近代物理学的革 命者和奠基者

专题七近代以来科学技术的辉煌 导语 一 本专题主要涉及的问题 二 涉及的主要理论问题 三 学习思考为什么15世纪下半叶以后西方的科学技术取得了辉煌的成就 学习思考 为什么15世纪下半叶以后西方的科学技术取得了辉煌的成就 1 文艺复兴 宗教改革等思想解放运动的影响 2 资本主义的发展提供了物质基础 3 科学家勇于探索的精神 探究 他们分别是什么人 有什么贡献 一 近代物理学的奠基人和革命者 课标要求 了解经典力学的主要内容 认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位 知道相对论 量子论的主要内容 认识其意义 一 巨人肩上的思索 经典力学体系的创立和发展 1 经典力学的奠基者 意大利科学家伽利略 1 伽利略对亚里士多德力学观的否定 2 开创科学的研究方法 3 突出成就 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 1 伽利略对亚里士多德力学观的否定 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 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 斜面实验 2 开创科学的研究方法 伽利略的折射式望远镜 伽利略的手稿 1609年 伽利略创制了天文望远镜 他观测到月球表面凹凸不平 并绘制了第一幅月面图 观察 实验和推理 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 3 突出成就 创立了自由落体定律 从而推翻了亚里士多德的学说 意大利的比萨斜塔 2 牛顿对前人科学理论的发展 1 科学巨著 自然哲学的数学原理 总结了牛顿力学体系以及在数学 天文学方面的研究成果 牛顿 1642 1727 牛顿出生于英国的林肯郡 牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长 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 惯性定律加速度定律作用和反作用定律万有引力定律 牛顿运动三定律 经典力学体系 2 经典力学体系的主要内容 3 经典力学体系的历史地位 理论 牛顿力学体系正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律 对自然界的力学现象做出了系统 合理的说明 从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合 影响 经典力学体系的建立标志着近代科学的形成 从此科学摆脱了神学的束缚向前发展 实践 根据万有引力定律 人们准确地算出地球的平均密度和扁平率 正确地解释了潮汐的成因 还发现了海王星 对地球认识的变化 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 海王星和冥王星的发现 牛顿捡到了哪些 光滑的石子 和 美丽的贝壳 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 共同探究之一 牛顿 1642 1727 著作 自然哲学的数学原理 1687 他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 牛顿的成就与前人研究成果的关系 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 近代科学在否定中发展 在继承中发展 在综合中发展 质疑与思考 经典力学体系是最完美的物理学理论吗 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 高速运动的微观粒子发生的现象 是经典力学无法解释的 二 驱走乌云的太阳 量子理论的诞生 1 量子理论的诞生2 量子理论的发展3 量子论和量子力学的意义 1 量子理论的诞生 1 基础 2 诞生 奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研究成果 1900年 德国物理学家普朗克提出了量子概念 并在 关于正常光谱能量分布定律的理论 中 阐述了这一思想 标志着量子理论的诞生 普朗克 生于基尔 1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后 先后在慕尼黑大学和基尔大学任教 由于量子论创立 普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖 他的父亲是一位杰出的法律教授 普朗克是德国人所具有的最好品质的范例 诚恳 忠于职守 他的业余爱好是音乐 在这方面表现了专业艺术才干 另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动 2 量子理论的发展 1 德国爱因斯坦 将量子理论推广到光学中 成功解释了光电效应 得出光具有波粒二象性的结论 2 法国德布罗意 提出物质波理论 3 数年后 奥地利 德国的物理学家建立了量子力学 3 量子论和量子力学的意义 1 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 2 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 三 爱因斯坦的 时空 相对论的建立 1 狭义相对论2 广义相对论3 相对论建立的意义 狭义相对论发表100周年 也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛 但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变 关于相对论 有人说 这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容 100年来 人们时时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘 直到今天 这里还有很多内容没有被我们悟透 这个 优美的理论 包含了哪些主要内容呢 让我们一起来领略相对论的奥妙 1 狭义相对论 1 提出 2 内容 3 认识 1905年 爱因斯坦发表 论动体的电动力学 创立狭义相对论 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 E mc2 否认了牛顿力学的绝对时空观点 是对牛顿力学的继承和发展 天上方一日 人间已一年 乘坐 光子火箭 的星际旅行 乘坐 光子火箭 以光速作星际旅行 回到地球时 我们会发现什么变化 这个故事形象地说明了时间和空间的相对性 爱因斯坦关于相对论的比喻 为了对这一深奥的理论做通俗的说明 爱因斯坦曾经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 爱因斯坦说 这就是我的相对论内容 2 广义相对论 1 提出 2 内容 3 认识 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 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 它第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想 爱因斯坦的 时空弯曲 概念 3 相对论建立的意义 1 爱因斯坦相对论的建立 是对近代物理学理论框架的重大突破 它不仅揭示了空间 时间的可变性 时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分 2 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深远的影响 3 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 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 共同探究之二 相对论与牛顿力学的关系怎样 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 牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律 而狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律 是对牛顿力学的继承和发展 牛顿力学是相对论的一种特例 物体低速运动状态 包括在相对论体系中 经典力学体系的创立和发展 量子理论的诞生 从普朗克到爱因斯坦 相对论的建立 爱因斯坦 现代物理学理论的发展 小结 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 课堂训练 1 创立了自由落体定律 从而推翻了亚里斯多德的学说的是 A 伽利略B 牛顿C 爱因斯坦D 普朗克2 近代科学进入了全面繁荣的时代 各门自然科学的理论体系纷纷建立起来是在 A 17世纪B 18世纪C 19世纪D 20世纪 A C 3 实现了自然科学第一次理论性大综合的是 A 哈维的血液循环学说B 法拉第的电磁感应理论C 牛顿的经典力学体系D 爱因斯坦的相对论4 指出 物质间所存在的万有引力 是由于物质的存在和分布使时间和空间的性质不均匀而引起的 是 A 牛顿力学理论B 万有引力理论C 广义相对论D 狭义相对论 C C 5 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6 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