一、基礎物理學
(一)熱力學三定律
熱、電磁、光等現(xiàn)象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉化，并且遵循能量守恒定律。
熱力學第一定律：熱力學系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內能；不可能造出既不需外界能量又不消耗系統(tǒng)內能的永動機。
熱力學第二定律：熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把一部分傳給低溫熱源。根據(jù)這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100%。
熱力學第三定律：在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(-273攝氏度)時，物質系統(tǒng)(分子或原子)無規(guī)則的熱運動將停止。絕對零度不可能達到，但是可以無限趨近。
(二)電磁理論
1864年，麥克斯韋預言了電磁波的存在，并預言光是一種電磁波。1888年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波。麥克斯韋的電磁理論成為描述電磁運動的基本理論，被稱為自然科學的第三次理論大綜合。
二、現(xiàn)代物理學
現(xiàn)代物理學通常是指20世紀初開始發(fā)展起來的物理學，包括相對論、量子力學、原子和原子核物理學、粒子物理學等，是物理學的重要組成部分。
(一)粒子物理學
粒子物理學研究比原子核更深層次的微觀世界，物質的結構性質和在很高的能量下，這些物質相互轉化的現(xiàn)象，以及產生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律。
迄今，人們已認識到構成物質的最小組成為三種粒子：輕子、夸克、媒介子。
作用在物質上的所有的力可歸結為三種：引力、強力、統(tǒng)一的電弱力。(傳統(tǒng)上將力分為四種：引力、電磁力、強力和弱力。上世紀60年代，物理學家發(fā)現(xiàn)弱力和電磁力是可以統(tǒng)一起來的，它們是一種事物的不同側面，統(tǒng)稱電弱力)
(二)相對論
相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質。相對論引發(fā)了現(xiàn)代物理學革命，同時也深刻地影響了人類的時空觀。相對論包括狹義相對論和廣義相對論。
(三)量子力學
量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規(guī)律的物理科學。量子力學的產生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。
三、現(xiàn)代宇宙學
廣義相對論是現(xiàn)代宇宙學研究的理論基礎。
1.多普勒效應物理學是測定物體運動速度的有力手段。利用光波波長的相對移動量與相對運動速度成正比來測量物體的運動速度。科學家利用多普勒效應證實了宇宙是不斷膨脹的大爆炸理論。
2.通過電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學家們可以對宇宙的結構、起源和演化進行研究。比如，利用光學望遠鏡可以接收到可見光傳來的天體信息；利用射電望遠鏡可以接收天體傳來的射電波；利用裝置著探測天體的紅外線、紫外線、X射線和丁射線等各種儀器的衛(wèi)星、高能天文臺，接收全部電磁波傳來的信息，研究不同類型的天體狀況，分析宇宙的結構和它們的演化過程。
3.黑洞：所謂“黑洞”，是引力場很強的一種天體，就連光也不能逃脫出來。恒星的半徑小到一特定值(天文學上叫“史瓦西半徑”)時，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。
4.在20世紀40年代末，美國物理學家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。認為，宇宙起源于160億年前的一次大爆炸。在大爆炸后，四種基本力，即引力、強力、弱力和電磁力逐一地分化出來。后來，物質形態(tài)依次演化為原子、氣態(tài)物質、各種恒星體系，最后發(fā)展成今天的宇宙。
四、四大生物工程技術
細胞是一切生命體的基本單位；蛋白質是構成生物體的主要成分，是構成細胞的基本物質材料；核酸同生物的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳和變異有著密切的關系?，F(xiàn)代生物發(fā)展新技術的主要內容就是生物工程技術，它包括基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程和酶工程四個方面。
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原理 |
結果 |
應用 |
| 基因工程 | DNA重組轉基因 | 基因改變改良生物品種和創(chuàng)造新品種 | 胰島素、雜交水稻、轉基因食品 |
| 細胞工程 | 細胞融合、核質移植染色體或基因移植 | 創(chuàng)造新物種 | 克隆技術、染色體工程、干細胞工程 |
| 發(fā)酵工程（微生物工程） | 微生物的特定功能 | 醬油、醋、味精、抗生素 | |
| 酶工程 | 酶的催化功能 | 蛋白酶、加酶洗衣粉 |
關鍵詞一：雜交水稻
“雜交水稻之父”——袁隆平
關鍵詞二：轉基因食品
轉基因食品是利用現(xiàn)代分子生物技術，將某些生物(包括動物和植物)的基因轉移到其他物種中去，改造生物的遺傳物質，使其在形狀、營養(yǎng)品質、消費品質等方面向人們所需要的目標轉變。
關鍵詞三：克隆技術
克隆技術是利用生物技術由無性生殖產生與原個體有完全相同基因組的后代的過程?？茖W家把人工遺傳操作動物繁殖的過程叫克隆，這門生物技術叫克隆技術，含義是無性繁殖。
關鍵詞四：干細胞技術
干細胞技術又稱為再生醫(yī)療技術，是指通過對干細胞進行分離、體外培養(yǎng)、定向誘導、甚至基因修飾等過程，在體外繁育出全新的、正常的甚至更年輕的細胞、組織或器官，并最終通過細胞組織或器官的移植實現(xiàn)對臨床疾病的治療。
五、能源技術與節(jié)能減排
能源是指人類能夠獲取利用的能量資源。
能源按其來源可分為三類：第一類是來自地球以外的太陽能，包括由太陽能轉化形成的化石資源(煤、石油、天然氣等)、生物質能、水能、風能、海洋能等資源。第二類是地球本身蘊藏的能量資源，主要是核裂變能、核聚變能及地熱能資源。第三類是地球和月球、太陽等天體之間有規(guī)律的運動所形成的能源，如潮汐能等。
按其能否重復產生，又可分為可再生能源和非再生能源?？蛇B續(xù)再生、連續(xù)利用的能源稱為可再生能源，如風能、水能、太陽能等。經過億萬年形成的、短期內無法恢復的能源，稱為非再生能源，如原煤、原油、天然氣等。
能源分為傳統(tǒng)能源和新能源兩種。新能源最主要的特點在于污染小、儲量大。關注新能源技術，是我國推行低碳經濟的一個重要方面。
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原理 |
特點 |
應用 |
現(xiàn)狀（不足） |
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| 太陽能 | 光電效應或者光化學效應 | 普遍、無害、量大、長久 | 太陽能電池光伏產業(yè) | 太陽能利用裝置效率低 |
| 風能 | 風能—不穩(wěn)定的電能—化學能—電能 | 資源量大 | 風力發(fā)電 | 地域性、風量不穩(wěn)定 |
| 生物質能 | 燃燒 | 分布廣、儲量大 | 我國以“秸稈能源”為代表 | 熱值及熱效率低 |
| 氫能 | 燃燒 | 燃燒值高、無污染 | 工業(yè)生產、液態(tài)氫可作火箭燃料 | 制氫成本高 |
| 可燃冰 | 燃燒 | 燃燒值高、污染小、數(shù)量大 | 目前主要在開采階段 | 儲存和利用難，產生的甲烷廢氣可能產生溫室效應 |
| 核能 | 核裂變 | 無污染 | 核電廠利用核裂變發(fā)電 | 發(fā)電廠熱效率低，核廢料處理困難 |
相關知識點
1.在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。
2.風力機的兩個發(fā)展方向：大型化——風輪直徑長達100米;小型化——風輪僅有0.8米。
3.丹麥是世界風能發(fā)電大國和發(fā)電風輪生產大國，是世界上的“風車大國”。
4.2009年9月，中國在青藏高原發(fā)現(xiàn)凍土層可燃冰。
能源動態(tài)鏈接
關鍵詞一：節(jié)能減排
******************主席向國際社會承諾，爭取到2020年我國非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右;******************總理主持召開國務院常務會議，決定到2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。
關鍵詞二：清潔能源
此次評選的“十大能源新聞中”，涉及風電、水電、核電等清潔能源的新聞有四條，分別是：
1.我國第一座千萬千瓦級風電示范基地——甘肅酒泉風電基地開工建設。
2.浙江三門、山東海陽、廣東臺山等三個核電項目先后開工。
3.青海拉西瓦水電站6號機組投產標志著我國電力裝機突破了8億千瓦。
4.十一屆全國人大常委會第十二次會議表決通過關于修改可再生能源法的決定。
六、材料工程
材料是人類能用來制作有用物件的物質。新材料技術是按照人的意志，通過物理研究、材料設計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術。
新材料按組分，有金屬材料、無機非金屬材料(如陶瓷、砷化鎵半導體等)、有機高分子材料、先進復合材料四大類。按材料性能分，有結構材料和功能材料兩類。
功能材料主要是利用材料具有的電、磁、聲、光熱等效應，以實現(xiàn)某種功能，如半導體材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、隱身材料和制造原子彈、氫彈的核材料等。
(一)半導體材料
半導體材料是電導率介于導體與絕緣體之間的功能材料，是當代電子信息領域中最重要的新材料。
半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料的電導率。
單晶硅是主要的半導體材料。近年來開發(fā)的低電耗的化合物砷化鎵很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導體材料。
(二)超導材料
荷蘭物理學家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量。這一現(xiàn)象叫做超導現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導現(xiàn)象的物質叫做超導體。
零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。
超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。
根據(jù)臨界溫度的不同，超導材料可以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料。高溫超導體，它通常是指在液氮溫度(77K)以上超導的材料。因此這里所說的“高溫”，仍然遠低于冰點0℃。
(三)納米材料
納米是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一。當物質到納米尺度以后，大約是在1～100納米這個范圍之間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。納米材料，是指結構單元的尺寸介于1～100納米范圍之間的材料。其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質。
納米材料是納米科技的基礎，功能納米材料是納米材料科學中最富有活力的領域，它對信息、生物、能源、環(huán)境、宇航等高科技領域，將產生深遠的影響并具有廣闊的應用前景。
(四)能源材料
能源材料往往指那些正在發(fā)展的、能支持建立新能源系統(tǒng)滿足各種新能源及節(jié)能技術的特殊要求的材料。
目前比較重要的新能源材料有：
(1)裂變反應堆材料，如鈾、钚等核燃料、反應堆結構材料、慢化劑、冷卻劑及控制棒材料等。
(2)聚變堆材料：包括熱核聚變燃料、第一壁材料、氚增值劑、結構材料等。
(3)高能推進劑：包括液體推進劑、固體推進劑。
(4)燃料電池材料：如電池電極材料、電解質等。
(5)氫能源材料：主要是固體儲氫材料及其應用技術。
(6)超導材料：傳統(tǒng)超導材料、高溫超導材料及在節(jié)能、儲能方面的應用技術。
(7)太陽能電池材料。
(8)其它新能源材料：如風能、地熱、磁流體發(fā)電技術中所需的材料。
新材料在國防建設上作用重大。例如，超純硅、砷化鎵研制成功，導致大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，使計算機運算速度從每秒幾十萬次提高到現(xiàn)在的每秒萬億次以上;航空發(fā)動機材料的工作溫度每提高100℃，推力可增大24%;隱身材料能吸收電磁波或降低武器裝備的紅外輻射，使敵方探測系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)等等。
七、計算機與通信技術
(一)通信技術
現(xiàn)代通信技術主要包括數(shù)字程控交換技術、綜合業(yè)務數(shù)字通信網技術、光纖通信技術和數(shù)字微波、衛(wèi)星通信技術等領域。
1、數(shù)字移動通信技術
數(shù)字移動通信是移動體之間或移動體與固定體之間的無線電信息傳輸和交換。它安裝方便，組網迅速，機動性、靈活性、經濟效益均好，是無線通信中有強大生命力的領域。它與光纖通信構成了現(xiàn)代通信技術的兩大發(fā)展趨勢。
2、3G
3G是指第三代移動通信技術，3G與2G的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠在全球范圍內更好地實現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務在內的多種信息服務。
國際電信聯(lián)盟(ITU)在2000年5月確定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流無線接口標準，寫入3G技術指導性文件《2000年國際移動通訊計劃》。其中TD-SCDMA標準是由我國獨自制定的3G標準。
3、物聯(lián)網
物聯(lián)網是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網已經成為繼計算機、互聯(lián)網與移動通信網之后的世界信息產業(yè)第三次浪潮。物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網，是在互聯(lián)網基礎上的延伸和擴展;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。
物聯(lián)網在我國的應用也早已存在，比如商品條形碼、RFID等等，都是通過射頻技術，通過感應物體上置入的芯片來獲知其具體信息。
4、光纖通信
光纖通信就是利用光波在光導纖維中傳遞各種信息。光纖是用石英玻璃制造的，由兩層組成。
光纖通信的優(yōu)點：(1)通信容量大;(2)傳輸損耗低;(3)經濟、輕便;(4)抗干擾能力強;(5)保密性能好。
(二)計算機基礎知識
計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。衡量計算機性能的主要指標有：(1)字長。位數(shù)越多，字長越長，進行數(shù)值計算的精度也就越高;(2)容量。我們通常把8位二進制作為一個單位來計算存儲器的容量，取名為字節(jié);把1024個字節(jié)稱作1K字節(jié)。計算機內存儲量再上升一個數(shù)量級，就以兆(即M，1M=1024K)字節(jié)計，兆以上的數(shù)量級是G(1G=1024M);(3)運算速度。
1、計算機硬件系統(tǒng)
硬件是指組成計算機的各種物理設備，也就是那些看得見，摸得著的實際物理設備。它包括計算機的主機和外部設備。具體由五大功能部件組成，即：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。
2、計算機軟件系統(tǒng)
計算機軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調計算機及其外部設備，支持應用軟件的開發(fā)和運行的軟件。其主要的功能是進行調度、監(jiān)控和維護等等。系統(tǒng)軟件是用戶和裸機的接口。
應用軟件是為解決某一領域的具體問題而編制的程序，如財務管理、文字處理、情報檢索、工程設計、交通指揮、宇航控制、大地測量等領域的專用軟件。其中通用化和商品化了的部分被稱為軟件包。世界各國都十分重視軟件研究，其投資額通常占軟硬件投資總額的80%以上。
