物理学的重大进展.ppt

阅读第四单元导言，回答问题： 1、结合时代背景，分析结合时代背景，分析从从1616世纪开始世纪开始近代科 学技术迅速发展的思想因素有哪些？除此之 外还有哪些原因？ 1、文艺复兴后面向现实世界、重视实 践的风气 2、地理大发现和宗教改革的促进、资 本主义发展的迫切需要 2、近代时期哪些学科领域取得了巨大成就？ 数学、物理学、生物学、化学等 3、科学技术的发展是如何推动人类社会的进 步的？ 人类社会历史上的几次工业革命都足以物理学的重大成果 为基础的。 牛顿力学、热学的发展导致了18世纪后期的第一 次工业革命，使人类进入蒸汽机时代； 电磁技术的突破性成就迎来了19世纪晚期的第二 次工业革命，人类进入了电气时代。 量子理论、相对论使得核物理学取得重大突破， 引发了20世纪第三次工业革命，人类进入了信息时代 。 第11课 物理学的重大进展 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；知道 相对论、量子论的主要内容，认识其意义。 自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是，一切成为光明。 英国著名诗人亚历山大波普 牛顿安葬之处威斯敏斯特大教堂 我之所以 能比别人看得远 些，是因为我站在 巨人们的肩上。 我只不过是一个在海滨玩耍 的小孩，不时地为比别人找到更 光滑、更美丽的卵石和贝壳而高 兴。而在我面前的真理的海洋， 却完全是个谜。 牛顿踩在了哪些巨人的肩膀上？ 牛顿名言牛顿名言 1543年哥白尼发表天体运行论，提出太阳中心 说，从根本上动摇了宗教神学的理论基础，标志着近代 科学革命开始。 古希腊科学家亚里士多德 “落体的速度与重量成正比” “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。” “如果运动物体不受阻 碍，它将速度保持不变地 持续运动下去。” 伽利略（15641642） 15901590年，伽利略在年，伽利略在 比萨斜塔上做了比萨斜塔上做了“两个两个 铁球同时落地铁球同时落地”的著名的著名 实验，从此推翻了亚里实验，从此推翻了亚里 士多德士多德“物体落下的速物体落下的速 度和重量成比例度和重量成比例”的学的学 说，纠正了这个持续了说，纠正了这个持续了 19001900年之久的错误结论年之久的错误结论 。 伽利略的学生维维安尼 (Vincenzo Viviani，16221703)1654 年写的伽利略生平的历史故事 (1717年出版) 伽利略用什么办 法推翻亚里士多德 的错误学说？ 观察和实验 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 伽利略“近代科学之父” 1609年，伽利略创制了天文望远镜，他是第一位利用望远镜 观察天体的人。他观测到月球表面凹凸不平，有高山深谷，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 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。 木卫一、二、三、四被命名为“伽 利略卫星。 木星和它的伽利略卫星 “哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙” ” 借助望远镜，伽利略又发现土星光环、太阳黑子、太阳的自 转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动以及银河 是由无数恒星组成等，这些发现为哥白尼、布鲁诺的观点提供了 有力的证据。宗教法庭把他软禁在家，年后伽利略死前仍坚定 地说：“地球确实在围着太阳转！” 这种科学探究方式对人类产生 了什么影响？ 改变了人们认识世界的方法，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，为经典力学的创立和发展奠定 了基础。 剑桥大学的牛顿苹果树 牛顿的老家、英国林肯郡的沃 尔斯索普庄园的苹果树 2012年4月“牛顿苹果树”三根枝条抵宁 安家南大仙林图书馆旁 牛顿的重要贡献： 1、在光学方面：发现了日光是由不同波 长的光构成的，奠定光谱分析的基础， 制作了牛顿色盘，1704年创立光的“微 粒说”。 2、在热学方面：确定了冷却定律 牛顿（ 16421727） 牛顿最重要的贡献是什么？为什么？ 3、在数学方面：与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学 ，同时在前人研究基础上建立了二项式定理。 4、在天文学领域：1671年创制了反射望远镜，初步考 察了行星的运动规律；还解释了潮汐现象，并预言地 球不是正球体。 创立经典力学体系 标志：1687年出版自然哲学的数学原理， 提出了物体运动三大定律和万有引力定律 以实验为基础，以数学为表达形式 经典力学体系的显著特征是什么？ 惯性定律 加速度的比例定律 作用和反作用定律 显著特征：注重实验、数学化、严密逻辑 对现 象的 一般 观察 提出 假设 运用逻辑 （包括数 学）得出 推论 通过实 验对推 论进行 检验 对假说进 行修正和 推广 剑桥大学牛顿数学桥，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 历史上牛顿力学证实的三件事 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。法国科学家经过三次实地 测量，证实了牛顿的看法。 经典力学有什么作用？ 第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星回归 周期 牛顿的好友哈雷1705年用牛顿力学算出了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53年以后的1758年再次出现。1758年 这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。 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。 科学家大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为没 有考虑到一颗未知的行星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海王星。 第三件：用牛 顿力学算出了一颗 未知行星的位置 具有科学性和预见性，标志着近代科学的 形成； 推动了资本主义两次科技革命的出现， 促进了资本主义工业文明的发展。 使人类获得了用理性解决问题的自信， 促进了启蒙运动的发展和思想解放； 经典力学的诞生的意义 19世纪经典物理学在人们心目中，已经达 到近乎完美的巅峰状态。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。” 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。” 1878年学生时 代的普朗克 经典力学体系是完美的物理学理论吗？经典力学有经典力学有 哪些缺陷？哪些缺陷？ “ “物理学危机物理学危机” ” 经典力学体系建立在日常生活中的低速运动的物 质之上，时间和空间被视为与物质运动无关而独立存 在是绝对的，这种绝对的时空观符合人们的日常经验 ，但在解释不了高速运动的微观的粒子世界各种现象 。 阅读课文第二、三两目内容，回答问题。 20世纪初物理学最重大的发展表 现在哪些方面？ 相对论的提出 量子论的诞生与发展 “作为科学家的爱因斯坦，他是窥见上帝秘密 的人；作为思想家的爱因斯坦，他是窥见人间秘密 的人。” 杨建邺窥见上帝秘密的人爱因斯坦传 爱因斯坦对20世纪物理学的 发展作出了哪些重大贡献？ 提出相对论； 利用量子理论成功解释光 电效应。 自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是，一切成为光明。 英国著名诗人亚历山大波普 但不久， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧！” 于是一切又重新回到黑暗中。 1905年，刚刚博士毕业的 爱因斯坦26岁，接连发表4篇 改变整个20世纪物理学面貌的 论文，其中一篇题为论动体 的电动力学的文章，提出了 相对论，引发了20世纪物理学 的另一场革命。 1905年爱因斯坦是瑞 士伯尔专利局一个默 默无闻的小职员 相对论的两个基本原理是 相对性原理和光速不变原理。 在相对性原理中，爱因斯 坦认为时间、运动、质量不是 绝对的，而是相对的。较典型 的现象是运动的物体长度变短 （尺缩效应）、运动的钟比静 止的钟走得慢（钟慢效应）、 运动的物体重量变大。 狭义相对论 爱因斯坦（1879-1955 ） “时间”会因速度快慢而改 变。 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 据牛顿的理论也是一小时，因为时间 是绝对的；但是相对论则认为应该是 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。 钟慢效应 爱因斯坦：“比方这么说 你同美女坐在火炉边谈情 说爱，一个钟头过去了，你觉 得好像只过了5分钟！反过来， 你一个人孤孤单单地坐在热气 逼人的火炉边，只过了5分钟， 但你却像坐了一个小时。 唔，这就是相对论！” 形象地说明了时间和空间的相对性。 作为相对论的一个推论，他提出了质能相当性 定律：物体的质量(m)与其所含能量(E)之间存在着 如下关系： (c为光速) 它解释了一个当时 困惑所有物理学家的现 象：放射性元素(如镭) 不断地释放出大量的能 量。 提出: 1915年 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。 广义相对论第一次阐述了四维时空观。 1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖金， 但奖来得十分不易。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，他们就要退回已获奖章，结果评委 会找到了一个办法，让爱因斯坦作为光 电效应理论的建立者而得奖，相对论始 终没有获得诺贝尔奖。 吴国盛科学的历程 爱因斯坦得诺贝尔 奖时的证件照 由于深奥难懂而且有悖于人们的日常生活经验，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。但相对论在物理学上却非常合理 且为实验所证实。 1919年英国天文学家爱丁顿的日全食观测结果证实 了爱因斯坦所作的光线经过太阳引力场会弯曲的预言。 爱因斯坦由此声名鹊起，相对论成为人们家喻户晓的名 词。 1931年1月31日在洛杉矶举行城市之 光首映式，卓别林和爱因斯坦都受到了 热烈的欢迎，艺术之星大有被科学之星压 倒的味道。卓别林对爱因斯坦说：“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 。” 卓别林和爱因斯坦 “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。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 ” 爱因斯坦 有人认为相对论出现后，牛 顿在历史上的光辉完全被抹掉了 。这种说法对吗？说说理由。 狭义相对论 广义相对论 相对论 打破经典力学的绝对时空观 进一步深化对时间空间和引 力现象的认识 牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，狭 义相对论反映的是物体高速运动的客观规律。 广义相对论是新的万有引力概念 所以牛顿的万有引力理 论成了广义相对论中的一 个特例。 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。 相对论和经典力学的关系 1 1.相对论否定了经典力学的绝对时空观； 2.相对论发展了牛顿力学，牛顿力学是相对 论的一种特例，包括在相对论体系中。 3.牛顿力学是整个力学的基础。 牛顿所创造的概念，至今仍指导着我 们的物理学思维，谁企图在真理的认识的 领域内要人们认为他是不可动摇的权威， 那他就要在上帝的哈哈大笑中垮台。 爱因斯坦 是物理学领域的一次重大革命，推动物理 学发展到一个新高度。 是人类思想史上的一次根本性变革（形成全新 的时空观、运动观和物质观，对整个自然科学和 哲学都产生了深远的影响） 相对论的意义： 由相对论“所带来的物理世界观 的革命，在广度和深度上，只有由哥 白尼的世界体系的提出所引起的革命 可以相比拟”。 普朗克1910年 爱因斯坦根据相对论的 质能转换理论，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。 相对论的现实意义: 物体在发射辐射时和吸收辐射 时，是以一定的数值的整数倍 跳跃式变化的；“量子”是最新 小的能量单元。 标志：1900年关于正常光谱 能量分布定律的理论 内容： 量子假说 马克斯普朗克 （ 18581947） 宣告了量子论诞生 量子论是在怎样的背景下诞生的？ 19世纪末20世纪初，电子和放射线的发现使人 们对物质的认识深入到原子内部，实验表明微观粒 子的运动不能用宏观物体的运动规律进行描述。 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。 简述量子力学建立的过程 1900年，普朗克提出量子假说 爱因斯坦解释光电效应； 20世纪30年代，新的物理学分支量子力学最终 建立 玻尔提出有关原子的量子理论； 丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究 ，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成 。电子在不同轨道上围绕着原子核运动，当电子从外 层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。 在光的照射下，某些 物质内部的电子会被 光子激发出来而形成 电流，即光生电 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。 意义： 太阳能电池、防盗器及照相机的测光表 、核能发电、修正全球定位系统、激光产品 如DVD播放机及激光打印机等 现代物理学在人类文明进步中所起的作用 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 。 宇宙飞船、电视机显像管、核磁共振、超 声波、X光机、放疗、 半导体芯片、电子计算 机 他们对近代物理学的发展所作出的最重大贡献分别是什么？