历史必修三第11课 物理学的重大进展.pdf

第四单元 近代以来世界的科学发展历程r文艺复兴思想解放科学勃兴 进展辉煌一一经典力学、相对论和量子论、进化论（11、12 课）化生产科技革命-三次科技革命（13课）第11课物理学的重大进展伽利略 牛顿 爱因斯坦 普朗克【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。物理学的曲折发展古希腊科学彖亚里士多德“落体的速度与重量成正比”“物体从来都是绛止的，除 非你用 力推它才开始运动”物理学的重大进展一经典力学LL景2.牛顿的经典力学相对论的创立1.背景2,创立3 意义-量子论的诞生与发展1,背景2.诞生3发根4意义经典力学,_ 一 U _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 和杷握的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种 枚志。-大国崛起解说词-r.1=1-/J/=7，I1687,自然哲学的数学原理创工：物体运动三大定律和万有引力定律,a.完成了人类对自然界认识史上的第一次理论 思义：大综合，促进了资本主义的两次科技革命的出现b.使科学摆脱了神学的束缚，成为近代科学 形成的标志。伽利略 ci5641642J,伟大的意大利物理学家和天 文学家，他开创了以实验事 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。公元前4世纪，亚里士多德 创立了“地心说”。亚里士多 德认为，宇宙是一个有限的球 体，分为天地两层，地球位于 宇宙中心，所以日月围绕地球 运行，物体总是落向地面。是 上帝推动了恒星天层，才带动 了所有的天层。人类居住的地 球，巍然不动地居于宇宙中心。托勒密：古希腊地理学彖，天 文学彖，教学彖。一生著述卷 多，其中，天文学大成i 要论述了他所创立的地心说。哥白尼：曾潜心研究过“地心说”，做了许多笔记 和计算，并开始用仪器观测 天象，头脑里开始孕育新的 天文体系。在1543年出版的 天体运动论中，哥白尼 向人们描述了他的宇宙图景:太阳位于宇宙的中心，有五 颗当时已知的行星和地球围 绕太阳旋转。:“你的未日已经来临，还有什么要说的吗？”布鲁诺 满怀信心在产地宣布：“黑暗即将过去，黎明即将来临,真理终将战胜邪恶！”他最后高呼：“火，不能征服我,未来的世界会了解我，会知道我的价值。”5 2岁的布 鲁诺族熊熊烈火中英勇就义。他死后，教会卷至害怕人 们抢走这住伟大思想彖的骨灰来纪念他，匆匆忙忙杷他 的骨灰连同退土一起抛撤左台伯河中。平哥诺极力量扬教会的迫害,”印心、说,笑到6 0。年2月。目，宗教裁判所判处布鲁诺大刑，布鲁 诺以较前的态度听完判决书后，正义凛然地说:“你们对我宣读判词,比我听判词还要感到恐惧”。行刑，刽子手举着火把问布鲁诺1610年，伽利略用望远镜发 现有4颗卫星围绕着木星转。这一发现震动了整个欧洲和 全球科学界。伽利略是第一位利用望远镜 观察天体的人。目前人类发 现的16颗木星卫星中，有4 颗叫“伽利略卫星”。又脉的阳白瑞 太哥匕球太证 月着力，绕有 子球了C日至据。宗教法庭把他软禁在家，不准 外出。8年多后）伽伽利略临死前 仍不屈服，坚定地说：“地球确实 在围着太阳转！”他的努力没有白 费）越来越多的人开始探索星空和 科学！人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆,伽利略发 现了新宁宙”。科学的真理不应在古代圣人的蒙着灰尘 的书上去找，而应该 在实验中和以实验为 基础的理论中去找。伽利略“近代科学之父”伽俐略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i 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 地持续运动下去。；1590年，伽俐略在斜塔 的顶层做自由落体运动实 验，让两个重量相差10倍 的铁球，同时从塔顶落下,结果两球同时着地，因而,雄辩地一举推翻了束缚人 们近2000年的希腊学鲁亚 里士多德关于重量不同的 物体，其下落的速度也不 相同的“物体下落速度与 重量成正比”的理论。伽 俐略开创了实验物理的新 时代，为经典力学的创立 奠定基础。一牛顿 fl6421727J牛顿出生于英国的林 肯郡，1665年毕业于著 名的剑桥大学三一学院,获得学士学位。三年后 又获得文学硕士学位。牛顿曾经长期担任英国 皇家学会会长，他还担 任过英国议会议员,授 予爵士称号。1727年，他病逝，被安葬于威斯 敏斯特教堂，这是一种 极高的荣誉。牛顿是生活在地球上的影响最大的科学家之一。生于 伽利略逝世的那一天。牛顿少年时代即表现出手工制作精巧机械的才能。虽 然他是个聪明伶俐的孩子，但并未引起他的老师们的注意。他在学校的成绩不好，他体弱多病，性格腼腆。学习成绩 是班上倒数几名，还经常受顽皮学生的欺侮。直到有一次 跟同学打架。据说那个男孩在牛顿的肚于上踹了一脚，于 是牛顿把他狠狠地揍了一顿，并把他的鼻于握在教堂的墙 上蹭来蹭去。从此之后，牛顿便开始在班里崭露头角，尤 其在制作模型上表现出心灵手巧。成年时；母亲令其退学，因为希望儿子成为一名出色的 农夫。十分幸运的是他的主要天赋不满足于他在农业方面 发挥。他被证明不是一个好农夫，干活漫不经心，而且脾气 急躁。于是他又被送回学校，18岁那年他进入了剑桥大学，极快地通晓了当时已知的自然与数学知识，之后转入个人的 专门.这就是牛顿在 剑桥的苹果树牛顿家里的 苹果树牛顿所处时代（17世纪中叶至18世纪初）的时代特征经济上：资本主义发展到手工工场时期政治上：资本主义制度在英国确立思想上：启蒙运动逐渐兴起和发展科技上：伽利略及前人研究的科技成果 牛顿为什么会赢得掌声不断、鲜花无数?牛顿有哪些重要贡献？其中最重要的是什么？数学：二项式定理，微积分光堂：发现太阳光的光谱，微粒说 天文学:发明反射式望远镜等 力学:自然哲学的数学原理物体运动三大定律；万有引力定律形成经典力学体系牛顿力学的奠基作：自然哲学的数学原理注重实验特征数学化历史上证实牛顿 力学的三件事第一件，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。第二件，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7576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。第三件：用牛顿力学算出了一期 未知行星的位置1781年天王星被 发现，科学家用牛 顿力学计算它的轨 道，可是计算结果 总是同观测纪录不 大相符。经反复核 算，观测无误。那 问题是否出现在牛 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，柏林天文台台长用望远镜对准 那个位置，一下子就看到了一颗新的行星一海王星。I“我不知道世人对我是怎样看法，但是在我看 来，我不过象一个在海滨玩耍的孩子，1为时而发 现一块比平常光滑的石字或美丽的贝壳而感到高 兴；但那浩瀚的真理之海洋，I却还在我的面前末 曾发现呢？我所以有这样的成就，是因为我I 站在巨人的肩膀上的缘故。;隼1 1 1 一牛顿临终遗言I I I思考：“光滑的石子和美丽的贝壳”指什 么？牛顿遗言给了我们怠样的感悟？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！等二、相对论的创立1.创立背景：经典力学无法解释一些新问题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”。此观点对吗？9攵快J 丁呐于推动物理学发展到一个新高度 回1879年生于德国，是举世闻名 的德裔美国科学家，现代物理学 的开创者和奠基人。爱因斯坦 1900年毕业于苏黎士工业大学,后在大学任教,1914年任皇家物 理研究所所长兼柏林大学教授。1921年获诺贝尔物理学奖。1933年受希特勒迫害离开德国 移居美国，爱因斯坦在物理学的 许多领域都有贡献，比如建立狭 义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理 论解释光电效应、辐射过程、固 体比热等。爱因斯坦(1879-1955)r爱因斯H E=mc2 改变人类100年ZrA-、工天话：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大家欢迎你是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）爱因斯坦1905年提出的相对论，后来称作狭义相对 论，以光速永不改变、相对性原则来推论，得到“时间”会因速度快慢而改变的结论。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。什么是狭义相对论?什么是广义相对论?广义相对论是新的万有引力概念广义相对论的重要结论是，加速运动与引力 场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引 力所产生的运动是不可能的。对此，爱因斯坦作了一个比喻。假想有一个 人乘摩天楼的电梯自由降落，人不会感到自己 在下降，因为这时电梯和人都依照重力加速度 定律在下降，彷佛在电梯里不存在地球引力。相对论和经典力学有何关东？1.相对论否定了经典力学的绝对时空幽；2.相对论发展了牛顿力学，牛顿力学是相 对论力学在低速状忐下的一个特例；3.牛顿力学是整个力学的基础，牛顿所创 透的概念，至今仍指导着人们的物理学思 想O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 的巅峰。但是，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 造力所能达到的巅峰”由于相对论的观点与人们的日常经验不太一 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。1921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者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合 理且为实验所证实。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 对无辜平民的伤害也同 样令全世界震惊。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！”爱因斯坦就核武器问题的懊悔,代表了人类良知的高度，是人 类良心发出的最强音。听爱因 斯坦的自责之声，我们明白人 类良知之宝贵.信不信由你：爱因斯坦小故事关于爱因斯坦的小故事多得不胜枚 举，无论是真是假，人们对一位伟大 物理学家的崇拜是不会改变的。他穿的袜子左右脚常不同颜色；用手推车推孩子散步，竟会由于专心思考问题，而一不小心把孩子推到水沟里；陪太太看电影时，却在电影院里用手电筒看书；1952年，以色列共和国请爱因斯坦去担任总统，因 为爱因斯坦是犹太人心目中的精神领袖，然而他没有 接受，觉得自己的个性并不适合处理行政。I然而就是这样一位光彩夺目的人物，I爱因斯坦年幼 时也未显出智力超群,;相反，到了四岁多还木会说话，家里人甚至担心他是个低能儿J在整个中小学时代却常 常被斥为“生性孤僻、I智力迟钝”J“心不在焉J想入 非非”；中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将;“一事 无成”，1勒令他退了学。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。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校 时，是作为十个和谐的人，而不是作为十个专家；寻找本世纪爱因斯坦，再创科学奇迹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10 0周年暨爱因斯坦逝世5 0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。2005世界物理年口、J色色绿 红蓝啬八代表过去 代表未来 表连结过 去到未来对物理学家而言，这个标 彳正的是免锥；对一般大众 常被看成是沙漏，象征着 斯坦在时间相对性上渊博 解及洞察力。：成功的M诀：JALJ I;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 秘诀爱因斯坦厌烦丁，便写了一;个公式;给他：iA=x+y+z爱因斯坦解释道：！1“A代表成功,：x代表艰苦的劳动，代表；正确的方法.不及待地问。坦说1 1 1，代表什么？”青年迫“代表少说废话。爱因斯;1 1 1 1 1 1 1I 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。督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。三、量子论的诞生与发展1.背景：19 c末-2 0C初,人们对物质的认识深入到原子内部 微观的粒子运动不能用经典力学来解释2.诞生：1900,德国物理学家普朗克3.发展：爱因斯坦利用量子论成功解释了光电效应丹麦玻尔提出有关原子的量子理论4.意义:使人类对微观世界的基本认识取得革命性进步与相对论一起，构成现代物理学的基础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。BI普朗克(18581947)普朗克生于德国基尔。1879年在慕尼黑大学获得 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。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 项业余爱好是他一直坚持 到晚年的登山运动。对 话19世纪经典物理学达到巅峰状态，；在人们心目中j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 故给物理理论学！”老师：“年较人，物理学是一门已经完 成了的学科，不会再有多大的发展，把 一生都故给这门学科，太可惜了。”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、晶体技术和激光技 术等奠定了理论基础。小结伽利略（奠基）牛顿（建立）经典力学相对论0爱因斯坦量子论n普朗克等思考总结物理学的发展缺了衣们什么样 的启示？敢于质疑，勇于创新,实践出真知.如果说文艺复兴把神从人的精神领域驱逐出去，那么哥白尼把神从天文学领域驱逐出去牛顿 把神从无生命的领域驱逐出去 达尔文把神从有生命的领域驱逐出去陶堂练习；魏1、17世纪是人类在自然科学领域取得重大突破的 时期，其原因不包括A、资本主义经济发展的要求B、科学家的艰苦努力C、理性主义的确立；D、工业资本主义的推动D随堂练习2、（2008年江苏高考）一位科学家的墓碑上镌刻 这这样的铭文：“他以神一般的力量，第一 个说明了行星的运动和图像。”这位科学家应该 是A、伽利略B、牛顿C、爱因斯坦D、普朗克B随堂练习七帮煮名诗人蒲伯说：“自然界和自然规律隐 藏在黑暗中，上帝说，让牛顿出生吧！于是一切 都是光明。”由此可以看出牛顿的主要贡献是A、建立了经典力学体系B、建立了微积分理论C、提出了万有引力定律D、提出了进化论的观点随堂练习4、证明“天上一日，地上一年”的民间说法的是A、牛顿万有引力定律；B、爱因斯坦相对论；C、量子共；D、牛顿三大运动定律