第11课 物理学的重大进展 (曾)

1、单元线索单元线索1. 1.物理学物理学领域的重大进展；领域的重大进展；2.2.生物学生物学关于人类生命的起源关于人类生命的起源3.3.三次科技革命三次科技革命的成果及对社会发展的的成果及对社会发展的影响。影响。第四单元第四单元近代以来世界的科学发展历程近代以来世界的科学发展历程科学科学指运用范畴、定理、定律等思维形指运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界式反映现实世界各种现象的本质和规律各种现象的本质和规律的的知识知识体系体系。技术技术泛指根据生产实践经验和自然科学泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种原理而发展成的各种工艺操作方法工艺操作方法与与技能技能。【课程标准课程标准】

2、了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理了解经典力学的主要内容，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、量子论的主要内论发展中的历史地位。知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。容，认识其意义。探究：他们分别是什么人？有什么贡献？探究：他们分别是什么人？有什么贡献？第第1111课课 物理学的重大进展物理学的重大进展伽利略伽利略 牛顿牛顿 爱因斯坦爱因斯坦 普朗克普朗克预习提纲1.经典力学形成的背景原因有哪些？2.伽利略对近代自然科学的贡献有哪些？3.经典力学形成的标志是什么？它产生了什么影响？4.相对论产生于何时？内容有哪些？产生了什么影响？5.谁于何时提出了量子论？它的

3、意义是什么？6.量子论和相对论的出现，有什么意义？(1)(1)背景：背景：一一. . 经典力学经典力学1.1.经典力学的奠基者经典力学的奠基者-伽利略伽利略 随着资本主义的发展，新兴的资产阶级在经济上随着资本主义的发展，新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学有迫切需求。和政治上对自然科学有迫切需求。 文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动。文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动。 科学家勇于探索的精神。科学家勇于探索的精神。(1)(1)背景：背景：一一. . 经典力学经典力学1.1.经典力学的奠基者经典力学的奠基者-伽利略伽利略(2)(2)成就：成就：天文学天文学：发现了自由落体定律发现了自由落

4、体定律物理学物理学用自制的望远镜发现了许多肉用自制的望远镜发现了许多肉眼看不见的星体，证明了哥白眼看不见的星体，证明了哥白尼提出的尼提出的“日心说日心说”的正确性。的正确性。证实：外力证实：外力不是维持不是维持运动状态的运动状态的原因，只原因，只是改变是改变运动状的原因运动状的原因创立科学的研究方法：实验和观察。创立科学的研究方法：实验和观察。(1)(1)背景：背景：一一. . 经典力学经典力学1.1.经典力学的奠基者经典力学的奠基者-伽利略伽利略(2)(2)成就：成就：(3)(3)意义：意义：开创了以实验事实为根据的并具有开创了以实验事实为根据的并具有严密逻辑的近代科学，为后来经典严密逻辑的

5、近代科学，为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。力学的创立和发展奠定了基础。被誉为被誉为“近代科学之父近代科学之父” 你知道牛顿捡到了哪些你知道牛顿捡到了哪些“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，不我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更时为拾到比通常更光滑的石子光滑的石子或更或更美丽的美丽的贝壳贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。全未探明的真理之海。 牛顿牛顿2、经典力学的创立者、经典力学的创立者牛顿牛顿（1）重要贡献）重要贡献 数学数学：二项式定理，微积分二项式定理，微积分 光学光学：

6、发现太阳光的光谱，微粒说发现太阳光的光谱，微粒说 天文学天文学：发明反射式望远镜等发明反射式望远镜等 力学力学：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；万有引力定律物体运动三大定律；万有引力定律 形成经典力学体系形成经典力学体系 第一件，第一件，用牛顿力学算用牛顿力学算出地球的形状象只桔子。出地球的形状象只桔子。 古希腊的亚里斯多德认为地古希腊的亚里斯多德认为地球是个正球体，两千年来人们对此球是个正球体，两千年来人们对此深信不疑。牛顿却根据他的力学，深信不疑。牛顿却根据他的力学，说说地球是个扁球体，象只大桔子地球是个扁球体，象只大桔子。此言一出，学界哗然。地球那么大，此言一出，

7、学界哗然。地球那么大，牛顿又从不出远门，他凭什么说地牛顿又从不出远门，他凭什么说地球有点扁？可是法国科学家经过三球有点扁？可是法国科学家经过三次实地测量，终于证实了牛顿的看次实地测量，终于证实了牛顿的看法。法。用力学能算出地球的形状，真用力学能算出地球的形状，真是个奇迹。是个奇迹。历史上证实牛顿历史上证实牛顿力学的三件事力学的三件事第二件，第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星回归周期用牛顿力学算出了哈雷彗星回归周期 长期以来到，人们一直认为彗星是神秘的，根本不能用科学长期以来到，人们一直认为彗星是神秘的，根本不能用科学来说明。牛顿说，既然彗星也是天体，就必然遵循力学规律。来说明。牛顿说，既然彗星也

8、是天体，就必然遵循力学规律。他的好友哈雷用牛顿力学算出了他的好友哈雷用牛顿力学算出了16821682年出现的彗星的轨道，指年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是出它的回归周期是75757676年，由此预言它将在年，由此预言它将在17581758年再次出现。年再次出现。哈雷哈雷17051705年发表这个预言，当时他已年发表这个预言，当时他已4949岁，却要预言岁，却要预言5353年以后年以后的事，岂非耸人听闻？可是的事，岂非耸人听闻？可是17581758年这颗彗星果然如期出现，并年这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。被命名为哈雷彗星。 17811781年天王星被发现，年天王星被发现，科学家

9、用牛顿力学计算科学家用牛顿力学计算它的轨道，可是计算结它的轨道，可是计算结果总是同观测纪录不大果总是同观测纪录不大相符。经反复核算，观相符。经反复核算，观测无误。那问题是否出测无误。那问题是否出现在牛顿力学上面？现在牛顿力学上面？ 科学家大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系中还科学家大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系中还有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作用。他有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。18461846年年9 9月月2323日日，柏林天文台台长用望远

10、镜对准那个位置，一下子就看到了一颗新柏林天文台台长用望远镜对准那个位置，一下子就看到了一颗新的行星的行星海王星海王星。第三件：第三件：用牛顿力学算出了一颗未知行星的位置用牛顿力学算出了一颗未知行星的位置英国著名诗人亚历山大英国著名诗人亚历山大波普曾写过一首赞美牛顿的诗：波普曾写过一首赞美牛顿的诗：自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。上帝说：上帝说：“让牛顿去吧！让牛顿去吧！”于是，一切成为光明。于是，一切成为光明。 我之所以我之所以能比别人看得远能比别人看得远些，是因为我站在些，是因为我站在巨人们的肩上。巨人们的肩上。牛顿牛顿三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐

11、惧，水三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么往低处流？太阳为什么升起落下？这些今天看为什么往低处流？太阳为什么升起落下？这些今天看来简单之极的问题，在当时却是根本无法认识和把握来简单之极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。大国崛起大国崛起解说词解说词3.思考牛顿力学体系建立的意义是什么？思考牛顿力学体系建立的意义是什么？（1）成为）成为近代科学形成的标志近代科学形成的标志。（2）牛顿力学和热学引发了以英国工业革命为）牛顿力学和热学引发了以英国工业革命为起点的第一次技术革命，人类社会进入蒸汽时代起点

12、的第一次技术革命，人类社会进入蒸汽时代（3 3）. .牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则，牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则，为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础 17271727年年3 3月月2020日，伟日，伟大的牛顿逝世，他被埋大的牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上镌刻着：在他的墓碑上镌刻着： 让人们欢呼这样一让人们欢呼这样一位多么伟大的巨匠，人位多么伟大的巨匠，人类荣耀曾经因他而在世类荣耀曾经因他而在世界上存在过！界上存在过！ 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

13、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的物体经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的为研究对象的，一旦进入光速运动时，经典物理学的，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。某些结论就变得不准确。l 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1

14、 1、背景：、背景：1919世纪，随着物理学研究的进展，经典力世纪，随着物理学研究的进展，经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。二、相对论的创立二、相对论的创立 （1919世纪末，物理学界连续发生了世纪末，物理学界连续发生了 三个重大事件，即三个重大事件，即X X射线、放射性和电子的发现射线、放射性和电子的发现。这三大发现使得原子不。这三大发现使得原子不可分、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，从认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从

15、根本上出现了动摇，这就是所谓的根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机物理学危机”。物理学的物理学的“危机危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。）标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。）19051905年，爱因斯坦年，爱因斯坦2626岁，接连写下岁，接连写下4 4篇改变整个篇改变整个2020世纪物理学面貌的论文：世纪物理学面貌的论文：1.1.光的量子说（解释光电效应）光的量子说（解释光电效应）2.2.布朗运动（证明分子的存在

16、）布朗运动（证明分子的存在）3.3.狭义相对论（修正了牛顿力学）狭义相对论（修正了牛顿力学）4.4.质能互换律（质能互换律（E=mc2E=mc2）19161916年，爱因斯坦发表了广义相对论基础，最具年，爱因斯坦发表了广义相对论基础，最具创见也是最伟大的贡献：创见也是最伟大的贡献：5.5.广义相对论（取代了牛顿的万有引力理论）广义相对论（取代了牛顿的万有引力理论）19051905 神奇的一年神奇的一年2 2、爱因斯坦的成就、爱因斯坦的成就（1 1）狭义相对论）狭义相对论质量：随物体运动速度增大而增加质量：随物体运动速度增大而增加空间：尺缩效应空间：尺缩效应时间：钟慢效应时间：钟慢效应（2 2）

17、广义相对论）广义相对论空间和时间性质不仅取决于物质运动状况，也取空间和时间性质不仅取决于物质运动状况，也取决于物质本身的分布状态决于物质本身的分布状态这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。 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，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名男青年说：爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤我打个比方，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，和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？同样

18、的时间你觉得哪一个更长？”男青年男青年说：说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。久。”爱因斯坦说：爱因斯坦说：“这就是我的相对论这就是我的相对论内容。内容。”笑话：笑话： 有一次卓别林和爱因斯坦共同出席一次有一次卓别林和爱因斯坦共同出席一次宴会都受到了热闹的欢迎，卓别林说：大家宴会都受到了热闹的欢迎，卓别林说：大家欢迎我是因为他们都能理解我，大家欢迎你欢迎我是因为他们都能理解我，大家欢迎你是因为他们都不理解你是因为他们都不理解你说明了相对论深奥难懂，而且有悖于人说明了相对论深奥难懂，而且有悖于人们的日常生活。们的日常生活。狭义相对论发表狭义相对论发表100100周年

19、，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。 3 3、相对论建立的意义、相对论建立的意义（1 1）相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。）相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。（2 2）否定了经典力学绝对时空观，发展了牛顿力学。）否定了经典力学绝对时空观，发展了牛顿力学。（3 3）推动物理学发展到了新的高度。）推动物理学发展到了新的高度。 . .相对论否定了经典力学的相对论否定了经典力学的绝对时空观绝对时空观；2.2.相对论相对论发展发展了牛顿力学，牛顿力学是

20、相对论了牛顿力学，牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个力学在低速状态下的一个特例特例；3.3.牛顿力学是整个力学的牛顿力学是整个力学的基础基础，牛顿所创造的，牛顿所创造的概念，至今仍指导着人们的物理学思想。概念，至今仍指导着人们的物理学思想。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，要他公开成功的秘缠着大科学家爱因斯坦，要他公开成功的秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一 个公式给他：个公式给他：A Ax xy yz z。爱因斯坦解释道：。爱因斯坦解释道：“A A代表成代表成功，功，x x代表艰苦的劳动，代表艰苦的劳动，y

21、y代表正确的方代表正确的方法法” “z z代表什么？代表什么？”青年迫不及待地问。青年迫不及待地问。“代表少说废话。代表少说废话。”爱因斯坦说。爱因斯坦说。成功的秘诀成功的秘诀（1 1）19001900年，为解决年，为解决 上的问题，上的问题， 国普朗克提出量子假说，标志量子论的诞生。国普朗克提出量子假说，标志量子论的诞生。三、量子论的诞生与发展三、量子论的诞生与发展（2 2）爱因斯坦利用量子论成功解释了）爱因斯坦利用量子论成功解释了 （3 3）丹麦）丹麦 提出有关原子的量子理论。提出有关原子的量子理论。（4 4）2020世纪世纪 年代，量子力学建立起来年代，量子力学建立起来热辐射理论热辐射理

22、论德德光电效应光电效应玻尔玻尔30 量子论确实深奥难懂，甚至连量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。那他就是没有理解量子论。”量子论的意义量子论的意义 量子力学标志着人类对客观规律的认量子力学标志着人类对客观规律的认识，开始从识，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。（1 1）相对论和量子论一起构成现代物理学的基）相对论和量子论一起构成现代物理学的基础。础。相对论和量子论的意义相对论和量子论的意义（2 2）弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世）弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足，推动物理学自身的进步界方面的不足，推动物理学自身的进步 （3 3）开阔了人们的视野，改变了人们认识）开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式世界的角度和方式伽利略伽利略（1564156416421642）牛顿牛顿（1642164217271727） 普朗克普朗克（1858185819471947） 爱因斯坦爱因斯坦（1879187919551955）现代现代物理学革命物