第25课现代科学革命岳麓VIP

第25课现代科学革命岳麓第25课现代科学革命《自然哲学的数学原理》三大定律和万有引力定律标志着形成了一经典力学体系。

牛顿（1643—1727）

“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。”——《大国崛起》

牛顿力学体系是人类认识史上对自然规律的第一次理论概括和综合，把神从无生命领域驱逐出去，使科学摆脱神学的束缚，引起人类认识史上的飞跃。1900年著名物理学家开尔文说:“19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所大厦。”19世纪“物理学危机”19世纪末三大物理学实验的发现：X射线的发现，放射性的发现，电子的发现。经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。19世纪“物理学危机”开尔文在1900年的演讲中说道：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……(Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds)”

第一朵乌云：“以太”说的破灭水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质—“以太”（Ether）。他们假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。19世纪“物理学危机”地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。1887年，实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。M是光源，A与B是反射镜，让光线在MA，MB方向往返运动。迈克尔逊—莫雷实验第二朵乌云：紫外灾难19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。

19世纪“物理学危机”19世纪“物理学危机”迈克尔逊-莫雷实验：光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理

紫外灾难”黑体辐射实验和理论的不一致经典力学的适用范围

1.只适用于宏观物体（macroworld宏观世界）的运动;2.只适用于低速运动的物质，是绝对的时空论。一、爱因斯坦与相对论相对论的创立——爱因斯坦艾伯特·爱因斯坦（1879—1955），1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。

爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。1905神奇的一年1905神奇的一年1905年，爱因斯坦26岁，接连写下4篇改变整个20世纪物理学面貌的论文：1、光的量子说（解释光电效应）2、布朗运动（证明分子的存在）3、狭义相对论（修正了牛顿力学）4、质能互换律（E=mc2）1916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：5、广义相对论（取代了牛顿的万有引力理论）狭义相对论广义相对论相对论打破经典力学的绝对时空观进一步深化对时间空间和引力现象的认识相对论的内容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。（1）相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。它否定了经典力学的绝对空间观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。（2）相对论发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。

相对论创立的意义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，而且有悖于人们的日常生活。狭义相对论发表100多年了，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。牛顿的光辉不可抹杀爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路；牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学思想。谁企图在真理的认识的领域内要人们认为他是不可动摇的权威，那他就要在上帝的哈哈大笑中垮台。爱因斯坦的相对论是对牛顿力学的概括而不是否定，只否定了牛顿的绝对时空观。牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例，相对论发展了牛顿力学。

二、量子理论中的微观世界二、量子论的诞生与发展（1）19世纪末20世纪初，电子和放射线的发现，打开了原子的大门，人们对物质的认识深入到了原子内部。（2）大量的实验表明，微观的粒子运动不能用经典力学的理论来说明。1.量子论诞生的背景：量子论的诞生与发展1.量子论诞生的背景：2.量子论的诞生

——普朗克普朗克（1858—1947）生于德国基尔。1879年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大学任教。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗克家是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳，忠于职守。任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。对话19世纪经典物理学达到巅峰状态，在人们心目中，经典物理学已经达到近乎完美的程度。这时，年轻的普朗克和他的老师发生了一段对话：普朗克：“老师，我准备把我的一生都献给物理理论学！”老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展，把一生都献给这门学科，太可惜了。”

1900年普朗克提出量子假说，他认为，辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。这一假说宣告了量子论的诞生。

量子论的诞生3.量子论的发展（1）爱因斯坦利用量子理论成功地解释了光电效应，进一步推动了量子论的发展。（2）丹麦物理学家玻尔在此基础上提出了有关原子的量子理论。（3）20世纪30年代量子力学建立起来。量子论的诞生与发展1.量子论诞生的背景2.量子论的诞生——普朗克4.量子论和相对论出现的意义：（3）量子论和相对论的提出，不仅推动了物理学的进步，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。（1）量子论使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界，成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。（2）量子论和相对论构成了现代物理学的基础，弥补了经典力学的不足。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，爱因斯坦于20世纪初提出质量能量公式E=MC2。解释了核能威力数学工具。有高度社会责任感的人

1939年8月2日，爱因斯坦写信给罗斯福总统，建议美国务必抢在德国之前制造出原子弹；后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠！”广岛核爆大亚湾核电站嫦娥二号太阳能薄膜电池

“要使科学造福人类，而不成为祸害”

—爱因斯坦小结：物理学发展的过程经典力学奠基者（17世纪初）经典力学建立者（17世纪晚期）从经典力学发展到相对论、量子论（19世纪末～20世纪初）伽利略（意）牛顿（英）爱因斯坦（德）普朗克（德）怀疑（背景）16-19世纪近代物理学探索（成就）进步（影响）19-20世纪初现代物理学经典力学体系自然科学思想认识社会发展相对论和量子论对经典力学体系的怀疑自然科学思想认识经济发展对中世纪世界观的怀疑敢于质疑，勇于创新，实践出真知超光速中微子“现身”爱因斯坦错了？欧洲核子研究中心2011年9月23日宣布，他们发现一些粒子可能以快于光速的速度飞行，一旦这一发现被验证为真，将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论。

“没有能独立思考和独立判断的有创造性的个人，社会的向上发展是不可想象的。”

——爱因斯坦课堂练习：1、爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命，主要是因为①否定了经典力学的绝对时空观②揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性③打破了经典力学体系的局限性④使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界

A、①②③B、②③④C、①③④D、①②④

2、现代物理学的基础是

A、牛顿力学B、相对论

C、量子假说D、量子论、相对论

3、海王星的发现是根据

A、哥白尼日心说的推算

B、牛顿理论的推测

C、法拉第演说计算

D、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示

4、经典力学与中世纪的自然观和方法论相比，最显著的特征是①注重实验②数学化③体现微观世界④经验法

A.①②B.①③C.②③D.①②④A

5.下列物理学成就取得的先后顺序排列正确的是①落体定律②万有引力定律③狭义相对论④量子论

A.①②③④B.①③②④C.②①④③D.①②④③

D

6.牛顿在科学上贡献是多方面的，最重要的是在力学方面，下面关于牛顿的表述不正确的是(）

A.除了在力学方面的重大贡献外，还是微积分的发明人之一