20世纪的科学伟人爱因斯坦

第 5 课 20 世纪的科学伟人爱因斯坦 教学目标 1 知识与能力： 识记：狭义相对论提出的标志、主要内容、两条基本原理和意义；广义相对论的标志、 两条原理及其意义；1921 年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖的主要研究成果；光电效应研究 的意义；爱因斯坦在两次世界大战中为和平进步而斗争的史实。 理解：爱因斯坦相对论提出是物理学的一场根本性变革。 运用：学会运用历史唯物主义观点认识爱因斯坦的成功的原因。结合理论联系实际 的原则认识爱因斯坦的重大发明对人类历史的贡献。 2 过程与方法 运用探究性学习的理念，采用合作教学的手段，通过对爱因斯坦生平事情的了解，认 识爱因斯坦的主要科学成就以及对社会的责任感。 3 情感态度价值观 科学创新精神事人类不断进步的源泉；天才出自勤奋；科学事为人类的和平进步服务 的手段。 教学指导意见 基本要求 了解爱因斯坦的成长历程，简述他的主要科学成就：提出狭义相对论、广义相 对论、光量子假说等。感受爱因斯坦脚踏实地进行科学研究和勇于科学创新的精神。 发展要求 认识爱因斯坦对科学和社会发展的巨大推动作用，感悟其成长的人生启迪。 说 明 教学时可联系必修专题七“近代物理学的奠基人和革命者”一课的有关内容。 重点：爱因斯坦及其主要科学成就和科学精神 难点：相对论的提出及其影响 教学过程 导入：2005 年是爱因斯坦逝世 50 周年，同时也是他提出狭义相对论 100 周年。100 年 前，年仅 26 岁的毛头小伙爱因斯坦，以他卓越的思考力、非凡的洞察力，提出了狭义相对 论，传统经典物理学由此彻底改变。这一种颠覆是多么激动人心，为纪念相对论诞生 100 周年暨爱因斯坦逝世 50 周年，联合国大会将 2005 年确定为“ 国际物理年” ，这是联合国首 次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。爱因斯坦，这位在许多国度千年人物 (10012000 年)评选中都居榜首的俊杰，绝不仅仅是因为在物理学上的成就。他既是伟大 的科学家、现代物理学的开创者和奠基人，更是杰出的思想家，他是一幅视野开阔的思想 宽银幕。 爱因斯坦是天才吗？ 新课教学： 一、爱因斯坦的成长历程 阿尔伯特爱因斯坦（18791955） 1879 年出生于德国小镇乌尔姆的一个犹太人家 庭。1895 年到瑞士，1896 年考人瑞士苏黎世联邦工业大学师范系理论物理专业学习， 1900 年毕业。19021909 年在瑞士伯尔尼专利局任技术员，创立狭义相对论。加入瑞士国籍。 1913 年任柏林大学教授。1915 年创立广义相对论。1933 年 10 月迁居美国，1940 年加入美 国国籍， 1955 年逝世于美国普林斯顿。 1、童年时代 三岁时 陶醉于母亲的钢琴曲，表现出对音乐的早慧 四岁还不会说话；行为迟钝，他说话所用的 时间比起别的孩子要多得多。 五岁时一次生病，父亲送他一个指南針，他发觉指針无论如何只会向着同一个方向， 令他开始探索大自然的奥秘。 小时候不愿和其他孩子在一起玩耍，总喜欢一个人玩，并且老是陷在沉思之中，如痴 如呆。 2、中小学时代 六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游 戏，例如用纸片搭房子。 十岁进入中学，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉 丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。 在整个中小学时代常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝” ， “不守纪律、心不在焉、想入 非非” 。 （1）少年时代的选择： 当时的德国学校必须接受宗教教育，开始时爱因斯坦非常认真，但当他读了通俗的科 学书籍后，认识到宗教里有许多故事是不真实的。12 岁时他放弃了对宗教的信仰，并对所 有权威和社会环境中的信念产生了怀疑，并发展成一种自由的思想。爱因斯坦发现周围有 一个巨大的自然世界，它离开人类独立存在，就象一个永恒的谜。他看到，许多他非常尊 敬和钦佩的人在专心从事这项事业时，找到了内心的自由和安宁。于是，少年时代的爱因 斯坦就选择了科学事业，希望掌握这个自然世界的奥秘，而一旦选择了这一道路，就坚持 不懈地走了下去，从来没有后悔过。 （2）早年被开除学籍 爱因斯坦比较孤独，不喜欢说话。学校的运动，他不会参与。他很讨厌上学，经常装 病缺席。在上课时，经常神游四方，思考一切他喜欢的问题。他甚至与老师争执，还被老 师教训说：“你(爱因斯坦)的出席破坏了全班对我的尊敬。 ”最后因此而被开除学籍。 爱因斯坦之所以不喜欢上学，是因为他无法接受德国当时那种混合了威权主义和百科 全书式的填鸭教育。他后來写道：“现代教育事业竟然没有扼杀了研究的好奇心，真是一 项奇迹。因为这脆弱的小树苗需要鼓励和自由，否则它将枯萎。主张规范和责任感能引发 观察和研究乐趣的想法，真是大错特错。 ” “一只再健康的驯兽如果不断地用鞭子威胁它，逼它在不饿时进食，它也会丧失胃 口。 ” （3）自学能力强 爱因斯坦没有因不上学而减少学习知识的机会。他喜欢阅读课外书籍，其中包括物理、 化学、几何、数学，以致哲学。在十二三岁的时候，已经开始钻研大量要读的书籍。他经 常和叔叔研究有关数学的理论。在当时，他的家人对爱因斯坦的智慧和消化力，感到吃惊。 3、大学时代（1895 年他放弃了德国国籍） 1896 年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱 因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作， 钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。另一方 面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量 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。 ” 二、主要贡献 爱因斯坦大学毕业后，因为大学里老师都不大看得起他，不愿意把他留下来做助教， 他几次去请求，人家也不要他，他甚至于有几次几乎要失业了，几次在中学里面求职，最 后在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 40 多个小时。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 。这一年 他 26 岁。 材料（一）我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追问问题罢了。爱因 斯坦 智慧并不产生于学历，而是来自对于知识的终身不懈的追求。爱因斯坦 一个人只有以他全部的力量和精神致力于某一事业时，才能成为一个真正的大师，因 此全力以赴才能精通爱因斯坦 材料（二）有次一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘诀。 他回答：“早在 1901 年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式，我可 以把这公式秘密告诉你那就是：AXYZ，A 是成功，X 是努力工作， Y 是懂得休息，E 是少说废话，这公式对我有用，我想对许多人也是一样有用。” 思考：从以上材料中我们感受到了爱因斯坦哪些科学精神？对我们有何启示？ （1）光量子假说： 1905 年 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。 1921 年因光电效应研究获诺贝尔物理学奖。 （2）狭义相对论（1905 年提出） 狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的） 。爱因斯坦指出，随着物体（观察者 所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确 性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上） ，随后进 行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。 什么是狭义相对论？ 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。 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。 （3）广义相对论（1915 年提出） 1915 年，爱因斯坦发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别 的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使 周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从 它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，改变路径。 过渡：爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，而且是一位具有正义感的社会活动家，时 刻关心人类的进步和平、倡导和平、反对战争为人类和平等进步而斗争。 （4）关注和平 爱因斯坦在一战时就参加了仅有 4 人参加的反战宣言，一战后又因致力于恢复各国人 民的相互谅解而奔走，却被反犹主义者列入谋杀的黑名单中。1933 年，希特勒掌握政权， 迫害犹太人，这时爱因斯坦正在美国访问，为逃避希特勒的悬赏暗杀，他定居在普林斯顿 大学，成为高等学术研究所的教授。因为担心德国纳粹政府抢先造出原子弹，为维护世界 和平，1939 年，爱因斯坦应美国一些著名原子核物理学家的请求，写信给美国罗斯福总统， 建议集合科学界的力量，发展原子弹。这就是著名的曼哈顿计划的起源。 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。爱因斯坦为此非常懊悔。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。 教师展示下列材料： “只有献身于社会，才能找到那实际上是短暂而有风险的生命意义。” 爱因斯坦 “我每天上百次提醒自己，我的精神生活和物质生活，却依靠着别人的劳动，我必须 尽力以同样的分量来报偿我们领受了的和至今还在领受着的东西”爱因斯坦 “一个人价值，应该看他贡献什么，而不应当看他取得什么” 爱因斯坦 “安逸和幸福，对我来说从来不是目的。我将这些伦理基础为猪倌的理想” 爱因斯坦 从以上材料中我们能感受到爱因斯坦有哪些崇高的人生品格？ 乐于奉献精神，对社会有崇高的责任感，忧他人之忧，乐他人之乐，淡泊名利，生活