物理学的重大进展.doc

第11课　物理学的重大进展
A教学目标
一、知识与能力：
识记伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克等物理学家对物理学发展所作出的重大成就；理解经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位；相对论和量子论诞生的原因、意义；探究经典力学体系的特点，比较相对论、量子论与牛顿力学的关系。思考“日心说”与“地心说”相比的进步性，探究经典力学体系的特点、影响。
二、过程与方法：
1、引导学生回忆初中物理知识来促进本课的学习。
2、通过学生预习（围绕4个物理学家，自制小课件）、课堂展示本课主要内容，促进同学的互相学习。教师给予必要的补充。
三、情感态度与价值观：
1、科学真理需要勇于探索、执着追求的精神；
2、科学理论在不断完善、创新，人类对客观规律的认识不断深入。
B重点与难点
重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。
D教学过程
【导入新课】
1632年，伽利略撰写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》科学巨著出版后，立刻引起教会的恐慌，把伽利略投入监狱。教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决：“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今后3年内，每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。
那么，是什么原因导致宗教裁判所对伽利略作了如此判决？我们应如何看待伽利略在科学领域的贡献？
【讲述新课】
近代科学诞生的历史背景是什么？
(1)资本主义工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。
(2)新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学的迫切需要。
(3)自然科学自身发展的需要。
(4)文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动。
(5)优秀科学家实践和刻苦钻研，也促进了科学的发展。
一、经典力学：
1、经典力学的重要奠基者──伽利略
（1）背景：文艺复兴运动的影响，即解放了人们的思想，推动了科学研究。
16世纪末17世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思想的解放，意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统地观察和实验。他将科学实验与数学相结合，进行科学研究，并强调追究事物之间的数学关系。
（2）成就：
A成就：
①创立科学的研究方法：实验和观察。
②物理学：实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等。
希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止。
伽利略首先运用理想实验的方式进行逻辑推理，从推理中发现物体下落的快慢和它的重量无关。伽利略设想，如果亚里士多德的观点是正确的，那么，让轻重不同的两个物体下落时，重的物体下落快，轻的物体下落慢。可是，把它们绑在一起让其下落会出现什么情形呢？按照亚里士多德的观点，绑在一起后的物体会比原来重的物体更重，所以它们就比重的物体下落得快。可是，从另一方面分析，绑在一起后，由于重的物体要带动轻的物体运动，它们应该比重的物体下降得慢一些。这显然是两个互相矛盾的结论。无论如何，绑在一起的两个物体只能以一个速度下落，而推理的过程又是完全正确的，因此推理的前提必然是错误的。伽利略由这个推理得出结论：物体下落的快慢与重量无关，所有物体下落快慢都是相同的。
据说1590年的一天，26岁的伽利略为了证实自己论断的正确，他来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约4.5千克重的石块和约0.45千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地。在场的数以百计的学者和观众，亲眼目睹了这一精彩的场面，伽利略用活生生的事实向人们展示了轻重相差悬殊的两个物体同时落地的现象。从而推翻了亚里士多德的错误理论，发现了物体下落的真正运动规律——自由落体定律。
伽利略的研究表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定基础。他的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。
③天文学：自制望远镜观察天体并取得大量成果的第一人，证明了哥白尼“日心说”的正确性。
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。地球之外有9个等距离天层，各个天层自己都不会运动，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。
作为古希腊的最后一位大天文学家，托勒密全面承袭了亚里士多德的“地心说”，把亚里士多德的9层天扩大为11层。托勒密设想，各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”，同时假设地球并不恰好在均轮的中心，而是偏开一定的距离，均轮都是一些偏心圆；日、月、行星除了作上述轨道运行外，还与众恒星一起，每天绕地球转动一周，从而使计算结果达到了与实测的一致，取得了航海上的实用价值。
托勒密的“地心说”恰好迎合了基督教义，便被基督教用来维护圣经学说。《圣经》宣扬，宇宙和地球都是上帝耶和华创造的，地球不动位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人类是神的骄子，宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……于是，托勒密的“地心说”成了圣经，天文学成了宗教的奴婢，这种状况一直延续到哥白尼时代。
哥白尼在1543年出版的《天体运动论》中，提出：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。《天体运行论》虽然也存在缺点，但它在人类历史上第一次描绘出了太阳系结构的真实图景，揭示了地球围绕太阳转的本质，把颠倒了1000多年的日地关系重新颠倒过来，引起了中世纪宇宙观的彻底革命，沉重打击了封建教会的神权统治。
意大利科学家伽利略对哥白尼学说的传播和天文学的发展作出了重要贡献。1569年他自创了用以观察天体的第一架望远镜，从望远镜里他发现月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》
【合作探究】1：你认为伽利略能够确定自由落体定律的关键途径是什么？你有何启示？
途径：实验、计算。
启示：实践是检验真理的唯一标准。
B意义：①大大改变了古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动的观念，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。
自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法，因此，现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确道路。
②伽利略在天文学上的发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。
过渡：伽利略是力学的奠基者，他在世时曾预言“一门广博精深的科学已经启蒙。我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法与手段将会探索到各个遥远的角落。”那个比他更敏锐的人就是牛顿。在伽利略研究的基础上，英国科学家牛顿进一步研究，创立了经典力学体系。
2、牛顿创立经典力学
（1）标志：1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律和万有引力定律。
惯性定律、比例定律、作用与反作用相等定律。
（2）特点：以实验为基础，以数学为表达形式。
经典力学最显著的特征之一就是注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。另一个显著特征是它的数学化，这种数学化的根源是自然内在的数学关系。自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。
（2）意义：
①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
②经典力学体系具有科学性和预见性：牛顿力学体系对解释和预见物理现象具有决定性意义，根据牛顿力学体系，人们发现了海王星和冥王星。
【备课资料】天王星和海王星的发现
18世纪以前，人们都以为土星就是太阳系的边界。随着观测技术的进步，人类对太阳系的认识有了突破。1781年，英国天文学家赫舍尔在用望远镜观察天空时，发现在土星之外的金牛座群星中有一颗既不像恒星又不是彗星的星星，后来英国天文学家麦斯克雷弄清楚了它是一颗前所未知的行星，新行星以希腊神话中的萨都恩神（土星以此命名）的父亲、天神乌兰纳斯来命名新行星，中文译为天王星。其后人们按照当时的观测编制了天王星的运行表。但到了1830年，人们发现它的实际运行情况与运行表所推算的数值存在着明显的差别，根据万有引力理论，这种“越轨”现象使天文学家们考虑到在它的附近可能有一颗未知的行星干扰着它的运动，根据万有引力定律，人们可以从天王星的行为中推算出这颗未知行星的位置。1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯首先得出了计算结果，但未被引起重视。1846年8月，法国天文学家勒维烈经过自己的计算，公布了这颗未知行星的轨道参数。三个多星期后，德国天文学家加勒根据勒维烈计算的数据果真找到了这颗行星，这就是海王星。海王星的发现是牛顿力学在天文学运用上的伟大胜利，它标志着天体力学已趋于成熟。
经典力学体系的形成对近代科学的发展有和影响？（导与练思维启迪1）
【质疑与思考】：以牛顿的理论为代表的经典物理学理论是不是就绝对正确、无所不能的呢？
牛顿力学体系的建立既有巨大的意义，也有其局限之处。经典力学体系建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上，认为存在绝对静止和绝对时间，然而，随着科学的飞速发展，物理学出现一系列新现象，无法用经典力学来解释高速运动的微观粒子发生的现象，这使其陷入危机，面临着挑战。爱因斯坦的相对论正是在次背景下产生的。
狭义相对论发表100周年，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。
二、爱恩斯坦创立相对论：
1、历史背景：
（1）19世纪科学得到了飞速发展；
（2）经典力学无法解释研究中遇到的一些问题，如高速运动的微观粒子等。
经典力学认为，时间和空间与物质运动无关，存在着绝对的静止和绝对的时间。这与人们的一般看法一致。但到了19世纪，经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。
2、相对论的提出及主要内容：
（1）提出：20世纪初，刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章，提出了著名的相对论，引发了二十世纪物理学的另一场革命。
（2）内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。
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，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。
【合作探究】2：狭义相对论和广义相对论的区别
狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。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。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。
3、意义：
（1）相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。即：揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
（2）爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。
相对论与牛顿力学的关系
相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论的一种特例（物体低速运动状态），包括在相对论体系中。
【合作探究】3：阅读P56【学思之窗】，你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？
牛顿确立了万有引力定律和运动三定律，之后光学、电磁学等与力学进一步统一，大大推动了物理学的发展，牛顿力学研究的是宏观世界。
爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观，于1905年提出了狭义相对论和光速不变原理，1916年爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。爱因斯坦的相对论发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。
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。
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。
[过渡]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。
【质疑与思考】：那么，物理学是不是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展呢？
三、量子论的诞生与发展：
采用学生自学的形式，让学生自己去归纳学习要点。
1、诞生的背景：
（1）19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。
（2）大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。
2、量子论的诞生、发展和量子力学：
（1）诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。
普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。
（2）发展：
①爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。
②丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。
③经过这些科学家的共同努力，到20世纪30年代量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。
过渡：今天，我们的现代文明，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。
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。
3、量子论和量子力学的影响：
（1）量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步，成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。
（2）量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。
（3）推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
小结：相对论和量子论是现代物理学的两大支柱，共同构成了经典物理学的基础。这两种理论的提出，解决了经典物理学在微观领域及宏观世界方面所面临的问题。，改变了人们看世界的方式和角度，它们不仅对物理学本身，对自然科学，而且对人类的思维都产生了重大影响。
【本课小结】
请记住爱因斯坦的话吧：“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。”
经典力学、相对论、量子论之间的关系。经典力学改变了自古代中世纪以来人们的认识论和方法论；相对论发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中；量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。
E布置作业：《导与练》演练广场
一、本课测评：相对论和量子论的出现有什么意义？
答案提示：相对论和量子论发现人们日常经验之外的宏观世界和微观世界的物质运动规律，不仅推动了物理学的进步，还大大开阔了人们视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
二、学习延伸：20世纪初，爱因斯坦提出相对论后，核能研究得到迅速发展。请查找资料，了解20世纪核能研究发展的基本情况，谈一谈这一研究的发展对人类社会产生了哪些影响？
(本题的核心是培养学生查阅资料和组织材料的能力，应该鼓励学生通过不同方式组织材料，鼓励他们积极发表意见)
F板书设计：略
G教学反思：

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