2018-2019学年高中历史 第四单元 近代以来世界的科学发展历程 第11课 物理学的重大发展新课教案2 新人教版必修3.doc

第11课 物理学的重大进展推进新课问题情境1：阅读材料并结合教材P54相关内容，思考伽利略进行科学研究的背景，他一生有哪些科学贡献？（板书）一、经典力学的建立1.经典力学的奠基者伽利略多媒体展示材料：伽利略（Galileo Galilei，15641642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。他通过理论分析与实验推翻了亚里士多德的力学体系并建立了近代力学。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。他工作中体现出的“实验模型”思维方法成为至今实验科学研究的基石，为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”伽利略开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了星空使者一书。1632年，他出版了关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话，把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。伽利略的折射式望远镜伽利略绘制的第一幅月面图师生互动：中世纪农业、手工业的发展为近代科学提供了物质条件。14世纪发端于意大利、随后波及整个欧洲的文艺复兴运动，是一场思想文化解放运动，不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且由于它对经院哲学的蔑视和拒斥，对现实世界和世俗生活的关注、对古典文化资源的挖掘，提倡注重科学实验、注重实践的人文主义精神为近代自然科学的诞生创造了非常有利的文化氛围，同样它也为伽利略进行科学研究提供了重要的社会前提。（板书）（1）背景：伽利略进行科学研究的背景物质条件中世纪农业、手工业的发展；社会前提文艺复兴运动的兴起。自主学习：从材料可以看出伽利略一生的科学成就主要表现在两个方面：（板书）（2）主要成就物理学方面：突出成果创立自由落体定律。天文学方面：制造天文望远镜、证明哥白尼“日心说”的正确性。问题情境2：比较一下伽利略和亚里士多德关于运动观念的不同之处，并说明伽利略创立的自由落体定律与他制造望远镜证明“日心说”的正确性在当时的积极意义。师生互动：亚里士多德（约前384前322年）是古希腊著名的哲学家、科学家和教育家。他首次将哲学和其他科学区分开来，开创了逻辑学、伦理学、政治学和生物学等学科的独立研究。他的学术思想对西方文化、科学的发展产生巨大的影响。亚里士多德认为，外力是维持运动状态的原因。伽利略则认为，外力并不是维持运动状态的原因，而是改变运动状态的原因。过程评价：1604年，伽利略在实验中发现：物体下落时的距离与所用时间的平方成正比，而物体下落的速度与物体的重量无关，这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。伽利略的研究明确表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定了基础。过渡：中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼提出“太阳中心说”，并写成天体运行论。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论。学习探究：伽利略是利用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人。他用这个望远镜来观测天体，发现了月球表面的凹凸不平，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成，等等。这些发现开辟了天文学的新时代。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。他的这些发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。由于伽利略的发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确，所以他遭到了教会的审判。多媒体展示材料：伽利略（15641642）面对教会的审判伽利略在科学领域里的重大成就，激怒了罗马教皇及其信徒们，当伽利略写了关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话这篇科学巨著后，教会终于露出了狰狞面目，把伽利略投入了监狱。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说：“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，竟使伽利略蒙冤三百多年，至死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行葬礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。当然正如伽利略所说的：“真理就是具备这样的力量，你越是想要攻击它，你的攻击就愈加充实了和证明了它。”不过，由此可见伽利略的科学研究并不是非常顺利，而是要面对各种困难的威胁，但他仍然为天文学、为物理学作出了巨大的贡献。问题情境3：我们能从中学习到什么东西呢？自主学习：要学习伽利略那种勇于探索、执著追求和捍卫真理的优良品质，以及为理想献身的精神，培养和树立正确的世界观和人生观。问题情境4：伽利略科学研究的主要意义有哪些？（板书）（3）意义他的发现和他开始的科学研究方法，标志着物理学的真正开端。为经典力学的创立奠定了基础。开创了近代科学。过渡：刚才我们介绍的经典力学的奠基者伽利略在物理学和天文学方面的巨大贡献，主要涉及的是16世纪末17世纪初物理学的发展情况，1718世纪时物理学经过牛顿的发展最终建立起经典力学。（板书）2.经典力学的建立（1）牛顿多媒体展示材料：牛顿是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿对人类的贡献是巨大的，正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学；由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学；由于认识了力的本质，而创立了科学的力学。”为纪念牛顿的贡献，国际天文学联合会决定把662号小行星命名为牛顿小行星。问题情境5：牛顿在科学上的贡献是多方面的，他最主要的贡献是什么呢？(板书)（2）贡献师生互动：牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献，最重要的是在力学方面。过程评价：1718世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学，在经典力学的建立中，曾有许多科学家为之付出心血，牛顿是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。问题情境6：经典力学建立的标志是什么？(板书)（3）建立标志师生互动：经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。过程评价：万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们联结起来了。运动三大定律即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。1687年，牛顿出版了自然哲学的数学原理，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。（板书）自然哲学的数学原理的出版标志着经典力学的成熟。过程评价：自然哲学的数学原理一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义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。问题情境7：阅读教材P55相关内容思考：牛顿力学体系有何显著特征？它的建立有何意义？自主学习：经典力学建立了一套与古代和中世纪不同的自然观和方法论，它有两个显著的特征，即注重实验与数学化。（板书）（4）经典力学体系特征多媒体展示材料：1781年，人们发现了太阳系的第七大行星天王星，但它的理论位置与实际观测不符。科学家们设想有一颗未知的行星对它产生了影响。后来，经过科学家的计算，1846年，人们终于发现了海王星。自主学习：理论的威力在于其预见性，人们根据牛顿理论的推测先后发现了两颗新的行星：海王星、冥王星，新的行星的发现证明了牛顿理论的预见性和科学性。（板书）（5）意义：牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后，光学、电磁学等与力学的进一步统一，大大推动了物理学的发展。过渡：牛顿力学体系虽然有着巨大的影响，但由于其本身还有不完善的地方，随着科学研究的不断深入，仅用经典力学理论已无法解决越来越复杂的物理问题。在这种情况下，19世纪末20世纪初物理学发展进入新阶段即物理学界出现了一种崭新的革命性的理论相对论。（板书）二、相对论的创立问题情境8：爱因斯坦创立相对论的原因是什么？相对论的主要内容是什么？相对论的创立有何意义？（板书）1.背景多媒体展示材料：到19世纪末，经典力学取得了前所未有的进步和成功。在物理学领域，牛顿的力学体系一度被看作是对科学根本问题的最终解答，以此为基础，人们统一了声学、热学、光学和电磁学，描绘出了一幅小到原子、大到宇宙天体的似乎是最终和一劳永逸的世界图景。然而，正当人们认为物理学已经达到了顶峰，并陶醉于这种“完美的”境界时，出乎意料地爆发了物理学的危机。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”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。师生互动：19世纪科学得到飞速发展，而经典力学无法解释高速运动微观粒子发生的现象，所以物理学发展遇到了危机。爱因斯坦在此时刻提出了相对论，从而发展了牛顿力学，把物理学发展到一个新的高度。(板书)2.相对论的内容多媒体展示材料：爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14日生于德国的乌尔姆，1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。1905年，年仅26岁的爱因斯坦发表了三篇论文，在物理学三个不同领域取得了历史性成就，特别是狭义相对论的提出，使人类对于空间、时间和物质运动的认识发生了革命性变化，标志着物理学新纪元的到来。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，这是继狭义相对论之后，近代科学的又一个重大成就。除在光电效应、相对论等方面作出举世皆知的杰出贡献外，他关于布朗运动的研究成果，由于对大量无序因子的规律性把握，成为当今最热门的金融数学的基础；他提出的激光受激辐射的概念，在几十年后的今天得到了广泛的应用；他与玻尔进行的论战中提出的EPR佯谬，至今仍是理论物理学和科学哲学界不断探讨的话题爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，还是一位和平主义者。他目睹了两次世界大战对人类文明的摧残，认为和平是人类的首要问题。1955年4月，弥留之际的爱因斯坦签署了罗素爱因斯坦宣言，呼吁人们团结起来，防止新的世界大战爆发。师生互动：相对论包括狭义相对论和广义相对论。1905年爱因斯坦提出了狭义相对论和光速不变原理，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。过程评价：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联系的。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。而相对论建立的突破口就是对人们千百年来所习惯的盲目的“同时性”观念的推翻。爱因斯坦经过研究，打破了传统的绝对时空观，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。狭义相对论认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。当速度接近光速时，时间变慢而质量增加自主学习：1916年，爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。过程评价：在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论指出：空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间结构和性质取决于物质的分布，使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。广义相对论又被认为是一种引力理论。过渡：2005年被联合国教科文组织确定为“世界物理年”，就是为了纪念爱因斯坦1905年先后发表5篇具有划时代意义的论文，为相对论的建立奠定了基础，为量子理论的发展作出了重要贡献。(板书)3.意义自主学习：相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，即揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。相对论的提出也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，作为人们探索自然奥秘的强有力的理论武器，为物理学的发展开辟了一个全新的方向，为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。过渡：相对论是物理学的一次重大革命，在19世纪末20世纪初物理学的另一个重大成就是量子论的诞生与发展。相对论与量子论共同构成了现代物理学的基础。问题情境9：量子论是在什么背景下产生的？又是如何发展的？在量子论研究方面作出杰出贡献的科学家有哪些？量子论的建立有什么意义？（板书）三、量子论的诞生与发展1.背景自主学习：19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。但大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。（板书）2.量子论的诞生多媒体展示材料：普朗克，德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。普朗克的伟大成就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。自主学习：1900年，德国物理学家普朗克在柏林德国物理学会上宣读了他的划时代论文论正常光普能量分布定律，在这篇论文中他提出了一个假说，而正是这个假说宣告了量子论的诞生。(板书)3.量子论的发展多媒体展示材料：量子论与物理学的传统原则是相违背的，所以它曾遭到很多人的怀疑，但是量子论的发展趋势是不可逆转的，此后又有众多的科学家为它的发展作出了贡献，爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，丹麦物理学家玻尔提出了有关原子的量子理论，进一步推动了量子论的发展。经过众多科学家的共同努力，到20世纪30年代量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。自主学习：在量子力学理论研究方面，普朗克、爱因斯坦、玻尔等物理学家都作出了自己的贡献，经过众多科学家不懈的努力，量子力学最终在20世纪30年代建立起来。（板书）4.量子论建立的意义多媒体展示材料：江泽民在接受美国科学杂志独家专访时强调指出：“可以说，没有量子理论，就不会有微电子技术。如果没有相对论，就不会有原子弹，也不会有核电站。”相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。自主学习：量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步，成为20世纪最深刻、最有成效的科学理论之一。它与相对论一起，构成了现代物理学的基础。相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。课堂小结19世纪以牛顿力学为代表的经典物理学的发展日趋成熟，并达到了高峰。但是随着时代的发展和科技的进步，一些新的研究发现对它提出了挑战，导致了经典物理学的危机。相对论和量子力学的确立掀起了一场物理学革命。量子力学和狭义相对论结合形成的原子核物理学，是物理学革命的高潮，对其他学科产生了历史性影响，人类对自然界的探索又跃上了一个新的高度。物理学的发展给了我们这样的启示：要敢于质疑，勇于创新，实践才能出真知。板书设计物理学的重大进展活动设计爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一。”2005年是爱因斯坦逝世50周年纪念。如果搞一个纪念活动，让你用一句话来说说自己对爱因斯坦和他的理论的理解，你应该怎么说？看看谁说的最好！思路引领：只有对爱因斯坦的生平和他的理论有全面的理解才会有精辟的概括和评论。建议利用互联网查找有关资料，然后根据自己的了解，说出一句精辟的评述。如“他是一个用理性而不是暴力成功地改变人类世界观的人”；通过查找资料了解他目睹了两次世界大战对人类文明的摧残，认为和平是人类