现代科学革命

现代科学革命第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期三牛顿力学的创立人类科学时代开始的标志是什么？第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期三牛顿力学经典著作《自然哲学的数学原理》第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期三导言

科学总是向前发展的，托勒密的地心说被哥白尼的日心说取代，这就是一种对权威的挑战以及超越，而最终的目的是科学的进步。20世纪初，在牛顿经典物理学达到顶峰，形成一种权威的时候，也出现了对这种权威的挑战——爱因斯坦提出的相对论和普朗克提出的量子论，而这个挑战引起了物理学的一场革命，也促进了科技和经济、社会的飞跃，促进了人类认识能力和思维模式的发展，也改变了人们的自然观念。学习本课，你将了解相对论和量子论的主要内容及其意义。第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期三一、现代科学革命的背景——经典物理学的危机（P106）1、17世纪牛顿创立的经典力学发展完善，经典物理学成为绝对权威2、19世纪末物理学的新发现，陷入危机，酝酿物理学革命第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期三二、现代科学革命的主要内容（一）爱因斯坦与相对论

1.相对论的提出2.两个基本原理3.意义（1）物理学领域最伟大的革命（2）解决经典物理学危机，扩展了物理学应用领域（3）打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辩证地看待世界的途径相对性原理和光速不变原理1905年狭义相对论《论动体的电动力学》1916年广义相对论第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期三二、现代科学革命的主要内容（一）爱因斯坦与相对论（二）量子理论中的微观世界1、诞生：1900年普朗克量子假说2、发展：

(1）爱因斯坦,光的量子理论(2）玻尔,原子的量子理论(3）一门新的物理学分支量子力学建立起来3、意义：P108（1）20世纪最深刻、最有成就科学理论之一，人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步（2）量子力学对化学、生物学、医学、考古学、古生物学和地质学等科学领域产生重大影响，带来划时代的技术创新。（3）这直接推动社会生产力发展，根本上改变人类物质生活。第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期三三、现代物理学兴起的意义1.量子理论和相对论构成现代物理学的基础。（两大支柱）2.量子理论和相对论弥补了经典物理学在宏观世界和微观的粒子世界面前的空缺，开阔了人们的视野，改变了人们看世界的角度和方式。3.量子理论和相对论不仅对物理科学本身，对自然科学，而且对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期三

相对论和量子理论出现，它们掀起了物理学革命，构成了现代物理学的两大支柱第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期三课中思考：量子力学的产生和相对论的产生有什么共同点？这说明了什么？共同点：从背景上看，19世纪末，物理学得到了极大的发展，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，另一方面扩展到整个宇宙。但是，一系列新的发现无法用经典物理学解释，这使得经典物理学陷入了危机，面临着挑战。从产生过程看，第一，都是科学大师们敢于向权威挑战，追求真理的结果。第二，都经历了一个产生发展完善的过程。说明：社会意识是一定的社会存在的反映；任何事物的产生和发展都要经历一个曲折的过程。第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期三1、爱因斯坦是基于维护人类和平的热忱而作出上述举动，是正确的！2、启发：科学技术本身是一把双刃剑，能造福人类，推动生产力，但如运用不当，也能危害人类。科研初衷与实际效果可能有偏差。科技运用于军事可以以暴制暴3、态度：科技发展应不受利益集团左右。我们应该理性对待科学，使之造福人类P109《解析与探究》第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期三高考链接DB1、（2009上海春季）法国数学家和天文学家拉普拉斯曾经这样说过：“不会产生两个牛顿，因为要发现的世界只有一个。”牛顿所发现的“世界”是指A.微积分B.反射望远镜C.光的色散原理D.三大运动定律2、（2007广东单科）20世纪初，物理学本身发生了一场革命性的变化。下列选项中推动这一变化的是A.电的发明和利用B.量子论的提出和发展C.经典力学的发展D.原子能在军事上的应用第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期三4、(2010·高考江苏卷)“把能量的变化看成是跳跃式的进行，成功地解释了经典理论无法解释的某些现象，打破了经典物理学中一切过程都是连续变化的观念。”这一理论的诞生主要由下列哪一问题引发(

)A．研究热辐射 B．揭示时空本质属性C．解释光电效应 D．预测未知行星方位A3、（2007海南单科）20世纪初，爱因斯坦相对论的提出是物理学的一场变革。它A.否定了经典力学体系B.打破了绝对时空观C.彻底解决了19世纪以来物理学面临的危机D.标志着对物质世界的认识开始进入微观粒子世界B第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期三5、（2011广东文综，22）1919年英国《泰晤士报》曾刊登标题文章——“科学革命”，两个副标题是“宇宙新理论”“牛顿观念的破产”。具有“科学革命”意义的理论是（）A.日心说B.量子说C.经典力学D.相对论6、（2011全国课标，35）哥白尼、牛顿和爱因斯坦被称为近代以来最伟大的科学家，其理论的共同之处是（）A.得到了科学实验的验证B.改变了人类对自然世界的认识C.推动了技术的重大突破D.科学地概括出物质运动的定律DB第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期三7、（2011江苏单科，20）菲利普·费尔南德兹-阿迈斯托在评价某科学家时指出：在他的宇宙里,"每一种现象都带有欺骗性。物质和能量可以相互转换。双胞胎以不同的速度衰老。平行线可以交叉。光线弯曲的径迹其实缠绕宇宙"。这位科学家是（）A.伽利略B.达尔文C.牛顿D.爱因斯坦8、（2010天津文综，11）20世纪初，提出光量子假说，解决经典物理学无法解释的光电效应问题的科学家是（）A.普朗克B.麦克斯韦C.玻尔D.爱因斯坦DD第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期三能力提升爱因斯坦相对论与牛顿经典力学的关系：部分否定：否定了牛顿绝对时空观，提出时间和空间不是绝对不变的，是相对的。继承发展：牛顿力学是相对论力学低速状态时的一个特例。第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期三科学的革命背景：经典物理学的危机。以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释世纪末以来的物理学新发现现代物理学的两大支柱相对论量子论内容：相对性原理与和光速不变原理。时间、空间、运动、质量是相对的。意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维过程：普朗克的量子假说；玻尔提出原子的量子理论；爱因斯坦提出光电效应。意义：对化学、生物学、医学等多门学科产生重大影响，直接推动了生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活小结:第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期三选择题练习第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期三2、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1、现代物理学的基础是：A、牛顿力学B、相对论C、量子假说D、量子理论、相对论第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期三3、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第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期三4、下列表述不正确的是：A、牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础B、经典物理学适用的主要是日常生活中的物理现象C、相对论的提出证明经典的物理学是完全错误的D、量子理论使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期三5、打破了经典物理学的绝对化思维，为人们提供了辨证地看待世界的途径的成就是

A、相对论的提出 B、量子理论

C、量子假说 D、万有引力定律6、19世纪末，以牛顿力学为基础的经典物理学出现危机的根本原因是Ａ、经典物理学不够完善Ｂ、经典物理学自身的局限性Ｃ、物理学出现一系列新发现Ｄ、经典物理学仅能解释地球上的物理现象第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期三7、普朗克提出量子理论是为解决下列那一问题？A、热辐射理论上的疑点B、天体物理学上的疑点C、热力学上的疑点D、电磁学上的疑点8、“运动的尺缩短”，“运动的钟变慢”的含义是A．运动具有破坏性B．运动回产生奇迹C．时间、空间随着物质的运动而变化D．这是相对论的简要概括说明第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期三8．诗人亚历山大·波普赞颂道：“自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说，让牛顿去吧，于是一切成为光明。”19世纪末，科学家曾普遍认为物理学的主要框架已经一劳永逸地构成了，以后需要做的就是把小数点后面的数字再推进一位。这反映出()A．牛顿力学体系已经解决了包括宏观和微观世界的一切问题B．牛顿力学体系被奉为物理学的圣经，作为权威对科学的进一步发展产生阻碍作用C．经典物理学到19世纪末已发展得比较完整，包括了研究宏观物理和超高速物理学的各部门D．牛顿力学体系还没有从神学中解放出来第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期三9．有一次，爱因斯坦与卓别林共同出席一个宴会，他们都受到了热烈的欢迎。卓别林对爱因斯坦开玩笑说：“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。”此语意指()A．绝大多数人盲目欢迎爱因斯坦B．相对论有悖于人们的日常经验C．爱因斯坦的理论与人们日常生活无关D．伟大的科学家不如著名艺术家第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期三10．“这一发现成为20世纪物理学研究的基础，从那个时候起几乎完全决定了物理学的发展。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。”这一“发现”指的是()

A．经典力学B．进化论

C．相对论 D．量子论11．1921年3月上海《时事新报》刊登了一篇驻德国作者的特约稿，评论“爱因斯坦的革命事业，比之昔日的德国路德之宗教革命，其影响还要重大，这位先生把旧科学的概念一齐推翻”材料中“旧科学的概念”是指()A．爱因斯坦的相对论 B．牛顿的经典力学C．达尔文的生物进化论 D．普朗克的量子理论第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期三趣味小故事：１９１１年的一天，在著名的布拉格大学校园里的一片草地上，一群大学生围坐在一位年轻学者的身旁，正进行着激烈的讨论。“请您通俗地解释一下，什么叫相对论？”一位学生微笑着向青年学者发问。年轻学者环视一下周围的男女学生，微笑着答道：“如果你在一个漂亮的姑娘旁边坐了两个小时，就会觉得只过了１分钟；而你若在一个火炉旁边坐着，即使只坐１分钟，也会感觉到已过了两个小时。这就是相对论。”大学生们先是一愣，接着便大笑起来。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期三很抱歉推翻了您的理论

爱因斯坦曾说道：“牛顿先生，很抱歉推翻了您的理论，不过您的成就是您那个时代一个人的智力和创造力所能达到的颠峰，您所创造的许多观念直到今日都仍在引导我们的物理思维。虽然我们知道，当我们对宇宙万物有了更深入的了解以后，这些观念将会被一些更抽象的新观念所取代。”也许将来某一天，会有一位少不更事的科学家说道：“爱因斯坦先生，很抱歉推翻了您的理论，不过您的成就是您那个时代一个人的智力和创造力所能达到的颠峰……”第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期三名人传记在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉。想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理、数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期三在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。

年仅二十六岁爱因斯坦，几次在中学里面求职，最后在一个瑞士专利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作大概要四十几个小时。但尽管如此，这一年是他最辉煌的时期，因为他做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几项贡献。

第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期三谢谢第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期三温故知新：联系P60。

牛顿是一位伟大的科学家。数学界，他总结出了微积分；在物理界，他总结出了万有引力定律以及经典力学运动三定律；在光学方面，他最早发现了白光的组成，指出了色散的本质。1727年3月20日，伟大的牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上镌刻着：

“让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在！”第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期三牛顿力学刚刚问世时，曾受到不少人的怀疑和反对。牛顿力学是否是科学？只能由实践来检验。牛顿力学不断被证实，历史上最著名的有三件事。

第一件，用牛顿力学算出地球的形状象只桔子。古希腊的亚里士多德认为地球是个正球体，两千年来人们对此深信不疑。牛顿却根据他的力学，说地球是个扁球体，象只大桔子。此言一出，学界哗然。地球那么大，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次实地测量，终于证实了牛顿的看法。用力学能算出地球的形状，真是个奇迹。第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期三第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星的回归周期。长期以来到，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，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。他的好友哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年，由此预言它将在1758年再次出现。哈雷1705年发表这个预言，当时他已49岁，却要预言53年以后的事，岂非耸人听闻？可是1758年这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。牛顿力学剥掉了彗星的神秘外衣，对它的运行作出了科学预见，这又是一个奇迹。第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期三

第三件，用牛顿力学算出了一颗未知行星的位置。（海王星）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。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。1848年9月23日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，用望远镜对准勒维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星—海王星。勒维列无需观测星空，就在笔尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。

有了牛顿力学，秀才不出门，能知地球事，能知天上事。牛顿力学创造的一次又一次奇迹，使科学享有崇高的威望。第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期三例子:1875年时，普朗克在慕尼黑大学学物理，物理老师曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”17—19世纪牛顿经典力学日趋完善、成熟第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期三危机与机遇：“晴空上漂浮着两朵乌云”第一朵乌云：“以太”说破灭

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”。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”。

按照牛顿的经典时空观，宇宙中应当存在一种绝对静止的媒质“以太”，人无法感受它，但它能传递电、磁、力，光亦借助于它才能传播。

第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期三地球以每秒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”。19C末以牛顿力学为基础的经典物理学陷入危机第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期三事情还要从19世纪下半叶说起，1870年在“铁血宰相”俾斯麦的领导下，德国(普鲁士)赢得了普法战争，从法国得到大量战争赔款，同时迫使法国割让了阿尔萨斯和洛林两个省。当时的德国，急于从一个以农业为主的“土豆王国”，变成一个工业化的“钢铁王国”。德国的鲁尔区产煤，而紧靠鲁尔区的阿尔萨斯和洛林有丰富的铁矿，再加上大量的赔款，德国发展钢铁工业万事具备，就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温，数千度的炉温，任何温度计都会熔化。第二朵乌云：黑体辐射(热辐射)困难。第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期三于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度，这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。早已完成工业革命的英国，当然也在改进炼钢技术，因此许多英国科学家和德国同行一样，也致力于黑体辐射的研究。奇怪的是，无论怎么努力，构造什么样的辐射模型，理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好，就是在短波波段出现发散，即所谓“紫外光灾难”。这就是黑体辐射困难。第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期三2004年6月,联合国第58次大会通过决议,确定2005年为“世界物理年”

（1）右图是2005年“世界物理年”的徽标。观察这个徽标,提出一个问题,并写在下面的横线上.上海高考题例:为什么把2005年确定为世界物理年？

第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期三

为纪念爱因斯坦对物理学的贡献，联合国教科文组织特选定相对论发表100周年暨爱因斯坦逝世50周年的05年为世界物理年，许多国家更将2005年定为爱因斯坦年。并透过展示物理在经济技术文化等方面的重要作用，争取公众对物理学的理解与支持，期使物理学能在21世纪得到全新的发展。寻找本世纪爱因斯坦，再创科学奇迹

第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期三红色——代表过去

蓝色——代表未来

黄绿——表连结过去到未来2005世界物理年

对物理学家而言，这个标识象征的是光锥；对一般大众而言常被看成是沙漏，象征着爱因斯坦在时间相对性上渊博的见解及洞察力。第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期三1905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）1905

神奇的一年第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期三（人教）狭义相对论认为,物体运动时,质量会随着物体运动速度增大而增加,同时,时间和空间也会随着物质的速度的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应.

相对论的例子：一卷录音带，如果在地面上播放需要一个小时；在快速飞行的宇宙飞船里播放，宇宙飞船里的人测定也是一个小时。但是由地面上的人员，来测定在宇宙飞船中播放的时间呢？根据牛顿的理论，因为时间是绝对的，所以也是一小时；但是爱因斯坦的理论则认为应该是一个多小时，因为时间是相对的，在不同速度下测量时间，长度是不一样的。(参考教材P107例子)什么是狭义相对论？第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期三什么是广义相对论？广义相对论是新的万有引力概念

爱因斯坦阐述“万有引力”的本质是导因于物质的分布而弯曲了邻近的时间─空间几何结构，从而导出比牛顿万有引力定律更精确的理论，得到弯曲的四维时空观念，牛