杂、 由

低等向高等发展。

生物在其悠久的历史

中是不断进化的,

各类生

图2.3.10 生物进化图

第2章 地球的演化和生物圈的形成 45

物都是通过亿万年的进化发展而形成的。那么, 一类生物是如何演变成另一类 生物的呢?是什么原因引起生物进化的呢? 19世纪著名的英国生物学家达尔文 在前人的基础上, 经过考察, 收集大量证据, 提出了科学的进化论。

在自然界里, 生物普遍存在着快速增长个体数目的倾向。由于生物赖以生 存的食物和空间是非常有限的,生物要生存下去, 就必须为获得食物和空间进 行激烈的竞争。如食性相同的异种动物之间会为争夺食物和空间而竞争。同 一习性的植物也会竞争, 如农田里农作物和杂草竞争获得阳光、 营养物质、 水分 等。同种个体之间争夺生活场所和食物的现象也时常发生, 如狼与狼之间、 兔 与兔之间存在着竞争 (competition) 关系。达尔文把这些复杂的竞争关系称 为生存竞争 (也称生存斗争) 。在生存竞争过程中, 哪些物种被保留, 哪些物种 被淘汰呢?

达尔文以大量的证据论证了生物界普遍存在着变异, 而引起变异的主要条 件是生活环境的改变。有些变异对生物的生存有利, 使它们能获得充足的食物、 水分和空间, 增强了抵抗不良自然环境的能力和逃避敌害的本领, 经过逐代加 强, 这些生物被保留下来了。相反, 有些变异对个体的生存带来不利而使之逐代 被淘汰。例如, 狼是凭借力气、 狡猾和奔跑迅速来追捕食物的。在狼的不同个 体之间存在着不同的变异。在生存竞争中只有力气较大, 跑得较快而又比较狡 猾的个体才有更多的生存机会得以保留下来, 而缺少这些条件的个体则被淘汰。 这样在长期的生存竞争中, 通过自然选择, 有利于生存的变异保存下来, 逐代累 积, 形成现在这种力猛、 善跑和狡猾的狼。在种内竞争中, 身强有力、 取食能力强 的个体存活下来, 而体弱、 取食能力弱的个体逐渐死亡, 所以生存竞争的结果就 是适者生存、 不适应者被淘汰, 这就是自然选择 (natural selection) , 也是达尔 文进化学说的核心。

达尔文

达尔文 (C.R.Darwin, 1809—1882) 从小就喜欢采集昆虫标本、 钓鱼、 骑马旅行等, 对探索大 自然的奥妙产生了浓厚的兴趣。16岁时, 父亲希望达尔文将来能继承父业, 将他送到爱丁堡大学 学医, 但他对医学并不感兴趣, 常到海边向别人学习采集生物标本, 对动植物进行解剖、 分类, 并 做观察记录。19岁那年, 父亲又把他送到剑桥大学学习神学, 达尔文又让父亲失望了, 他痴迷于

46 科 学 在自然界中, 虫媒花不同的颜色、 香

味、 形态特征, 可适应各种不同的昆虫来

传粉。如蜜蜂喜欢香味, 但它看不见红

色, 所以依靠蜜蜂传粉的花, 都是白天开

放, 具有鲜艳的黄色或蓝色, 带有芳香

味, 并且常具有一个供蜜蜂停落的结构

(图2.3.12) 。依靠蜂鸟传粉的植物的花,

大都有鲜艳的红色或黄色, 很少有香味,

并且不具有供蜂鸟停落的结构, 因为蜂

鸟只能看见红色和黄色, 并且是在飞翔

时采粉的。依靠蛾类传粉的花大多在夜

间开放, 呈白色或淡色, 并不都有香味。

这些现象说明, 生物之间也可能相互适应, 协同进化。

有些动物可通过变异和自然选择适应变化的环境, 这些动物因其机体结构 有利于躲避敌害而获得生存机会。桦尺蛾就是一个很好的实例。

在英国的曼彻斯特地区, 有两种体色的桦尺蛾, 1848年收藏的蛾类标本中, 黑色的桦尺蛾只有少数几个, 大多数是浅色的, 但在100年之后, 情况发生了变 化, 黑色个体占了很大比例,

而浅色个体只有少数。为什么会发生这种变化?是 图2.3.12 蜜蜂传粉

地质学、 动物学和植物学, 经常随志同道合的老师、 朋友旅行

考察, 增加了不少野外考察的经验, 为将来从事自然科学的研

究打下了基础。

达尔文1831年毕业后, 经植物学家享斯罗教授的推荐,

以博物学家的身份登上 “贝格尔号” 远洋考察船, 随船进行

为期五年的环球科学考察。每到一个地方, 达尔文都要仔细

考察当地的动物、 植物和古生物化石, 发现了很多从未记载

过的新种, 许多实例引起了他的思考, 并使他对 “上帝造物

论” 产生了怀疑。通过这次考察, 达尔文从有神论者转变为

进化论者。

经过大量的观察和研究, 达尔文终于成功地用自然选择

学说解释了生物进化的原因, 指出物种是可变的, 并于1859年

发表了巨著 《物种起源》 一书, 以后达尔文又陆续发表了大量

著作, 进一步充实了进化论的内容。达尔文的进化论被恩格斯赞誉为19世纪自然科学的三大发 现之一。为了纪念达尔文,

人们把这位伟人同牛顿并排安葬。

图2.3.11 达尔文

什么原因引起的呢?原来, 在未受工业污染时, 树干上长满了地衣, 颜色较浅, 因此, 浅色的蛾子停在树干上不易被鸟类发现, 它们因与树干颜色接近而得到 了保护, 较少被捕食。与此相反, 黑色的蛾子在这样的背景下处于不利地位 (图 2.3.13) , 容易被鸟类发现而遭捕食。越是与树皮颜色不一致的蛾子, 生存的机 会就越小。所以, 工业革命以前, 黑色的蛾子很少。工业革命以来, 工厂排放的 煤烟越来越多, 环境污染日益严重, 浅灰色的树干变成暗黑色。这种自然背景的 改变, 有利于黑色蛾子的生存, 因为黑色的蛾子不易被鸟类发现, 而浅色的蛾子 逐渐被鸟类吃掉。黑色桦尺蛾也因为此原因而被选择和保留下来了, 并得到发 展和进化。

上述例子说明, 通过变异与自然选择来进化是生物界非常普遍的现象。现 代生物都是经历了长期的自然选择, 因此都具有对环境的适应能力。这种适应 可能是形态上的, 可能是生理上的,

也可能是行为上的。

图2.3.13 蛾子停在浅灰色的树干上 图2.3.14 蛾子停在黑色的树干上

第2章 地球的演化和生物圈的形成 47

48 科 学

从报纸、 杂志和互联网上收集关于生物进化的研究资料, 写成文章,

并在墙报上交流。

活动

收集关于生物进化问题的最新研究成果

视窗 综合进化论

20世纪以来, 进化理论得到进一步发展。在达尔文自然选择学说的基础上, 结 合生物学其他分支学科的新成就, 出现了综合进化理论。达尔文创立的进化学说所 采用的方法基本上是描述和比较的方法, 综合进化论则是建立在试验和定量分析的 基础上, 因而它比达尔文学说的进化系统更加精确。综合进化论认为:(1) 种群是 生物进化的基本单位; (2) 基因突变、 自然选择和隔离是物种形成和生物进化的基 础; (3) 生物之间的一切相互作用, 包括捕食、 竞争、 寄生、 共生、 合作等, 只要能影 响基因频率变化的都具有进化价值。综合进化论发展了达尔文进化学说。 1. 根据 、 解剖学和 的证据可以证明生物进化。 2. 达尔文进化论的主要观点是 3. 请你举出一个适应进化的例子。

第2章 地球的演化和生物圈的形成 49

4 生态平衡

人类的活动与生物圈密不可分, 由于人口迅速增加, 给土

地资源、 森林资源、 能源、 城市环境等带来一系列压力, 人类赖

以生存和发展的生态系统在组成成分、 能量流动、 物质循环等

方面会出现怎样的状况呢?

生物圈的形成

生物圈是一个怎么样的圈层?它的范围有多大?你知道它是怎样形成的吗?

地球生物圈是经过漫长的演化过程而逐步形成的。在这个过程中, 生物 与环境相互作用, 生物改变了环境, 环境又反过来影响和控制生物进化。自从 地球上出现了原始生命, 就为生物圈的形成创造了首要条件。蓝菌是最早出现 的能进行光合作用的自养生物, 它们在地球的生命史中占据了20多亿年时间, 使地球逐渐积累了氧气。同时, 在大气圈外层的臭氧层也形成了, 适合生物生 存的地方也越来越多, 出现了许多结构复杂的多细胞生物。大约到了6~7亿年 前, 大气圈氧气含量显著上升, 二氧化碳含量大大降低, 全球平均气温下降, 已 出现了大面积的浅滩, 造成了多种小生境, 多种多样的动物、 植物和单细胞生物 占据着这些不同的小生境。直到 4亿年前, 高等植物在陆地上出现, 也为陆生 动物提供了适宜的栖息环境。此时, 地球表面各主要部分被各种生物所覆盖, 真正的生物圈形成了。

学 2011年9月5日至10日, 由中国人与生物圈国家委员会举办的 “人与生物圈计

划40周年纪念大会暨第13届中国生物圈保护区网络大会” 在西藏拉萨举行。

“人与生物圈 (MAB) 计划” 是联合国教科文组织 (UNESCO) 针对全球面临的人

口、 资源、 环境问题, 于197l年发起并于1972年在联合国人类环境会议上通过的一

项政府间的科学计划, 至今已实施了40年。人与生物圈计划的核心理念是:人是生

物圈的一部分, 环境保护的问题不能脱离人类生活和当地社会经济发展的需要, 以

实现人与环境的和谐共处。该项计划的特点是强调多学科合作, 尤其是自然科学和

社会科学的结合, 注重解决现实问题, 特别强调在计划的执行过程中政府决策人员、 管理人员、 科学家和当地人民群众的密切结合。

中国于1973年加入人与生物圈计划, 1978年经国务院批准建立中国人与生物

圈国家委员会。此后, 在国务院相关部委和中国科学院的大力支持下, 积极推动人

与生物圈计划在中国的实施, 促进生态环境保护、 生物多样性和文化多样性的保护, 并成功创办了 《人与生物圈》 科普杂志, 为中国乃至世界宣传生物圈保护区和进行

信息分享提供了交流的平台。

生物圈保护区是实施人与生物圈计划的重要基地, 截至2010年底, 全球110个

国家中已建有563个世界生物圈保护区, 形成世界生物圈保护区网络。

人与生物圈计划

生态平衡

池塘里的鱼靠浮游生物为生, 鱼死亡后, 水里的微生物将鱼尸体分解为无机 物, 这些无机物又成为浮游植物的营养, 浮游动物以浮游植物为食, 鱼又吃浮游 动物, 这样, 在池塘里, 微生物、 浮游生物、 鱼三者之间建立了一定的平衡关系, 这就是生态平衡 (ecological balance) 现象。生态平衡是指生物种类的组成, 生 物数量比例,以及物质循环、 能量流动都处于相对稳定状态。

自然界成熟的生态系统中生产者、 消费者和分解者之间彼此协调而又稳定, 假如其中某一个成分发生变化, 与之相联系的另一个成分就会作出适当的调整, 使系统达到新的平衡。例如, 鹰以兔、 田鼠、 麻雀、 蛇为食物, 当兔、 蛇被捕杀数 量减少时, 鹰就转向以吃麻雀、 田鼠为主。当然, 这种自我调节能力有一定限度, 超过限度, 平衡就会遭到破坏, 甚至出现生态危机。比如, 澳大利亚由于大力发

50 科

第2章 地球的演化和生物圈的形成

51

阅读 马缨丹和鹦鹆

夏威夷从墨西哥引入了鹦鹆鸟, 这种鸟喜欢取食观赏植物马缨丹的浆果, 所以马缨

丹便随着鸟一起引入了夏威夷。马缨丹浆果里的种子很小, 进入鹦鹆鸟的肠胃后, 又完 整无损地随着鸟粪被排出体外, 所以鹦鹆鸟不仅啄食马缨丹的浆果, 还将马缨丹的种子 撒遍了夏威夷。

马缨丹被广泛散播, 到处生长, 和牧草竞争阳光、 空间, 阻碍牧草的生长, 并威胁到夏

威夷的畜牧业。为了清除越来越繁盛的马缨丹, 人们从外地引入了几种吃马缨丹的昆虫, 这种以虫治草的生物防治措施果然效果不错, 不久便克服了马缨丹对牧草的危害。

可是, 马缨丹的衰落, 使鹦鹆鸟失去了丰富的食物来源, 鸟的数量也随之减少。出

乎人们意料的是:由于鸟数量下降, 危害当地牧草和甘蔗的黏虫又再次猖獗起来, 原来 鹦鹆鸟不仅广泛传播了马缨丹, 而且还控制了当地的黏虫。

展养牛业, 大量的牛粪覆盖在牧草上, 影响牧草生长, 牧场一度陷入生态危机。 后来, 由于从我国引进以粪便为食的蜣螂 (又名屎壳郎) 才改变了牧场的面貌, 重新建立了新的生态平衡。

那么有哪些因素会影响生态平衡呢?影响生态平衡的因素, 既有自然的, 也 有人为的。自然因素如火山、 地震、 海啸、 森林山火、 台风等。人为因素如砍伐 森林、 过度放牧、 围湖围海、 环境污染等, 这些因素都能破坏生态系统的结构与 功能, 引起生态失调。在生态系统中引进一个新种或某个主要成分突然消失都 可能给整个生态系统造成巨大影响。据统计, 生物圈内每消失一种植物, 将引起 20~30种依赖于这种植物生存的动物也随之消失。现在我国政府已非常重视生 态环境建设, 提出退耕还林、 退耕还草、 退田还湖等措施, 使已被破坏的环境逐步 得到改善, 使生态环境保护和经济建设进入良性循环。

生态系统内各个组成部分都处于不断变化和运动之中。生态系统中生产 者、 消费者和分解者之间, 生物群落与非生物环境之间, 物质、 能量的输出和输 入之间, 始终保持着一种动态平衡的关系。这里我们必须强调, 生态平衡是动态 平衡, 物质和能量每时每刻都在转化和流动, 生物个体也在不断地进行更新。因 此, 平衡是相对的。

52 科 学

保持生态平衡的意义

地球上有许多类型的生态系统, 我们人类就生活在这些大大小小、 种类多样 的生态系统中。人类的活动时时刻刻都在影响着生态系统的存在和发展, 以不 同方式、 不同程度改变着生态系统的成分, 干扰着生态系统的功能。当生态系统 的成分和功能不符合自然规律时, 就会遭到大自然可怕的报复:生物多样性降 低、 土壤侵蚀、 土地沙化, 还会间接影响大气、 水的质量, 改变地区乃至全球的气 候, 影响人类的生产和生活, 严重威胁人类的生存。因此, 保持生态平衡就是要 使一个生态系统中的能量和物质处于良性循环, 即达到一个动态平衡, 它对保护 人类生存环境和合理利用各种自然资源有重要意义。

自然界中, 一切生物都是与周围的环境同处于一个生态系统中, 它们既相互 依存, 又相互制约, 都随着自然生态系统的发展而发展; 只有调节好生态系统中 各组成部分的关系, 遵循大自然的规律, 才能使生态系统保持平衡, 最大可能地 保护人类生存的环境, 维持人类的发展。

阅读 麻雀的命运

麻雀是一种最普通的鸟类, 以数量多、 不挑

食、 生命力极强著称, 是人类的好朋友。

在历史上曾经就麻雀的食性发生过激烈的

争论, 有人认为麻雀以谷物为食, 严重地影响了

农业生产, 因而将麻雀定为四害之一, 被列为消

灭对象, 并于1955年写进了 《全国农业发展纲要

草案》 , 于是在中国开展了轰轰烈烈的消灭麻雀运

动, 一时间包括麻雀在内的很多雀形目小型鸟类

遭到了灭顶之灾。没过多久这种人工干预生态环 境行为的不良后果开始显露, 由于大量麻雀和其他小型鸟类因为消灭麻雀运动而丧命, 农田虫害猖獗, 农业生产遭到严重影响。不久就引起不少生物学家不同的看法, 很多研 究鸟类的学者通过野外调查, 证实了在麻雀的食谱中, 人工种植的谷物所占比重并不 大, 也有学者从生物学角度引证了多个国家扑灭麻雀的经验教训, 为论证麻雀的益害提

供科学依据。

图2.4.1 麻雀

第2章 地球的演化和生物圈的形成

53

现在麻雀已定为国家保护动物, 愿人们自觉地遵守国家法律, 增强保护意识, 给麻

雀创造一个良好的生存条件, 使所有鸟类永远成为人类的好朋友! 都处于 稳

定状态。 2. 影响生态平衡的因素有 3. 生态平衡是一种

平衡。因此, 平衡是 4. 我们为什么要保持生态平衡?

1. 地球的年龄在46亿年左右。

2. 地球历经太古代、 元古代、 古生代、 中生代和新生代。

3. 人类出现在新生代的第四纪, 距今约二三百万年前。

4. 化石是在沉积岩中保留的古代生物的遗体或遗迹。

5. 生命不是神创的, 最初的原始生命是由原始地球上的非生命物质通过化学作 用并经历了漫长时间而形成的。

6. 根据化石, 我们可以知道现代马是由始祖马进化而来的。

7. 生物进化的主要趋势是生物种类由少到多, 生活习性由水生到陆生, 生物体 构造由简单向复杂、 由低等向高等发展。

8. 达尔文进化学说的核心是自然选择。自然选择的结果导致适者生存。

9. 生态平衡是一种动态平衡, 生态系统中生产者、 消费者和分解者之间, 生物与 环境之间, 物质、 能量的输出与输入之间, 始终保持着一种动态平衡的关系。

本章学到了什么

54

第3章 物质的转化和元素的循环

55

1 物质的转化

请你仔细地观察周围的各种物质。它们是从哪里来的?

又会到哪里去?在这些过程中物质之间是否发生了转化?

由一种物质转化成另一种物质, 这种转化一定是化学变化。你能否运用已 经学过的知识, 举出日常生活中你遇到过的物质之间转化的例子, 说出物质之间 转化的一些规律?下面我们将进一步探究物质转化的一些重要规律。

金属的氧化和金属氧化物的还原

1. 用坩埚钳夹着铜片在酒精灯的外焰上加热, 发现紫红色铜片变成了 面生成了

2. 如果把在酒精灯外焰上加热后的铜片, 马上插入酒精 (乙醇) 中, 铜片表面又由 色变成了

活动

铜与氧化铜之间的相互转化 在这个过程中, 铜在加热的条件下能和空气中的氧气结合形成黑色的氧化 铜, 铜片表面生成的黑色氧化铜马上和酒精 (乙醇) 反应又转化成了铜。

2 Cu + O2 = 2 CuO　

CuO (灼热) + C 2H 5OH = Cu + C 2H 4O + H2O

(乙醇) (乙醛) △

56 科

学

这说明, 氧气在加热的条件下能和铜结合生成氧化铜, 金属获得氧的过程 被称为金属的氧化 (oxidation) 。酒精能与灼热的氧化铜反应从氧化铜中夺取 氧, 使氧化铜转化为铜。金属氧化物失去氧的过程被称为金属氧化物的还原 (deoxidation) 。

还有哪些物质和氧气一样能使金属生成金属氧化物?

哪些物质和酒精一样能夺走氧化铜中的氧, 使氧化铜转化为铜?

分别把两块铁片放入浓硝酸、 浓硫酸中, 你观察到什么现象?这和把铁片放入稀硫酸有什么

区别?这是为什么? 活动

使铁的表面形成氧化层保护膜 铁片放在浓硝酸、 浓硫酸中, 没有气体放出, 这是因为铁在浓硝酸、 浓硫酸中生 成了铁的氧化物, 正是这层致密的氧化膜保护了铁, 使铁不能与酸反应生成氢气。

科学家通过大量实验发现:绝大部分金属都能在一定条件下与氧气化合生 成金属氧化物, 但一些不活泼的金属如金、 铂等, 很难和氧化合生成氧化物。金 属还能和某些能提供氧的物质如硝酸、 浓硫酸等反应, 生成金属氧化物。 图 3.1.2 铝 制品表面有一层起保护作用的致密氧 化膜

图3.1.1 在 海洋钻探平台中, 以锌的腐蚀来防止

钢铁的腐蚀

第3章 物质的转化和元素的循环 57

在干燥的硬质试管里铺一薄层黑色氧化铜粉末, 固定在铁架台上 (图3.1.3) , 通入氢气, 待 空气排尽后, 加热氧化铜。观察到黑色的氧化铜变成

色, 试管口有 应完成后停止加热, 再继续通入一会儿氢气,

直到试管冷却。 活动

氢气还原氧化铜

图3.1.3 用氢气还原氧化铜的实验装置

氢气在加热的条件下能从氧化铜中夺取氧, 使氧化铜转化为铜。一氧化碳、 碳、 镁、 铝等同样能在加热的条件下从氧化铜等氧化物中夺取氧, 使氧化铜等氧 化物转化为金属单质。有关的化学方程式为:

氧化铜和氢气反应 CuO + H 2 = H2O + Cu

氧化铜和一氧化碳反应 CuO + CO = CO2 + Cu

氧化铜和碳反应 2CuO + C = CO2↑ + 2Cu

氧化铜和镁反应 CuO + Mg = MgO + Cu

氧化铁和一氧化碳反应 Fe 2O 3 + 3CO = 3CO2 + 2Fe △

△ △ △ 高温

58 科

学

金属的锈蚀和金属的冶炼的实质就是金属和金属氧化物之间的转化, 也就是金 属的氧化和金属氧化物的还原。请你运用以上的知识, 对如何防止铁的锈蚀和如何 从铁、 铜、 锌的氧化物中冶炼出有关金属, 提出你的建议。

实验证明, 不但金属和金属氧化物会发生氧化和还原, 许多物质在一定的条 件下都会发生氧化和还原, 例如:我们每天摄入的碳水化合物和脂肪在身体内会 与吸入的氧气作用, 被氧化成水和二氧化碳, 并放出能量。维生素C、 维生素E等 药品的主要功能之一就是防止人体的某些组织发生不恰当的氧化。 单质、氧化物、酸(碱)之间的转化 在燃烧匙里放入少量硫粉, 加热,

直到燃烧, 然后把燃着硫的燃烧匙伸入盛有氧气的集气瓶,

等燃烧停止后, 小心地闻一下气体的气味,

然后立即向瓶内倒入少量水,

振荡, 加入几滴石蕊试

液测试溶液的酸碱性。

活动 酸雨形成的模拟实验

图3.1.4 硫在氧气中的燃烧 图3.1.5 硫 粉燃烧后, 向集气瓶倒入少量水,

加入石蕊试液测定溶液的酸碱性

第3章 物质的转化和元素的循环 59

有关的化学方程式为:

S + O2 = SO2

SO 2 + H2O = H2SO 3

燃烧

图3.1.6 2011年地级及以上城市二氧化硫年均浓度分布示意图

图3.1.7 2011年全国降水pH年均值分布

酸雨是指pH小于5.6的雨水。形成酸雨的主要原因是在燃烧含有硫、 氮等的 煤或石油产品时, 硫被氧化成二氧化硫, 二氧化硫被水吸收生成了亚硫酸。同样, 氮被氧化成氮氧化物, 被水吸收也会生成相应的酸,

这也是形成酸雨的原因之一。

60 科

学 二氧化硫在空气中飘尘的催化作用下, 能和氧气继续反应, 生成三氧化硫。三 氧化硫和水反应能生成酸性远大于亚硫酸的硫酸, 加剧了酸雨的形成。

有关的化学方程式为:

2SO 2 + O2 = 2SO3

SO 3 + H2O = H2SO 4催化剂

根据硫、 二氧化硫和亚硫酸之间的转化, 说明非金属、 非金属氧化物和对应 的酸之间可有如下的转化规律:酸

但某些非金属氧化物并不能直接与水反应, 如:二氧化硅 (沙子的主要成分) 就不能与水直接反应生成硅酸。

1. 比较氧化铜和氢氧化铜的化学式。

2. 提出由氧化铜制取氢氧化铜的实验方案, 进行讨论后, 实施实验方案。

3. 根据实验结果, 修改实验方案, 完成由氧化铜制取氢氧化铜的实验,

完成实验报告。 活动 由氧化铜制取氢氧化铜

根据铜、 氧化铜和氢氧化铜之间的转化, 说明并非所有的金属、 金属氧化物 和对应的碱之间都有如下的转化规律:碱

只有少部分金属氧化物能直接与水反应生成对应的碱, 如:氧化钠与水反应 生成氢氧化钠、 氧化钙与水反应生成氢氧化钙。而大部分金属氧化物并不能直

第3章 物质的转化和元素的循环 61

接与水反应生成对应的碱, 这些氧化物可以先与酸反应生成盐溶液, 盐溶液再与 可溶性的碱溶液反应生成对应碱的沉淀。

有关的化学方程式为:

NaO + H2O = 2NaOHCaO + H2O = Ca(OH) 2CuO + H2SO 4 = CuSO4 + H2O CuSO 4+ 2NaOH = Na2SO 4 + Cu(OH) 2

↑

1. 在下列化学方程式中, 哪些是属于金属的氧化?哪些是属于金属氧化物的还原?哪些既 不属于金属的氧化也不属于金属氧化物的还原?请在括号中注明。

(1) ZnO + H2SO 4 = ZnSO4 + H2O ( ) (2) 3Fe + 2O2 = Fe3O 4

( ) (3) Cu + H 2SO 4(浓) = CuO + SO2↑ + H2O ( ) (4) Fe2O 3 + 2Al = Al2O 3 + 2Fe

( )

2. 举例说明金属的氧化和金属氧化物的还原, 并写出有关的化学方程式。

3. 写出含硫的化石燃料燃烧后, 形成酸雨的有关化学方程式。

4. 设计由锌为原料制取氯化锌的实验方案, 写出有关化学方程式。如果有多种方案, 请评 出你认为的最佳方案, 并说出理由。

高温

△

高温

62

科

学

2 自然界中的碳循环和氧循环

碳和氧是生物体中最基本的元素。氧又是地壳里含量最 多、 分布最广的元素。碳循环和氧循环与我们的生活密切相关。

下图中质量达几吨的大树是从一粒仅有几克的种子长成的。那么, 大树是 由什么物质转化而来的呢?

图3.2.1 参天大树

大树在成长过程中吸收了周围环境中的物质, 制成了自己的 “食物” — 葡 萄糖, 同时放出氧气。这个过程就是我们之前讲过的光合作用。

我们已经知道光合作用的能量源泉是太阳, 那么光合作用中的二氧化碳和 水是如何获得的呢?它正是通过自然界中碳和氧的循环而获得的。

碳循环

碳是地球上拥有化合物数量最多的元素。它广泛地分布于大气、 海洋、 地壳 岩石和生物体中, 并循环不止。碳是有机化合物的基本成分, 是构成生命体的基 本元素, 也是构成煤、 石油、 天然气的主要元素。

第3章 物质的转化和元素的循环

63

图3.2.2 碳循环

1. 找出在我们周围含碳物质之间转化的例子。

2. 请你预测哪些转化会对自然界中的碳循环产生影响,

并会破坏自然界碳循环的平衡。

活动

寻找含碳物质之间转化的例子

碳循环 (carbon cycle) 与生命活动紧密相联。亿万年来, 在地球的生物圈 和大气圈中, 碳通过生物的物质与能量的交换, 往复循环、 生生不息。循环主要 通过二氧化碳来进行。它主要可分为三种形式:第一种形式是绿色植物经光合 作用将大气中的二氧化碳和水化合成碳水化合物 (糖类) ; 在植物呼吸过程中, 吸入氧气呼出二氧化碳, 使二氧化碳返回大气中被植物再度利用。第二种形式 是植物被动物或人采食后, 碳水化合物 (糖类) 经食物链传递, 被人或动物吸收, 又成为人、 动物和细菌等其他生物体的一部分, 在体内氧化生成二氧化碳, 并通 过动物或人的呼吸释放回到大气中又可被植物利用。第三种形式是煤、 石油、 天 然气等燃烧时, 生成二氧化碳, 它返回大气中后重新进入生态系统的碳循环。

自然界自发进行的碳循环, 在很长的时期内始终处于一种平衡的状态, 使地 球的环境基本保持不变。然而人类的行为却在很短的时间内打破了这种平衡。 尤其是近二百年来, 人类对煤、 石油和天然气等含碳能源的大量开采利用, 致使 更多的二氧化碳被排入大气。大气中二氧化碳浓度的增长, 使全球气候发生变 化, 从而给人类社会带来了深远的影响。

64

科

学

科学 技术 社会 环境

许多科学家曾认为几乎所有工业产生的二氧化碳会被海洋吸收, 但实际上海洋 对二氧化碳的吸收率比人们认为的要低得多。因此, 煤、 石油和天然气等燃烧释放 的大量二氧化碳, 将在大气中滞留相当长的时间, 这会对世界气候产生深远的影响。 斯克里普斯海洋学研究所的Charles David Keeling (1928—2005) 在夏威夷的莫纳 罗亚 (Mauna Loa) 山顶设置了高精度的气体分析器对二氧化碳进行了连续测量。经 过20年的观测, 结果表明二氧化碳浓度有一个年周期, 这一周期反映了绿色植物的 季节变化。在生长季节, 由于光合作用, 大气中的二氧化碳有减少的趋向; 在非生长 季节, 由于植物组织的氧化作用, 二氧化碳又返回到大气中, 大气中的二氧化碳有增 大的趋向。另外, 在消除季节变化因素之后, 记录到的资料还表明, 大气中的二氧化 碳在被观测的20年中在当地有一个呈指数形式的增加趋势。

CO 2/%

图3.2.3 地球表面温度变化 图3.2.4 二氧化碳在大气中的含量

平均值 年

年

查找大气中二氧化碳的平衡与不平衡的原因, 讨论如何来保持大气中二氧化碳的平衡?为 什么要提倡 “低碳”

生活?

活动

查阅有关资料,并进行讨论

氧循环

生物活动引起的氧循环 (oxygen cycle) 是自然界中氧循环的一个重要 方面。

氧在大气圈和生物圈中主要是以水、 二氧化碳和氧气的形式存在。在自

第3章 物质的转化和元素的循环 65

1. 植物要制得葡萄糖需要哪些物质和条件? 2. 根据光合作用总过程的化学变化:

6CO 2 + 6H 2O = C6H 12O 6 + 6O 2

如果要制得90 g葡萄糖, 需要二氧化碳多少克?能放出氧气多少升 (假设氧气的密度为1.4 g/L) ?

3. 在生物圈和大气圈中碳的循环主要是通过二氧化碳来进行的, 请说出哪些过程会吸收二 氧化碳, 哪些过程会放出二氧化碳。人类的活动会对碳的循环产生什么影响?

4. 举例说出生物圈和大气圈中氧的循环过程。

光照

叶绿体

然条件下, 水中的氧很难分解成氧气, 而二氧化碳中的氧则可以通过植物的 光合作用而转化成氧气释放出来。因此, 在生态系统中, 氧循环与碳循环有 着密切的联系。在大气中, 氧气含量占 21%(体积) 。大气中的氧可以渗透到 生态系统的各个角落:动物的呼吸作用、 植物非光合器官的呼吸作用和光合 器官在夜间的呼吸作用, 以及地表物质腐败氧化等过程不断消耗着大气中的 氧。与此同时, 绿色植物的光合作用大量吸收着大气中的二氧化碳并将释放 出的氧气排入大气。如此生生不息, 构成了生态系统的氧循环, 并保持了大 气中氧含量的恒定, 维持了整个生态系统的平衡。

氧气

3 自然界中的氮循环

氮是生命的重要元素, 如何更有效地利用大气中的氮气是

科学家正在研究的课题。

化学肥料

植物正常的生长、 开花和结果, 除了需要一定的光照、 水分、 空气和温度条件 外, 还需要从土壤等外界环境吸收各种元素 (被称为营养元素) 。需要较多的元 素是碳、 氢、 氧、 氮、 磷、 钾、 钙、 镁、 硫、 铁等, 需要微量的元素是硼、 锰、 铜、 锌、 钼 等。土壤里常缺乏的是氮、 磷、 钾三种元素, 有些土壤还缺乏某些微量元素。因 此, 人们常在土壤里加入氮肥、 磷肥和钾肥等肥料, 以补充植物生长所需要的元 素。肥料不仅要含有植物生长所需要而土壤又缺乏的元素, 而且还要能被植物 在短时期或长时期内吸收。

常用的肥料主要包括农家肥料和化学肥料 (fertilizer) 。农家肥料 (如厩 肥、 人粪肥、 绿肥等) 常含有多种植物生长所需要的元素, 但含量较小, 一般较 难溶于水, 经过腐熟后逐步转化为可溶于水且能被植物吸收的物质。所以农家 肥料的肥效慢但效程较长, 并能改良土壤的结构。它便于就地取材, 成本低廉, 在农村被大量使用。但是, 农家肥料不能满足大面积农作物获得高产的需求, 人们利用物质转化的规律, 用矿物、 空气、 水等作原料, 经过化学加工而制得了 化学肥料。化学肥料中植物需要的元素含量大, 一般易溶于水, 易被植物吸收, 肥效较快。

66 科 学

表3.3.1

作物体内主要营养元素的大致含量和来源

近几十年来化学肥料的施用对粮食等农作

物产量的大幅度提高起了非常大的作用。但化

肥的大量施用会对环境产生影响, 如某些化肥

大量施用会使土壤板结。化学肥料的种类很多,

用得最多的是氮肥、 磷肥、 钾肥和复合肥料。

氮元素是植物体内蛋白质、 核酸、 叶绿素和

生物碱等的主要成分, 氮肥能促进植物的茎叶

生长, 使茎叶生长茂盛, 叶色浓绿。目前在农村

中使用极为普遍的氮肥是尿素 (CO(NH 2 ) 2

) , 它

含氮量高, 肥效较缓慢而持久, 并对土壤几乎没 人

口

\

十

亿

氮 肥 消 耗 量

\

百 万 吨

人口 氮肥

图3.3.1 20世纪全球氮肥消耗量的急速 增长与世界人口增长相一致

第3章 物质的转化和元素的循环 67

68

科 学

有不良影响。其他氮肥有氨水 (NH3?H 2O) 、 碳酸氢铵 (NH4HCO 3) 、 硝酸铵 (NH4NO 3) 、 硫酸铵 ((NH4) 2SO 4)

、 氯化铵 (NH4Cl) 等。 表3.3.2

几种主要的氮肥

磷肥能促进植物根系发达, 增强植物吸收养分和抗寒抗旱能力, 还能促进作 物提前成熟, 穗粒增多, 籽粒饱满。常用的化学磷肥都是磷酸盐, 如磷矿粉[主要成 分是磷酸钙 (Ca3(PO4) 2) ]、 钙镁磷肥[主要成分是磷酸钙和磷酸镁 (Mg3(PO4) 2) ]、 过磷酸钙 [主要成分是磷酸二氢钙(Ca(H 2PO 4) 2) 和硫酸钙 (CaSO4) ]、 重过 磷酸钙 (主要成分是磷酸二氢钙) 。

钾肥能促进植物的光合作用, 使作物生长健壮、 茎秆粗硬, 增强抗病虫害和 防倒伏的能力。常用的化学钾肥有硫酸钾 (K2SO 4) 、 氯化钾 (KCl) 等。草木灰 主要含有碳酸钾和少量钙、 镁、 磷的化合物, 常被用作钾肥, 呈碱性, 如果和碳酸 氢铵、 硝酸铵、 硫酸铵、 氯化铵等氮肥混合使用, 会放出氨气,

降低氮肥的肥效。

图3.3.2 正常作物的叶子 (a) 和缺乏钾元素作物的叶子 (b)

(a)

(b)

复 合 肥 料 是 含 有 两 种 或 两 种 以 上 营 养 元 素 的 化 肥, 如 磷 酸 二 氢 铵 (NH4H 2PO 4) 、 磷酸氢二铵 ((NH4) 2HPO 4) 、 硝酸钾 (KNO3) 、 磷酸二氢钾 (KH2PO 4) 等, 或者是它们的混合物。

第3章 物质的转化和元素的循环

69

调查市场上出售的用于花卉的肥料的主要成分和营养元素。调查你所在地区化肥的使用情 况, 并提出你的合理化建议。

1. 在试管里放入少量碳酸氢铵, 在酒精灯上微微加热, 闻一闻有什么气味。用湿润的酚酞 试纸接近试管口, 看到什么现象?

2. 在四支试管中, 各放入少量硫酸铵、 过磷酸钙、 碳酸钾和尿素, 加入1~2 mL蒸馏水振荡, 用pH试纸测定四种溶液的酸碱性。

3. 通过上述活动,

你对如何合理使用化肥有什么新的想法?

活动

施肥要四看:“看天” — 农作物的生长季节和天气情况; “看地” — 土壤 中的水肥情况; “看作物” — 作物的生理、 生长阶段; “看化肥” — 化肥的性能。 只有把这四者综合起来考虑, 才能取得最佳的施肥效果。

【例】 如果用碳酸氢铵 (NH4HCO 3) 作追肥, 每公顷需要施45 kg氮元素, 则 每公顷应施化肥碳酸氢铵多少千克?

【分析】 我们可以先根据碳酸氢铵的化学式计算出式量; 再计算氮元素的百分 含量; 最后根据已知的每公顷需要施氮元素的质量, 求出应施化肥碳酸氢铵的质量。

【解】 NH 4HCO 3式量=14+1×4+1+12+16×3=79 氮元素的百分含量为:

N 的相对原子质量 ×1NH 4HCO 3式量

14×179

×100% ≈ 17.7%

每公顷地应施碳酸氢铵的质量为:

45 kg÷17.7%≈ 254.2 kg

答:每公顷应施化肥碳酸氢铵约254.2

kg。

活动

70

科

学

根据上面的解题过程, 与老师或同学一起讨论, 共同小结根据化学式进行计算 的一般步骤和方法。

根据化学式进行计算的步骤和方法可以归纳如下:1. 求算化学式的式量。

2. 根据化学式求算某元素的百分含量。 3. 根据题意求算元素的质量或该物质的质量。 4. 简明地写出答案。 课堂练习:

1. 家庭养花时用复合肥料磷酸二氢钾 (KH2PO 4) 施肥, 如果加入3.4 g该 肥料, 则加入的钾和磷的质量各是多少克?

2. 某农田原来施用化肥碳酸氢铵30 kg, 如果保持相同质量的氮, 改用尿素 (CO(NH2) 2)

应施用多少千克?

通过上面的练习, 在化学计算方面你还有什么体会?请和老师或同学交流。在 运用化学式进行计算时,

还要注意哪些方面的问题?

据联合国粮农组织 (FAO) 有关资料估计, 施用化肥可使粮食作物总产量大约

我国的化肥生产

第3章 物质的转化和元素的循环 71

在根瘤菌作用下,

使氮气转化成可溶

性氮的化合物

闪电使氧和氮反

应形成可溶性含

氮化合物被雨水

冲入土壤 氮循环

图3.3.3 生态系统中的氮循环

土壤中的铵盐和

硝酸盐 被植物根吸收

被细菌分解

死的动植物

植物蛋白质中的氮

饲养

在高温高压催化

剂作用下, 氮气

和氢气化合成氨 空气中的 N 2

在细菌作用下

生成氮气 动物蛋白质中的氮

排泄物

提高30%以上。中国化肥试验网统计数据表明, 化肥对粮食生产的贡献率在40%

左右。中国作为人口众多、 可耕地人均面积少的农业大国, 化肥对中国粮食的增产

作用是不言而喻的。因此, 中国政府对化肥工业高度重视, 国家投入大量资金用于

化肥工业建设, 因而中国化肥工业得到迅速发展, 现在中国化肥产量已居世界第一

位。国产氮肥完全可以满足国内需要。在国际价格合适的时候还有部分出口。中

国的磷肥工业起步较晚, 特别是高浓度磷肥20世纪80年代中后期才开始生产, 到

2011年磷肥产量 (以P 2O 5计) 已达1 641.2万吨, 已能完全满足需求, 是世界上发展

最快的国家之一。

氮是蛋白质的基本组成元素之一, 所有生物体均含有蛋白质, 都需要氮元 素, 所以氮循环 (nitrogen cycle) 涉及生物圈的全部领域。氮是地球上极为丰 富的一种元素, 在自然界, 大气中含有 78%体积的氮气, 在大气中氮含量虽高,

但不能被绝大多数生物直接利用。要转化成能够被植物利用的含氮化合物, 主 要有两条途径:一是在闪电或在高温、 高压和催化剂的条件下, 把氮气转化成 硝酸盐或氨; 二是生物方法, 豆科植物的根瘤菌 和某些蓝绿藻能够在常温下将大气中的氮气转 变为硝酸盐。

植物从土壤中吸收铵盐和硝酸盐, 用来合成 氨基酸, 再进一步合成各种蛋白质。动物以植物 为食物, 直接或间接利用植物合成的有机含氮化 合物, 如蛋白质等, 经分解为氨基酸后再合成为 自身的蛋白质。在动物的代谢过程中, 一部分蛋 白质被分解为氨、 尿酸和尿素等排出体外, 最终 进入土壤。动植物死亡后的遗骸中的蛋白质被微 生物分解成铵离子、 硝酸根离子和氨又回到土壤 和水体中, 被植物再次吸收利用, 从而完成生态

系统的氮循环。

图3.3.4 根瘤

人类活动对氮循环的影响

人们发现大多数野生植物都能茁壮成长在含氮较低的土壤和水中。在20世 纪早期, 大自然中存在的氮循环决定了提供给植物生长的氮元素的数量。在20世纪下半期, 由于大规模地生产和使用氮肥, 使农作物的产量得到了大幅度的提 高, 满足了人口迅速增长对粮食的需求。到了20世纪末, 由人工生产的氮肥提 供的氮元素已超过在自然界微生物作用下形成可被植物利用的氮元素的一半以 上。在现代社会中, 现代农业大规模地使用化学肥料,

化石燃料的燃烧向大气散

图3.3.5 氮饱和使土壤酸化, 使枫树叶变黄 图3.3.6 氮的富营养化形成海面赤潮

72 科 学

第3章 物质的转化和元素的循环 73

发氮氧化物的气体被雨水吸收后返回地面, 以及其他的人类活动都会对氮循环 产生影响。通过这些活动每年进入环境的氮大于1.4亿吨, 已远远超过在生态循 环中所能吸收的量。过量的氮在不断地影响土壤、 水体和大气等。

表3.3.3

全球每年生成可被植物利用的氮

图3.3.7 由 于过量的氮肥和洗涤剂中的磷被排放到湖泊和河流中, 河水的

富营养化使水生植物疯长

阅读 富营养化会影响植物的多样化

在各种极端的条件下, 如在酸性大、 非常热、 非常冷、 非常干、 非常潮湿等情况下, 都会影响生物的多样化。同样在富营养化下, 也会影响植物的多样化。假如在草地上 施入过多的氮肥, 只有少数种类的草能生长得更快, 大部分种类的草在氮肥达到一定 水平时, 氮肥的增加对它们的生长速度已不起作用。所以少数种类的草成为了优势品 种, 抑制了大多数种类草的成长, 大多数草就会消亡, 会影响草的种类的多样化。

74 科

学

科学 技术 社会 环境 20世纪70年代以来, 科技工作者运用物质转化的规律, 为降低由于燃油和燃煤

造成的空气污染作出了重大贡献, 排放到空气中的硫以及氮的氧化物的量已经明显

减少。其中最有效的方法是采用了汽车的尾气催化转化器和锅炉废气清洗器。政

府从法规上强制要求所有的车辆必须安装尾气催化转化器 (见图3.3.8) , 使汽车在

燃烧油料时放出的大部分污染物, 在催化剂的作用下转化成无害的物质排放到大气

中。有关的化学反应式为:

2NO +2CON 2 + 2CO2锅炉废气的清洗器 (见图3.3.9) 利用了二氧化硫 (SO2) 能和氧化钙 (CaO) 化合生

成亚硫酸钙 (CaSO3) 的性质。首先在煤中加入石灰石 [主要成分是碳酸钙 (CaCO3) ],

煤燃烧时产生高温使碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳, 煤燃烧时产生的部分二氧化硫

在锅炉中和氧化钙反应生成亚硫酸钙。其余的二氧化硫在通过清洗器时, 和喷洒的氧

化钙浆反应生成亚硫酸钙。这样可以除去锅炉废气中95%的二氧化硫。

汽车尾气催化转化器和

锅炉废气清洗器

图3.3.8 汽车尾气催化转化器

H 2O+CaO

空气 煤 图3.3.9 锅炉废气清洗器示意图

CO 2+SO2CO 2+CaOO 2CaCO 3

(C+S)

SO 2+CaOCO 2

CaSO 3

CO 2

第3章 物质的转化和元素的循环 75

1. 在土壤中经常缺少的是哪三种元素?可以施入哪三类化肥加以补充?举例说明哪一类 化学物质可以用作化肥。

2. 列式计算尿素 (CO (NH 2) 2) 、 硫酸铵 ((NH 4) 2SO 4)

和硝酸铵 (NH 4NO 3) 的含氮量。如果每公顷 需要施30 kg氮元素, 则每公顷分别需要施入尿素、 硫酸铵和硝酸铵各多少千克?

3. 举例说明从空气中的氮气转化为能被作物吸收的氮的化合物的主要途径。

4. 举出两个实例说明人类的活动对氮循环产生了影响, 并提出你的建议。

探究课题 垃圾的循环利用

阅读以下材料, 进一步收集资料、 调查、 讨论, 写出有关研究报告。

我们每天都要扔掉许多垃圾, 如菜皮、 瓶子、 罐头、 包装材料等。在美国平均每个家 庭一年扔掉垃圾的质量相当于一座 “自由女神” 像的质量。大部分的垃圾被堆放在垃圾 场, 有的被挖坑埋放。现在有越来越多的废物被循环使用。废纸可以重新再生, 制得纸巾 和报纸等。玻璃重新熔化后可获得各种玻璃制品。金属也可以熔化后再利用。蔬菜的残 余物能在微生物作用下分解, 成为改良土壤的优质肥料。而许多塑料制品却不能被微生 物分解, 会给环境造成白色污染。

研究报告中要包括以下的内容:

1. 最古老的垃圾的循环利用方法;

2. 较详细地说明纸、 玻璃、 金属、 蔬菜和塑料中某一种的循环利用;

3. 采用能被生物分解的材料 (包括能被生物分解的塑料) 的最新进展。

1. 从得氧和失氧的角度理解金属的氧化和金属氧化物的还原。

2 在一定条件下, 单质、 氧化物、 酸 (碱) 之间可以相互转化。

3. 自然界中存在着碳循环、 氧循环和氮循环, 人类活动会对上述循环产生影响。

4. 主要的化学肥料有氮肥、 磷肥、 钾肥和复合肥料。

5. 根据化学式进行有关的简单计算。

本章学到了什么

76

第4章 健康与保健

77

1 健康、亚健康和疾病

“祝你身体健康” , 一声亲切的问候, 寄托着我们对亲朋好友

的衷心祝愿。当然, 我们也希望自己的身体健康。那么, 怎样才

算健康?我们的健康状况如何?怎样才能保持身体健康?

按以下方法给自己的体质打分, 看一看自己的体质究竟如何:

1. 闭眼单脚站立:1分钟以上, 得10分; 40秒~1分钟, 得8分; 30~39秒钟, 得5分; 15~29秒钟, 得3分; 5~14秒钟得1分。

2. 往返爬楼梯:往返爬360~400个台阶的楼梯, 以1s一阶的速度上下攀爬。没有任何累的 感觉, 得10分; 略微腿酸、 呼吸变化不大, 得8分; 心跳、 呼吸明显加快, 得5分; 途中有明显走不 动的感觉, 得3分; 途中有明显的间断休息, 得1分。

3. 每周锻炼的次数:有两次1小时的活动, 得10分; 有一次1小时的活动, 得8分; 累计1小 时的活动, 得5分; 有不到1小时的活动, 得3分; 只有简单动一动的, 得1分。

4. 近期的精力:自我感觉不错, 得10分; 还可以, 得8分; 一般, 得5分; 不太好, 得3分; 不行, 得1分。

5. 以最慢的速度跑步:坚持25分钟以上, 得10分; 20~25分钟, 得8分; 15~19分钟, 得5分; 10~14分钟, 得3分; 10分钟以下, 得1分。

将以上五项得分加在一起, 如果你得到45分以上, 你的体质很不错; 你得到40~44分, 你的 体质较好; 如果你的得分高于35分但低于40分, 你的体质一般; 低于34分之下, 你的体质属于较 差; 如果你的得分不足20分的话,

你的身体体质就太差了。

活动 给自己的体质打分

健康

“健康是指生理、 心理及社会适应三个方面全都良好的一种状况, 而不仅仅 是指没有生病或者体格健壮。 ” 这是世界卫生组织 (WHO) 给健康 (health) 所

78 科 学

下的定义。显然, 我们平时所说的体格健壮与健康是不能等同的, 体格健壮仅表

明生理功能良好。

世界卫生组织根据健康的定义, 制定了健康的10条标准:

1. 精力充沛, 能从容不迫地担负日常生活和繁重的工作而不感到过分紧张和

疲劳。

2. 处世乐观, 态度积极, 乐于承担责任, 事无大小, 不挑剔。

3. 善于休息, 睡眠好。

4. 应变能力强, 能适应外界环境的各种变化。

5. 能够抵御一般感冒和传染病。

6. 体重适当, 身体匀称, 站立时头、 肩位置协调。

7. 眼睛明亮, 反应敏捷, 眼睑不发炎。

8. 牙齿清洁, 无龋齿, 不疼痛, 牙龈颜色正常, 无出血现象。

9. 头发有光泽, 无头屑。

10. 肌肉丰满, 皮肤有弹性。

健康的标准

我们可以根据这些标准来衡量自己的健康水平。事实上, 根据健康的定义 和标准, 经过严格的统计学统计, 人群中真正健康 (第一状态) 和患病者 (第二状 态) 不足1/3, 有2/3以上的人群处在健康和患病之间的过渡状态, 世界卫生组 织称其为 “第三状态” , 国内常常称之为 “亚健康状态” 。 “亚健康状态” 处理得当, 身体可向健康转化; 反之, 则患病。因此, 对亚健康状态的研究, 是21世纪生命 科学的重要研究课题。

亚健康

亚健康 (subhealth) 是一个新的医学概念。20世纪70年代末, 医学界依据 疾病谱的改变, 将过去单纯的生物医学模式, 发展为生物—心理—社会医学模 式。1977年, 世界卫生组织将健康确定为:“不仅仅是没有疾病和身体不虚弱, 而 是身体、 心理和社会适应的完满状态。 ”20世纪80年代以来, 我国医学界对健康

第4章 健康与保健 79

与疾病也展开了一系列的研究, 结果表明, 当今社会有一个庞大的人群, 身体有 种种不适, 而上医院检查又未能发现器质性病变, 医生没有更好的办法来治疗, 这种状态称为 “亚健康状态” 。

现代医学研究的结果表明, 造成亚健康的原因是多方面的。例如, 过度疲劳 造成精力、 体力透支; 营养不足; 运动不得当; 心理不健康; 人体自然衰老; 心脑 血管及其他慢性病的前期、 恢复期和手术后康复期出现种种不适; 人体生物周期 中处于低潮时期等。在日本, 已出现大量无病兆猝死或 “过劳死” 的案例; 在 法国, 约72%的就业者声称, 由于社会压力大, 工作紧张, 影响工作效率和生活 质量, 以致患上抑郁症; 在美国, 亚健康与艾滋病已一起被医学界称为 “21世纪 人类健康的最大敌人” ; 在我国, 据有关方面的调查, 约有70%的人处于亚健康

状态。

我们通常说患了疾病, 但在我国古代, “疾” 与 “病” 的含义不同。 “疾” 是指

不易觉察的小病, 如果不采取有效的措施, 就会发展到可见的程度, 便称为 “病” 。 这种患疾的状态, 现代科学叫 “亚健康” 或 “第三状态” , 在中医学中称 “未病” 。 “未病” 不是无病, 也不是可见的大病, 按照中医的观点, 这是身体已经出现了阴 阳、 气血、 脏腑营卫的不平衡状态。我们的祖先不仅早就意识到有了疾病要积极

寻找除疾之法, 而且还积累了许多预防疾患的措施。 《黄帝内经》 早有论述:“圣人

不治已病治未病, 夫病已成而后药之, 乱已成而后治之, 譬犹渴而穿井, 斗而铸兵, 不亦晚乎? ” 由此可清楚地看出我们的祖先已认识到对疾病应 “未雨绸缪, 防患未

然” 的重要。

传统医学中的“亚健康”

疾病

人体的一个或多个组织器官的结构或生理功能发生失调时, 身体会出现一 系列不正常并引起不舒服感觉的反应, 这种现象称为疾病。疾病的后果可大可 小, 例如小的良性皮肤瘤可能只不过是影响容貌, 而心脏病发作可能引起一个脾 气急躁的肥胖老人健康的迅速恶化和死亡。

80 科 学 根据疾病的传染性, 疾病可分为非传染性疾病和传染病两大类。首先, 让我 们了解几种常见非传染性疾病:冠心病、 糖尿病、 恶性肿瘤。

冠心病

冠心病是冠状动脉性心脏病的简称, 亦称缺血性心脏病。该病是因冠状动 脉硬化使血管管腔阻塞, 或冠状动脉功能性改变 (痉挛) , 导致心肌缺血缺氧而引 起的心脏病。

冠心病是严重危害人类健康的常见病, 多发生在40岁以后, 男性多于女性, 脑 力劳动者较多。冠心病在临床上分为多种类型, 如心绞痛和心肌梗塞等。

有人认为, 冠心病的预防措施应从儿童开始, 即儿童不宜进食高胆固醇高动 物性脂肪的饮食, 同时应避免摄食过量, 防止肥胖。

阅读

冠心病的一般预防措施

(一) 合理膳食 1. 膳食总热量勿过高, 以维持正常体重为度, 40岁以上者尤应预防发胖。目前全 世界都使用体重指数 (BMI) 来衡量一个人胖与不胖。计算方法为BMI=体重 (kg) ÷身 高 (米) 平方。中国人BMI>22.6为超重, BMI>30为肥胖。

2. 超过正常标准体重者, 应减少每日进食总热量, 食用低脂、 低胆固醇膳食, 并限 制酒、 蔗糖和含糖食物的摄入。

3. 年过40岁者即使血脂正常, 也应避免经常食用过多的动物性脂肪和含胆固醇较 高的食物, 如肝、 脑、 肾、 肺等内脏, 牡蛎、 鱿鱼、 墨鱼、 骨髓、 猪油、 蛋黄、 蟹黄、 鱼子、 奶 油及其制品、 椰子油、 可可油等。如果血总胆固醇、 甘油三酯等增高, 应食用低胆固醇、 低动物性脂肪食物, 如鱼肉、 鸡肉、 豆制品等。

4. 提倡饮食清淡, 多食富含维生素C (如蔬菜、 瓜果) 和植物蛋白 (如豆类及其制品) 的食物。在可能的条件下, 尽量以豆油、 菜子油、 麻油、 玉米油、 茶油、 米糠油、 红花油等 为食用油。

5. 已确诊有冠状动脉硬化者, 应严禁暴饮暴食, 以免诱发心绞痛或心肌梗塞。

(二) 适当的体力劳动和体育锻炼

参加一定的体力劳动和体育活动, 对预防肥胖, 锻炼循环系统的功能和调整血脂代 谢均有裨益, 是预防冠心病的一项积极措施。体力活动量应根据身体情况、 体力活动习

第4章 健康与保健

81

惯和心脏功能状况而定, 以不过多增加心脏负担和不引起不适感觉为原则; 体育活动要 循序渐进, 不宜勉强做剧烈运动。

(三) 合理安排作息

生活要有规律, 保持乐观、 愉快的情绪, 避免过度劳累和情绪激动, 注意劳逸结合,

保证充足的睡眠。

(四) 不吸烟, 不饮酒。

糖尿病

糖尿病是由遗传和环境因素相互作用而引起的临床综合病征。因胰腺β细 胞损害, 胰岛素分泌功能减退或靶组织对胰岛素敏感性降低, 引起糖、 蛋白质、 脂肪、 水和电解质等一系列代谢紊乱。病人持续高血糖, 久病可引起多个系统损 害, 病情严重或应激时可发生急性代谢紊乱并发症。此外, 在患糖尿病人群中, 发生冠心病、 缺血性或出血性脑血管病、 失明、 肢端坏疽等严重并发症, 均明显高 于非糖尿病人群。因此, 糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性 公共卫生问题。

胰岛素依赖型糖尿病 (Ⅰ型) 可发生在任何年龄, 但多发生于青少年。起病 较急, “三多一少” (多食、 多尿、 多饮, 体重减轻) 症状比较明显, 病情严重时易 发生酮症酸中毒。

非胰岛素依赖型糖尿病 (Ⅱ型) 是目前最常见的糖尿病类型。可发生在任 何年龄, 但多见于40岁以上的中老年人。许多病人体型肥胖。

随着经济发展和都市化生活普及, 糖尿病及其并发症已成为日趋严重的危 害人民健康的大问题。通过治疗糖尿病, 使病情得到良好控制, 要达到糖、 脂肪、 蛋白质代谢正常或接近于正常, 防止发生严重的低血糖、 高血糖或酮症酸中毒等 急性并发症, 并预防糖尿病的慢性并发症。此外, 病人应积极配合治疗, 不吸烟, 少吃盐, 合理膳食, 经常运动, 防止肥胖。

恶性肿瘤 — 癌症

癌症一词来自希腊语Karkinos, 意为螃蟹。癌症一直被作为一种可怕的疾病 受到重视, 病毒肿瘤学先驱者之一、 诺贝尔生理学或医学奖获得者Peyton Rous (1879—1970) 曾写道:“ 肿瘤以一种独特而可怕的方式毁坏人体, 它虽然也是人体 自身的血肉, 却莫名其妙地变得生长旺盛、 猖狂掠夺、 无法控制。 ”

在世界各地, 各种癌症的发生率有所不同, 在包括中国在内的发展中国家,

82 科 学

食道癌、 肝癌和胃癌比较多见, 显然与乙型肝炎、 食物及环境中的致癌因素有关; 在工业化国家, 则以肺癌、 乳腺癌和结肠癌居多。

癌症是一种严重危害人类健康和生命的疾病, 但至今有关肿瘤的发病原因 尚未完全清楚。据学者估计, 80%~90%的病因与环境因素有关。环境中许多 化学、 生物、

物理因素可以直接或间接地引发癌变。

环境中直接致癌物多是可以导致DNA损伤或改变的物质, 包括化学物质, 如苯

并芘、 苯、 黄曲霉毒素、 亚硝胺等。这些物质可与DNA形成化学加合物。物理因素, 如电离辐射和紫外线也可损伤DNA。有些物质本身不致癌, 但与致癌物质同时或在

其后作用时, 可有致癌作用, 其机制可能是促使已被致癌剂引起突变的细胞增生, 例如, 烟草、 酒精、 某些放疗和化疗药物等。值得注意的是, 在直接或间接引起癌症

的环境因素中, 饮食是居首位的因素, 膳食蛋白质过高或过低, 膳食高脂肪, 叶酸、 维生素B 12缺乏, 膳食纤维、 钙和微量元素硒、 钼、 锰摄入量不足, 铜、 锌摄入过多, 都

有可能增加发生某些癌症的危险性。

环境致癌因素

除环境因素外, 个体易感性也是癌症发生过程中一个重要的决定因素。在 某些家族中, 某种肿瘤发生率显著增高, 如遗传型视网膜母细胞瘤、 家族性肠息 肉病、 异常增生性痣综合征等; 在有些家族中, 患各种不同的上皮源性恶性肿瘤

的概率显著增高。这些现象都被认为是遗传了某种突变基因所致。

阅读 肿瘤的膳食营养防治要点

1. 食物多样, 新鲜卫生, 营养素摄入量充足而且平衡。

2. 控制脂肪摄入量, 占总能量的20%~25%; 多食海鱼以增加ω3系脂肪酸的摄入。

3. 新鲜蔬菜水果每日500 g以上, 适量的鱼、 肉、 蛋、 奶, 多食用大豆及其制品。

第4章 健康与保健 83

1. 何谓健康?健康的标准是什么?

2. 列举亚健康的表现。

3. 引起冠心病、 糖尿病、 恶性肿瘤的主要因素有哪些?

4. 试述冠心病、 糖尿病、 恶性肿瘤的预防方法。

4. 合理烹调食物。鱼、 肉类不用炸、 烤、 烟熏和腌制, 以采用清炖、 白煮为宜; 在卫

生安全前提下, 蔬菜可采用生食, 炒煮不过熟。

5. 调味少用盐多用醋, 不饮烈性酒, 常饮绿茶。

6. 按时进餐, 且不宜过快、 过烫。

7. 慢性癌前病变病人, 应按时复查接受正规治疗, 并采用相应的营养阻断措施。

2 运动与健康

人体几十千克的体重靠什么来支撑?体形靠什么来维持?

身体的运动靠什么来完成?

骨骼 (skeleton) 和骨骼肌 (muscle) 组成人体的运动系统,

起着人体运动、 保持体形、 承受体重和保护内部器官的作用。

骨骼的组成

一个成年人全身共有206块骨 (bone) 。这些骨依靠骨连接的联系, 构成人 体的支架 — 骨骼 (图4.2.1) 。

骨骼按其所在的部位, 可分为头骨、 躯干 骨和四肢骨。

头骨 头骨包括脑颅骨和面颅骨。脑颅 骨围成颅腔, 容纳和保护脑。面颅骨构成面部 的支架, 保护面部的感觉器官。

躯干骨 躯干骨包括脊柱、 胸骨和肋骨。 脊 柱 纵 贯 于 人 体 背 部 的 中 央, 从 侧 面 看, 整条脊柱呈 “S”形, 出现四个生理弯曲 (图 4.2.2) 。这是人类在进化过程中, 长期 直立行走的结果。 “S” 形脊柱既能维持直立 姿势、 支持体重, 又能减轻由运动引起的对 脑的震荡。

椎 骨 (图4.2.3)共 有26块, 连 接 起 来 构 成脊柱。每块椎骨中间有一个椎孔, 所有椎 孔相连构成一条椎管。椎管容纳和保护脊髓。

椎管和颅腔相通。

图4.2.1 人体骨骼

84 科 学

第4章 健康与保健

85

图4.2.2 人体脊柱 图4.2.3 椎骨 图4.2.4 胸廓

胸骨一块, 位于胸前壁正中央。

肋骨共有12对, 呈弯弓形。

胸椎、 胸骨和肋骨组成笼状的胸廓 (图4.2.4) , 保护心、 肺等重要器官。

四肢骨 四肢骨包括一对上肢骨和一对下肢骨

(图4.2.5, 图4.2.6) 。 人类的上、 下肢有明显的分工。上肢主要担负劳动操作, 显得轻巧灵活; 下 肢主要担负直立行走和支持体重,

显得粗壮有力。

图4.2.5 上肢骨 图4.2.6 下肢骨

86 科 学

阅读 骨的结构

骨的基本结构包括骨膜、 骨质和

骨髓三部分 (图4.2.7, 图4.2.8) 。

骨膜是一层坚韧的结缔组织, 覆盖

在骨的表面。骨膜内含有血管、 神经和

成骨细胞。血管伸入骨腔, 对骨有营养

作用。成骨细胞对骨的生长和再生 (如

骨折后骨的愈合) 有重要作用。

骨质包括骨密质和骨松质。在长

骨中, 骨密质大部分集中在骨干, 致

密、 坚硬, 抗压力强。骨松质主要在长

骨两端的内部, 疏松、 呈蜂窝状, 可以

承受一定的压力。

骨髓充填在骨髓腔和骨松质的空隙内。幼年时, 骨髓呈红色, 有造血功能。随着年龄 的增长, 骨髓腔中红色骨髓逐渐变成黄色骨髓, 失去了造血功能。不过, 当身体失血过多 时, 黄色骨髓能转变成红色骨髓, 恢复其造血功能。在骨松质内, 始终存在红色骨髓。 长骨的管状结构, 既坚固又轻便,

适于人体的运动。

图4.2.7

长骨的构造 图4.2.8 长骨的骨质 准备大鱼的肋骨或小动物的骨一段, 镊子, 酒精灯, 试管, 质量分数为 15%的盐酸, 清水,

火柴。 1. 骨的煅烧 用镊子夹住一段骨, 放在酒精灯上煅烧, 观察骨的颜色变化。待骨呈灰白色 时, 将酒精灯移开, 轻轻敲打这段煅烧过的骨, 结果如何?

2. 骨的脱钙 将大鱼的一根肋骨浸入试管里质量分数为15%的盐酸中, 过15 min左右, 用 镊子夹起肋骨, 看它是否变得柔软了。如果已变柔软, 即可取出, 用清水洗去盐酸。试一试, 是 否能将这根肋骨弯曲或打成结?

讨论:

1. 煅烧骨和脱钙骨各有什么物理特性?

2. 实验结果说明什么?

活动

骨成分的鉴定

第4章 健康与保健 87

关节

骨与骨之间的连接称为骨连接。骨连接的形式有三种, 即不活动连接、 半活 动连接和活动连接。活动连接又叫关节 (joint) , 四肢骨的连接就是这种连接。 上肢主要有肩关节、 肘关节和腕关节; 下肢主要有髋关节、 膝关节和踝关节。关 节在运动中起着支点的作用, 能作较大幅度的活动。

关节的结构

关节一般由关节面、 关节囊和关节腔三部分

组成 (图4.2.9) 。

关节面

关节面是两个 (或两个以上) 相邻骨的接触

面, 其中略凸起的一面叫做关节头, 略凹进的一

面叫做关节窝。关节面上覆盖着一层表面光滑

的关节软骨, 可以减少运动时两骨的关节面的摩

擦, 并缓冲运动时的震动。

阅读 骨的物理特性

在活动中我们可以看到, 煅烧后的骨 (煅烧骨) 很脆, 而在盐酸中浸泡过的骨 (脱

钙骨) 很柔韧。化学知识告诉我们, 有机物一般容易燃烧, 无机物一般不易燃烧, 有些 无机物在与盐酸发生化学反应时能被溶解出来。根据这些道理, 可以知道:骨煅烧时, 有机物被烧掉, 剩下无机物; 骨中的无机物被盐酸溶解出来, 剩下有机物。实验结果 表明, 骨由硬脆的无机物和柔韧的有机物组成。因此, 骨的物理特性主要表现在硬度 和弹性上。

骨中不同成分的含量和骨的物理特性, 随着人的年龄的增长而变化。骨含有有机

质和无机质两类化学成分, 有机质主要有骨胶原纤维和黏多糖蛋白, 赋予骨弹性和韧 性, 无机质主要是碱性磷酸钙, 使骨坚硬挺实。儿童少年期, 骨中无机物的含量不到 2/3, 有机物含量超过1/3, 骨硬度小, 柔韧, 弹性大; 成年期, 骨中无机物含量约为2/3, 有 机物含量约为1/3, 骨既坚固又有弹性; 老年期, 骨中无机物含量超过2/3, 有机物含量不 到1/3, 因此骨硬而脆。

因此, 骨的坚固性不只是与骨的结构有关系,

它与骨成分关系更大。

图4.2.9 关节的基本结构

88 科 学

关节囊

关节囊由结缔组织构成, 包绕着整个关节, 把相邻的两骨牢固地联系起来。 囊壁的内表面能分泌滑液。在关节囊的里面和外面还有许多韧带, 使两骨的连 接更加牢固。

关节腔

关节腔是由关节囊和关节面共同围成的密闭腔隙, 内有少量滑液。滑液有 润滑关节软骨的作用, 可以减少骨与骨之间的摩擦, 使关节的运动灵活自如。

脱臼和脱臼的急救

进行体育活动或体力劳动的时候, 往往会因用力过猛或不慎摔倒, 使关节头 从关节窝里滑脱出来, 造成脱臼。脱臼的部位往往出现肿胀、 疼痛, 并且失去运 动功能。这时候必须注意不要让受伤的关节再活动, 以免伤势加重。同时, 应立 即送医院治疗。

骨骼与直立行走相适应

人体的骨骼与直立行走相适应, 最明显的例子是脊柱和足弓。

脊柱有四个生理弯曲:颈曲、 胸曲、 腰曲和骶曲。这些弯曲可以增加脊柱本 身的弹性, 缓冲剧烈运动时对脑的震荡, 同时有利于身体平衡。

少年儿童如果长期不注意坐、 立、 行走姿势, 就会引起脊柱变形, 如胸曲过 分后凸 (驼背) 、 脊柱侧弯 (图 4.2.10) 。这样, 不仅会减弱脊柱的生理功能, 而

且还会使内脏器官受到压迫, 从而影响

正常发育和活动。同时, 还会影响体形

和姿势。

足 弓 是 足 部 凸 向 上 方 的 弓 (图

4.2.11左) , 由一些骨、 韧带和肌腱共同

构成。足弓的存在, 可以使人站立时只

是前足掌的内、 外两侧和足跟同时着地,

这就像三脚架的三足着地一样, 增加了

人站立时的稳定性。因足弓具有弹性, 故还可以减轻人在行走和运动时对脑的 震荡, 并保护足底的血管和神经免受压迫。

如果足弓的组织过度劳损, 或者先天发育不良等, 都可能导致足弓塌陷而形 成扁平足 (图4.2.11右) 。由于扁平足失去正常足弓所具有的弹性, 因此, 患扁 平足的人, 较长时间地行走或进行体育活动等, 就容易疲劳, 还可能因足底的神 经、

血管受到压迫而引起足底麻木或疼痛。

图4.2.10 脊柱弯曲异常示意图

第4章 健康与保健 89

图4.2.11 正常足和扁平足

骨骼肌

人体全身骨骼肌约有600多块, 都固定在

骨骼上, 参与各种动作和运动。

人体主要的骨骼肌群

骨骼肌可分为头颈肌、 躯干肌和四肢肌

三大部分 (图4.2.12) 。

头颈肌包括头肌和颈肌。头肌有表情肌

(如眼轮匝肌) 和咀嚼肌 (如咬肌) 。颈肌, 如

胸锁乳突肌。

躯干肌 (图4.2.13, 图4.2.14) 包括胸肌

(如胸大肌、 肋间肌) 、 膈肌、 腹肌 (如腹外斜

肌、 腹直肌) 和背肌 (如斜方肌、 背阔肌) 。

四肢肌包括上肢肌 (图4.2.15) (如三角 肌、 肱二头肌、 肱三头肌) 和下肢肌 (图4.2.12) (如臀大肌、 股四头肌、 腓肠肌)

。

图4.2.12

人体全身骨骼肌示意图

图4.2.13 躯干背部肌肉 图4.2.14 躯干腹部肌肉

足印

足印

90 科

学 图4.2.15 上肢肌肉

用力做前臂屈伸动作, 观察上臂肱二头肌和肱三头肌的收缩和舒张。想一想, 前臂屈伸骨骼

肌是如何配合的? 活动

观察骨骼肌的收缩 通过观察可以知道, 屈肘时, 以肱二头肌为主的屈肌肌群处于收缩状态, 以 肱三头肌为主的伸肌肌群处于舒张状态。伸肘时, 情况恰好相反。可见, 人体的 任何一个动作, 都不是由一块骨骼肌独立完成的, 而是由多组肌群在神经系统统 一支配下, 相互配合、 共同完成的。没有骨骼肌的这种协作关系, 要完成一个准 确的动作是不可能的。

运动对骨骼和肌肉的影响

运动对骨和关节的影响

体育活动促进血液循环, 增进骨的营养, 使骨密质增厚, 骨松质排列更为整 齐、 有规律, 从而使骨长得更加粗壮、 坚固。

对青少年来说, 体育活动还能使长骨的软骨层加速产生新的骨组织, 促使骨 加快长长, 身体长高。据统计, 同年龄同性别的青少年, 经常参加体育活动比很 少锻炼的身高要高出4~10 cm。

体育活动能使关节囊增厚, 韧带增粗, 关节周围肌肉的力量增强, 因而加强 了关节的牢固性。体育活动还能加强关节囊、 关节周围的肌肉和韧带的伸展性, 从而使关节活动的幅度加大, 关节活动的灵活性增加。

华师大版数学九下《二次函数》word精读精练2(附答案)12

二次函数同步辅导1

,,学海导航学海导航 ,,定义定义 ,,

,,22 ,,一般式:一般式:yaxbxcyaxbxc,，，,，，,,,, 22,,bacbbacb44,,,,,,22 二次函数解析式顶点式:二次函数解析式顶点式:yaxyax,，，,，，()(),,,,2424aaaa,,,,

,,,,两根式:两根式:yxxxxyxxxx,,,,,,()()()() 1212,,,, ,,图象图象,, 开口方向、对称轴、顶点坐标、增减性、最值开口方向、对称轴、顶点坐标、增减性、最值,,,,性质性质,,,,,, ,,aa,,,,,,开口方向开口方向 ,, ,,同号对称轴在轴左侧同号对称轴在轴左侧,,,,,,yy,,,,abab、、,, ,,异号对称轴在轴右侧异号对称轴在轴右侧,,,,,,yy,,,, ,,,,2222 yaxbxcayaxbxca,，，,,，，,(0)(0),,,,,,,,,,,,bacxbacx44与轴交点个数与轴交点个数,,

,,cc,,00正半轴正半轴,,二 次 函 数 的 错 例 分 析 ,,,,,,与轴交于点原点与轴交于点原点yCccyCcc(0,)0(0,)0,,,,,,,,,,,,,,cc,,00负半轴负半轴 ,,,,,,

二次函数错例分析

在解决与二次函数有关的问题时，往往由于审题不清、考虑不周而错解，为帮助大家纠正错误,正确灵活地应用二次函数的图像及性质，解决有关二次函数问题,现将常见原因所造成的错误剖析如下:

2k,3k，2，，k,3x，kx，1例1:如果函数y=是二次函数，那么k的值一定是______( 错解:根据二次函数的定义，得:

2k-3k+2=2，

解得k=0或k=3;

?当k=0或k=3时，这个函数是二次函数(

正解:根据二次函数的定义，得:

2k-3k+2=2，

解得k=0或k=3;

又?k-3?0，

?k?3(

?当k=0时，这个函数是二次函数(

点拨:二次函数二次项系数不为0是个易错点。

2y,2x，4x例2、求二次函数的顶点坐标

22y,2x，4xy,2(x，2),8错解:=，所以顶点坐标(-2，8)

正解: 222yxxxxx,，,，，,,，,2(2)2(211)2(1)2

得顶点坐标(-1，-2)

x,,h点拨:同学们应记住配方到y=a(x+h)2+m形式时x+h=0得顶点横坐标，顶点纵坐标就是m。该同学配方错误，在提取公因数2的时候一次项没提出来，同时按该同学配方结果-8这个整体才代表上面配方结果中的m。

例3:二次函数y=ax2+bx+c的图象如图所示，且P=|a-b+c|+|2a+b|，Q=|a+b+c|+|2a-b|，则P、Q的大小关系为P,Q(

p,q错解:

正解:根据图象知道:

当x=-1时，y,0，

?a-b+c,0;

当x=1时，y,0， ?a+b+c,0;

?对称轴在x=1的右边，

b,,12a?，两边同乘以-2a(-2a>0)得

; ?2a+b,0

?a,0，b,0，

?2a-b,0;

?P=|a-b+c|+|2a+b|= -a+b-c+2a+b=a+2b-c，

Q=|a+b+c|+|2a-b|=a+b+c-2a+b=-a+2b+c，

?图像过原点 ?c=0 ?P-Q= a+2b-c –(-a+2b+c)=2(a-c)=2a,0

?P,Q(

点拨:错解形式太多，无法全部写出。这里应注意:a决定二次函数开口方向，由图象开口

b,,12a向下判断出a,0，由对称轴在x=1右侧、得出，两边同乘以-2a得: 2a+b>0，当x=-1时图象在x轴下方，得出y,0，即a-b+c,0(当x=1时图象在x轴上方，得出y,0，即a+b+c,0，然后把P，Q化简利用作差法比较大小(

例3:如图是二次函数y=ax2+bx+c图象的一部分，图象过点A(-3，0)，对称轴为x=-1(给出两个结论:b2,4ac; 5a,b(它们正确的个数是

2错解:b,4ac正确，5a,b看不出，所以不正确。它们正确的个数是1个。

正解:?图象与x轴显然应有两个交点 2?b-4ac,0，

2即b,4ac，正确;

把x=1，x=-3代入解析式得a+b+c=0，9a-3b+c=0，两边相加整理得

5a-b=-c,0，即5a,b(

因此给出的两个结论都正确。

点拨:窍门就在当结论出现b2-4ac形式时，只考虑二次函数图像与x轴交点的个数;当出

bx,,2a现2a和b形式时只考虑的符号或者值是多少，当出现本题5a<><2c形式时，应想到由几个等式加减或其它变形而来，需要很高的创造性，这是试券中填空、选择题中的把关题。>

二次函数解析式的求法

二次函数的解析式的求法是学习的难点(它的基本思想方法是待定系数法。根据题目给出的具体条件，设出不同形式的解析式，找出满足解析式的点，求出相应的系数(最常用的是下面几种求法。

2y,a,，b,，ca,0一般式:当题目给出函数图像上的三个点时，设为一般式()，转化成一个三元一次方程组，以求得a，b，c的值;

顶点式:若已知抛物线的顶点顶点坐标为( h，k )或对称轴、极值，则设为顶点式

2，，y,ax,h，ka,0()(我们可以代人除顶点外的任意一个点的坐标来求出相应的系数a;

xx，，，00，，，，12两根式:已知图像与 x轴交于不同的两点，则设二次函数的解析式为

，，，，y,ax,xx,x12，根据题目条件求出a的值(

典型例题:根据下面的条件，求二次函数的解析式:

1(图像经过(1，,4)，(,1，0)，(,2，5)

2(图象顶点是(,2，3)，且过(,1，5)

9

23(图像与x轴交于(,2，0)，(4，0)两点，且过(1，,)

2,,a,，b,，ca,0解:1、由已知可设二次函数的解析式为:()，依题意得: ,,，，4abca,1,,

,,0,,，abcb,,2,,

,,542,,，abcc,,3,, 解得:

2y,x,2x,3？

2 a,02、由已知可设二次函数解析式为:y = a( x – h)+ k()，

？ 图象顶点是(,2，3)

？h=,2，k=3， 依题意得:5=a( ,1 + 2)2+3，解得:a=2

22x，8x，11？ y = 2( x +2)2 + 3=

,,a,012 3、设二次函数解析式为:y = a( x – ) ( x – )(()

？ 图像与x轴交于(,2，0)，(4，0)两点，

,,12？ =,2，=4

91

22？ 依题意得:,= a( 1 +2) ( 1– 4) a=

1312,,x,2222？ y = ( x +1) ( x – 4)=

指点迷津 二次函数图像的平移、旋转和翻折

研究二次函数的图像在其平移、轴对称、旋转的过程，实际就是如何确定其解析式，研究变化后图像性质的过程。最好的方法是找到变化后图像的特殊点，再求解析式，运用性质解题。

例1.将二次函数y=x2-2x-3的图像向上平移2个单位，再向右平移1个单位，得到的新的

a,b,2图像解析式为_____，新图像上有点(a,m)和(b,n)且那么m与n 的大小关系

,是m____ n(填“>”或者“”符号)

解:将y=x2-2x-3化为顶点式y=(x-1)2-4，将其图像向上平移2个单位，再向右平移1个单

a,0位，那么新解析式是y=(x-1-1)2-4+2= y=(x-2)2-2;因此新函数二次项系数，对称轴方

x,2a,b,2m,n程为x=2，所以时y随x的增大而减小，由可得。 点拨:二次函数图像经过平移变换不会改变图形的形状和开口方向，因此a值不变。二次函数平移规律.第一:上加下减，本题将其图像向上平移2个单位，就是在y=(x-1)2-4的-4后再加2.第二:左加右减，本题再向右平移1个单位是在括号内的-1后又减去1. 例2.求抛物线y=x2-2x-3关于x轴或y轴对称的抛物线的解析式。

解:y=x2-2x-3=(x-1)2-4，a值为1，其顶点坐标为(1，-4)，若关于x轴对称，新二次项系数为-1，新的顶点坐标为(1，4)，故解析式为y=-(x-1)2+4;若关于y轴对称，a值仍为1，新的顶点坐标为(-1，-4)，因此解析式为y=(x+1)2-4。

点拨:二次函数图像关于x轴对称的图像，其形状不变，但开口方向相反，因此a值为原来的相反数。顶点位置改变，只要根据关于x轴对称的点的坐标特征求出新的顶点坐标，即可确定其解析式。二次函数图像关于y轴对称的图像，其形状和开口方向都不变，因此a值不变。但是顶点位置会改变，只要根据关于y轴对称的点的坐标特征求出新的顶点坐标，即可确定其解析式。

2 例3.将抛物线y=x-2x+3绕坐标系原点旋转180?，则所得的抛物线的函数解析式为________ 2 分析:y=x2-2x+3=(x-1)+2中，a值为1，顶点坐标为(1，2)，抛物线绕原点

2(0，0)旋转180?后，a值为-1，顶点坐标为(-1，-2)，故解析式为y=-(x+1)-2，则所得的抛

2物线的函数解析式为y=-x-2x-3

点拨:二次函数图像的顶点绕原点旋转180?的图像不会改变二次函数的图像形状，开口方向相反，因此a值只会为原来的相反数，但顶点坐标不变，故很容易求其解析式，但仅仅听老师讲效果较差，应该在网上下载几何画板软件，借助软件观察图形的性质，理解的才

深刻。

典例剖析 已知y是x的二次函数，且其图象在x轴上截得的线段AB长4个单位，当x=3时，y取得最小值-2((1)求这个二次函数的解析式;(2)若此函数图象上有一点P，使?PAB的面积等于12个平方单位，求P点坐标(

分析:(1)根据抛物线的对称轴为x=3，以及AB=4，可求得A、B的坐标，然后根据其顶点坐标用顶点式求二次函数解析式。设抛物线的解析式，然后将A或B点的坐标代入抛物线中即可求得二次函数的解析式(

(2)已知了AB的长，可根据三角形的面积求得P点纵坐标的绝对值，然后代入抛物线的解析式中即可求得P点的坐标(

解:(1)?当x=3时y取得最小值-2(

即抛物线顶点为(3，-2)且开口朝上。

2，，a,0?设二次函数解析式为y=a(x-3)-2(的对称轴x=3

又?图象在x轴上截得线段AB的长是4，(由题意画右面草图)

?图象与x轴交于(1，0)和(5，0)两点(

2，，a1,3,2,0?，

1

2222222?a=， AABB

15

2x22?所求二次函数解析式为y= -3x+(

(2)??PAB的面积为12个平方单位，|AB|=4(

? 12×4×|Py|=12，

?|Py|=6，

?Py=?6(

但抛物线开口向上，函数值最小为-2，

?Py=-6应舍去，

?Py=6又点P在抛物线上，

1523x,x，？x,,1.x,72212?6= (

即点P的坐标为(-1，6)或(7，6)(

附:教案格式模板

所在单位

所属教研室

课 程 名 称

授 课 教 师

《******》教案(宋体二号，标题加粗) 一、课 程 性 质: (注:填公共基础必修课、公共基础选修课、专业基础必

修课、专业核心必修课、师范技能必修课、师范技能选修课)

二、总学时?学分:

三、课程类型:理论课( ) 实践(含实验)课( ) 四、学时分配:理论课( )学时 实践(含实验)课( )学时 五、授课专业、层次:

六、本课程的教学目的和要求:

七、本课程的教学重点、难点:

八、教材和参考书:

《******》教案内容(宋体二号，标题加粗) 一、章节内容: (正文:宋体五号，标题加粗，18磅) 二、课 时:

三、教学目的:

四、教学重点与难点:

五、教学方法:

六、教学过程设计:

小结:

七、作业布置:

八、教具:

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华师大版数学九下《二次函数》word精读精练1(附答案)12

二次函数同步辅导3

错例分析

在解决与二次函数有关的问题时，往往由于审题不清、考虑不周而错解，为帮助大家纠正错误,正确灵活地应用二次函数的图像及性质，解决有关二次函数问题,现将常见原因所造成的错误剖析如下:

2例1:不论x为何值，函数y=ax+bx+c(a?0)的值恒大于0的条件是( ) A、a,0，?,0 B、a,0，?,0 C、a,0，?,0 D、a,0，?,0

错解:选C

正解:欲保证x取一切实数时，函数值y恒为正，则必须保证抛物线开口向上，且与x轴无交点;则a,0且?,0(

故选B(

点拨:当x取一切实数时，函数值y恒为正的条件:抛物线开口向上，且与x轴无交点; 当x取一切实数时，函数值y恒为负的条件:抛物线开口向下，且与x轴无交点( 例2:下列命题:

2?若a+b+c=0，则b-4ac?0;

2?若b,a+c，则一元二次方程ax+bx+c=0有两个不相等的实数根;

2?若b=2a+3c，则一元二次方程ax+bx+c有两个不相等的实数根;

2?若b-4ac,0，则二次函数的图象与坐标轴的公共点的个数是2或3( 其中正确的是( )

A、 只有??? B、只有??? C、只有?? D、只有???

错解:选C

222正解:?b-4ac=(-a-c)-4ac=(a-c)?0，正确;

?中由b,a+c不能推出结论，错误;

2222222?b-4ac=4a+9c+12ac-4ac=4(a+c)+5c，因为a?0，故(a+c)与c不会同时为0，所

2以b-4ac,0，正确;

?二次函数与y轴必有一个交点，而这个交点有可能跟图象与x轴的交点重合，故正确( 故选B(

2点拨:???小题利用移项与变形b-4ac与0的大小关系解决;处理第?小题时不要疏忽

2二次函数y=ax+bx+c与y轴的交点情况(

k 2例3. (2011江苏无锡)如图，抛物线y = x + 1与双曲线y = 的交点A的横坐标是1，则x

y k 2关于x的不等式 + 1 < 0的解集是="" (="" )="" +="" xxa="">

x

(第3题)

A(x > 1 B(x < c(0="">< x="">< 1="" d(?1="">< x="">< 0="">

k 2错解:?抛物线y=x+1与双曲线y=的交点A的横坐标是1， x

k 2?关于x的不等式+1,0的解集是x > 1( +xx

k k 22正解:? + 1 < 0="" +="" 1)="" +="" x=""><>

k 2?所求不等式的解就是:y= = -(x + 1)图像上y

k2?抛物线y=x+1与双曲线y=的交点A的横坐标是1， x

k2?抛物线y=-(x+1)与双曲线y=的交点B的横坐标是-1，(如右图所示) yy11xyy22k2 ?关于x的不等式+x+1,0的解集是-1,x,0(故选D x

点评:本题主要考查了二次函数与不等式(解答此题时，用数形结合根据图象解不等式。

22难点在于要找y=x+1关于x轴对称的图像y = -(x + 1)是个难点。 2

2例4:关于二次函数y=ax+bx+c的图象有下列命题:

?当c=0时，函数的图象经过原点;

2?当c,0，且函数的图象开口向下时，方程ax+bx+c=0必有两个不相等的实根;

24acb,?函数图象最高点的纵坐标是; 4a

?当b=0时，函数的图象关于y轴对称(

其中正确命题的个数是( )

A、1个 B、2个 C、3个 D、4个

错解:选C

2正解:(1)c是二次函数y=ax+bx+c与y轴的交点，所以当c=0时，函数的图象经过原点;

2(2)c,0时，二次函数y=ax+bx+c与y轴的交点在y轴的正半轴，又因为函数的图

2象开口向下，画草图可知方程ax+bx+c=0必有两个不相等的实根;

24acb,(3)当a,0时，函数图象最高点的纵坐标是;当a,0时，函数图象最低4a

24acb,点的纵坐标是; 4a

2222(4)当b=0时，二次函数y=ax+bx+c变为y=ax+c，又因为y=ax+c的图象与y=ax图象相同，所以当b=0时，函数的图象关于y轴对称(

四个都正确，故选D(

24acb,2点拨:注意，二次函数y=ax+bx+c的最值:当a,0时，函数的最大值是;当a4a

24acb,,0时，函数的最小值是( 4a

一点就通

二次函数的轴对称性很重要，若能巧妙使用就会给解题带来方便。 例(二次函数当x,4时有最小值,3，且它的图象与x轴两交点间的距离为6，求这个二次函数的解析式。

分析:因为二次函数当x,4时有最小值,3，所以顶点坐标为(4，,3)。由于图象与x轴两交点间的距离为6，根据图象的对称性就可以得到图象与x轴两交点到对称轴的距离都是3.

解::因为二次函数当x,4时有最小值,3，所以顶点坐标为(4，,3)，对称轴为直线x,4，抛物线开口向上。由于图象与x轴两交点间的距离为6，根据图象的对称性就可以得

66到图象与x轴两交点的横坐标是想x=4-=1,x=4+=7,所以:图象与x轴两交点为(1，1222

0)和(7，0)。

12将(1，0)代入得0,a(1,4),3, 解得 a, 3

118722 ?y,(x,4),3 即y,x,x， 3333

1872 ? 所求二次函数解析式为:y,x,x， 333

点评:此题关键在于利用对称轴找出抛物线与x轴的交点坐标，可用一般式解，也可以用双根式或顶点式或顶点坐标公式来解。

典例剖析

2(2011?张家界)如图，抛物线y=ax+bx经过点A(-4，0)、B(-2，2)，连接OB、AB， (1)求该抛物线的解析式(

(2)求证:?OAB是等腰直角三角形(

(3)将?OAB绕点O按逆时针方向旋转135?，

得到?OA′B′，写出A′B′的中点P的坐标，

试判断点P是否在此抛物线上(

(4)在抛物线上是否存在这样的点M，使得四边形

ABOM成直角梯形，若存在，请求出点M坐标及该

直角梯形的面积，若不存在，请说明理由(

2分析:(1)将A(-4，0)、B(-2，2)代入抛物线解析式y=ax+bx，列方程组求a、b的值即可;

(2)根据所求抛物线解析式求抛物线的顶点坐标，判断三角形的形状; (3)根据?OAB的形状，旋转方向，旋转角，画出图形，可求A′、B′的坐标，根据中点坐标公式求P的坐标，代入抛物线解析式进行判断;

(4)存在(过点O，作OM?AB交抛物线于点M，根据?OAB为等腰直角三角形，可求直线OM的解析式，与抛物线解析式联立，可求M点坐标，同理，过点A，作AM′?OB交抛物线于点M′，联立方程组可求M′的坐标，由图形的特殊性可知，两种情况下，梯形面积相等，根据梯形面积公式求解(

点评:本题考查了二次函数的综合运用(关键是根据题意求抛物线解析式，根据解析式确定图形的特殊性(

指点迷津

2(0)a,yaxaxa,，,23H(福建福州2011)已知,如图11,二次函数图象的顶点为,

3yx,，3l3xABBAHB与轴交于、两点(在点右侧),点、关于直线:对称.

lAAB(1)求、两点坐标,并证明点在直线上;

(2)求二次函数解析式;

NllBBKAHKMAH(3)过点作直线?交直线于点,、分别为直线和直线上的两个

HNNMHNNMMK，，MK动点,连接、、,求和的最小值.

yy

ll

HHKK

BOAOBx Ax

图11 备用图

2分析:(1)求出方程ax+2ax-3a=0(a?0)，即可得到A点坐标和B点坐标;把A的坐标代入直线l即可判断A是否在直线上;

3x，3(2)根据点H、B关于过A点的直线l: y=对称，得出AH=AB=4，过顶点H3

作HC?AB交AB于C点，求出AC和HC的长，得出顶点H的坐标，代入二次函数解析式，求出a，即可得到二次函数解析式;

3x，3(3)解方程组y=和y=，即可求出K的坐标，根据点H、B关于3x,33

直线AK对称，得出HN+MN的最小值是MB，过点K作直线AH的对称点Q，连接QK，交直线

AH于E，得到BM+MK的最小值是BQ，即BQ的长是HN+NM+MK的最小值，由勾股定理得QB=8，

即可得出答案(

2(0)a,axaxa，,,230解:(1)依题意,得

x,,3x,112解得,

BA?点在点右侧

(30),,(10),AB?点坐标为,点坐标为

3yx,，33l?直线:

3y,，,，,(3)303x,,3y当时,

lA?点在直线上

3Hyx,，3K3lHBA(2)?点、关于过点的直线:对称

AHAB,,4 ?

HCAB,CHAB 过顶点作交于点 BCOAx

1ACAB,,2HC,232则,

H(1,23), ?顶点

3a,,2 代入二次函数解析式,解得

3332yxx,,,，322 ?二次函数解析式为

yx,，333AH(3)直线的解析式为

yx,,33BK 直线的解析式为

,3,x,3yx,，3 由 解得 即,则BK,4 K(3,23),3,y,23,yx,,33,

HBAK ?点、关于直线对称

KDKE,,23MB ?的最小值是, HNMN，

QQKKAHAHE 过点作直线的对称点,连接,交直线于

QMMK,AEQK,则,, QEEK,,23

BQBQBMMK， ?的最小值是,即的长是的最小值 HNNMMK，，

11

?? BKAHyQ ?，,，,:BKQHEQ90

由勾股定理得QB,8 ElM ?的最小值为 HNNMMK，，8H K

N

ODBAx

点评:本题主要考查对勾股定理，解二元一次方程组，二次函数与一元二次方程，二次函数与X轴的交点，用待定系数法求二次函数的解析式等知识点的理解和掌握，综合运用这些性质进行计算是解此题的关键，此题是一个综合性比较强的题目，有一定的难度(

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所在单位

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《******》教案(宋体二号，标题加粗)

一、课 程 性 质: (注:填公共基础必修课、公共基础选修课、专业基础必修课、专业核心必修课、师范技能必修课、师范技能选修课)

二、总学时?学分:

三、课程类型:理论课( ) 实践(含实验)课( )

四、学时分配:理论课( )学时 实践(含实验)课( )学时

五、授课专业、层次:

六、本课程的教学目的和要求:

七、本课程的教学重点、难点:

八、教材和参考书:

《******》教案内容(宋体二号，标题加粗)

一、章节内容: (正文:宋体五号，标题加粗，18磅)

二、课 时:

三、教学目的:

四、教学重点与难点:

五、教学方法:

六、教学过程设计:

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