专题七第一课近代物理学的奠基人和革命者

1、1专题七专题七 近代以来科学技术的辉煌近代以来科学技术的辉煌导语导语（一）本专题主要涉及的问题（一）本专题主要涉及的问题（二）涉及的主要理论问题（二）涉及的主要理论问题（三）学习思考（三）学习思考 为什么为什么15世纪下半叶以后西世纪下半叶以后西方的科学技术取得了辉煌的成就？方的科学技术取得了辉煌的成就？2（一）本专题主要涉及的问题（一）本专题主要涉及的问题 近代物理学中牛顿力学体系形成和爱因近代物理学中牛顿力学体系形成和爱因斯坦在理论物理学方面的革命性成就；人类斯坦在理论物理学方面的革命性成就；人类探索生命起源的历程，重点涉及细胞学说、探索生命起源的历程，重点涉及细胞学说、进化论和物种起源；

2、蒸汽机应用于生产给人进化论和物种起源；蒸汽机应用于生产给人类文明发展带来的巨大变化；现代交通通信类文明发展带来的巨大变化；现代交通通信技术的发展，改变了人类的时空概念，使人技术的发展，改变了人类的时空概念，使人类进入电子信息时代。类进入电子信息时代。 讲述了人类认识由低级向高级发展的历讲述了人类认识由低级向高级发展的历程，从科学技术层面了解人类社会发展的基程，从科学技术层面了解人类社会发展的基本特征。本特征。3（二）涉及的主要理论问题（二）涉及的主要理论问题科学技术创新与尊重权威的科学技术创新与尊重权威的关系关系;科学与哲学和宗教的关系科学与哲学和宗教的关系;科学技术是生产力以及科学科学技术是

3、生产力以及科学改变人类的命运等。改变人类的命运等。4（三）学习思考（三）学习思考 为什么为什么1515世纪下半叶以后西方的科学技世纪下半叶以后西方的科学技术取得了辉煌的成就？术取得了辉煌的成就？（1 1）文艺复兴、宗教改革等思想）文艺复兴、宗教改革等思想解放运动的影响；解放运动的影响；（2 2）资本主义的发展提供了物质）资本主义的发展提供了物质基础；基础；（3 3）科学家勇于探索的精神。）科学家勇于探索的精神。古代科学技术古代科学技术近代科学技术近代科学技术研究对象研究对象研究方法研究方法两者关系两者关系分门别类分门别类整体考察整体考察科学实验，科学理论科学实验，科学理论直观感受，哲学思辨直观

4、感受，哲学思辨两相分离两相分离密切结合密切结合古代和近代科学技术的区别古代和近代科学技术的区别【分析比较分析比较】中西近代科技发展原因比较中西近代科技发展原因比较科科学学革革命命技技术术革革命命物理学物理学领域领域生物学生物学领域领域经典力学体系的创立和发展（从伽利略到牛顿）经典力学体系的创立和发展（从伽利略到牛顿）量子理论的诞生（从普朗克量子理论的诞生（从普朗克到爱因斯坦）到爱因斯坦）相对论的建立（爱因斯坦）相对论的建立（爱因斯坦）进化论理论（达尔文与赫胥黎）进化论理论（达尔文与赫胥黎）万能原动机与万能原动机与“蒸汽机时代蒸汽机时代”（瓦特）（瓦特）电力的广泛应用与电力的广泛应用与“电气时代

5、电气时代”（法拉第、西门子等）（法拉第、西门子等）现代信息技术与信息时代现代信息技术与信息时代现代物理现代物理学理论的学理论的发展发展8一、近代物理学的奠基人和革命者一、近代物理学的奠基人和革命者 课标要求课标要求 了解经典力学的主要内容，了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。知道相对论、展中的历史地位。知道相对论、量子论的主要内容，认识其意量子论的主要内容，认识其意义。义。经典力学经典力学体系的创体系的创立和发展立和发展量子理论的诞生量子理论的诞生（普朗克）（普朗克）相 对 论 的 建 立相 对 论 的 建 立（爱因斯坦）（爱因斯坦）现代

6、物理现代物理学理论的学理论的发展发展本课知识结构本课知识结构近代物理学的奠基人和革命者近代物理学的奠基人和革命者伽利略对亚里士多德伽利略对亚里士多德力学观的否定力学观的否定 牛顿对前人科学理论牛顿对前人科学理论的发展的发展 奠奠基基者者建建立立者者近现代物理学的奠基人和革命者近现代物理学的奠基人和革命者1 1、经典力学的奠基者、经典力学的奠基者伽利略（意大利、伽利略（意大利、1717世纪）世纪）经典力学奠基者经典力学奠基者（1717世纪初）世纪初）经典力学建立者经典力学建立者（1717世纪晚期）世纪晚期）从经典力学发展到相对论、量子从经典力学发展到相对论、量子论论（19世纪末世纪末20世纪初）

7、世纪初）伽利略（意）伽利略（意）牛顿（英）牛顿（英）爱因斯坦（德）爱因斯坦（德）普朗克（德）普朗克（德）2 2、经典力学的建立者、经典力学的建立者牛顿（英国、牛顿（英国、1717世纪末）世纪末）1 1、量子理论的诞生和发展、量子理论的诞生和发展普郎克（德国、普郎克（德国、19001900年）年）2 2、相对论的建立、相对论的建立爱因斯坦（德国、爱因斯坦（德国、2020世纪初）世纪初） 背景：背景： 受文艺复兴、宗教改革影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来；受文艺复兴、宗教改革影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来；资本主义发展提供了物质基础；科学家勇于探索的精神。资本主义发展提供了物质基础；科学

8、家勇于探索的精神。1 1、经典力学的奠基者、经典力学的奠基者伽利略（意大利）伽利略（意大利）A A、物理方面：、物理方面： B B、天文学方面：、天文学方面：突出成果突出成果创立自由落体定律创立自由落体定律制造天文望远镜、证明哥白尼制造天文望远镜、证明哥白尼“日心说日心说”的正确的正确性性A A、他的发现和他开始的、他的发现和他开始的科学研究方法科学研究方法，标志着物理学的真正开端，标志着物理学的真正开端. .B B、为经典力学的创立奠定了基础、为经典力学的创立奠定了基础 C C、开创了近代科学，、开创了近代科学，被誉为被誉为“”。实验实验, ,计算计算亚里士多德：亚里士多德：力学观：力学观：

9、必须有力作用在物体上，必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物物体才能运动，没有力的作用，物体就会静止。体就会静止。伽利略：伽利略：通过观察、实验和推理，得出结论：通过观察、实验和推理，得出结论：如果运动物体不受阻碍，它将速度如果运动物体不受阻碍，它将速度保持不变地持续运动下去。保持不变地持续运动下去。突出成就：突出成就：创立自由落体定律创立自由落体定律 惯性定律惯性定律加速度定律加速度定律作用和反作用定律作用和反作用定律物理运动物理运动三大定律三大定律万有引力万有引力定律定律经典力学体系经典力学体系16经典力学体系的历史地位经典力学体系的历史地位理论：理论：牛顿力学体系正确地反映

10、了宏观物体低牛顿力学体系正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，对自然界的力学现象做出速运动的客观规律，对自然界的力学现象做出了系统、合理的说明，从而完成了人类对自然了系统、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。界认识史上的第一次理论大综合。影响：影响：经典力学体系的建立标志着近代科学的经典力学体系的建立标志着近代科学的形成；从此科学摆脱了神学的束缚向前发展。形成；从此科学摆脱了神学的束缚向前发展。实践：实践：根据万有引力定律，人们准确地算出地根据万有引力定律，人们准确地算出地球的平均密度和扁平率；正确地解释了潮汐的球的平均密度和扁平率；正确地解释了潮汐的成因；还发现了

11、海王星。成因；还发现了海王星。 1 1、具有虚怀若谷、谦虚好学精神；、具有虚怀若谷、谦虚好学精神；2 2、勇于探索的科学精神；、勇于探索的科学精神；3 3、科学的研究方法；、科学的研究方法；4 4、甘于寂寞，献身科学的精神等；、甘于寂寞，献身科学的精神等；5 5、吸收伽利略等前人的研究成果；、吸收伽利略等前人的研究成果；6 6、有利的社会环境：启蒙运动、英国资产、有利的社会环境：启蒙运动、英国资产阶级革命的洗礼阶级革命的洗礼18 牛顿捡到了哪些牛顿捡到了哪些“光滑的石子光滑的石子”和和“美丽的贝壳美丽的贝壳”？ “我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常

12、更光滑的石子或更美丽的贝为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。未探明的真理之海。” 牛顿临终遗言牛顿临终遗言19牛顿（牛顿（1642-17271642-1727）著作：著作：自然哲学自然哲学的数学原理的数学原理（16871687）他提出了物体机械他提出了物体机械运动的三大定律和运动的三大定律和万有引力定律，创万有引力定律，创建牛顿力学体系。建牛顿力学体系。20牛顿的成就与前人研究成果的关系牛顿的成就与前人研究成果的关系 “巨人肩上的思索巨人肩上的思索” 牛顿曾谦逊地说：牛顿曾谦逊地说：“如果我比别如果我比别

13、人看得远些，那是因为我站在巨人们人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。的肩上。” 近代科学在否定中发展，在继承中近代科学在否定中发展，在继承中发展，在综合中发展发展，在综合中发展 质疑与思考：经典力学体系是最完美的物理质疑与思考：经典力学体系是最完美的物理学理论吗？学理论吗？ 1919世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，有的物理学家表示：有的物理学家表示：“1919世纪已经将物理大厦全部世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。” l 经典物理学是以日常生活中常见的低速运动经典物理学是以日

14、常生活中常见的低速运动的物体的物体为研究对象的为研究对象的，一旦进入光速运动时，一旦进入光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确经典物理学的某些结论就变得不准确高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！ 在这种背景下，相对论与量子论应运而生在这种背景下，相对论与量子论应运而生22（二）驱走乌云的太阳（二）驱走乌云的太阳（量子理论的诞生）（量子理论的诞生）1量子理论的诞生量子理论的诞生2量子理论的发展量子理论的发展3量子论和量子力学的意义量子论和量子力学的意义231量子理论的诞生量子理论的诞生（1）基础：）基础：（2）诞生：）诞生

15、： 奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研究成果。究成果。 1900年，德国物理学家普朗克提出了年，德国物理学家普朗克提出了量子概念。并在量子概念。并在关于正常光谱能量分布关于正常光谱能量分布定律的理论定律的理论中，阐述了这一思想，标志中，阐述了这一思想，标志着量子理论的诞生。着量子理论的诞生。24 普朗克普朗克，生于基尔。，生于基尔。18791879年年普朗克在慕尼黑大学获得博士学普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普大学任教。由于量子论创立，普朗克获得朗克获得19181918年诺贝尔物理学奖。年

16、诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法律教授。他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗克是德国人所具有的最好品普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。运动。 252量子理论的发展量子理论的发展（1 1）德国爱因斯坦：）德国爱因斯坦：将量子理论推广将量子理论推广到光学中，成功解释了光电效应，到光学中，成功解释了光电效应，得出光具有波粒二象性的结论。得出光具有波粒二象性的结论。（2 2）法

17、国德布罗意：）法国德布罗意：提出物质波理论。提出物质波理论。（3 3）数年后，）数年后，奥地利、德国奥地利、德国的物理学的物理学家建立了量子力学。家建立了量子力学。263量子论和量子力学的意义量子论和量子力学的意义（1 1）量子力学标志着人类对客观规）量子力学标志着人类对客观规律的认识，开始从律的认识，开始从宏观世界宏观世界深入到深入到微观世界微观世界。（2 2）量子理论让人们从）量子理论让人们从根本上根本上改变改变了近代物理学中的传统观念，使物了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发理学乃至整个自然科学的观念都发生了生了重大变革重大变革。27（三）爱因斯坦的（三）爱因斯坦

18、的“时空时空”（相对论的建立）（相对论的建立） 1狭义相对论狭义相对论 2广义相对论广义相对论 3相对论建立的意义相对论建立的意义28狭义相对论发表狭义相对论发表100100周年，周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。 29 关于相对论，有人说：这个形式简洁关于相对论，有人说：这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容，容，100100年来，人们时时从中悟出宇宙年来，人们时时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘，直到今天，这里还层出不

19、穷的奥秘，直到今天，这里还有很多内容没有被我们悟透。有很多内容没有被我们悟透。这个这个“优美的理论优美的理论”包含了哪些主要包含了哪些主要内容呢？让我们一起来领略相对论内容呢？让我们一起来领略相对论的奥妙。的奥妙。 301狭义相对论狭义相对论（1）提出：）提出：（2）内容：）内容：（3）认识：）认识： 19051905年，爱因斯坦发表年，爱因斯坦发表论动体的电论动体的电动力学动力学，创立狭义相对论。，创立狭义相对论。 相对性原理和光速不变原理；时间和相对性原理和光速不变原理；时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化。（速度的变化而变化。（E

20、=mc2E=mc2） 否认了牛顿力学的绝对时空观点，是否认了牛顿力学的绝对时空观点，是对牛顿力学的继承和发展。对牛顿力学的继承和发展。31“天上方一日，人间已一年天上方一日，人间已一年” 乘坐乘坐“光子火箭光子火箭”的星际旅行的星际旅行 乘坐乘坐“光子火箭光子火箭”以光速作以光速作星际旅行，回到地球时，我们会星际旅行，回到地球时，我们会发现什么变化？发现什么变化？32 这个故事形象地说明了时间和空间这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。的相对性。 爱因斯坦关于相对论的比喻。爱因斯坦关于相对论的比喻。 为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一

21、名男青年说：因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？得哪一个更长？”男青年说：男青年说：“当然坐在火炉当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：爱因斯坦说：“这就这就是我的相对论内容。是我的相对论内容。”332广义相对论广义相对论（1）提出：）提出：（2）内容：）内容：（3）认识：）认识： 1916 1916年，爱因斯坦把狭义相对论推广到年，爱因斯坦把狭义相对论推广到加速运动的参考系中，建立了

22、广义相对论。加速运动的参考系中，建立了广义相对论。 物质存在的现实空间不是平坦的，而是物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的；空间弯曲的程度体现为引力场强度；弯曲的；空间弯曲的程度体现为引力场强度；时间、空间不是独立的实在，它们是物质存时间、空间不是独立的实在，它们是物质存在的形式。在的形式。 它第一次阐述了四维时空和物质的分布它第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。相联系的重要思想。34爱因斯坦的爱因斯坦的“时空弯曲时空弯曲”概念概念353相对论建立的意义相对论建立的意义（1 1）爱因斯坦相对论的建立，是对近代物理学）爱因斯坦相对论的建立，是对近代物理学理论框架的重大突破，它不

23、仅理论框架的重大突破，它不仅揭示了空间、揭示了空间、时间的可变性时间的可变性，时空的变化和时空结构同物时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分质的运动和状态密不可分。（2 2）这种全新的时空观、运动观和物质观的形）这种全新的时空观、运动观和物质观的形成，是成，是人类思想发展史中的一次根本性变革人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了深远的影响。对整个自然科学和哲学都产生了深远的影响。（3 3）相对论）相对论同量子理论同量子理论一起，构成了一起，构成了现代物理现代物理学的基本理论框架学的基本理论框架。 由于相对论的观点与人们的日常经验不太由于相对论的观点与人们的日常经

24、验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始一致，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。就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。19211921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德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员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相但相对论在物理学上却非常合理且

25、为实验所证实。对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。想一想想一想: :上述现象说明了什么问题上述现象说明了什么问题? ?给我们什么启发给我们什么启发? ?说明：说明：象许多事物一样，科学的发展道路也并非一帆象许多事物一样，科学的发展道路也并非一帆风顺，往往会遇到很多阻力。风顺，往往会遇到很多阻力。启示：启示：要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律也可能是不科学的。习以为常、看起来无懈可击的规律也可能是不科学的。量子论的意义（了解）量子论的意义（了解） 量子论和相对论量子论和相对论是现代物理学的是现代物理学的两大支两大支柱

26、柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从的认识，开始从宏观世界宏观世界深入到深入到微观世界。微观世界。 量子力学和狭义相对论结合形成原子核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。激光技术等奠定了理论基础。3839成功的秘诀成功的秘诀 一个爱说废话而不爱用功的青年，整天一个爱说废话而不爱用功的青年，整天缠着大科学家爱因斯坦，要他公开成功的缠着大科学家爱因斯坦，要他公开成功的秘诀。

27、爱因斯坦厌烦了，便写了一秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一 个公式个公式给他：给他：Axyz 爱因斯坦解释道：爱因斯坦解释道：“A代表成功，代表成功，x代表艰苦的劳动，代表艰苦的劳动，y代表代表正确的方法正确的方法” “z代表什么？代表什么？”青年迫青年迫不及待地问。不及待地问。“代表少说废话。代表少说废话。”爱因斯爱因斯坦说坦说40相对论与牛顿力学的关系怎样？相对论与牛顿力学的关系怎样？ 相对论相对论打破打破了牛顿以来传统的了牛顿以来传统的绝对绝对时空观时空观，但，但并非全盘否定并非全盘否定牛顿力学。牛牛顿力学。牛顿力学反映的是顿力学反映的是宏观物体低速运动的客宏观物体低速运动的客观规律观规律，

28、而狭义相对论反映的是，而狭义相对论反映的是物体高物体高速运动的客观规律速运动的客观规律，是对牛顿力学的，是对牛顿力学的继继承和发展承和发展。牛顿力学是相对论的一种。牛顿力学是相对论的一种特特例例（物体低速运动状态），包括在相对（物体低速运动状态），包括在相对论体系中。论体系中。伽利略伽利略（1564156416421642）意大利（经典力学的奠基者）意大利（经典力学的奠基者）牛顿牛顿（1642164217271727） 英国英国 普朗克普朗克（1858185819471947） 德国德国 爱因斯坦爱因斯坦（1879187919551955）物理学革命物理学革命20世纪物理学的两大世纪物理学的两

29、大支柱支柱经典力学体系经典力学体系 近代自然科学的形成近代自然科学的形成从此科学摆脱了神学的束缚向前发展。从此科学摆脱了神学的束缚向前发展。标志：标志：16871687自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理相对论相对论量子论量子论（1900年）年）近代科学之父近代科学之父 实验科学实验科学科学家科学家主要成就主要成就意义意义伽利略伽利略牛顿牛顿普朗克普朗克近代物理学发展过程中的主要成就及意义近代物理学发展过程中的主要成就及意义自由落体定律自由落体定律匀速运动、匀加速运动匀速运动、匀加速运动用自制的望远镜证明了哥白用自制的望远镜证明了哥白尼的尼的“日心说日心说”为经典力学奠定基础为经典力学奠定基础

30、 证明哥白尼的证明哥白尼的“日心说日心说”的正确性的正确性自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理（物体运动三大定律和万有引物体运动三大定律和万有引力定律）力定律）运动三定律是近运动三定律是近代物理学的重要代物理学的重要支柱支柱相对性原理、光速不变原理相对性原理、光速不变原理相对论（狭义、广义）相对论（狭义、广义）量子理论量子理论爱因斯坦爱因斯坦近代物理学理论近代物理学理论框架的重大突破框架的重大突破继承和发展了继承和发展了牛顿力学牛顿力学构成现代物理构成现代物理学的基本理论学的基本理论框架框架经典力学是近代经典力学是近代自然科学理论体自然科学理论体系中最先成熟和系中最先成熟和完善的核心理论完善的核心理论体系体系431创立了自由落体定律，从而推翻了亚里创立了自由落体定律，从而推翻了亚里斯多德的学说的是（斯多德的学说的是（ ） A、伽利略、伽利略