近代物理学的奠基人和革命者1.ppt

专题七 近代以来科学技术的辉煌,导语分析,1本专题涉及的主要问题。 2从科学技术层面了解人类社会发展的基本特征。 3.涉及的主要理论问题。,本专题内容重点讲述人类在物理学领域对自然运动变化规律的探索、在生命科学领域对生命起源的探索、在应用自然力量改造人类生产生活方面的重大事件、重要现象及相关人物，讲述了人类认识由低级向高级发展的历程，从科学技术层面了解人类社会发展的基本特征。 涉及的主要理论问题：科学技术创新与尊重权威的关系、科学与哲学和宗教的关系、科学技术是生产力以及科学改变人类的命运等。,科学勃兴 进展辉煌,转化生产 科技革命,文艺复兴 思想解放,经典力学、相对论和量子论、进化论,三次科学技术革命,科技历程,近代物理学的奠基人和革命者,第一课,课标要求,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。,一、牛顿经典力学体系的建立,背景： 受文艺复兴运动的影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来，进入到实验科学的时代。 中世纪亚里士多德的学说长期被教会奉为教条。 近代科学诞生后，亚里士多德的力学不断受到质疑。,（17世纪）,1、经典力学的重要奠基者伽利略的贡献: 发现自由落体定律，为经典力学的建立奠定了基础。 发明天文望远镜发现许多星体，证明了哥白尼“日心说”的正确性(属于天文学成就)。 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，标志着物理学的真正开端，被誉为“近代科学之父”。,亚里士多德,“物体下落的速度 和重量成比例”即 “重物体比 轻物体下落速度要快些”,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。,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“物体落地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。,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。,自由落体定律,经典力学的奠基者,哥白尼提出太阳中心说从根本上 动摇了宗教神学的理论基础,伽利略用望远镜观测到的太阳黑子记录,伽利略用望远镜发现了新世界,伽利略的折射式望远镜,2、经典力学的建立者牛 顿 建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。 1687年 自然哲学的数学原理一书总结了牛顿力学体系以及在数学、天文学方面的研究成果，标志着经典力学的成熟。 经典力学的建立，凝聚着许多科学家的心血，牛顿（微积分的创立者之一）则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。,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,1666年秋天的一个傍晚，牛顿坐在花园的苹果树下， 正在考虑一个运动的问题。忽然一只熟透的苹果掉了下来， 正好落在牛顿的前面。这只苹果引起了牛顿的注意。 他想，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落， 而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。 既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果， 那它也肯定在吸引着月亮。经过研究、演算和论证， 牛顿发现了万有引力定律。 引自科学简史,如果苹果落在你的前面，你会像牛顿那样去思考、去探究吗？ 仅仅因为苹果落地的启发，牛顿就发现了万有引力定律吗？ 我们应该如何正确看待科学传奇故事？,惯性定律,加速度定律,作用力和反作用力定律,牛顿三大定律,万有引力定律,经典力学体系,以伽利略研究为基础,以笛卡尔研究为基础,开普勒的天体力学和自创的微积分,牛顿经典力学的显著特征： 一是注重实验，二是它的数学化。,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,你知道牛顿捡到了哪些“光滑的石子”和“美丽的贝壳”？,探究,著作自然哲学的数学原理，提出了物体 机械运动的三大定律和万有引力定律， 创建牛顿力学体系等。,“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。”,你能举出牛顿站在哪些巨人的肩上的例子吗？对此你又有何认识？,探究,牛顿三大定律以伽利略和笛卡尔的研究为基础； 近代科学在否定中发展，在继承中发展，在综合中发展。,牛顿力学三定律构成了近代力学体系的基础，成为近代物理学的重要支柱。 牛顿力学体系完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合。 使力学和天文学在理论上达到完备的程度,并得到应用和验证。 使科学摆脱神学束缚,19世纪进入全面繁荣时期,各自然科学理论体系纷纷建立.成为近代科学形成标志。,3 、地位和作用：,英国著名诗人亚历山大波普曾写过一首赞美牛顿的诗： 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。,探究,有人说，人类可以认识任何比已知更高一个层次上的事物，但我们永远不能认识宇宙的全部。你认为这种说法正确吗?请结合你了解的知识，谈谈支持你的观点的理由。,正确。 提示：人的生命是有限的，而宇宙是无限的。,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。哈雷彗星的发现验证了万有引力定律的科学性。,海王星和冥王星的发现,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。,根据万有引力定律准确算出 了地球的平均 密度和扁平率； 解释潮汐的成因； 发现海王星。,探究,请举例说明牛顿的经典力学使力学和天文学在理论上达到完备的程度,并得到应用和验证。,近代科学迅猛发展的原因？,1）生产力发展和社会发展的需求；,2）人文主义和理性主义的兴起解放了人们的思想；,3）科学家们的个人天赋和不懈努力；,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。”,经典力学体系真的是最完美的物理学理论吗？,探究,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 （在这种背景下，相对论与量子论应运而生）,1、量子理论；,（1）、背景：（简单了解一下） 19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，促进人们对物质的认识深入到了原子内部。 但大量的实验表明，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。 这就需要人们对微观世界开展研究。,二、现代物理学理论,二、现代物理学理论,（20世纪初）,（2）、量子论的诞生与发展从普朗克到爱因斯坦 基础：奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研究成果 诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出了量子概念 发展： 德国爱因斯坦 光具有波粒二象性 法国德布罗意 提出物质波理论 奥德物理学家,数年后建立量子力学,量子力学的创立者,标志：1900年 关于正常光谱能量分布定律的理论,1900年12月14日，德国物理学家普朗克（M.Planck，18581947）提出： 像原子作为一切物质的构成单元一样， “能量子”（量子）是能量的最小单元， 原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。 后来，这一天被认为是量子理论的诞生日。,量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”,1905年解释光电效应，得出光具有波粒二象性的结论,爱因斯坦方程 h=(1/2)mv2+I+W 式中(1/2)mv2是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 h=(1/2)mv2+W 假如hW,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) 0。由 h0=W确定。相应的极限波长为 0=C/0=hc/W。 发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。 注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（），就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。 这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖 。,发展量子理论,青年时代的爱因斯坦,物质波理论的创立者,德布罗意,1923年，德布罗意大胆地设想，人们对于光子建立起来的两个关系式 会不会也适用于实物粒子。如果成立的话，实物粒子也同样具有波动性。为了证实这一设想，1923年，德布罗意又提出了作电子衍射实验的设想。1924年，又提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。1927年，戴维孙和革末用实验证实了电子具有波动性，不久，G.P.汤姆孙与戴维孙完成了电子在晶体上的衍射实验。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。德布罗意的设想最终都得到了完全的证实。这些实物所具有的波动称为德布罗意波，即物质波。,德布罗意的新理论，开始时并没有受到物理学界的重视。因为他的思想是如此新颖，如此大胆，以致于像普郎克、洛仑兹这些人都很难相信它的正确性。即使他的导师朗之万，虽然认为他的想法有很大的独创性，但也认为他的想象过分大胆，几近荒谬。不过他又想到，玻尔的理论开始时也曾被认为是极其荒谬的，说不定德布罗意的想法中包含了一些重要的东西。于是朗之万还是把德布罗意的论文副本寄给了爱因斯坦，请他提出看法。素来喜欢物理学上的对称性的爱因斯坦，一下子就看出了德布罗意的理论正是揭示了光子和物质粒子之间的这种对称性，立即意识到德布罗意思想的深远意义，并且想到在他自己关于理想气体的新的涨落公式中出现的波干涉项可能正是起源于德布罗意波。所以他热情地复信给朗之万，称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。,爱因斯坦,“已揭开 了巨大 帷幕的 一角”,（3）历史意义： 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；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。,2.相对论的提出 （1）背景： 19世纪科学技术得到飞速发展。 经典力学无法解释高速运动微观粒子发生的现象。,（2）狭义相对论： 提出：1905年，爱因斯坦发表论动体的电动力学，创立狭义相对论。 内容： 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）,史学泛舟,启发 爱因斯坦是当代伟大的物理学家。他遇事爱思考、研究，常常从一点小事中受到启发。有一次，他要把墙上的一幅旧画换下来。就搬来一架梯子，一步一步爬上去。突然，他又想起一个问题，沉思起来，忘记自己做什么了，猛地从梯子上摔下来。摔到地上以后，他顾不得疼痛，马上想到：人为什么会笔直地掉下来呢？看来物体总是沿着引力最小的线路运动的。爱因斯坦想到这里马上站立起来，一瘸一拐地走到桌边，提笔把自己的这个想法记了下来。这对他正在研究的问题相对论有很大的启发。,史学泛舟,“相对论”妙解 有一次，群众包围了从德国移居美国的科学家爱因斯坦的住宅，要他用“最简单的话”解释清楚他的“相对论”。当时，据说全世界只有几个高明的科学家看得懂他关于“相对论”的著作。 爱因斯坦走出住宅，对大家说：“比方这么说你同你最亲的人坐在火炉边，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！”,20世纪最伟大的人物,爱因斯坦,思考：牛顿力学体系与狭义相对论的区别？二者的关系如何？,知识研读,考点整合,(1)牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，相对论反映的是物体高速运动的客观规律，它否定了牛顿力学的绝对时空观，深刻揭示了时间和空间的本质属性。( 物质存在的形式) (2)相对论也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论之中，相对论是对牛顿力学的继承和发展。 (3)总而言之，相对论只否定了牛顿的绝对时空观，没有否定整个牛顿力学。牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。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想。相对论发展了牛顿力学，打破了传统的绝对时空观。,有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。,广义相对论： 提出：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。 内容： 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。,爱因斯坦的“时空弯曲”概念,思考：狭义相对论与广义相对论有何区别？,狭义相对论适用于高速运动中的匀速运动体系；广义相对论适用于高速运动中的加速运动体系，广义相对论第一次阐述四维时空和物质分布相联系的的重要思想。,（4）意义： 对近代物理学理论框架的重大突破，不仅揭示了空间、时间的可变性，而且说明它们都不可能单独发生变化，其改变与物质运动状态密不可分。 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极其深远的影响。 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。（即：现代物理学的两大支柱）,成功的秘诀 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。爱因斯坦厌烦了，便写了一个公式给他：Axyz。爱因斯坦解释道：“A代表成功，x代表艰苦的劳动，y代表正确的方法” “z代表什么？”青年迫不及待地问。“代表少说废话。”爱因斯坦说。,爱因斯坦名言 1、在真理和认识方面，任何以权威者自居的人，必将在上帝的戏笑中垮台！ 2、凡在小事上对真理持轻率态度的人，在大事上也是不足信的。 3、苦和甜来自自己和外界，而坚强则来自于内心，来自于一个人坚持不懈的努力！ 4、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。 5、我们把教育定义如下：人的智慧决不会偏离目标。所谓教育，是忘却了在校学的全部内容之后剩下的本领。 6、真正有价值的东西不是出自雄心壮志或单纯的责任感；而是出自对人和对客观事物的热爱和专心。 7、A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！ 8、如果有一个能够应付现代科学需求，又能与科学相依共存的宗教，那必定是佛教。 9.我从来不把安逸和享乐看作生活目的本身这种伦理基础，我叫它猪栏的思想。 10.科学研究好像钻木板，有人喜欢钻薄的，而我喜欢钻厚的 11.每个人都有一定的理想，这种理想决定着他的努力和判断的方向。,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。 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。,物理学的发展给了我们什么样的启示？ 尊重事实， 不迷信权威