地球科学中的正反问题

地球科学概论课件绪论一、名词解释地球系统：地球由固体地圈（地核、地幔、岩石圈）、流体地圈（大气圈、水圈）和土壤圈、生物圈（含人类圈）组成一个开放的复杂的巨系统，称为地球系统。

地球表层：指的是和人最直接有关系的那部分地球环境（即岩石圈、水圈、大气圈、生物圈相互交替、渗透的部分）。

二、论述题1）地球科学研究的重要意义？⑴地球是人类在宇宙中赖以生存和发展的唯一家园⑵人口、资源、环境是人类21世纪面临的三大基本问题（资源严重短缺固体矿产，能源，水资源，环境污染严重大气污染水污染）生物多样性是人类生存的基础⑶人们从改造地球表层正反两方面的收益与教训中逐渐认识到，人类社会的发展最终要受到地球表层的遏制。

人类无限制的发展，只能带来灾难，人类只有与地球表层环境相协调，才能持续发展。

人类要向生物学习，顺应地球表层自然演变规律，与地球表层协同进化。

⑷21世纪的建设者和领导者为了实现可持续发展，需要以地球系统科学的新地球观从整体上来认识地球并关注当前资源、环境热点问题。

因此，我们必须将地球系统作为一个整体进行研究，为政府实现人类人口、资源、环境与经济社会的协调发展的宏观决策中（发展规划与法规建设）提供科学理论基础。

2）地球科学的特点？全球性20世纪60年代板块构造学说的出现，首先在固体地球研究中建立了全球观概念。

全球监测与国际合作调查研究的时间尺度的极大差异性调查研究的空间尺度的极大差异性现实主义类比研究方法第1章宇宙中的行星地球一、名词解释太阳系：太阳系位于银河系中心约27000光年，距银河系边缘23000光年。

约2亿年环绕银心一周太阳系以海王星的轨道为界。

包括：1颗恒星，8颗行星，66颗卫星，一些小行星，彗星，星际物质等。

彗星：彗星也是围绕太阳旋转的天体。

不过它们质量很小，是一种云雾状小天体，围绕太阳旋转的轨道是十分扁长的椭圆。

距离太阳近的时候，从彗核蒸发出大量物质抛洒在远离太阳的方向，形成光带，称为彗尾。

在太阳系中，现已发现1600多颗彗星。

看看科学的4大难题解释科学界的4大难题，已困扰人类上百年，谁能揭开便能夺得诺贝尔奖王丽江说美食大鱼号原创 2019-4-26小时前这四个问题被公认为人类历史的四大难题，第一个问题是人类对生命起源的思考，生命是从何起源的，之后又是如何演化的呢？由于人类历史只有五百万年左右，人类文明只有一万年左右，要对十几亿年前的事情进行探索是非常困难的。

这个问题分为两个来回答，1、假如宇宙有高等生物(人类)，在有条件下人类来到地球上。

因为太空中有有机物，是炭、水和无机物在宇宙电磁场或者是电磁力的作用合成有机物，细胞等等。

2、是在地球诞生的生命，地球上如果没有水，是不会有生命的。

当非常干枯的地球(要有大量炭)遇到一个水球时，形成一个由水和无机物组成新的地球诞生了，在太阳、地球、宇宙的变化电磁场或者是电磁力作用下生成最低级的有机物。

在电磁力的引力作用下，由小分子慢慢变成了大分子，原子之间、分子不但有引力，而且还有斥力，斥力使分子变小，分子结构中的各个基本粒子都是处在基本平衡位置。

粒子也好，原子也罢都是电磁粒子的集合，或者说是电磁体，在变化的电磁力（引力、斥力）作用下，分子大小不断的变化，形成简单的生物，又由简单的生物变化成为复杂的生物，由低等生物慢慢变化成为高等生物。

原子是一个电磁场，原子是一个带电的粒子，用激光加热原子，原子之间还有电流，德国汉堡大学物理系科学家仅用热量就探测到了表面原子的磁性态，扫描隧道显微镜的尖端被激光束加热，产生用于读取磁性原子信息的电压。

若原子不带电，那么加热原子会有电压吗？那么也就没有生命了，也就没有人类了，这个变化的过程是相当慢长的，变化速度也是相当、相当慢慢的。

宇宙、地球都是一个变化的电磁场，任何物体任何两点都有变化的电参数，故生物有变异功能。

任何一种原子都有半衰期，半衰期就是变化，原子都会变化，那么物质的变化就不要说了，生物也不例外。

大家可能看到过，一根管道通上液体氮气或者液体氧气，会看到白色的物质慢慢长长和长大，你可能会说，那是水分冷却的结果，都是道理都是一样，只是看到的明显不明显。

对科学中反实在论的理解与看法近几年，一些科学家发现反物质，也称为超反物质，它被称为“世界上最遥远的同类物”，虽说还未被人类直接所利用，但它是人类梦寐以求的东西。

如果把地球上的反物质全部收集起来，那么，宇宙中所有的物质加在一起也比不上这颗星球上的反物质多。

我想，这就是“反物质”吧！正所谓“虚无缥缈”，这就是反物质存在的表现吧！我认为：物理、化学中的反实在论应该是：“没有物质存在，只有物质间的相互转换。

”在初中时，我曾看到过这样一篇文章《虚空——科学之谜》，文章讲述了美国科学家在宇宙线中发现一种自身能量极低的射线——“电子”，这种射线的威力和我们平时见到的“ X 光线”相当。

一位名叫鲁宾·汉森的科学家认为：这种射线是“一个独立的粒子流”，但这个粒子流似乎是“由一群分散的微粒组成的”。

他得出的结论是：这种粒子“不会湮灭，因此也就不会出现”，它将永恒地处于“生成、湮灭或转换”之中，它也将永恒地“冷却”。

然而，大多数科学家认为：这些电子的行为像极了真空状态下发射出来的“伽马射线”和“宇宙射线”。

可又有谁能用现代科学理论解释这种粒子呢？假如这种粒子在天空中传播的速度越来越快，而且永远保持下去的话，那么它就会很快与宇宙的其他部分融合在一起；另一方面，它却是以每秒几十万公里的速度沿着银河系高速前进。

它又是怎样穿透厚厚的大气层、跨过宇宙，甚至走完那漫长的旅途的呢？1.提出反实在论这种观点的人是经过了长期的实践验证的。

提出这种观点的科学家，首先要从科学的角度去观察一些生活中的现象，提出反常的现象，从中找出反常的理论。

当我们注意到自然界某一现象与已知的事实不符时，应进一步去寻找这些反常的原因，从中找出规律性的东西。

2.物质是可以用某种科学理论去定义的。

这个理论必须是正确的，在任何情况下都能说明一些问题。

例如，正电子、电子是实在的；自由基是实在的； X射线、伽马射线等属于电磁波谱的一部分，它们是实在的；正反物质、负反物质、光子等同属于物质范畴，它们也是实在的。

地球物理反演的原理与方法地球物理反演是一种通过地球物理观测数据来推断地下介质性质和结构的方法，它在地球科学研究、资源勘探和环境监测等领域具有重要的应用价值。

本文将介绍地球物理反演的原理和常用的反演方法。

一、地球物理反演的原理地球物理反演的原理基于地球物理学中的物理规律和数学原理，通过分析和处理地球物理观测数据来推断地下介质属性。

主要涉及的物理量包括地震波传播速度、电磁波传播速度、重力场和磁场等。

1. 地震波原理：地震波是在地震或人工激发下，传播到地下并在介质中传播的波动现象。

地震波的传播速度与地下介质的密度、速度、衰减等有关，通过地震波的观测数据可以反演地下介质的速度结构。

2. 电磁波原理：电磁波是由变化的电场和磁场相互作用产生的波动现象。

地下介质的电磁性质会对电磁波的传播速度和衰减造成影响。

通过电磁波在地下的传播特性，可以反演地下介质的电阻率、磁导率等物理属性。

3. 重力场原理：重力场是由地球引力场和地壳、岩石体积密度变化所引起的。

重力场的测量数据可以反演地下介质的密度分布和构造特征。

4. 磁场原理：地球磁场的强度和方向受到地下岩石体磁性和磁化程度的影响。

通过采集和处理地磁场观测数据，可以反演地下介质的磁性特征。

二、地球物理反演的方法地球物理反演的方法主要包括正问题和反问题。

正问题是在已知地下介质模型的情况下，计算预测地球物理观测数据。

反问题则是根据地球物理观测数据，反推出地下介质模型及其属性。

1. 正问题方法正问题方法是在已知地下介质模型的情况下，通过物理规律和数学计算，推导出对应的地球物理观测数据。

常用的正问题方法有有限差分法、有限元法和射线追迹法等。

这些方法可以模拟地震波、电磁波、重力场和磁场等在地下介质中的传播过程。

2. 反问题方法反问题方法是通过分析和处理地球物理观测数据，推断地下介质的属性。

反问题的核心是求解最优化问题，即通过最小化目标函数来获得最佳的地下介质模型。

常用的反问题方法包括反演算法和数据处理技术。

地球方向的判定原则
地球方向的判定原则是指在地球上判断方向的基本原则。

这个原则是以地球自转和地球的磁场为基础的。

我们知道地球自转的方向是从西向东。

因此，当我们朝向太阳时，我们的左手指向北极，右手指向南极。

这就是最基本的判定方向的方法。

地球的磁场也是一个判定方向的重要参考。

我们可以使用指南针来判断方向，因为指南针指向的是地磁北极。

只要我们知道地磁北极的位置，就可以通过指南针来确定方向。

我们还可以通过天文现象来判断方向。

例如，在北半球，极星位于天空中心的正上方，因此只要找到极星，就可以确定北方的位置。

还有一种判定方向的方法是使用地标。

例如，我们可以根据建筑物、山脉、河流等地标来确定方向。

这种方法虽然不太精确，但在缺乏其他方法时也是一种可行的选择。

总的来说，地球方向的判定原则是基于地球自转和地球磁场的，通过多种方法可以确定方向。

无论是在户外探险还是生活中，了解这些方法都可以帮助我们更好地确定方向。

教科版（2023版）科学二年上册1.3太阳的位置和方向教学设计(二上《我们的地球家园》单元教学设计) 3.太阳的位置和方向【教材简析】本节课我们将引导学生关注地球家园的邻居——太阳。

太阳给我们的地球家园带来光和热，其运动是有规律的，我们可以利用太阳的运动规律来辨认方向。

本课内容主要分四部分。

第一部分聚焦，用“我们能根据太阳的位置辨别方向吗？”这个问题出发，让学生了解到本课的研究重点是“如何利用太阳的位置来辨别方向”。

在第二部分探索环节中，教师要引导学生观察太阳的东升西落，并根据太阳的东升西落现象指导学生到操场上利用太阳辨别方向。

因为观察太阳的东升西落需要的时间周期比较长，从早晨到傍晚，所以需要教师灵活机动地组织学生开展观察。

在组织观察活动前，教师要引导学生明白观察目的，要带着问题去观察：一是在清早、中午和傍晚，面对太阳，我们的前、后、左、右各是什么方向；二是在清早、中午和傍晚，我们的冷热感觉是怎样的。

教师要提醒学生注意不要用眼睛直接观察太阳，以免灼伤眼睛。

通过研讨环节，引导学生梳理小结实践活动中利用太阳辨别方向的方法，并进一步让学生将一天中太阳的不同位置与人类生活联系起来。

最后的拓展环节，通过举例说明太阳对动植物和我们生活的影响，帮助学生建立太阳的发光发热情况与动植物以及人类活动之间的联系。

【学情分析】二年级的学生对于太阳东升西落的现象是比较熟悉的，但是让学生利用太阳在天空中的位置来辨别方向，有一定难度，特别是让学生置于空旷的场地（操场）中，把东南西北方向和前后左右位置混在一起就更难了。

因此，在到操场上开展实践活动之前，教师需要对学生关于太阳在一天中变换的位置及其所对应的方向做具体形象的指导，帮助学生先建立起利用太阳辨别方向的基本方法，也可以借助一定的学习工具——“十字”方向盘等，再开展利用太阳辨别方向的实践活动。

【教学目标】科学观念：能利用太阳辨别方向；知道太阳能够发光发热，解太阳的光和热对植物的生长、动物和人类的生存有着重要影响。

叶片正面和背面的气孔一样多
树叶气孔是树叶和外界固氮交换液（CO₂）的重要通道，其在树叶片正反面一
样多的植物种类中普遍存在。

今天我们就来聊聊树叶片正反面气孔一样多的四大特点以及其中的科学原理。

一、气孔分布
首先，树叶片正反面的气孔一样多是有科学原理的：在树叶片正面气孔释放了CO₂，使树叶获得地球大气中含有氧气的养分；而在背面，气孔释放水分，帮助树叶调节水分平衡，保持正常的新陈代谢活动。

因此，为了使树叶得到地球大气中的养分和调节水分，植物叶片正反面的气孔数据是一样的，以便保持生物新陈代谢的平衡。

二、正反面气孔性质的不同
尽管树叶片正反面的气孔一样多，但它们的性质并不相同：正面的气孔更多的从树叶进行CO₂的吸收，而背面的气孔则更多的进行水分的排放。

另外，树叶片正面的
气孔较大，更容易进行气体交换；而背面的气孔较小，它们能防止水分太多的流失。

三、气孔保护性
正反面气孔一样多还具有一个保护性：正面的气孔可以防止过多的水分进入树叶，从而防止树叶受潮，背面的气孔也具有同样的作用，可以防止树叶失水过多，从而保护树叶。

四、适应性
植物的叶片正反面气孔一样多，还具有一定的适应性：在阳光充足的地方，叶片背面的气孔数量比正面的要多，这样可以减少叶片失水过多、叶片受潮的可能；而在阳光不足的地方，叶片背面的气孔数量比正面的要少，这样可以增加叶片吸收足够多的CO₂。

综上所述，树叶片正反面气孔一样多是有其必要性和科学原理的，它们可以帮
助树叶得到地球大气中的养分；另外，它们也可以防止树叶失水或受潮，保护树叶正常的新陈代谢、生长和发育；此外，树叶的正反面气孔一样多也具有一定的适应性，可以使它们更好地适应外界环境。

《人类改变地表》教学设计【教学内容】冀教版五年级下册第16课《人类改变地表》【科学教育理论指导】《探究式科学教育教学指导》一书中指出：科学课程，应围绕主要科学概念来组织教学，这样不仅可以让学生从身边的事物出发，逐步建构概念，亲历概念形成的过程，而且有助于他们学会探究的方法，培养探究的能力，促进科学思维发展。

【教材分析】这一单元主题是“地球和地表变化”，让学生认识地球表面是不断变化的，了解各种自然力量和人类活动对地表改变所产生的影响。

从而使学生认识到人类与自然绝不是简单的征服与被征服的关系，人与自然应该和谐相处。

本课是在前面四课基础上，综合认识地表的变化。

活动是按照“变化的地表—人类的影响——合理化建议”思路安排的。

【学情分析】由于农村学生掌握的科学知识较少，资料搜集不便，所以我在课下搜集了大量的音视频资料，做成课件，课上与学生共同分享。

【教学目标】科学探究目标：1、能通过观察和调查发现人类的哪些活动起到了改变地表的作用。

2、能将人类各种改造地表的活动进行分类3、能设计一个清晰的方式整理辩论或研究的结果。

4、能按照“对保护地表是否有利”的标准对人类影响地表的活动进行分类。

情感态度价值观：5、能从正反两方面看待人类改造地球的活动。

6、能客观公正地评价与自己持不同看法的同学的观点。

7、敢于发表自己的观点，不怕被别人否定。

科学知识：能有根据地举例说明人类那些改造地表的活动是对人类有利的，哪些是不利的。

【教学重点】指导学生通过收集和整理资料、召开辩论会等方式来探究“人类活动队地表的影响”的问题。

【教学难点】指导学生通过收集和整理资料、召开辩论会等方式来探究“人类活动队地表的影响”的问题。

【教学方法】为了能让学生很好地完成本课目标，课上我主要通过以下方法来完成本课教学。

（一）是以活动为主线，组织学生进行探究学习、合作学习。

本课教学力求体现科学学科的开放性、活动性特征，以学生的主体活动为中心，构建探究、合作的课堂，让学生在读读、看看、议议中积极开展探究活动。

一、什么是正演问题和反演问题在地球科学中，有两大问题是离不开的，正演问题和反演问题。

由物理定律根据给定物理模型的参数计算出数据的问题是正演问题。

而由观测数据通过适当的方法计算物理模型参数来重建物理模型的问题是反演问题。

由卫星云图预报天气、由遥感影像估计粮食产量都是正演问题。

从思路上而言，正演问题比较简单。

如果给定物理模型的系数，由物理定律能够计算出与观测数据相比对的理论数据。

在模型比较精确的情况下，正演一般能够获得比较好的效果。

当然，反演问题也在多个领域有应用，这里可以给出很多实例，比如太阳的内部结构探测、储油层厚度的估计、莫霍面深度的推断、核幔边界形态的分析等等。

由于我们不单对模型系数不清楚，甚至有时对物理模型本身都不甚清楚，所以我们可以断言反演比正演问题将面临更多更大的困难。

根据百度百科，正演问题（direct problem）定义：在地球物理磁法勘探的理论研究中，根据磁性体的形状、产状和磁性数据，通过理论计算、模拟计算或模型实验等方法，得到磁异常的理论数值或理论曲线，统称为正演问题。

反演问题（inversed problem）在磁法勘探理论研究和解释磁测成果时，根据磁异常特征，确定磁性体的形状、产状及其磁性等，称为“反演问题”。

这个概念给的范围太狭隘，就简单的地磁勘探而已，所以仅作为参考。

二、哪个先提出来现在有一个逻辑问题，是先有正演问题还是先有反演问题？似乎直观上先有前者，然而我认为，对大多数问题，尤其是系统复杂的问题，应当是先有后者。

科学研究的先驱们没有今天的人有这么好的条件，不可能通过课堂学习系统地掌握成体系的知识，也没有条件去图书馆查阅资料，更不用说利用检索工具搜集信息了，他们掌握的资料和信息是极其的贫乏的。

当先驱们涉足新的研究领域时，是没有经验可循的，也没有什么物理模型可以利用。

他们看到的是规律或者说模型所呈现出来的现象，他们的任务是找出规律、建立模型，这个任务本身就是反演问题。

地球磁场南北颠倒之谜地球强大的磁场是保护人类免于遭受外太空各种致命辐射的生死屏障。

然而日前，英美科学家发现，在过去的200年内，地球的磁场正在急剧地衰弱，科学家们预言，照这种速度发展下去，在未来的1000年内，地球磁场可能会完全消失，从而导致地球南北两极大翻转，地球生灵将面临前所未有的宇宙射线大灾难！地球磁极每隔25万年翻转一次地球磁场消失、磁极逆转的后果可说是灾难性的。

强大的太阳辐射将烘烤外大气层，导致地球气候的巨变。

“在过去的几千万年中，地球的磁场消失过很多次——地球磁场消失是地球南北两极将要互相翻转的信号。

”英国地质学家亚兰·托马斯教授讲道，“从前地球磁极大约每隔25万年翻转一次，自上一次磁极翻转以来，地球磁极已有100万年没有翻转了，下次地球磁极翻转，也许用不了等多长时间。

”近百年来，地球磁场开始变弱据报道，100年来，科学家们一直关注着地球磁场强度的变化，通过数据对比，科学家们惊讶地发现地球磁场强度正在急剧地变弱。

针对地球磁场强度变弱的原因，科学家们有不同的看法：一部分人认为这是地球磁极即将出现翻转的信号，另一部分人则认为这只是暂时的衰弱，几百年后地球磁场将会重新转强。

地球两极处磁场几近消失然而不久前，巴黎地理学会的科学家高斯尔·胡洛特通过观测发现，在靠近地球两极的地方，地球磁场差不多已经完全消失，这是地球南北两极不久后将要出现大翻转的再清楚不过的信号。

胡洛特称，在过去的20多年中，他一直通过人造卫星数据测量和研究地球的磁场变化。

通过研究他发现，使地球产生磁场的地心熔铁在地球两极处形成了两个巨大的漩涡。

这些旋转着的漩涡增生和扩散后产生的新磁场，将逐渐削弱和抵消原来的主磁场。

这是地球极性产生翻转的第一步。

胡洛特称，一位美国科学家上周发表的一份科学报告支持了他的理论，这位美国科学家用电脑模拟程序研究得出的结果，同样证明了地球两极磁场消失是地球磁极将出现大翻转的危险前奏。