第11课　物理学的重大进展

1 / 8 第 11 课 物理学的重大进展 第 11 课 物理学的重大进展 教学目标： 1、知识与能力： （ 1）识记：识记伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克等物理学家对物理学发展所作出的重大成就； （ 2）理解：理解经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位；相对论和量子论诞生的原因、意义； （ 3）探究经典力学体系的特点，比较相对论、量子论与牛顿力学的关系。 （ 4）思考 “ 日心说 ” 与 “ 地心说 ” 相比的进步性，探究经典力学体系的特点、影响。 2、过程与方法： （ 1）引导学生回忆初中物理知识来促进本课的学习。 （ 2） 通过学生预习（围绕 4 个物理学家，）、课堂讲解展示本课内容，促进同学的互相学习。教师给予必要的补充。 3、情感态度与价值观： （ 1）科学真理需要勇于探索、执着追求的精神； （ 2）科学理论在不断完善、创新，人类对客观规律的认识不断深入。 教学重点和难点： 重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；2 / 8 相对论的提出；量子论的诞生。 难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。 教材分析： 本课教材主要分三大目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。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。 教学过程及要点： 导入新课： 1632 年，伽利略撰写的关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话科学巨著出版后，立刻引起教会的恐慌，把伽利略投入监狱。教皇乌尔班八世的御用工具 宗教裁判所在 1633 年 6 月 21 日宣布对伽利略的判决： “ 我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今 后 3 年内，每周背诵 7 篇赎罪诗篇 ”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤 300 多年，致死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。那么，是什么原因导致宗教裁判所对伽利略作了如此判决？我们应如何看待伽利略在科学领域的贡献？ 第 11 课 物理学的重大进展 一、经典力学 3 / 8 1、产生的背景 114 世纪以后，伴随欧洲资本主义的萌芽，新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学产生了迫切的需要。 2 文艺复兴运动解放了人们的思想，推动了自然科学研究。 3 伽利略的研究成果，为经典力学的创立奠定了基础。 希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止。 16 世纪末 17 世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思想解放，意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统的观察和实验。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。 1590 年的一天， 26 岁的伽利略为了证实自己论断的正确，他来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约千克重的石块和约千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地。 1604 年，伽利略在实 验中发现：物体下落时的距离与所用时间的平方成正比，而物体下落的速度与物体的重量无关，这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。 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。4 / 8 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。 2、牛顿力学体系的产生 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（惯性定律 、比例定律、作用与反作用定律）和万有引力定律。 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： A 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。 B把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中，正 确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，实现了自然科学的一次大综合，是人类认识自然界的一次大飞跃。 c 局限性：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，5 / 8 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。 D 标志着近代科学的形成。 二、相对论的创立 1、历史背景： 19 世纪末出现了 “ 物理学危机 ” 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 ” 。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。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，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。 2、相对论的主要内容：狭义相对 论和广义相对论 20 世纪初，德国物理学家爱因斯坦经过多年的研究提出了相对论，相对论包括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。 6 / 8 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。 相论与我们的生活 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黑洞，也相继被天文观测所证实 。 爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话，会出现这样的景象：一个人坐上接近光速的火箭高去作星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的 “ 天上方一日，人间已一年 ” 就可用相对论得到解释。 3、意义 1 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7 / 8 相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。 三、量子论的诞生与发展 1、诞生的历史背景 119 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。 2、诞生与发展 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。普朗克并由此而获得了诺贝尔物理学奖。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。 20 世纪30 年代，经过众多科学家的努力量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。今天，我们的现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。量子力学和狭义相对论结合形成原子物理学，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。 3、影响 1 量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步，8 / 8 成为 20 世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。 2 量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。 3 推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。 小结：经典力学、相对论与量子论的关系 经典力学改变了自古代以来人们的认识论和方法论。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