近代以来世界的科学历程

1 / 120近代以来世界的科学历程莲山课件 k第七单元近代以来世界的科学历程 单元引言分析 本单元教材引言主要介绍了近代以来自然科学的发展概况，包括三部分内容。 第一部分着重指出文艺复兴以来，由于人的思想从宗教束缚中解放出来，重视实践和理论的结合，促进了科学技术的迅速发展，尤其是欧洲的自然科学取得了巨大成就，在数学、生物学、物理学、化学等众多领域，理论研究取得了很多划时代的成果。指出了人类历史的三次科技革命的影响，尤其是以信息技术为代表的第三次科技革命的影响。 第二部分提出了本单元的学习要点，包括四个方面：经典力学的主要内容，进化论的主要观点，相对论和量子论的主要内容以及三次科技革命。 第三部分主要指出，在学习本单元过程中要突出了解这一时期科学家取得的重要成果以及对人类生活和社会进步的作用，同时也要关注这些科学巨匠勇于探索、执着追求的科学精神。 2 / 120一、教学目标 目标 内容 知识与能力 过程与方法 情感态度价值观 识记 理解 运用 经典力学的重要奠基者伽利略 伽利略的发现以及他开始的科学研究方法，标志着物理学的真正开端 16 世纪末 17 世纪初物理学方面取得突出成就的历史条件 思考“日心说”与“地心说”相比的进步性 问题探究 历史比较 科学真理需要勇于探索、执着追求的精神 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 经典力学的建立 牛顿力学体系即经典力学体系的建立；海王星、冥王星3 / 120的发现；经典力学体系的建立标志着近代科学的形成 探究经典力学体系的特点、影响 问题探究 从经典力学到相对论 1905 年爱因斯坦提出了狭义相对论和光速不变原理；1916 年他完成了广义相对论的最终形式 相对论和量子论诞生的原因、意义 历史比较 量子论的诞生与发展 普朗克量子论的诞生；爱因斯坦推动了量子论的发展 归纳量子论的发展过程 问题探究 二、教材分析和教学建议 1.知识结构 2.教材分析与建议 课时安排 1 课时。 重点 伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相4 / 120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。 教材内容分析与建议 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。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。 本课引言文字介绍了意大利物理学家伽利略通过实验证实匀加速运动定律。 第一目“经典力学的重要奠基者伽利略” ，教材主要介绍了 16 世纪末 17 世纪初物理学的发展情况。教材主要写了三方面内容： （1）背景 由于伽利略和文艺复兴时期近代科学的产生有着直接的联系，建议教师在本目教学时首先让学生回顾文艺复兴时期近代科学产生的背景，把本目内容放在这种背景下，有助于学生深入理解伽利略进行研究科学的手段和取得的成就。 16 世纪末 17 世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思5 / 120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）伽利略对物理学、天文学发展做出的重大贡献及意义 建议教师在教学中充分利用本课教材中的引言部分和【历史纵横】部分文字，应用比较的方法，让学生深入理解和掌握伽利略对物理学做出的贡献。 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。在 1604年，意大利物理学家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。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。 （3）伽利略在天文学方面的贡献及影响 本目涉及到了天文学领域的知识，建议教师在教学本目6 / 120时利用教材中有关哥白尼“日心说”的【学思之窗】这段文字，让学生进行阅读。 中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说” ，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼提出“太阳中心说” ，并写成天体运行论 。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论。 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做出了重要贡献。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 。他的这些发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。 第二目“经典力学的建立” ，本目教材介绍了 1718 世纪物理学的发展情况，即经典力学的建立。建议教师在教学中从四个方面把握教材。 （1）经典力学建立的背景及概况。 7 / 1201718 世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学，又称牛顿力学。这除了由于工场手工业时期经济上的需要之外，也是因为力学研究的对象最直接，它抛开物体的物理、化学性质只把它作为一个质量的实体来看待。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。在经典力学的建立中，曾有许多科学家为之付出心血，牛顿则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。 （2）经典力学建立的标志。 经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献，最重要的是在力学方面。他在力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明，任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比，而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们连结起来了。此外，牛顿还确立了著名的运动三定律，即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比） 、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。1687 年，他出版了自然哲学的数学原理 ，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力8 / 120的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。 自然哲学的数学原理一书的出版标志着经典力学的成熟。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有普遍规律，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。 （3）经典力学的显著特征 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。 （4）经典力学的影响 牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后，光学、电磁学等与力学的进一步统一，大大推动了物理学的发展。经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。 第三目“从经典力学到相对论” ，本目教材介绍了 19 世纪末 20 世纪初物理学发展的新阶段即物理学界出现了一种崭新的革命性的理论相对论。建议教师在教学中从三方面把握教材。 （1）相对论提出的历史背景 9 / 12019 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）相对论的提出及主要内容 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。德国物理学家爱因斯坦经过多年的研究，打破了传统的绝对时空观，于 1905 年提出了狭义相对论和光速不变原理。指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。狭义相对论认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发10 / 120生尺缩效应和钟慢效应。 1916 年，爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论指出：空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间结构和性质取决于物质的分布，使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。广义相对论又被认为是一种引力理论。 （3）相对论提出的历史意义 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。 第四目“量子论的诞生与发展” ，本目教材主要介绍了 19世纪末 20 世纪初物理学的另一个重大成就量子论的诞生与发展。建议教师在教学中从三方面把握教材。 （1）量子论诞生的背景 教师在教学过程中可结合第三目“从经典力学到相对论”的背景及本目教材第一段内容来分析量子论诞生的背景。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。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11 / 120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 1900 年，德国物理学家普朗克提出了物质的辐射能不是连续的，而是以最小的、不可再分的能量单位即能量量子的整数位跳跃式地变化的量子假说。这个假说宣告了量子论的诞生。 在普朗克之后，英国的物理学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。电子在不同轨道上围绕着原子核运动，当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。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。德国物理学家海森伯和奥地利物理学家薛定谔等创立了物理波理论，指出电子和一切物质粒子都像光一样，既具有连续的波动性质，又具有不连续的粒子性质。经过这些科学家的共同努力，到 1925 年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。 （3）量子论和量子力学的影响 在量子论基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。同时，也标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到了12 / 120微观世界。 相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，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。 三、教学设计与案例 1.教学设计 学习本节内容时，教师可先让学生阅读本单元的引言文字，教师讲解后，直接导入本节内容。本节内容比较多，在教学过程中要注意详略得当、突出阶段成就。在学习物理学的重大成就时，要充分利用学生了解的知识，激发学生的兴趣。对教材中科学家的重要成就，应把重点放在这些成就及其历史地位和作用上。 关于“经典力学的重要奠基者伽利略”一目的教学。建议教师以本课引言文字为素材，通过提问方式引导学生阅读理解这段文字。设问题一：试举例说明以前学习过的有关伽利略的成就或贡献？设问题二：你认为伽利略能够确定加速运动定律的关键途径是什么？你有何启示？在学生回答的基础上，教师引导学生进入本目内容的学习。 在学习本目内容时，可以利用教材中的两幅插图伽利13 / 120略望远镜及伽利略观察到的月亮 伽利略面对教会的审判。讲完本目后可以让学生讨论回答下列问题来进行总结：伽利略在物理学、天文学方面突出的贡献是什么？他为什么会取得这些贡献？他的这些贡献有什么意义？同时可以利用【学思之窗】的问题培养学生的对比分析能力。 关于“经典力学的建立”一目的教学。教师可以通过教材提供的有关牛顿的图片资料设问：牛顿有哪些重要贡献？其中最重要的是什么？在学生回答的基础上导入本目学习。在学习经典力学的显著特征时，教师可以引导学生阅读本目中关于伽利略、牛顿把实验与数学紧密结合的【历史纵横】文字，以加深学生对经典力学显著特征的理解。 引导学生阅读另一段关于中国古代著作中对力和运动的关系早有记载的【历史纵横】文字，帮助学生认识中国人早在两千多年前，就已经对力学运动之间的关系有了正确的观察和研究，从而增强学生的民族自豪感。 关于“从经典力学到相对论”一目的教学。教师可以通过设置问题导入本目，如：19 世纪末 20 世纪初物理学发展的重大成果是什么？为什么会出现？在讲述相对论的内容和意义时，教师可以让学生进行归纳，然后结合【学思之窗】提供的资料和问题让学生思考讨论：相对论和经典力学有何区别与联系？有何启示？以此来培养学生的辩证思14 / 120维能力和理论创新的观念。 关于“量子论的诞生与发展”一目的教学。本目的重点应放在量子论的诞生、发展以及量子力学的意义。在师生对这些内容归纳的基础上可以让学生讨论：量子论、量子力学与经典力学有何区别？ 在学完本节内容之后，建议学生设计表格来归纳这一时期所涉及的物理学的重大成就。 2.教学案例 案例一在学习伽利略天文学成就时，用实物投影或幻灯片介绍教材中的图片伽利略面对教会的审判 。 伽利略在科学领域里的重大成就，激怒了罗马教皇及其信徒们，当伽利略写了关于两种世界体系对话这篇科学巨著后，教会终于露出了狰狞面目，把伽利略投入了监狱。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说：“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，竟使伽利略蒙冤三百多年，至死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。 四、问题解答 【学思之窗】 1.“日心说”比“地心说”进步在哪儿？今天人们还主15 / 120张“日心说”吗？ 解题关键：理解“日心说”和“地心说”的观点。 思路引领：“地心说”的神学观；“日心说”的科学观。答案提示：“地心说”反映了“上帝创造世界”的神学观，而“日心说”客观地揭示了地球、行星和太阳的关系，摧毁了上帝创造世界的谬论，也开始使自然科学从神学中解放出来。 今天人们已不主张“日心说” ，因为宇宙是无限的，银河系只是宇宙的一部分。 2.你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦对物理学的贡献？解题关键：适应时代的需要，推动科学的发展。 思路引领：牛顿创立经典力学；爱因斯坦提出相对论。 答案提示：牛顿确立了万有引力定律和运动三定律，之后光学、电磁学等与力学进一步统一，大大推动了物理学的发展，牛顿力学研究的是宏观世界。爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观，于 1905 年提出了狭义相对论和光速不变原理，1916 年爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。爱因斯坦的相对论发展了牛顿力学，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。 【探究学习总结】 16 / 120一、本课测评 1.牛顿对物理学的主要贡献包括哪些？ 解题关键：牛顿在物理学方面的成就。 思路引领：牛顿在力学方面的贡献。 答案提示：牛顿确立了万有引力定律和运动三定律，标志着经典力学的建立。 2.爱因斯坦的主要研究成果有哪些？ 解题关键：掌握爱因斯坦对物理学的主要贡献。 思路引领：相对论的提出。 答案提示：1905 年提出狭义相对论和光速不变原理，1916 年他完成了广义相对论的最终形式。 二、学习延伸 1.探究活动 略 2.阅读与思考 思考提示：科学技术与社会发展的相互促进作用。 （河北石家庄市第二十三中学张建军） 五、资料与注释 1.原始资料 载人航天工程是当今世界高新技术发展水平的集中展示，是衡量一个国家综合国力的重要标志。我国载人航天工程取得的成就，是改革开放 20 多年来我国综合国力不断增强、17 / 120科技水平不断提高的重要体现。这再一次说明，只要我们坚定不移地坚持党的基本理论、基本路线、基本纲领和基本经验，坚定不移地坚持以经济建设为中心，坚定不移地走改革开放的强国之路，坚定不移地推进经济社会协调发展，我们就能不断夺取社会主义现代化建设的更大胜利。 第一，必须坚持以科技进步和创新为先导，努力实现技术发展的跨越。载人航天是当今世界高新科技中最具挑战性的领域之一，是难度高、规模大、系统复杂、可靠性和安全性要求极强的工程。实施载人航天工程，同当年搞“两弹一星”并取得成功一样，有力地推动了我国科技的跨越式发展，带动了相关学科技术的整体跃升，形成了一批新兴产业，对促进我国经济社会发展具有十分重大的意义。实践告诉我们，高度重视和充分发挥科学技术的重要作用，努力以科技发展的局部跃升带动经济社会发展，是加快发展的一个重要途径。当今时代，人类正在经历一场全球性的科技革命，知识创新迅速发展，科技进步日新月异，科学技术越来越成为综合国力竞争的核心，我们比以往任何时候都更需要加快科技进步和创新的步伐。我国是一个发展中国家，在经济社会发展的诸多方面特别是科技发展方面同发达国家还有较大差距。我们要赶超世界先进水平，就必须坚定不移地实施科教兴国战略和人才强国战18 / 120略，抓住机遇，用好机遇，集聚尖端人才，发挥后发优势，选准一些对推动经济社会发展、维护国家安全具有重大带动作用的领域重点攻关，加速推进全社会的科技进步，实现技术发展的跨越，带动我国综合国力的全面提升。 胡锦涛在庆祝我国首次载人航天飞行圆满成功大会上的讲话 （XX 年 11 月 7 日） 2.课文注释 哥白尼 波兰天文学家哥白尼（14731543）出生在波兰托伦市一个商人的家庭，10 岁丧父，由其舅父抚养长大。1491 年，18 岁的哥白尼进入克拉科夫大学学习。克拉科夫大学是当时全欧闻名的文化中心，也是波兰人文主义思想的主要阵地。这个学校对数学和天文学十分重视。在那里，哥白尼对天文学产生了极大的兴趣，开始钻研 2 世纪希腊天文学家托勒密以地球为中心的宇宙体系学说，并学会了用天文仪器观察天体。如饥似渴的求知欲促使他学习了拉丁文、希腊文和意大利文等几种外国文字，大量阅读天文学、数学和哲学书籍，并于 1496 年到意大利留学。1506 年，哥白尼在意大利留学后回到波兰。从那时起，他坚持不懈地逐日观察天象，记录了大量数据，进行了大量演算和分析，并对所收集的古今资料进行系统的整理和研究。1510 年前后，他开始写天体运行论的初稿。同时把其中的基本19 / 120观点用拉丁文写成一篇浅说 ，抄送给天文学者传阅。大约在 1530 年，他才最后完成天体运行论手稿。 在这部包括六卷的伟大著作中，哥白尼创立了“太阳中心说” 。他提出地球是动的，不仅自转，而且和太阳系其他行星一道按各自的轨道绕太阳公转，月亮则是地球的唯一伴侣，绕地球旋转。哥白尼的“太阳中心说” ，在天文学中奠定了现代的太阳中心体系的基础。他的学说沉重地打击了当时反动的宗教权威，引发了天文学以至整个自然科学的巨大革命，人类宇宙观也开始发生根本的变革。由于教会压制科学研究， 天体运行论的手稿完成以后，多年没有出版。从博物馆内展出的天体运行论的各种版本看，该书最早版本 1543 年出现于德意志，1566 年出现于瑞士，1617 年出现于荷兰。在波兰，直到 1854 年，即哥白尼逝世后三百余年才得以正式与读者见面。 伽利略 伽利略（15641642） ，意大利知识渊博的科学家、近代实验科学的奠基者之一，出生于比萨一个没落贵族家庭。17 岁进比萨大学学医，但他对物理和数学很有兴趣。他做了大量的实验和研究工作，首次用自制的天文望远镜细心地观察了天体，宣告了和哥白尼学说完全相符的结论。伽利略把他在望远镜中所观察到的壮丽景象，到处宣传，并用观察到的事实和力学原理作了严密的论证，进一步维护20 / 120和发展了哥白尼的体系。教会向伽利略发出多次警告，但是他无视这一警告，发表了关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话的巨著，从实践和理论的高度批驳了地球中心说。伽利略的“异端”活动引起了教会的恐慌，罗马教皇向宗教裁判所带头提出控诉，于是这位体弱抱病的科学家被送进了监牢，遭到审讯，以至被终身软禁。软禁期间，他继续研究物理学，写出关于两门新科学的谈话和数学证明 。 牛顿 牛顿（16421727）是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，1665 年毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。三年后又获得文学硕士学位。1669 年，开始担任三一学院的教授。牛顿的最突出贡献是在力学方面，他在前人的研究基础上，总结出了机械运动的三个基本定律，还发现了万有引力定律，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，创立了经典力学体系。这一力学体系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。在光学方面，牛顿也作出了巨大贡献。他在 1666 年用三棱镜分析日光时，发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作21 / 120了牛顿色盘。他在 1704 年出版了光学一书，创立了光的“微粒说” 。同时，他在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律，这一定律表明：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。在天文学领域，他在 1671 年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。1687 年，他发表了著名的自然哲学数学原理一书，用数学方式解释了哥白尼的学说和天体运动的现象，阐明了机械运动三定律和万有引力定律等。在哲学思想上，牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，授予爵士称号。1727 年，他病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。爱因斯坦 艾伯特爱因斯坦（18791955）是美籍德国物理学家。1879 年 3 月 14 日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894 年举家迁居意大利米兰。1900 年毕业于瑞士苏黎世工22 / 120业大学。1901 年入瑞士国籍。1902 年 6 月至 1909 年 10 月，在瑞士专利局任技术员。1909 年 10 月，任苏黎世大学理论物理学副教授；1911 年 3 月，在布拉格任德意志大学理论物理学教授；1912 年 10 月，任苏黎世工业大学理论物理学教授；1914 年 4 月，在柏林任德国威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授。1933 年，因受纳粹迫害，移居美国。1940 年入美国国籍。1955 年 4 月 18 日逝世。 爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获 1921 年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。 近代科学诞生的历史背景 近代自然科学革命发生的历史背景主要包括： 首先，新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学的迫切需要。14 世纪以后，手工工场发展迅速，生产中的技术改造与机器的逐步采用，向人们提出很多新的问题，需要自然科学予以解决，以促进生产力的更大发展。同时，新兴资产阶级要求掌握政治权力，他们需要把自然科学作为反对宗教统治争取思想自由的理论武器。 其次，自然科学自身发展的需要。经过中世纪前期的漫23 / 120长黑夜，自然科学逐渐复兴。资本主义生产方式的产生和发展，不仅向自然科学提出大量的研究课题，还提供了丰富的经验材料以及新的科学实验条件。 最后，文艺复兴、地理大发现和宗教改革的推动。文艺复兴反对盲从和迷信，提倡独立的学术研究，为资产阶级在政治上取代封建统治作舆论准备，它打破了教会的精神统治，动摇了封建制度的政治思想基础，为把自然科学从神学中解放出来创造了必要的条件。近代自然科学革命就是在文艺复兴运动的高潮中拉开序幕的，首先向宗教神学发起冲击的是天文学。随后的宗教改革摧毁了天主教会的精神独裁，科学革命也产生了巨大的影响。在此期间，地理大发现也有重要意义，它以实践证实了地圆学说，为建立新的天文学和地理学奠定了基础，对近代科学技术的发展有不可估量的意义。更重要的是它所引起的思想观念的革命，它用实践突破了所谓经典知识界限，使人的思维方式从权威的盲目崇拜中解放出来。 伽利略对科学研究方法的贡献 近代科学虽然从古希腊科学发展而来，但在研究方法上与古希腊科学却有很大的不同。古希腊偏重在直观基础上的思辨、演绎而轻视经验，近代却注重实验和归纳，同时也不排斥数学和演绎的作用，因而近代科学又被称为实验科学。实验科学的倡导者是中世纪后期的罗吉尔培根，24 / 120他已充分认识到只有实验方法才能给科学以确定性。文艺复兴时期的意大利科学家和艺术家达芬奇也领会到观察和实验是科学认识的重要方法。近代科学方法的真正形成是在 1718 世纪，伽利略创立的实验和数学相结合的科学研究方法是近代自然科学研究问题的一般程序和经典方法。这种方法是在观察实验的基础上，经过逻辑推理和数学计算，对未知的自然现象提出假定性的说明和定量的描写，然后再用实验加以检验的方法。伽利略虽然强调实验、经验和归纳，但又反对狭隘经验论，强调理智的作用，强调数学和演绎方法的重要性，主张运用理智把自然过程加以纯化和简化，并且把寻找自然界的数学关系作为研究的重要目标。正是从数学演绎的观点出发，伽利略非常重视对观察、实验的结果进行定量的计算和分析，这比起古希腊和中世纪的学者只注重定性研究是一大进步。伽利略的实验数学方法开创了近代自然科学研究中经验和理性相结合、定性和定量相结合的传统，这对物理学乃至整个近代自然科学都产生了深远的影响，在科学方法的发展史上更具有重要的意义。 落体定律对亚里士多德运动观念的重大变革 亚里士多德有一个著名的“落体运动法则”：落体的速度与重量成正比。据此理论，一个重 10 千克的物体，其下落速度一定是重 1 千克物体的 10 倍。这种看法在经验中确25 / 120实可以找到证据，比如一根羽毛就比一块石头后落到地面，但是也不难找到反证，比如一个同样大小的铁球和木球从等高处下落，几乎无法区分哪一个先到达地面。 伽利略决定用实验来反驳亚里士多德的理论。有人记载伽利略曾在意大利比萨斜塔上做过自由落体的实验。结果两个重量相差 10 倍的球同时落地，证明了亚里士多德的观点是错误的。不过经后世史学家考证，伽利略并没有在比萨斜塔上做过落体实验。尽管如此，伽利略还是根据小球沿斜面滚动的实验证实了自己的猜想。他发现小球滚动的加速度与小球的重量无关，只与斜面的倾斜度有关。斜面的倾角达到 90 度时，物体就成了自由落体。从 1602 年开始，伽利略着手研究相关的运动问题。1604 年，伽利略设计了斜面实验，经过多次努力，终于探清了在斜面上滚动的小球的运动情况，他所面临的困难主要是没有准确的计时装置，他先后用过脉搏、音乐节拍和水钟。他先发现球滚过全程四分之一所花的时间，正是滚过全程所花时间的一半，最后更为精确地知道，在斜面上下落物体的下落距离同所用时间的平方成正比，这就是著名的落体定律。因此他的实验明确的表明自由落体运动的速度与重量无关。这是对古希腊哲学家亚里士多德的运动观念的重大变革。 匀速运动与匀加速运动 伽利略在研究自由落体运动时，首先遇到了概念上的困26 / 120难，因当时还没有人对速度进行过定量和定义。伽利略虽然发现了落体定律，但却错误地认为速度与距离成正比，后来才认识到速度与时间成正比。因此，对于伽利略来说，重要的是先对匀速运动和匀加速运动进行定量和定义。在两门新科学中，这样的概念终于以公理的形式被创造出来。匀速运动是指运动质点在任何相等的时间间隔里经过的距离皆相等，匀加速运动是指运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量” 。有了这两个新概念，人们就能从斜面实验中获得更多的教益。小球从斜面上滚下后继续沿着桌面滚动，此时斜度为零，重力的作用为零，不再有加速度，因此，球就会永远保持匀速运动。这意味着，外力不是维持物体运动状态的原因，而只是改变物体运动状态的原因，这是对亚里士多德运动观念的重大变革。后来牛顿将之概括为运动第一、第二定律。 地心说与日心说 （1）地心说 中世纪时，基督教会宣扬的宇宙观是宇宙是一个封闭的大盒子或大帐篷，天是盒（篷）盖，地是盒（篷）底，圣地耶路撒冷居盒（篷）底的中央，日月星辰悬挂在盖上，此即所谓的“宇宙帐篷说” 。后来，亚里士多德和托勒密所提出的希腊宇宙体系逐渐深入人心，托马斯阿奎那将亚里士多德理论融入基督教神学之后，地心理论即获得了正27 / 120统地位。地球居宇宙中心的思想被赋予了宗教意义，人类及其居住的地球被置于上帝的怀抱之中，沐浴着上帝的光辉，并被圣恩所笼罩。上帝位处宇宙的最外层，推动着宇宙的运行，注视着人类的一举一动。 托勒密的宇宙体系还被赋予一种人间的等级结构，即天上高贵，地下卑贱，越往高处越进入神圣美妙的境地。但丁的神曲对这一等级宇宙体系作了诗意的描述，在天堂篇中，但丁在少女贝亚德的引领下依次上升到了月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天、水晶天（原动天） ，并在原动天那里窥见了上帝的景象，沉浸在至高无上的幸福之中。 （2）日心说 随着天文观测技术的发展，地心说体系已是破绽百出。文艺复兴时期已有许多进步思想家和天文学家对它表示怀疑。但真正打破该体系的是 16 世纪波兰伟大的天文学家哥白尼。 哥白尼发现托勒密的理论虽然可以给出同观测资料相符合的数据，但他描述的天空图景显得复杂凌乱，毫无统一性和规律性。经过多年悉心研究，哥白尼得出了地球不是宇宙中心的结论。他在 1510 年指出：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕着太阳运动，只有月亮才真正围绕地球旋转。以后哥白尼又根据亲自获得的 20 多项新的观测事实28 / 120和大量复杂的数学计算结果，对上述结论作了许多修改和补充。1530 年，终于圆满地完成了日心说的建立工作。在1543 年出版的天体运动论中，哥白尼向人们描述了他的宇宙图景：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。 天体运行论发表后，遭到了马丁路德的反对和责难，他把哥白尼叫做“想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人。但并未引起罗马教廷的注意。70 年后的 1616 年被罗马教廷列为禁书，300 年后才解除禁令。 自然哲学的数学原理 牛顿的主要研究成果集中在其不朽的名著自然哲学的数学原理一书中。这里所谓的“自然哲学”实际上就是指物理学。在古代，自然科学是以自然哲学的形式出现的。自然哲学的数学原理全书分为两大部分。第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律” 。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统” 。在该书的第一部分中，牛顿首先给力学的基本概念如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，说明了绝对时间和绝对空间的含义。接着陈述了他总结和创立的运动三定律和矢量合成原理。牛顿对运动三定律的表述如下： 29 / 120运动第一定律（又称惯性定律）：任何物体将保持它的静止状态或匀速直线运动状态，直到外力作用迫使它改变这种状态为止。 运动第二定律：运动的变化与所施的力成正比，并沿力的作用方向发生。 运动第三定律：每一个作用总是有一个相等的反作用和它对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向对方。 自然哲学的数学原理以牛顿三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系，说明了当时人们所能理解的一切力学现象，解决了行星运动、落体运动、振子运动、微粒运动、声音和波、潮汐以及地球的扁圆形状等各种各样的问题。在此后二百多年中，再也没有人补充任何本质上的东西。直到 20 世纪量子力学和相对论问世，才使力学扩大了范围。 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）30 / 120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。 经典力学的历史地位 经典力学作为近代力学革命的最终成果，它的建立在近代科学发展史上具有划时代的意义。第一，为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。第二，把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次大综合。自古以来，天上和地上被看作各自遵从不同的力学运动规律的两个世界，经典力学打破了二者之间的界限，把万有引力定律和牛顿运动三定律视为31 / 120宇宙间一切机械运动的普遍规律，从力学上证明了自然界的统一性，从而把人类对整个自然界的认识推进到一个新阶段。第三，把人们对机械运动的认识从运动学的水平提高到动力学的水平。经典力学不仅描述了物体运动的图景，而且揭示了运动的原因，使人们既了解物体怎样运动，又能够说明为什么这样运动，这标志着人类对自然界的认识更深化了一步。第四，把对物体运动状态的描述从变化的结果提高到对变化过程的认识。 墨家的力学思想 墨家成员在农业、手工业劳动中，积累了丰富的力学知识。 墨经说：“动，域徙也。 ”这句话的意思是机械运动就是物体位置移动。 墨经还讨论了机械运动的一些形式。一种是平动，一个物体的各个部分要运动就一块运动，要静止就一齐静止。另一种是转动，即物体轴线以上的各个部分都在改变位置。还有一种是滚动，即圆物外表的各部分都能同地面接触。 物体改变位置的原因是什么？墨经的回答是：“力，形之所以奋也。 ”形指的是具体的物体， “奋”就是动的意思。这句话是说力是使物体运动的原因。这同牛顿经典力学对力的看法基本一致。 墨家已经认识到重量对于物体的普遍性，并猜测到物体的重量同物体的运动有着密切的关系。 墨经说：“重之32 / 120谓。下，举，重奋也。 ”这就是说无论物体下落，还是物体举起，都是同重量有关的。 狭义相对论 1905 年 6 月，爱因斯坦完成题为论运动媒质的电动力学的论文，提出了狭义相对论。此后，爱因斯坦又连续发表几篇论文，建立起狭义相对论的全部框架。 爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。第一个假设是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关；第二个假设是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。从两个基本假设出发，爱因斯坦得出如下新的结论：（1）运动物体在运动方向上长度缩短。 （2）运动着的时钟要变慢。 （3）任何物体的运动速度都不可能超过光速。 （4）同时性是相对的，在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个运动着的惯性系中测量便不是同时发生的。 （5）如果物质速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，比起牛顿力学来，相对论力学具有更普遍的意义。 （6）物体的能量等于物体的惯性质量乘以光速的平方。 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，33 / 120一个以这样速度运动的人，在另一个静止的观察者看来就可能只是一条线。另外还会出现这样的景象：一个人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去作星际航行。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。 广义相对论 1915 年，爱因斯坦完成了创立广义相对论的工作，并于1916 年写成总结性论文广义相对论的基础 。这篇论文的发表宣告了广义相对论的诞生。 广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论，它指出空间时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布。狭义相对论已指出时间、空间是一个整体，即四维时空。广义相对论进一步指出，物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现。如果物质消失，时空就回到平直状态。 广义相对论认为，质点在万有引力作用下的运动，如地球上的自由落体，行星围绕太阳的运动等，是弯曲时空中的自由运动惯性运动。它们在时空中描出的曲线，虽然不是直线，却是直线在弯曲时空中的推广短程线，即两点之间的最短线。当时空恢复平直时，短程线就成为34 / 120通常的直线。 可以打这样一个比方来说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角，床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或匀速直线运动状态不变（假设床单是足够光滑，微小的摩擦力忽略不计） 。如果在床单中央放一个铅球，床单就会凹下去，这个二维空间就弯曲了。这时，如果再放置一个小玻璃球，它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点，这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球的存在使空间弯曲了，并不存在什么“引力” ，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由（惯性）运动。 当然，上面这个比喻，说的只是“空间”弯曲，而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了。行星绕日运动，就是在弯曲时空中的惯性运动，行星轨道是四维时空中的短程线，根本就不存在什么万有引力。 广义相对论指出，在引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里德几何，而是遵循非欧几何，并得出结论：现实的物质空间不是平直的欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间（即三角形三个内角之和大于 180 度、曲率为正的空间） ，它的弯曲度取决于物质在空间的分布情况。物质密度大的地方，引力场的强度也大，空间弯得也厉害，时间也要相35 / 120应地变慢。爱因斯坦为了证明广义相对论的思想，他作出了三个预言： 第一，水星近日点的运动。自 1859 年发现水星近日点的运动以来，有每百年 43 秒的变动是用牛顿力学无法解释的。曾有人怀疑这是由一颗未发现的星引起的，但天文观测一直没有发现这颗星。爱因斯坦广义相对论，通过理论计算说明，太阳引力使空间弯曲，水星近日点的进动每百年就应有 43 秒的剩余值。 第二，光谱线的引力红移，即在强引力场中，光谱应向红端移动。这一结论后来被天文观测所证实。 第三，引力场使光线偏转。爱因斯坦预言，光线经过太阳表面，将会发生秒的偏转。1919 年 5 月 29 日发生日全食，在英国天文学家爱丁顿的建议下，英国皇家学会组织了两路观测人马，分赴巴西北部的索布拉尔和西非的普林西比岛，拍摄了日全食时在太阳周围看到的恒星照片。爱丁顿把这些照片和半年后的夜晚拍摄的天空同一位置的照片进行细致的对照，最终结论是，星光在太阳附近的确发生了偏转，并且数值与爱因斯坦的预言极为接近。这结果一公布，立即轰动了世界。人们开始把爱