第20课20世纪科学巨匠爱因斯坦

学 习 资 料“因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这颗蓝色的地球就比其他宇宙的部分有特色、有智慧、有人的道德。”中国科学家李政道在纪念爱因斯坦相对论发表100周年的纪念活动上说。 “全世界科学家一致公认:他的天才思想带来了一系列令人炫目的技术革新，100年间的变化超过了过去2000年的总和。计算机、人造卫星、通讯技术、激光、电视和原子能，无一不与爱因斯坦所揭示的理论有关。”而社会学家又一致指出:他不仅仅是一个科学上的天才，还成为人类社会文化中的“祖父级偶像”。他的一生都在为人道主义与和平事业服务，他利用自己的威望大声疾呼，反对法西斯主义、种族偏见和麦卡锡主义。据报道,他在美国联邦调查局里的档案就有1400页。他做到了今日科学家甚至是绝大多数政治家和宗教领袖都做不到的事。一、成长足迹1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国东部的乌尔姆，犹太血统。他的父亲很有数学天赋，但家里没钱供他上学，只好弃学经商，爱因斯坦的母亲很有音乐天赋。爱因斯坦生长在一个无忧无虑的家庭中，父母对他十分宽容的，循循善诱地帮助他成长与发展。年幼时，爱因斯坦就开始学习音乐，六岁开始练习拉小提琴，音乐几乎成了爱因斯坦的第二职业，小提琴终身陪伴着他。爱因斯坦来到这世界已经3年了，三岁多还不会讲话，并且直到9岁时讲话还不是很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力且认真的思考。他不像其他孩子天真活泼，爱说爱笑。他总喜欢静静地歪着脑袋倾听母亲弹奏优美动人的音乐，沉默寡言的摆弄自己的积木。爱因斯坦的父亲喜欢郊游，经常兴高采烈地带着全家人到野外去游玩。小爱因斯坦在常人眼里，并不是一个聪明的孩子，这一方面是因为他不大会说，一方面则因为他总是提出一些希奇古怪的问题，让人觉得有些低能、傻气，大人们甚至怀疑他的智商是否有障碍。爱因斯坦那被人误认为“平庸、低能”的小脑瓜里，充满了对这陌生世界的苦思冥想、百思不解，几乎没有安宁的时候。在爱因斯坦5岁的时候，一天，爸爸送给他一件小玩具罗盘。对新鲜事物充满好奇的小阿尔伯特为此心花怒放，爱不释手地摆弄起来。无论他怎样转来转去，那根针就是不听指挥，红色的一端依然牢牢地指向北方。 “太奇怪了” 爱因斯坦不知所措地喃喃着，“这到底是为什么？”这个童年之迷就此深深刻印在他的记忆中，挥之不去。也许，爱因斯坦日后对电磁场的深入研究，其灵感就是源于童年时代那迷一样的小玩具罗盘呢。到了上学年龄，与同龄孩子相比，小爱因斯坦依然显得十分木讷，动作迟缓呆笨。他虽然很愚笨，然而却很善良。6岁时，爱因斯坦迷上了音乐，开始学小提琴。喜欢音乐，能用小提琴熟练地演奏莫扎特的奏鸣曲。然而，练习小提琴时机械、重复的弓法和指法又令他心生厌倦。 10岁那年，小爱因斯坦告别了小学成了中学生。但学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。一次他的父亲来学校了解儿子的情况并问班主任老师,他的儿子将来做什么合适。老师直言不讳地说“做什么都无关紧要,你的儿子将是一事无成的”。可是数学成了他中学时代的最大的业余爱好。随着年龄的增大，爱因斯坦的眼界渐渐开阔，能使他产生兴趣的事物也越来越复杂。12岁时，他得到一本几何教科书。竟然一口气把全书读完，深深为几何定理的精密、明确和严密所折服。每当用自己特有的方法将定理再次予以证明，爱因斯坦总会高兴得欣喜若狂。不久，他又自学了高等数学，中学老师已不是他的对手。 16岁那年，又一个极富挑战性的问题占据了他的头脑：假如某种光的接受器，比如：人的眼睛或是摄影机，跟随在光的后面，用光速飞奔，那么，会发生什么情形？他把问题捕捉住，记在本子上。正是这个令爱因斯坦日思夜想的高难问题，孕育了未来相对论的神奇萌芽。也许，这可以看作是小爱因斯坦向科学堡垒发起的第一次勇敢进攻。就是这样一位光彩夺目的人物，在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉、想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授们所不满，大学一毕业就失业，第二年才找到固定职业。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的，而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”而所谓“和谐的人”，按照他的思路，就是既富有个性又有益于社会的人。爱因斯坦的上述基本教育思想，与我们所主张的尊重学生主体性、促进学生健康成长的素质教育思想是完全一致的。1905年，26岁的爱因斯坦尚未知名，小人物写出了大文章。他在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间，在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论。 年仅26岁的爱因斯坦，而且是一个瑞士专利局的职员，在大学里老师都不大看得起他，不愿意把他留下来做助教，他几次去请求，人家也不要他，他甚至于有几次几乎要失业了，几次在中学里面求职，最后在专利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作大概40多个小时。但尽管如此，这一年是他最辉煌的时期，因为他做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几项贡献。 爱因斯坦生平（1879-1955）生于德国乌尔姆镇21岁大学毕业26岁建立了相对论37岁完成广义相对论42岁获得诺贝尔物理学奖50岁发表统一场论70岁发表统一场论的最后论文76岁普林斯顿医院病逝二、科学成就在公元前500年之前，人们对自然世界的认识已经历了很长久的岁月时间，但仅仅是获得非常少的零碎经验。直到公元前500年间，人们才正式建立起系统的理论体系。亚里士多得在公元前300年之前建立的物理学，曾经被人们延用到公元后的17世纪。在整整2000多年的人类社会发展过程中，经院学者都认为自己掌握的系统理论是正确的科学知识。然而是伽利略,牛顿,爱因斯坦这三位近代科学大师无情地宣布了经院科学的失败,开拓创新了近代物理科学。17至18世纪经典物理学已经发展到了完整、系统和成熟阶段 ，一些科学家还根据万有引力定律计算出了海王星和冥王星的位置，证明了经典物理学的准确性、科学性和可预见性。但是，经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，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。以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释19世纪末以来的物理学新发现，如：微观世界，原子，宇宙放射线，高速光学元素的放射性、电子运动、黑体辐射、光电效应等，看来经典物理学的绝对时空观已经不合时宜。这种状况随着20世纪以来科学研究的不断深入而日益显现，如神秘的“以太”一直不能被证明是存在的、高速运动的微观粒子发生的现象非经典力学所能解释等。物理学只有来一番彻底的革命，才能适应科学研究的新形势。在这种背景下，相对论与量子论应运而生。爱因斯坦的科学成就1、提出相对论1905年提出匀速运动体系的狭义相对论；1916年提出加速运动体系的广义相对论。主要内容(两个基本原理) 相对性原理和光速不变原理（必修3）如何理解相对论？2、光的量子论（获得诺贝尔奖）3、提出了著名的质能关系式：E=mc，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速（常量，c=299792.458km/s）。该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量。质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用（P97）狭义相对论1）狭义相对论内容：两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。 光速不变原理则认为光的传播速度在任何条件下都是不变的。 2） 意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维。广义相对论爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，改变路径。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文广义相对论的基础，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会确认广义相对论的结论是正确的。会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。2005年是爱因斯坦逝世50周年，同时也是他提出狭义相对论100周年。100年前，年仅26岁的毛头小伙爱因斯坦，以他卓越的思考力、非凡的洞察力，提出了狭义相对论，传统经典物理学由此彻底改变。这一种颠覆是多么激动人心，为纪念相对论诞生100周年暨爱因斯坦逝世50周年，联合国大会将2005年确定为“国际物理年”，这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。爱因斯坦，这位在许多国度千年人物(10012000年)评选中都居榜首的俊杰，绝不仅仅是因为在物理学上的成就。他既是伟大的科学家、现代物理学的开创者和奠基人，更是杰出的思想家，他是一幅视野开阔的思想宽银幕。量子论及其意义量子论最先由德国物理学家普郎克于1900年提出。他认为，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倍跳跃式地变化的。 随后英国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。爱因斯坦利用原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。3、 人格魅力一战时:发起成立反战团体“新祖国同盟”二战时:建议罗斯福抢在纳粹之前研制原子弹 痛心原子弹爆炸引起的大量平民伤害冷战时:发表了反核战的罗素-爱因斯坦宣言 他的和平主义思想并未能阻止他研究原子弹的强烈愿望。但原子弹在日本投下后，他又痛心地说，这是他一生中最大的错误和遗憾。1939年8月2日，爱因斯坦给当时的美国总统罗斯福写信警告说，原子弹这种武器的确有可能制造出来，而且德国也许也正在研制。正是在这封信的帮助下，美国启动了制造原子弹的“曼哈顿工程”。然而，爱因斯坦痛心地说，当初致信罗斯福提议研制核武器，是他一生中最大的错误和遗憾。他甚至懊悔当初从事科研，“早知如此，我宁可当个修表匠。”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！”时间与永恒：有一次，一个美国女记者走访爱因斯坦，问道：“依您看，时间和永恒有什么区别呢？” 爱因斯坦答道：“亲爱的女士，如果我有时间给您解释它们之间的区别的话，那么，当你明白的时候，永恒就消失了！”爱因斯坦的名言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。 不管时代的潮流和社会的风尚怎样。人总可以凭着自己高贵的品质，超脱时代和社会，走自己正确的道路。实笃一个人只有以他全部的力量和精神致力于某一事业时，才能成为一个真正的大师。因此，只有全力以赴才能精通。 我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了。 没有牺牲，也就决不可能有真正的进步。 一个人被工作弄得神魂颠倒直至生命的最后一息，这的确是幸运。 简单淳朴的生活，无论在身体上，还是精神上，对每个人都是有益的。 宽容意味着尊重别人的无论哪种可能有的信念。 推动你的事业，不要让你的事业推动你。学校的目标应是培养有独立行动和独立思考的人。 人们所努力追求的庸俗的目标财产、虚荣、奢侈的生活我总觉得都是可鄙的。 人只有献身于社会，才能找出那短暂而有风险的生命的意义。 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心和专心。 一个人的价值，应当看他贡献什么，而不应看他取得什么。 对于我来说，生命的意义在于设身处地替人着想，忧他人之忧，乐他人之乐。 一个人对社会的价值，首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。 只有为他人而生活的生命才是值得的。 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。就在这个意义上，我从来不把安逸和快乐看做是生活目的本身这种伦理基础我叫它猪栏的理想。 照亮我的道路，并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真。 由百折不挠的信念所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量具有更大的威力。 信念最好能由经验和明晰的思想来支持。 对真理和知识的追求并为之奋斗，是人的最高品质之一尽管把这种自豪喊得最响的往往是那些努力最小的人。 四、自测题1、广义相对论是由下列哪位科学家提出的（ ） A、爱迪生 B、伽利略 C、祖冲之 D、爱因斯坦2、爱因斯坦提出相对论的时间是（ ） A、19世纪末 B、20世纪初 C、“一战”后 D、“二战”后3、下列表述不正确的是 A、牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础 B、经典物理学所适用的主要是日常生活中的物理现象 C、相对论的提出证明经典物理学是完全错误的 D、量子理论使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步4、海王星的发现是根据 A、哥白尼日心说的推算 B、牛顿理论的推测 C、法拉第演示计算 D、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示5、现代物理的两大