第25课 现代科学革命

1 / 10 第 25 课 现代科学革命 第 25 课现代科学革命 课标要求：知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。 教学目标： 知识与能力：通过本课的学习，使学生了解在经典物理学危机的基础上现代科学革命产生的必然性，明白现代科学的两大支柱 相对论和量子理论的基本观点，并认识到爱因斯坦在相对论、普朗克在量子理论的形成和创立过程中的重大作用。 过程与方法：结合相对论和量子论各自的理论基础和研究方向，阐明两者对人类历史和现代生活的重大意义。 情感态度与价值观：结合辩证法原理，正确对待科学的发展。 教学重点：相对 论、量子论的主要内容及意义。 教学难点：相对论、量子论的主要内容。 课时：本节教材用一课时。 板书设计： 第六单元现代世界的科技与文化 第 25 课现代科学革命 一、经典物理的危机 绝对权威 危机 二、爱因斯坦与相对论 1最伟大 2 / 10 2相对论 三、量子理论中的微观世界 1普朗克，爱因斯坦，玻尔 2相对论和量子理论的评价： 教学过程： 导入新课：同学们还记得 1687 年出版的自然哲学的数学原理是哪位科学家的巨著吗？牛顿。这部巨著的意义是什么？建立起一个完整的力学理论体系，实现了 物理学史上的第一次大飞跃。 下面请同学们来阅读本课的引言： 19 世纪，以牛顿力学为代表的经典物理学已经日趋完善，达到了高峰。但是一些新的研究发现对它提出了挑战，导致了经典物理学的危机。正是在这种情况下，相对论和量子理论出现，它们掀起了物理学革命，构成了现代物理学的两大支柱，并对其他学科产生了历史性的影响。人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度。 今天，我们学习第 25 课现代科学革命。 一、经典物理学的危机 先请同学们听一段小故事，当德国物理著名的物理学家普朗克年轻时向他的老师求教，是选择音乐还是物 理学作为自己的终身的职业时，得到的答复是： “ 物理学基本上是一门已经完成了的科学，因此，对于物理学的研究实际上是不会有3 / 10 多大成果的。 ” 这个小故事说明了什么道理？请同学们阅读本目内容，从教材中找到这个问题的答案。 教材 P106 本目内容第三自然段：当时，人们把以牛顿力学为代表的经典物理学看做绝对权威的理论，认为一切自然现象都可以用经典物理学加以说明，而且物理学已经发展到了完整、系统和成熟的阶段，以后的工作只不过是在细节上做些修正和补充，在计算上更细致一点，使理论更加完善。 板书：绝对权威 那么，经典物理学 的危机又来自哪里呢？仍然请同学们在教材的本目中找到答案。 教材 P106 本目内容倒数第三自然段：然而，正是在这个时候，物理学上出现了一系列新的发现，无法用经典物理学来解释，这使得经典物理学陷入了危机，面临着挑战。 板书：绝对权威 危机 而经典物理学陷入危机的具体难题是 “ 晴空是漂浮着的两朵乌云 ” ，而为了驱散这两朵乌云，物理学掀起了一场革命，诞生了现代物理学的两大支柱 相对论和量子论。我们先来看第一大支柱。 二、爱因斯坦与相对论 直至今天，爱因斯坦都被视为科学界最伟大的科学家之一。 板书： 1最伟大 4 / 10 请同学们看教材 P107 第一自然段，了解爱因斯坦的生平。 相对论是爱因斯坦最重要的成就，也是 20 世纪最重要的科学成就之一。 板书： 2相对论 相对论由狭义相对论和广义相对论组成。狭义相对论首先就瓦解了牛顿经典力学中的绝对时空观，指出经典力学仅仅在低速运动状态下合理，从而化解了以太之谜，直接驱散了漂浮在物理学晴空上的第一朵乌云。在广义相对论中，爱因斯坦将相对性原理由惯参考系进一步扩大到任意参考系，并把牛顿的引力理论作为其中的一部分内容。 教材 P107 第二、三自然段对相对论作了简单地介绍，文字阅读框 穿越时空的梦想也对相对论的相对性原理作了直观的说明，请同学们阅读。 关于相对性原理，有一个时间与空间相对性的例证。一个观察者看来是同时发生的事件，另一个向他作相对运动的观察者看来便不是同时发生的。两个这样的观察者对两个事件之间的时间间隔的估计将会不一致，同时他们对距离的衡量也会不一致。假定两个作相对匀速运动的观察者所得到的光速相同，那么，只要他们对时间与空间运用不同的量度，就能对于现象得到相同的自然规律，并能精确地说明这种差距有多少，换句话说，每个观察者都有自己的一套时间 空间的框架，对于一切观察者全 都相同的绝对空间时间是不存在5 / 10 的。 关于光速不变原理，也有例证，就是尺缩效应和钟慢效应。假定一个观察者 B 带着一只座钟和一把码尺，并把码尺指向他运动的方向。当他向观察者 A 旁边走过时，在 A 起来他的尺子不足一码长，他的钟也变慢了。 B 相对于 A 的速度愈大，这差额也就愈大。假如 B 用光速在 A 的旁边通过，我们得到的结果是惊人的，这时 B 的码尺长度将等于 0，他的钟也完全不足了。这就是说光速的速度的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应，都是相对时空的基本属性，与物体内容结构无关。如果 物体的速度比光速小得多，相对论力学就可以解释牛顿力学。 相对论与我们的生活常识有着巨大的差距，但却被科学实验所证实，这就给我们提出了一个问题：常识总是正确的吗？常识和正确的理论起冲突的时候，应当怎样分辨呢？ 常识是我们在生活的经验和过程中所具备的，甚至可以说，是构成我们正常生活的基础，所以常识是根深蒂固的。这种根深蒂固、雷打不动的认识，往往构成了我们寻找真理和本质，在探询日常生活之外的事物的规律时，我们认识的障碍。日常生活中，常识是必要的，但是科学发展和人类进步不是只靠常识和直觉就可以的。因此，从这个角 度来理解，科学家们通过精确、巧妙的物理学实验得出的理论，也是经过了6 / 10 同常识的反复斗争而做出的，这更加体现出科学探索之路的艰难。 相对论是人类精神宝库中璀璨的明珠，而相对论的发明者爱因斯坦也因此名垂青史。关于相对论的评价，是教材 P107本目内容的最后一个自然段。 找学生阅读教材 P107 本目内容的最后一个自然段：相对论的提出是物理学领域最伟大的革命。它在很大程度上解决了19 世纪末出现的经典物理学的危机，可以广泛地解释不同运动状态的物质，创立了一个全新的物理学世界，极大地扩展了物理学应用的领域。同时，相对论也打破了经典物理学绝对化的思维模式，为人们提供了辩证地看待世界的途径。 自相对论横空出世以后，人类的认识有了极大的扩展：由低速领域跨入高速领域，由宏观领域延伸到宇宙观领域，由我们生存的三维空间到时间、空间共同构成的四维空间。对地整个人类来说，由相对论引发了史无前例的改变，不仅仅局限于一个时代：人们认识到时间和空间的相互依赖关系、时间和空间的相对意义，认识到时间、空间与物质运 动相互依赖关系。对于人类意识来说，这的确是一场深刻的革命。 相对论驱散了漂浮在物理学晴空上的第一朵乌云，那么，另一朵乌云是怎样被驱散的呢？ 三、量子理论中的微观世界 量子理论的提出，同样是源于实验和公式之间的不合。 7 / 10 教材 P107 本目内容的第一、二自然段，教材 P108 第一、二、三、四、五自然段介绍了量子理论的创立过程，请同学们阅读。 量子理论的创始人是谁？德国科学家普朗克。 板书： 1普朗克 量子理论的创立过程是一个不断怀疑和不断假设的过程，普朗克于 1900 年提出量子假说是 “ 不得不 ” 的结果。因为 作为一位严谨的科学家，其最基本的态度就必须是尊重事实，历史上因为墨守成规和不尊重事实而失去重大发现的实例举不胜举。但是量子理论本身和物理学中早已流行了很久的思维方式相差甚远，与一般人的常识更是有天壤之别，所以即便是在物理学界反应也十分冷淡。普朗克本人也曾经出现过反复和动摇，并最终导致他没有做出更加伟大的理论创新。这也反映了人类认识事物本质的反复性和曲折性。 量子理论的发展过程和相对论不同，相对论基本是爱因斯坦凭着一己之力创立的，而量子理论的发展则凝聚了很多科学家的聪明才智。教材还提到了哪些科学家的哪些贡献 呢？ 爱因斯坦的光量子理论，玻尔的原子的量子理论。 板书： 1普朗克，爱因斯坦，玻尔 在人类对微观世界的认识上，量子理论是一座里程碑，从当前的实践来看，量子理论对人类物质生活的改变作用更大一些，请同学们看教材 P108 倒数第二、四自然段，这是量子8 / 10 理论的现实意义。 找学生阅读教材 P108 倒数第四自然段：量子理论是 20 世纪最深刻、最有成就的科学理论之一，使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步。 找学生阅读教材 P108 倒数第二自然段：量子力学对化学、生物学、医学、考古学、古生物学和地质学等科学领域都产生了重大影响，带来了许多划时代的技术创新，如半导体和激光器的发明等。这直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。 相对论和量子理论的出现，掀起了物理学革命，构成了现代物理学的两大支柱，并对其他学科产生了历史性的影响。请看教材 P108 最后一个自然段，这是对相对论和量子理论的总体评价。 板书： 2相对论和量子理论的评价： 找学生阅读教材 P108 最后一个自然段：量子理论和相对论一起，构成了现代物理学的基础，弥补了经典物理学的不足，描绘了一个崭新的宏观宇宙世界和微观粒子世界，大大开阔了人们的视 野，改变了人们看世界的角度和方式。它们不仅对物理科学本身，对自然科学，而且对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。 量子理论和相对论突破了经典物理学理论，对传统科学的错误观念和狭隘观念也进行了否定，丰富了人类的知识宝库；9 / 10 其探索和创新精神，也是人类认识世界、了解世界的历程在曲折中前进的规律的生动说明。 小结：量子理论和相对论发展了经典物理学，弥补了经典物理学在宏观宇宙世界和微观的粒子世界面前的空缺，为人类描绘了一个崭新的世界，对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。但是理论的发展是无限的，人类的认识过程也 是没有止境的。 作业： 阅读下列材料： 19 世纪末，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，放射线和原子被发现，另一方面扩展到整个宇宙。随着光学等学科的深入发展，人们对在光速或接近光速运动状态下的物质的研究，也超出了经典物理学的范围。物理学被称为 “ 晴空上漂浮着两朵乌云 ” 的两个无法解释的难题，其一就是以太的不存在。这使得经典物理学赖以建立的绝对时空观受到了严峻的挑战。 （ 1）经典物理学形成的基础是什么？这一基础建立的理论是什么？ 提示： 17 世纪牛顿创立的经典力学。它是建立在绝对时空观的理论之上的 。 （ 2）到 19 世纪时，经典物理学发展到何种程度？他所适用的范围主要是什么？ 10 / 10 提示：到 19 世纪，在经典力学的基础上，光学、热力学、电磁学、天体物理学等新兴学科取得了长足的进步，把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。它所适用的范围主要是我们日常生活中的物理现象。 （ 3） 19 世纪末，物理学的