陈守益7.1近代物理学的奠基人和革命者.pptx

7.1近代物理学的奠基人和革命者,伽利略,牛顿,爱因斯坦,普朗克,从公元476年西罗马帝国灭亡到十五世纪中叶的中世纪，基督教神学占据统治地位，“科学只是教会恭顺的婢女，它不得超越宗教所规定的界限。”圣经神话成为构成宇宙体系的依据。随着西欧资本主义经济的发展、文艺复兴和宗教改革运动地开展，欧洲的先哲们从怀疑教会推崇的“地心说”开始，首先在天文学领域对教会的神学世界观发起了猛烈的冲击，他们通过观察和实验，提出了许多新的理论，从而促使了近代物理学的产生和发展。,近代物理学产生的大致时间、原因？,近代科学技术的产生,1、时间：15世纪下半叶 2、原因： （1）经济上：西欧封建社会内部逐渐产生了资本主义的生产方式。 （2）思想上：文艺复兴使人从长期的基督教神学的束缚中解放出来。,地球中心说,地心说的起源很早，最初由古希腊学者欧多克斯提出，经亚里斯多德完善，又为托勒密进一步发展成为一个盛行于古代欧洲1000多年的宇宙学说体系。 地心说认为地球处于宇宙中心位置并静止不动，太阳、月亮、行星和其他卫星都围绕地球运转。,托勒密 （90168）,对地球认识的变化,哥白尼,自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行为，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用这本书（虽然是胆怯地而且可说是只在临终时）来向自然事物方面的教会权威挑战，从此自然科学便开始从神学中解放出来。 恩格斯,一、认识史上的飞跃,阅读课本P120第一段内容，概括认识史上实现飞跃的时代背景是什么？,古希腊人，世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一，是柏拉图的学生。马克思曾称亚里士多德是古希腊哲学家中最博学的人物，恩格斯称他是古代的黑格尔。,“僧侣主义扼杀亚里士多德学说中活的东西，而使僵化的东西永世长存。” 列宁,亚里士多德 （前384前322年）,伟大的意大利物理学家和天文学家，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，把哥白尼学说推到最终胜利的阶段。,伽利略 （15641642）,材料：人的思维创造一直在改变一个宇宙图景。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义。 摘自爱因斯坦谈伽利略的贡献,1、直觉的观点和新的观点分别指什么？ 2、伽利略对科学理论的贡献是什么？,12,(1)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。,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，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。,自由落体定律,14,（2）开创科学的研究方法：,伽利的手稿,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。,观察、实验 和推理。,折 射 式 望 远 镜,伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论，不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义。 爱因斯坦物理学的进化,1616年，伽利略被传唤到罗马的宗教裁判所，并责令伽利略保持沉默。伽利略发表两种世界观的对话一书，被教会认为违反了禁令被召到罗马囚禁，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着忏悔，最后被判处终身监禁，他的书也被列为书。 1642年，伽利略在贫病交加中逝世。在他离开人世的前夕，他还重复着这样一句话：“追求科学需要特殊的勇气。”,教皇保罗二世,牛顿 （ 16421727）,大自然和自然定律都在黑暗中躲藏，上帝说，让牛顿问世！ 于是一切都有了光明。 蒲伯,“我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。” 牛顿临终遗言,18,2、牛顿对前人科学理论的发展,科学巨著 自然哲学的数学原理总结了牛顿力学体系以及在数学、天文学方面的研究成果。,牛顿（ 16421727）,牛顿出生于英国的林肯郡，曾经长期担任英国皇家学会会长，授予爵士称号。1727年，病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。,牛顿经典力学的建立者,经 典 力 学 体 系,牛顿运动三定律,惯性定律,加速度定律,作用力和反作用力定律,万有引力定律,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。,“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。” 大国崛起解说词,21,牛顿解开“行星之谜”的“规律”主要指什么?,材料：启蒙运动的意识形态倾向于把自然哲学家变成英雄，而在法国最伟大的英雄是牛顿，在法国人如伏尔泰和孟德斯鸠的心目中，英国是自由思想和意志自由之源，不过这也是因为他解开了行星之谜。说明它们的运动遵循着与地上运动相同的规律。 托马斯L汉金斯科学与启蒙运动,万有引力定律,、经典力学体系的历史地位,完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合； 使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度； 为人们准确计算地球的平均密度和扁平率，正确解释潮汐的成因，发现海王星提供了理论指导； 使科学摆脱神学束缚，成为近代科学形成的标志。,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？法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确，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,哈雷慧星轨道的推算,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），这颗彗星果然如期出现。哈雷慧星的发现验证了万有引力定律的科学性。,1727年，牛顿去世。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。,美国学者麦克哈特所著的影响人类历史进程的100名人排行榜，牛顿名列第2位，仅次于穆罕默德。,2003年，英国广播公司在一次全球性的评选最伟大的英国人活动当中，牛顿被评为最伟大的英国人之首。,2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特爱因斯坦更具影响力。,“牛顿理论与瓦特发明是从欧洲土壤中生长出来的不仅同根而且并蒂的两朵奇葩。牛顿是通过渗浸到整个社会的科学理念和方法意识,对蒸汽机技术产生了巨大的影响和推动,更具有实质性意义的是,牛顿理论本身就构成了工业社会具有主导意义的知识和观念体系。”,“许多历史学家认为,如果从近代科学的角度看,正是牛顿开启了工业革命的大门。” 大国崛起解说词,这道光有什么寓意？,（伏尔泰认为）牛顿以他对天地万物的寥寥数条规律的精美绝伦的概括，彰显了人的理性的伟大，暴露了宗教非理性主义的的荒谬。 世界文明史,牛顿的科学成就促进了启蒙运动的进一步发展。,牛顿哲学原理插图,科学之光 理性之光,31,牛顿的成就与前人研究成果的关系,“巨人肩上的思索” 牛顿曾谦逊地说：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”,近代科学在否定中发展，在继承中发展，在综合中发展,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。,19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。 过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。,自学指导 阅读书本P122123，思考牛顿的经典力学体系有什么局限性,局限性：,（1）存在着绝对的时间和绝对的空间； （2）建立在日常生活中常见的低速运动的物质上，即反映的是宏观物体低速运动的客观规律。,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。”,20世纪物理学革命,权威！,质疑与思考,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。”,量子论和相对论产生,物理学真的已经完成了吗？,经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的，一旦进入光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。,量子论的创立者,“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。” 普朗克,二、驱走乌云的太阳,从根本上改变近代物理学的传统观念,39,生于基尔。1879年普朗克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。他的父亲是一位杰出的法律教授。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。,40,1量子理论的诞生,（1）基础： （2）诞生：,奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研究成果,1900年，德国物理学家普朗克提出了量子概念。并在关于正常光谱能量分布定律的理论中，阐述了这一思想，标志着量子理论的诞生。,41,2量子理论的发展,（1）德国爱因斯坦：将量子理论推广到光学中，成功解释了光电效应，得出光具有波粒二象性的结论。 （2）法国德布罗意：提出物质波理论。 （3）数年后，奥地利、德国的物理学家建立了量子力学。,42,3量子论和量子力学的意义,（1）量子力学标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。 （2）量子理论让人们从根本上改变了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革。,43,三、爱因斯坦的“时空” （相对论的建立）,1狭义相对论 2广义相对论 3相对论建立的意义,自学指导： 阅读课本P122123，思考： 1、狭义相对论的提出时间、标志、内容、作用； 2、广义相对论提出的时间、标志、内容、作用。,照片里的他,故事里的他,三岁多还不会说话，家里人担心他是个低能儿。 父母直到他十岁才送他去上学。,照片里的他,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”。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、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。,故事里的他,照片里的他,故事里的他,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；甚至于有几次他几乎要失业了。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。,大自然和自然定律都在黑暗中躲藏， 上帝说，让牛顿问世！ 于是一切都有了光明。 蒲伯,英国现代派诗人J.CSquire对蒲伯的上述两句诗做出了回应： 此情形并未能持久， 魔鬼喝道：“嗬！让爱因斯坦问世！” 世界又变得难以捉摸。,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。,爱因斯坦的小故事,50,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。,1、相对论,以太，或译乙太，光乙太，是古希腊哲学家亚里斯多德所设想的一种物质，为五元素之一。19世纪的物理学家，认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明“以太”存在，因此“以太”理论被科学界所抛弃。,52,关于相对论，有人说：这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容，100年来，人们时时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘，直到今天，这里还有很多内容没有被我们悟透。,这个“优美的理论”包含了哪些主要内容呢？,53,1狭义相对论,（1）提出： （2）内容： （3）认识：,1905年，爱因斯坦发表论动体的电动力学，创立狭义相对论。,相对性原理和光速不变原理；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。（E=mc2）,否认了牛顿力学的绝对时空观点，是对牛顿力学的继承和发展。,54,“天上方一日，人间已一年”,乘坐“光子火箭”的星际旅行,乘坐“光子火箭”以光速作星际旅行，回到地球时，我们会发现什么变化？,55,形象地说明了时间和空间的相对性。,爱因斯坦关于相对论的比喻。 为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。”,56,2广义相对论,（1）提出： （2）内容： （3）认识：,1916年，爱因斯坦把狭义相对论推广到加速运动的参考系中，建立了广义相对论。,物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的；空间弯曲的程度体现为引力场强度；时间、空间不是独立的实在，它们是物质存在的形式。,它第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。,57,爱因斯坦的“时空弯曲”概念,四维时空模拟图,59,3相对论建立的意义,（1）爱因斯坦相对论的建立，是对近代物理学理论框架的重大突破，它不仅揭示了空间、时间的可变性，时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分。 （2）这种全新的时空观、运动观和物质观的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了深远的影响。 （3）相对论同量子理论一起，构成了现代物理学的基本理论框架。,1955年4月18日，爱因斯坦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。,生于马车时代的爱因斯坦，其无与伦比的智慧和思想在100年中带来的变化超过了他之前两个世纪的科技进展。 爱因斯坦揭示了更为复杂的真实，用于还以事物真相的思想和方法为电脑、卫星、电信、激光、电视、核能和原子弹的问世作出了贡献。 华盛顿邮报（2005年）,得益于爱因斯坦理论的重大发明,太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。 核能利用了这样一个物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱因斯坦的著名公式E=mc2 。如今，核能为英国提供了25%的电力。 狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在，科学家利用正电子，即反物质“电子”，通过X射线层分析照相术研究大脑活动。,63,相对论的现实意义举例相对论能修正GPS（全球定位系统） 全球定位系统GPS的应用也已普及化了，许多城市的公共汽车、出租车上都安装了它。早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差可以用爱因斯坦相对论来修正。,64,爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹；后来，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！”,反战使者,拓展探究,近代物理学的奠基人和革命者,经典力学的奠基伽利略的贡献,经典力学的建立牛顿的贡献,物理学革命,近代物理学的重要支柱,普朗克,爱因斯坦,改变近代物理学的传统观念,现代物理学的基本框架,近代以来科学的特点：,重实验、推理 重理论抽象 富有预见性,“全民族创造性思维的自由发挥将决定着国家未来的繁荣昌盛。” 爱因斯坦,2.近代科学进入了全面繁荣的时代，各门自然科学的理论体系纷纷建立起来是在（ C ） A 、17世纪 B 、18世纪 C 、19世纪 D 、20世纪,1.近代科学形成的标志是（ c ） A.卡尔创立解析几何 B.达尔文创立生物进化论学说 C.牛顿力学体系的建立 D.道尔顿科学的原子论的建立,4指出“物质间所存在的万有引力，是由于物质的存在和分布使时间和空间的性质不均匀而引起的”是（ ） A、牛顿力学理论 B、万有引力理论 C、广义相对论 D、狭义相对论,C,3使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革的科学成就是（ ） A、经典力学 B、量子理论 C、狭义相对论 D、广义相对论,B,5 19世纪，英国科学家开尔文认为物理学晴朗的天空中还留有“两朵乌云”，这里“乌云”是指（ ） 热学的黑体研究 量子理论研究 光学中的“