第11课　物理学的重大进展 (4).ppt

1、世界物理年学术报告会海报,“世界物理年”邮资明信片,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。,【课程标准】 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。,探究：他们分别是什么人？有什么贡献？,第11课 物理学的重大进展,伽利略 牛顿 爱因斯坦 普朗克,亚里士多德眼中的世界,亚里士多德经常看到，石头总是比羽毛先掉到地上。因此得出结论：“较重的物体的下坠速度比较轻的物体要快”；他还创立了“地心说”。 亚里士多德是古西方世界的“三大哲人

2、”之一。他的“地心说”成了圣经，上述思想一直到16世纪都占居统治地位。,前384-前322,1543年哥白尼发表天体运行论，提出日心说，从根本上动摇了宗教神学的理论基础，引起了中世纪宇宙观的彻底革命，恩格斯称其为“自然科学的独立宣言”，标志着近代科学革命开始。,一、经典力学,1、伽利略：（16世纪末17世纪初） 贡献： 物理学：落体定律、匀速运动、匀加速运动定律 天文学：用自己制造的望远镜证明了哥白尼的“日心说” 意义： 开创以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，为经典力学的创立和发展奠定了基础（被誉为“现代科学之父”）,伽利略（15641642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开

3、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。,有人记载伽利略曾在意大利比萨斜塔上作过自由落体的实验。结果两个重量相差10倍的球同时落地，证明了亚里士多德的观点是错误的。,“两个铁球同时落地！”,伽利略对亚里士多德力学观的否定,亚里士多德的力学观：必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会静止。如：“推箱子”的例子,伽利略通过观察、实验和推理，得出结论：如果运动物体不受阻碍，它将速度保持不变

4、地持续运动下去。,你认为伽利略能够确定加速运动定律的关键途径是什么？你有何启示？,实验；计算 实践是检验真理的唯一标准,1609年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到月球表面凹凸不平，并绘制了第一幅月面图。,伽利略的折射式望远镜,伽利略的手稿,哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。,由于宣传哥白尼学说，1616年，宗教裁判所责令伽利略保持沉默。 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话被认为违反禁令。 伽利略被召到罗马，囚禁缺席审判苦刑恐吓当众跪着忏悔终身监禁，他的书也被列为禁书。 1642年，在贫病交加中逝世，享年78岁。 1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所的审判是错误的。,2、

5、牛顿： 贡献： 创立了经典力学（标志：自然哲学的数学原理） 提出物体机械运动的三大定律和万有引力定律及物理 学的一些基本概念,经典力学体系的突出特点,实验进行中,实验（基础）+数学（表达形式）,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。,哈雷算出彗星轨道及周期,长期以来，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7576年，由此预言它将在1758年再次出现。53年以后的1758年（当时哈雷已去世

6、），这颗彗星果然如期出现。哈雷彗星的发现验证了万有引力定律的科学性。,爱德蒙哈雷（16561742）,1781年人们发现天王星后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。,海王星和冥王星的发现,数学：发明了微积分 光学：发现太阳光的光谱，主张微粒说 天文学：发明反射式望远镜等,牛顿的其他贡献,1、对物理学：牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础，成为整个近代物理学的重要支柱；,牛顿力学体系创立的意义,2、对天文学：根据万有引力定律相继发现了

7、海王星和冥王星，奠定了天文学的基础；,3、对现代工程力学：为现代工程力学以及与之相关的工程技术奠定了理论基础；,工程力学,工程力学是研究有关物质宏观运动规律及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。 力学和工程学的结合，促使了工程力学各个分支的形成和发展。现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力学的活动场地。,剑桥大学牛顿数学桥,数学桥又称牛顿桥，是位于剑桥大学内

8、的一座木桥。相传，这座桥是牛顿运用数学和力学原理设计建造的，整座桥上没有使用一根钉子，堪称是个奇迹。后来，好奇的学生把它拆下来，想看个究竟。谁知拆下容易，恢复难！无论他们用什么方法，就是恢复不了原样，连校方也无能为力。最后，不得不用钉子固定，才重新将木桥架起来。,4、工业革命：牛顿力学和热学引发了英国工业革命为起点的第一次技术革命，使人类进入蒸汽时代；,牛顿力学体系创立的意义,蒸汽传动,蒸汽机车,蒸汽轮船,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。 大国崛起解

9、说词,牛顿力学体系创立的意义,5、宗教神学：从物理学角度极大冲击了神学思想，标志着人类科学时代的开始；（近代科学形成）,近代科学是在收集材料的基础上，从现象深入到本质，从经验定律上升为系统的科学理论。 传统科学基本属于现象的描述和经验的总结，没有形成系统的理论和相对独立的科学体系。,概念,牛顿力学体系揭示：其一，“宇宙万物的发展是有规律的，是由低级向高级不断发展的这种自然规律是完全可以认识的人类社会也有支配其发展进步的永恒法则”；其二，“人们在认识自然规律的进程中不需要上帝，只需要理性人们只要像自然科学那样运用理性主义的方法，同样可以揭示人类社会发展进步的规律”。 启蒙运动的思想家们受到牛顿成

10、就的巨大鼓舞，用牛顿提供的武器理性去破解人类社会发展规律的过程。正如有的学者所指出的：“科学促使法国启蒙运动洋溢着崇尚理性、确信社会进步的乐观主义精神。杰出的科学成果及其广泛应用，推动着生产技术的进步。这使启蒙思想家们深信：人只要从屈服于神转而面向自然、征服自然，就能从愚昧和迷信中解放出来，获得巨大力量，推动社会前进。 科学的本质就是启蒙，启蒙必须依靠科学。科学能揭示自然之光，也能点燃理性之光，引导人们从黑暗走向光明。” 实际上，牛顿可以说是启蒙运动之父。,6、启蒙运动：牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则，还为启蒙运动奠定了科学基础；,牛顿安葬之处威斯敏斯特大教堂,1727年，牛顿去世。

11、英国以隆重的国葬仪式将他安葬在威斯敏斯特大教堂，这里一向是王公贵族的墓地，牛顿成为第一个安息在此的科学家。出殡的那天，成千上万的普通市民涌向街头为他送行；抬棺椁的，是两位公爵、三位伯爵和一位大法官；在教堂合唱的哀歌中，王公贵族、政府大臣和文人学士们一起向这位科学巨人告别。 目睹了牛顿葬礼的法国思想家伏尔泰为之深深感动，他感慨道：“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”整个社会在向一个科学家表达着由衷的敬意，这是一个国家对于科学家的态度，也是一个国家对于科学的态度。,19世纪经典物理学达到巅峰状态，在

12、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。”,对 话,质疑与思考：经典力学体系是最完美的物理学理论吗？,19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：“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座大厦。”,2.局限：只适用于宏观物体（宏观世界）的运动;只适用于物体运动的低速状态，是绝对的时空论 高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！,1、背景：经

13、典物理学的危机,19世纪末三大发现：x射线、放射性和电子 经典力学无法解释研究中的新问题，如：黑体辐射、光电效应等等 2、相对论的提出及主要内容： 1905年，爱因斯坦提出狭义相对论和光速不变原理。 1916年，他完成了广义相对论的最终形式。这被看作人类思想史上最伟大的成就之一。,二、相对论的创立爱因斯坦,3、相对论建立的意义,相对论的提出是对近代物理学思想的一次重大革命， 它否定经典力学的绝对时空论，深刻地揭示了空间、时间的本质属性。 它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。,狭义相对论认为：时间和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。,爱因斯坦关于相对论的比喻。 为

14、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：“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，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内容。”,这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。,广义相对论认为，物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲的程度体现为引力场强度。 广义相对论第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。,笑话： 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：大家欢迎我是因为他们都能理解我，

15、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,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。,1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结

16、束了那朴素的葬礼： 我们全都获益不浅， 全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星， 光华四射， 把无限的光芒同他的光芒永相连结。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。,然而就是这样一位光彩夺目的人物，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。在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“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

17、。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。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。,大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。 “知识是死的；而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学

18、生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”,成功的秘诀,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，要他公开成功的秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一个公式给他：Axyz 爱因斯坦解释道：“A代表成功，x代表艰苦的劳动，y代表正确的方法” “z代表什么？”青年迫不及待地问。“代表少说废话。”爱因斯坦说,爱因斯坦根据相对论的观点提出质能转换理论后，曾致信美国总统罗斯福，建议美国研制原子弹，以便在二战中尽快战胜法西斯国家。1945年8月，美国先后在日本的广岛、长畸投下两颗原子弹，加速了日本法西斯的投降，但对无辜平民

19、的伤害也同样令全世界震惊。爱因斯坦为此非常懊悔。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠！” 从这件事中，我们能得到什么启发？我们应如何对待科学的发展？,科学理论对科学技术的发展有巨大的推动作用，但科学技术本身是一把双刃剑。科技能造福人类，推动生产力水平的提高，但如果运用不当，也能危害人类。,分析比较牛顿力学体系和相对论,分析比较牛顿力学体系和相对论,1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号h表示，其数值为6.62617610-27尔

20、格秒，是微观现象量子特性的表征。,加热到不同温度的物体发出不同颜色的光,科学家们为了总结热辐射规律，推导出两个公式。但这两个公式的计算结果总是与实验结果不相符合。1900年，为了解决热辐射理论上的疑点，德国物理学家普朗克提出了量子假说：辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。,普朗克量子学说的创始人,（三）量子论的诞生与发展：,量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。 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。,今天，我

21、们的现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。,经典力学： 解析低速运动、 宏观世界物理 现象,近代物理学,相对论： 高速运动,量子论： 解释微观世 界物理现象,现代物理学,为相对论的提出奠定基础,继承和发展了经典力学,经典力学、相对论、量子论的关系：,小结：物理学的发展给了我们什么样的启示？,敢于质疑，勇于创新，实践出真知,近代科学诞生和发展的原因？ 资本主义工商业和商品经济的发展为近代自然科学的发展奠定了物质基础并成为主要动力； 新兴资产阶级在经济上对自然科学的迫切需要； 自然科学自身发展的需要； 文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动； 优秀科学家

22、的实践和刻苦钻研。,探究,1（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量子论 C经典力学 D相对论 2（2011全国新课标文综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 3（2011江苏单科20）菲利普费尔南德兹一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,D,B,D,C,A,4（2013江苏单科17）“根据这