近代物理学的奠基人和革命者

一近代物理学的奠基人和革命者 专题七近代以来科学技术的辉煌 推动近代科技出现的因素 1 经济 2 政治 3 思想 商品经济的发展和资本主义生产关系的产生 发展是近代科技产生的前提和根本推动力 资产阶级民主政治的建立 为近代科技提供了自由发展的空间 思想的解放为近代科技的发展打开了精神枷锁 4 面向现实 重视实验 崇尚理性的科研精神 也有利于科技的发明和发展 5 科学家的不懈努力 一 认识史上的飞跃 牛顿经典力学体系的建立 17世纪 背景 受文艺复兴运动的影响 科学逐渐从神学的桎梏中解放出来 进入到实验科学的时代 中世纪亚里士多德的学说长期被教会奉为教条 近代科学诞生后 亚里士多德的力学不断受到质疑 1 经典力学的重要奠基者 伽利略的贡献 发现自由落体定律 为经典力学的建立奠定了基础 发明天文望远镜发现许多星体 证明了哥白尼 日心说 的正确性 属于天文学成就 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 标志着物理学的真正开端 被誉为 近代科学之父 亚里士多德 物体下落的速度和重量成比例 即 重物体比轻物体下落速度要快些 亚里士多德的力学观 必须有力作用在物体上 物体才能运动 没有力的作用 物体就会静止 6 伽利略 1564 1642 伟大的意大利物理学家和天文学家 他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学 被誉为 近代科学之父 他第一个把望远镜对准天空进行观测 出版了 星空使者 一书 1632年 他出版了 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段 1590年 伽利略在比萨斜塔上做了 两个铁球同时落地 的著名实验 从此推翻了亚里士多德 物体落地下的速度和重量成比例 的学说 纠正了这个持续了1900年之久的错误结论 伽利略通过观察 实验和推理 得出结论 如果运动物体不受阻碍 它将速度保持不变地持续运动下去 自由落体定律 经典力学的奠基者 2 经典力学的建立者 牛顿 运动三大定律和万有引力定律 1687年 自然哲学的数学原理 一书总结了牛顿力学体系以及在数学 天文学方面的研究成果 标志着经典力学的初步建立 经典力学的建立 凝聚着许多科学家的心血 牛顿 微积分的创立者之一 则是其中的集大成者 故经典力学又称牛顿力学 牛顿 1642 1727 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 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 后来 作为大学教授 牛顿常常忙得不修边幅 往往领带不结 袜带不系好 马裤也不扣纽扣 就走进了大学餐厅 有一次 他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差 他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理 他抓住姑娘的手指 错误的把它当成通烟斗的通条 硬往烟斗里塞 痛得姑娘大叫 离他而去 牛顿也因此终生未娶 他马虎拖沓 曾经闹过许多的笑话 一次 他边读书 边煮鸡蛋 等他揭开锅想吃鸡蛋时 却发现锅里是一只怀表 还有一次 他请朋友吃饭 当饭菜准备好时 牛顿突然想到一个问题 便独自进了内室 朋友等了他好久还是不见他出来 于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了 鸡骨头留在盘子 不告而别了 等牛顿想起 出来后 发现了盘子里的骨头 以为自己已经吃过了 便转身又进了内室 继续研究他的问题 父母原希望他成为一个农民 但牛顿本人却无意于此 每次 母亲叫他同佣人一道上市场 熟悉做交易的生意经时 他便恳求佣人一个人上街 自己则躲在树丛后看书 牛顿的好学精神感动了舅父 于是舅父劝服了母亲让牛顿复学 惯性定律 加速度定律 作用力和反作用力定律 牛顿三大定律 万有引力定律 经典力学体系 以伽利略研究为基础 以笛卡尔研究为基础 牛顿经典力学的显著特征 一是注重实验 二是它的数学化 我好像是一个在海边玩耍的孩子 不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞 而展现在我面前的是完全未探明的真理之海 牛顿临终遗言 你知道牛顿捡到了哪些 光滑的石子 和 美丽的贝壳 探究 著作 自然哲学的数学原理 提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律 创建牛顿力学体系等 3 地位和作用 牛顿运动三定律构成了近代力学体系的基础 成为近代物理学的重要支柱 牛顿力学体系完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合 使力学和天文学在理论上达到完备的程度 并得到应用和验证 使科学摆脱神学束缚 19世纪进入全面繁荣时期 各自然科学理论体系纷纷建立 成为近代科学形成标志 英国著名诗人亚历山大 波普曾写过一首赞美牛顿的诗 自然和自然界的规律 隐藏在黑暗里 上帝说 让牛顿去吧 于是 一切成为光明 巨人肩上的思索 牛顿曾谦逊地说 如果我比别人看得远些 那是因为我站在巨人们的肩上 你能举出牛顿站在哪些巨人的肩上的例子吗 对此你又有何认识 探究 牛顿三大定律以伽利略和笛卡尔的研究为基础 近代科学在否定中发展 在继承中发展 在综合中发展 海王星和冥王星的发现 1781年天王星被发现 科学家用牛顿力学计算它的轨道 可是计算结果总是同观测纪录不大相符 经反复核算 观测无误 那问题是否出现在牛顿力学上面 法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确 大胆猜想计算结果之所以不理想 是因为太阳系中还有一颗未知的行星 我们没有考虑到它对天王星的引力作用 他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量 1848年9月23日 柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚 用望远镜对准勒维列所指出的位置 一下子就看到了一颗新的行星 海王星 勒维列无需观测星空 就在笔尖上发现了新行星 牛顿力学又创造了新的奇迹 根据万有引力定律准确算出了地球的平均密度和扁平率 解释潮汐的成因 发现海王星 探究 请举例说明牛顿的经典力学使力学和天文学在理论上达到完备的程度 并得到应用和验证 19世纪末 面对经典物理学近乎完美的发展 有的物理学家表示 19世纪已经将物理大厦全部建成 今后物理学家只是修饰和完美这座大厦 经典力学体系真的是最完美的物理学理论吗 探究 经典物理学以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象 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 在这种背景下 相对论与量子论应运而生 二 驱走乌云的太阳 1 量子论的诞生与发展 从普朗克到爱因斯坦基础 奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研究成果诞生 1900年 德国物理学家普朗克提出了量子概念发展 德国爱因斯坦 解释光电效应 法国德布罗意 物质波理论 奥德物理学家 建立量子力学 量子力学的创立者 标志 1900年 关于正常光谱能量分布定律的理论 1900年12月14日 德国物理学家普朗克 M Planck 1858 1947 提出 像原子作为一切物质的构成单元一样 能量子 量子 是能量的最小单元 原子吸收或发射能量是一份一份地进行的 后来 这一天被认为是量子理论的诞生日 量子论确实深奥难懂 甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说 如果谁不为量子论而感到困惑 那他就是没有理解量子论 2 历史意义 量子力学标志着人类对客观规律的认识 开始从宏观世界深入到微观世界 量子理论让人们从根本上改变了近代物理学中的传统观念 使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革 背景 19世纪科学技术得到飞速发展 经典力学无法解释高速运动微观粒子发生的现象 三 爱因斯坦的 时空 相对论的提出 狭义相对论 提出 1905年 爱因斯坦发表 论动体的电动力学 创立狭义相对论 内容 相对性原理和光速不变原理 时间和空间都与物质的运动有关 随着物质运动速度的变化而变化 史学泛舟 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 为了对这一深奥的理论做通俗的说明 爱因斯坦风趣地对一名男青年说 我打个比方 比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱 那么 同样的时间你觉得哪一个更长 男青年说 当然坐在火炉上烤的时间觉得长久 这故事形象说明了时间和空间相对性 20世纪最伟大的人物 爱因斯坦 思考 牛顿力学体系与狭义相对论的区别 二者的关系如何 广义相对论 提出 1916年 爱因斯坦把狭义相对论推广到加速运动的参考系中 建立了广义相对论 内容 物质存在的现实空间不是平坦的 而是弯曲的 空间弯曲的程度体现为引力场强度 时间 空间不是独立的实在 它们是物质存在的形式 爱因斯坦的 时空弯曲 概念 思考 狭义相对论与广义相对论有何区别 狭义相对论适用于高速运动中的匀速运动体系 广义相对论适用于高速运动中的加速运动体系 广义相对论第一次阐述四维时空和物质分布相联系的重要思想 意义 对近代物理学理论框架的重大突破 揭示了时空的可变性 说明时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分 这种全新的时空观 运动观和物质观的形成 是人类思想发展史中的一次根本性变革 对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响 相对论同量子理论一起 构成了现代物理学的基本理论框架 即 现代物理学的两大支柱 成功的秘诀一个爱说废话而不爱用功的青年 整天缠着大科学家爱因斯坦 要他公开成功的秘诀 爱因斯坦厌烦了 便写了一个公式给他 A x y z 爱因斯坦解释道 A代表成功 x代表艰苦的劳动 y代表正确的方法 z代表什么 青年迫不及待地问 代表少说废话 爱因斯坦说 1955年4月18日 爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿 遵照他的遗嘱 不发讣告 不举行公开葬礼 不建坟墓 不立纪念碑 火化时按照他的书面遗嘱 免除所有花卉布置以及所有音乐典礼 骨灰撒在永远对人保密的地方 为的是不使任何地方成为圣地 遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼 我们全都获益不浅 全世界都感谢他的教诲 那专属他个人的东西 早已传遍广大人群 他像行将陨灭的彗星 光华四射 把无限的光芒同他的光芒永相连结 他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑 应该进行研究 所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来 并切成200片带走 但至今没有结论 物理学的发展给了我们什么样的启示 尊重事实 不迷信权威 敢于质疑 勇于探索创新 实践出真知 经典力学体系的创立和发展 量子理论的诞生 普朗克 相对论的建立 爱因斯坦 现代物理学理论的发展 近代物理学的奠基人和革命者 伽利略对亚里士多德力学观的否定 牛顿对前人科学理论的发展 本课知识结构 课堂小结 近代自然科学同古代科学相比的主要特征是 实验验证 直观感受 数学表达 哲学思维A B C D 课堂训练 B 同相对论理论一起 构成了现代物理学的基本理论框架的是A 万有引力定律B 日心说C 量子理论D 牛顿力学理论 课堂训练 C 19世纪 英国科学家开尔文认为物理学晴朗的天空中还留有 两朵乌云 这里 乌云 是指 热学的黑体研究 量子理论研究 光学中的 以太 研究 相对论的研究A B C D 课堂训练 B 从经典力学到相对论的发展 说明 任何科学成就都是 站在巨人肩膀上 的发现 人类对自然界的认识是随着时代前进而不断发展的 人类开始从宏观世界深入微观世界认识客观规律 科学的发展是无止境的A B C