物理学的重大进展.doc

第四单元第11课 物理学的重大进展【学习目标】1．知识与能力了解经典力学的三大定律、量子理论、和相对论等基础知识牛顿、普朗克、爱因斯坦等著名科学家的主要事迹，学会观察，培养敏锐的洞察力理解科学进步中继承与发展的关系2．过程与方法充分利用图书馆、博物馆、互联网等资源提高收集、分析相关资料的能力在学习过程中通过合作、探究学习，培养分析解决问题的能力及交流与合作的能力科学的方法全面提高科学素质，创新精神和实践能力学会运用阅读法、观察法、讨论法、推理法、概括法、实验法等来学习了解近代物理学的相关问题3．情感态度与价值观通过学习，了解科学家为科学进步所作出的努力学习他们为科学献身的精神；形成科学的态度知道在科学的道路上荆棘遍布，增强面对挫折的能力增强毅力，树立勇往直前、持之以恒的精神重难点】重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解一．知识梳理1．17世纪以来的科技发展的原因条件（1）前提条件：社会发生根本转型（2）经济条件：资本主义经济的发展以及不断进步（物质基础）（3）政治条件：资产阶级革命胜利，资本主义制度确立（保障）（4）文化条件：文艺复兴、地理大发现、宗教改革的推动（5）自然科学自身发展的需要（6）优秀科学家实践和刻苦钻研2．经典力学（1）背景①经济基础：工场手工业时期经济的发展；②思想基础：文艺复兴解放人们的思想（科学逐渐从神学的桎梏中解放出来，进入到实验科学的时代）；③理论基础：以伽利略为代表的科学家勇于探索的努力精神（2）伽利略――经典力学的奠基者（意大利）①成就：A．创立科学研究方法：科学实验＋观察；B．重大发现：自由落体定律；外力并不是维持运动状态的原因，只是改变运动状态的原因（确定均速运动、匀加速运动）；发明天文望远镜（是利用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人）并发现许多星体，证明哥白尼“日心说”的正确性希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。

他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止伽利略首先运用理想实验的方式进行逻辑推理，从推理中发现物体下落的快慢和它的重量无关伽利略设想，如果亚里士多德的观点是正确的，那么，让轻重不同的两个物体下落时，重的物体下落快，轻的物体下落慢可是，把它们绑在一起让其下落会出现什么情形呢？按照亚里士多德的观点，绑在一起后的物体会比原来重的物体更重，所以它们就比重的物体下落得快可是，从另一方面分析，绑在一起后，由于重的物体要带动轻的物体运动，它们应该比重的物体下降得慢一些这显然是两个互相矛盾的结论无论如何，绑在一起的两个物体只能以一个速度下落，而推理的过程又是完全正确的，因此推理的前提必然是错误的伽利略由这个推理得出结论：物体下落的快慢与重量无关，所有物体下落快慢都是相同的据说1590年的一天，26岁的伽利略为了证实自己论断的正确，他来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约4.5千克重的石块和约0.45千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地在场的数以百计的学者和观众，亲眼目睹了这一精彩的场面，伽利略用活生生的事实向人们展示了轻重相差悬殊的两个物体同时落地的现象从而推翻了亚里士多德的错误理论，发现了物体下落的真正运动规律——自由落体定律。

②意义：开创了以实验为依据并具有严密逻辑体系的近代科学（发现的科学研究方法标志着物理学的真正开端，被誉为“近代科学之父”），为后来经典力学的创立和发展奠定了基础自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法，因此，现在人们称伽利略为物理学之父正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确道路〖问题〗伽利略在物理学、天文学方面突出的贡献是什么？物理学——第一个把实验引进力学的科学家否定了亚里士多德的“落体运动法则”，确定了正确的自由落体定律，对运动的基本概念作了详尽的研究，并给出了严格的数字表达式，为牛顿提出第一第二定律奠定了基础是牛顿的先驱天文学——用自制望远镜观测天体，并证明了“日心说”彻底否定了托勒密和亚里士多德统治一千多年的日心说〖补充〗1632年，伽利略撰写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》科学巨著出版后，立刻引起教会的恐慌，把伽利略投入监狱教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决：“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今后3年内，每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。

公元前4世纪，亚里士多德创立了“地心说”亚里士多德认为，宇宙是一个有限的球体，分为天地两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行，物体总是落向地面地球之外有9个等距离天层，各个天层自己都不会运动，是上帝推动了恒星天层，才带动了所有的天层人类居住的地球，巍然不动地居于宇宙中心作为古希腊的最后一位大天文学家，托勒密全面承袭了亚里士多德的“地心说”，把亚里士多德的9层天扩大为11层托勒密设想，各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”，同时假设地球并不恰好在均轮的中心，而是偏开一定的距离，均轮都是一些偏心圆；日、月、行星除了作上述轨道运行外，还与众恒星一起，每天绕地球转动一周，使计算结果达到了与实测的一致，取得了航海上的实用价值托勒密的“地心说”恰好迎合了基督教义，便被基督教用来维护圣经学说《圣经》宣扬，宇宙和地球都是上帝耶和华创造的，地球不动位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人类是神的骄子，宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……于是，托勒密的“地心说”成了圣经，天文学成了宗教的奴婢，这种状况一直延续到哥白尼时代。

哥白尼在1543年出版的《天体运动论》中，提出：太阳位于宇宙的中心，有五颗当时已知的行星和地球围绕太阳旋转《天体运行论》虽然也存在缺点，但它在人类历史上第一次描绘出了太阳系结构的真实图景，揭示了地球围绕太阳转的本质，把颠倒了1000多年的日地关系重新颠倒过来，引起了中世纪宇宙观的彻底革命，沉重打击了封建教会的神权统治意大利科学家伽利略对哥白尼学说的传播和天文学的发展作出了重要贡献1569年他自创了用以观察天体的第一架望远镜，从望远镜里他发现月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》名言：“一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落”——伽利略【合作探究】1：你认为伽利略能够确定自由落体定律的关键途径是什么？你有何启示？途径：实验、计算启示：实践是检验真理的唯一标准3）经典力学体系的形成――牛顿﹙英国人﹚（微积分＋经典力学）①标志：1687年牛顿出版《自然哲学的数学原理》；（确认物体宏观运动的规律）②内容：物体运动三大定律和万有引力定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用力和反作用力定律）；③特征：以实验为基础；以数学为表达形式（注重试验、数学化）（实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑了解，并由此得出重要的结论；数学化的根源是自然内在的数学关系。

自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理）④实践：科学预见性的威力（海王星、冥王星的发现）（海王星的发现是牛顿力学在天文学运用上的伟大胜利，它标志着天体力学已趋于成熟）⑤影响：A．是人类对自然规律进行第一次理论性概括和总结；（牛顿力学在科学史上作用表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三大定律视为宇宙间一切力学运动的普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类对自然界认识的第一次综合）促进资本主义两次工业革命的出现，标志经典力学体系建立，是近代科学形成的标志，是整个物理学和天文学的基础Ｂ．局限：无法解释物质热辐射现象和物质传播媒介问题〖问题〗牛顿有哪些重要贡献？其中最重要的是什么（1）光学：牛顿发现日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，整理了牛顿色盘他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”2）热学：确定冷却定律（3）数学：与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，在前人研究基础上建立了二项式定理（4）天文学：在1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；解释潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象5）最大贡献：力学——物体运动三大定律；万有引力定律；形成经典力学体系2．爱因斯坦相对论的创立（现代物理学、20世纪）（1）背景①19世纪科学得到了飞速发展；②经典力学面临挑战，无法解释高速运动微观粒子发生的现象；③爱因斯坦的长期研究19世纪末物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。

这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机” 过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接了解的似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素因此，一旦物理学研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确（2）内容（相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理）①狭义：质量会随物体运动速度增大而增加，空间和时间也会随物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应；（光速不变）；②广义：空间和时间的性质不仅取决于物体运动的情况，也取决于物质本身的分布状态在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。

相对论的提出可以广泛地解释不同运动的物质，创立了一个全新的物理世界，极大地扩展了物理学应用的领域，也使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实合作探究】2：狭义相对论和广义相对论的区别狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。