人教版高二历史必修三第四单元近代以来世界的科学发展历程第11课物 理学的重大进展教案

第四单元 近代以来世界的科学发展历程单元概述文艺复兴以后，随着资本主义萌芽的发展和思想的解放，面向现实世界、重视实践的风气促进了近代科学技术的迅速发展，科学研究的范围也不断扩大。与古代人们把自然界作为一个整体加以考察的方式不同，近代时期，科学家把自然界划分为不同的领域，分门别类地进行研究，取得了巨大成就。在数学、物理学、生物学、化学等众多学科领域，取得了很多划时代的成果，出现了一大批科学巨匠，依靠科学实验来检验和发展科学理论。实现科学和技术的结合，依赖科学和技术的进步来推动社会经济发展，成为近代以来世界科学发展的重要特征。邓小平同志指出：“科学技术是第一生产力”。纵观人类文明的发展史，科学技术的每一次重大突破，都会引起生产力的深刻变化和人类社会的巨大进步。人类社会先后开始在18世纪中期进入“蒸汽时代”，19世纪晚期步入“电气时代”，20世纪末跨入“信息时代”。体现了近代以来科学与技术相结合的前进步伐，证明了技术在科学的帮助和推动下进步，社会经济在科学技术的帮助和推动下进步的历史真理。因此，“尊重知识，尊重人才”的呼吁越来越显示出其无比的重要性。丰富自身的知识宝库，提高科学文化素养正成为人们发自内心的呼声。学习本单元需要分门别类地梳理物理、生物、信息技术等方面的知识，第十一课 物理学的重大进展与十二课 探索生命起源之谜最好采用展示相关文字、图片、人物介绍等手段进行教学，同时用表解的方式加以整理和归纳，需要明确近代以来科技走向辉煌的原因和发展特点，更需要感受科技进步过程中蕴含的追求真理、探究创新的科学精神。第十一课 物理学的重大进展基本知识分析与线索 本课教材主要从四个方面向学生介绍物理学从16世纪末17世纪初到19世纪末20世纪初的重大成就：经典力学的重要奠基者伽利略、经典力学的建立、从经典力学到相对论、量子论的诞生与发展。其中一些知识点如量子论与相对论的内容可以略讲，经典力学，量子学的意义等要详讲。并且这一时期物理学方面的文字、图片、人物介绍等资料比较丰富，教师可以适当补充一些资料，提高学生学习的兴趣,培养学生的科学意识和人文精神。重点：经典力学及其在近代自然科学发展中的历史地位；相对论的提出；量子论的诞生。其中，经典力学的建立 相对论的提出为核心知识点。难点：经典力学和相对论创立的背景，经典力学的特征重点解析1经典力学及其在近代自然科学发展中的历史地位【解析】1718世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学。伽利略的自由落体定律奠基，牛顿的自然哲学的数学原理一书的出版则标志着经典力学的成熟，一个有关物体运动的理论体系形成了，故此，经典力学又称牛顿力学。在经典力学领域中，最重要的成就是万有引力定律和运动三定律的发现，这些成就构成了经典力学的基本内容。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动的普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合，完成了人类对自然规律的第一次理论概括和总结。经典力学体系的建立标志着近代科学的形成，表达了近代自然科学的基本特点：以实验为基础，以数学为表达形式。人们根据万有引力定律发现海王星，又表明了科学的预见力和对实践的理论指导意义。2相对论和量子论诞生的意义【解析】 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时空的可变性、时空变化的联系性。同时，它也发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。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。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、最有成效的科学理论之一。它与相对论一起，构成了现代物理学的基础。相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。人类对客观规律的认识开始从宏观世界深入到了微观世界。难点突破1经典力学和创立的背景【突破】16世纪末17世纪初，文艺复兴运动的扩展促进了人的思想解放，对科学研究产生了重要影响；文艺复兴运动时期哥白尼提出“太阳中心说”，不但动摇了上帝创世说，也启迪了伽利略对亚里士多德力学的质疑和实验思想的萌生。伽利略基于观察、实验以及实验与数学相结合的科学研究，发现了自由落体定律；英国工场手工业时期经济上的需要与力学有直接关系；牛顿在伽利略研究的基础上发现了万有引力定律和运动三定律，形成了以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系，即经典力学体系。显然，经典力学诞生的背景包括以下诸要素：文艺复兴以来的思想解放；“新天文学”及其实验科学思想；工场手工业经济的发展；伽利略等科学家的心血和研究成果。2相对论创立的背景【突破】19世纪末，物理学界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”。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，进行深入的大量的实验，1900年德国物理学家普朗克提出了量子论，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，同时创立了相对论。显然，相对论创立的背景主要基于物理学自身的发展，表现为经典物理学的危机和科学家的探索和实验精神。由此看来，科学总是在面对“危机”和对旧观念的质疑中不断前进的。3经典力学的特征【突破】与传统科学和现代物理学相比，经典力学具有三大特征：一是注重实验，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。二是它的数学化，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。三是研究人们日常生活中易于理解的宏观世界，后来的X射线、放射性和电子等三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象。这些表明人们对物质世界的认识在不断深入。教学过程【导入新课】引导学生回忆中国古代科技发展的特点。A在科技内容上：应用性强，但对事物发展规律的探索不够；B在研究方法上：主要是典籍整理和经验总结，缺少实验；C在科技使用上：主要服务于农业发展的需要；D在分布上看：主要集中分布在与农业发展密切相关的农学、天文历法、数学及医学等领域。【讲授新课】针对教材每一目的内容，设计相关的历史问题，通过问题的创设，配合学案练习，适当穿插图片，引导学生学习新课：第一目：经典力学1、经典力学的重要奠基者伽利略相关问题：经典力学的确立是在怎样的背景下确立的？伽利略的成就及其意义？问题解答：（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：创立科学的研究方法：实验和观察。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。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。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。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。（3）意义：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。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、牛顿创立经典力学相关问题：经典力学创立的标志？其特点是？产生了什么意义？问题解答：（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。（3）意义：经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。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。练习：一位科学家的墓碑上镌刻着这样的铭文：“他以神一般的力量第一个说明了行星的运动和图像。”这位科学家应该是 (B) A.伽利略 B.牛顿C.爱因斯坦 D.普朗克 第二目：相对论的创立相关问题：相对论创立的历史背景？爱因斯坦创立的相对论的主要内容及意义是什么？问题解答：（1）历史背景：A.19世纪科学得到了飞速发展；B.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：A. 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。B. 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。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】：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。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？练习：材料解析题：爱因斯坦说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路；牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学思想。请回答： “牛顿时代”在物理学上指什么时代？ 有人认为相对论出现后，牛顿在历史上的光辉完全被抹掉。爱因斯坦是如何评价牛顿的？你同意哪一种观点？说出你的理由。答案：“牛顿时代”指物理学上的经典力学理论阶段 爱因斯坦充分肯定了牛顿的贡献以及其地位，认为他的思想仍然指导物理学。我同意爱因斯坦的观点。因为牛顿创立的经典力学体系，打破了宗教神学对无生命领域的控制，使人们真正能过实验得出科学结论，而且经典力学体系包括在相对论中，至今仍然是现代物理学的一部分。第三目：量子论的诞生与发展相关问题：量子论诞生的背景及标志是什么？其发展历程是如何？量子论与量子力学的影响是什么？问题解答：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：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。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。经过