第11课 物理学的重大进展

1、第四单元第四单元 近代以来世界的科学近代以来世界的科学 发展历程发展历程科学勃兴科学勃兴 进展辉煌进展辉煌转化生产转化生产 科技革命科技革命文艺复兴文艺复兴 思想解放思想解放-经典力学、相对经典力学、相对论和量子论、进化论论和量子论、进化论-三次科技革命三次科技革命科技历程科技历程【课程标准【课程标准】 了解经典力学的主要内容，认识其在近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。代自然科学理论发展中的历史地位。探究：他们分别是什么人？有什么贡献？探究：他们分别是什么人？有什么贡献？第第1111课课 物理学的重大进展物理学的重大进展伽利略伽利略 牛顿牛顿 爱因斯坦爱因斯坦

2、 普朗克普朗克1. 1.背景背景 2.2.牛顿的经典力学牛顿的经典力学 经典力学经典力学 量子论的诞生与发展量子论的诞生与发展 相对论的创立相对论的创立物理学的重大进展物理学的重大进展1. 1.背景背景 2.2.创立创立 3.3.意义意义1. 1.背景背景 2.2.诞生诞生 3.3.发展发展 4.4.意义意义一、经典力学的重要奠基者一、经典力学的重要奠基者伽利略伽利略1 1、背景：、背景：2 2、重大贡献、重大贡献: :物理学：物理学：天文学：天文学：3 3、意义：、意义：创制天文望远镜（创制天文望远镜（“伽利略望远镜伽利略望远镜”），），发现了许多星体。发现了许多星体。中世纪农业、手工业的发

3、展为近代科学提中世纪农业、手工业的发展为近代科学提供了物质条件；供了物质条件； 文艺复兴运动的兴起。文艺复兴运动的兴起。发现自由落体定律。发现自由落体定律。确定匀速运动和匀加速运动两个概念。确定匀速运动和匀加速运动两个概念。确立科学实验与数学相结合的科学研究方法。确立科学实验与数学相结合的科学研究方法。为经典力学的建立奠定了基础。为经典力学的建立奠定了基础。证明了哥白尼的证明了哥白尼的“日心说日心说”。标志着物理学的真正开端。？标志着物理学的真正开端。？开创了近代科学。（特点？）开创了近代科学。（特点？）伽利略伽利略（1564156416421642），），伟大的意大利物理学家和天伟大的意大利

4、物理学家和天文学家，他开创了以实验事文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科系和数学表述形式的近代科学，被誉为学，被誉为“近代科学之近代科学之父父”。他第一个把望远镜对。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了准天空进行观测，出版了星空使者星空使者一书。一书。16321632年，年，他出版了他出版了关于托勒密和哥关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话白尼两大世界体系的对话，把哥白尼的学说推到了最终把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。胜利的阶段。 1609年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到月球表面凹凸不平

5、，并绘制了第一幅月面图。月球表面凹凸不平，并绘制了第一幅月面图。伽利略的折射式望远镜伽利略的折射式望远镜伽利略手稿伽利略手稿16101610年，伽利略用望远镜发年，伽利略用望远镜发现有现有4 4颗卫星围绕着木星转。颗卫星围绕着木星转。这一发现震动了整个欧洲和这一发现震动了整个欧洲和全球科学界。全球科学界。 伽利略是第一位利用望远镜伽利略是第一位利用望远镜观察天体的人。目前人类发观察天体的人。目前人类发现的现的1616颗木星卫星中，有颗木星卫星中，有颗叫颗叫“伽利略卫星伽利略卫星”。 木星和它的伽利略卫星木星和它的伽利略卫星 他又发现太阳上有黑子，月球上他又发现太阳上有黑子，月球上有山脉，为哥白

6、尼的地球绕着太阳公有山脉，为哥白尼的地球绕着太阳公转的转的“日心说日心说”找到了有力证据。宗找到了有力证据。宗教法庭把他软禁在家，不准外出。教法庭把他软禁在家，不准外出。年多后，伽伽利略临死前仍不屈服，年多后，伽伽利略临死前仍不屈服，坚定地说：坚定地说：“地球确实在围着太阳地球确实在围着太阳转！转！”他的努力没有白费，越来越多他的努力没有白费，越来越多的人开始探索星空和科学！的人开始探索星空和科学！ 1590 1590年，年，伽俐略伽俐略在斜塔在斜塔的顶层做自由落体运动实的顶层做自由落体运动实验，让两个重量相差验，让两个重量相差1010倍倍的铁球，同时从塔顶落下，的铁球，同时从塔顶落下，结果两

7、球同时着地，因而，结果两球同时着地，因而，雄辩地一举推翻了束缚人雄辩地一举推翻了束缚人们近们近20002000年的希腊学者年的希腊学者亚亚里士多德里士多德关于重量不同的关于重量不同的物体，其下落的速度也不物体，其下落的速度也不相同的相同的“物体下落速度与物体下落速度与重量成正比重量成正比”的理论。的理论。伽伽俐略开创了实验物理的新俐略开创了实验物理的新时代，时代，为经典力学的创立为经典力学的创立奠定基础奠定基础。 科学的真理不应在科学的真理不应在古代圣人的蒙着灰尘古代圣人的蒙着灰尘的书上去找，而应该的书上去找，而应该在实验中和以实验为在实验中和以实验为基础的理论中去找。基础的理论中去找。 伽利

8、略伽利略“近代科学之父近代科学之父”伽俐略伽俐略 二、经典力学建立二、经典力学建立牛顿牛顿1 1、背景、背景: : 2 2、标志：、标志：3 3、显著特征：、显著特征：4 4、意义：、意义：标志经典力学体系形成，标志近代科学的形成。标志经典力学体系形成，标志近代科学的形成。 理论的威力在于预见性：理论的威力在于预见性：海王星和冥王星的发现。海王星和冥王星的发现。牛顿力学和热学引发了以英国工业革命为起点的第一牛顿力学和热学引发了以英国工业革命为起点的第一次技术革命，人类社会进入蒸汽时代。次技术革命，人类社会进入蒸汽时代。与光学、电磁学等一起与光学、电磁学等一起推动物理学发展，促进了资本推动物理学

9、发展，促进了资本主义的两次科技革命的出现。主义的两次科技革命的出现。以实验为基础以实验为基础以数学为表达形式以数学为表达形式 以伽利略为代表的科学加奠定了经典力学的理论基础。以伽利略为代表的科学加奠定了经典力学的理论基础。1717世纪英国资本主义经济的迅速发展对力学提出迫切世纪英国资本主义经济的迅速发展对力学提出迫切的需要。的需要。文艺复兴、宗教改革对人的思想解放作用。文艺复兴、宗教改革对人的思想解放作用。物理运动三大定律物理运动三大定律和和万有引力定律万有引力定律惯性定律惯性定律加速度的比例定律加速度的比例定律作用和反作用定律作用和反作用定律牛顿牛顿出生于英国的林出生于英国的林肯郡，肯郡，1

10、6651665年毕业于著年毕业于著名的剑桥大学三一学院，名的剑桥大学三一学院，获得获得学士学士学位。三年后学位。三年后又获得又获得文学文学硕士学位。硕士学位。牛顿曾经长期担任英国牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担皇家学会会长，他还担任过英国议会任过英国议会议员议员，授，授予予爵士爵士称号。称号。17271727年，年，他病逝，被安葬于威斯他病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。极高的荣誉。牛顿（牛顿（ 1642164217271727）这就是牛顿在这就是牛顿在剑桥的苹果树剑桥的苹果树牛顿家里的牛顿家里的苹果树苹果树牛顿有哪些重要贡献？牛顿有哪些重要贡献？其

11、中最重要的是什么？其中最重要的是什么？ 数学数学：二项式定理，微积分二项式定理，微积分 光学光学：发现太阳光的光谱，微粒说发现太阳光的光谱，微粒说 天文学天文学：发明反射式望远镜等发明反射式望远镜等 力学力学：自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 物体运动三大定律；万有引力定律物体运动三大定律；万有引力定律 形成经典力学体系形成经典力学体系海王星和冥王星的发现海王星和冥王星的发现 17271727年年3 3月月2020日，日，伟大的牛顿逝世，他伟大的牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏斯特被埋葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上教堂，在他的墓碑上镌刻着：镌刻着： 让人们欢呼这样让人们欢呼这样一位多么伟大的人

12、类一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存荣耀曾经在世界上存在！在！三、从经典力学到相对论三、从经典力学到相对论爱因斯坦爱因斯坦1、背景背景3 3、意义：、意义：2、提出及内容、提出及内容：1905:1905:提出提出狭义相对论狭义相对论打破经典力学的绝对时空观。打破经典力学的绝对时空观。1916:1916:完成广义相对论的最终形式完成广义相对论的最终形式进一步深化对时间进一步深化对时间空间和引力现象的认识。空间和引力现象的认识。是物理学领域的一次是物理学领域的一次重大革命重大革命否定了否定了经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观发展了发展了牛顿力学牛顿力学推动推动物理学发展到一个新高度物理学发

13、展到一个新高度1919世纪末物理学三大发现（世纪末物理学三大发现（x x射线、放射线射线、放射线和电子的发现），使经典力学从根本上发生和电子的发现），使经典力学从根本上发生动摇，出现动摇，出现“物理学危机物理学危机”。 1879 1879年生于年生于德国德国，是举世闻名，是举世闻名的德裔美国科学家，的德裔美国科学家，现代物理学现代物理学的开创者和奠基人的开创者和奠基人。爱因斯坦。爱因斯坦19001900年毕业于苏黎士工业大学，年毕业于苏黎士工业大学，后在大学任教，后在大学任教，19141914年任皇家物年任皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。理研究所所长兼柏林大学教授。19211921年获年获诺

14、贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。 19331933年受希特勒迫害离开德国年受希特勒迫害离开德国移居美国移居美国, , 爱因斯坦在物理学的爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如建立狭许多领域都有贡献，比如建立狭义相对论并推广为广义相对论、义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理提出光的量子概念，并以量子理论解释光电效应、辐射过程、固论解释光电效应、辐射过程、固体比热等。体比热等。爱因斯坦爱因斯坦（1879-19551879-1955）狭义相对论发表狭义相对论发表100100周年，周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，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

15、相对论对人类生活的巨大改变，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变，这样的改变还将继续下去。这样的改变还将继续下去。 19051905年，年，爱因斯坦爱因斯坦2626岁岁，接连写下，接连写下4 4篇改变整个篇改变整个2020世世纪物理学面貌的论文：纪物理学面貌的论文：1.1.光的量子说（解释光电效应）光的量子说（解释光电效应）2.2.布朗运动（证明分子的存在）布朗运动（证明分子的存在）3.3.狭义相对论狭义相对论（修正了牛顿力学）（修正了牛顿力学）4.4.质能互换律（质能互换律（E=mc2E=mc2）19161916年，年，爱因斯坦发表了广义相对论基础，最具创爱因斯坦发表了广义相对论基础，最

16、具创见也是最伟大的贡献：见也是最伟大的贡献：5.5.广义相对论广义相对论（取代了牛顿的万有引力理论）（取代了牛顿的万有引力理论）19051905 神奇的一年神奇的一年 爱因斯坦爱因斯坦19051905年提出的相对论，后来称作狭义相对年提出的相对论，后来称作狭义相对论，以光速永不改变、相对性原则来推论，得到论，以光速永不改变、相对性原则来推论，得到“时间时间”会因速度快慢而改变会因速度快慢而改变的结论。的结论。 相对论的例子：相对论的例子：一卷录音一卷录音带，如果在地面上播放需要一带，如果在地面上播放需要一个小时；在快速飞行的宇宙飞个小时；在快速飞行的宇宙飞船里播放，宇宙飞船里的人测船里播放，宇

17、宙飞船里的人测定也是一个小时。但是由地面定也是一个小时。但是由地面上的人员，来测定在宇宙飞船上的人员，来测定在宇宙飞船中播放的时间呢？根据牛顿的中播放的时间呢？根据牛顿的理论，因为时间是绝对的，所理论，因为时间是绝对的，所以也是一小时；但是爱因斯坦以也是一小时；但是爱因斯坦的理论则认为应该是一个多小的理论则认为应该是一个多小时，因为时间是相对的，在不时，因为时间是相对的，在不同速度下测量时间，长度是不同速度下测量时间，长度是不一样的。一样的。 什么是狭义相对论？什么是狭义相对论？什么是广义相对论？什么是广义相对论？广义相对论是新的万有引力概念广义相对论是新的万有引力概念 广义相对论的重要结论是

18、，广义相对论的重要结论是，加速运动与引力加速运动与引力场的运动是等价的场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引，要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。力所产生的运动是不可能的。 对此，爱因斯坦作了一个的比喻。假想有一对此，爱因斯坦作了一个的比喻。假想有一个人乘摩天楼的电梯自由降落，人不会感到自个人乘摩天楼的电梯自由降落，人不会感到自己在下降，因为这时电梯和人都依照重力加速己在下降，因为这时电梯和人都依照重力加速度定律在下降，彷佛在电梯里不存在地球引力。度定律在下降，彷佛在电梯里不存在地球引力。 这个故事形象地说明了这个故事形象地说明了 的相对性。的相对性。 爱因斯坦关于相对论的比喻：

19、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：因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳比方，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，同样的时间你觉荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？得哪一个更长？”男青年说：男青年说：“当然坐在火炉当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：爱因斯坦说：“这就这就是我的相对论内容。是我的相对论内容。”时间和空间时间和空间 乘坐乘坐“光子火箭光子火箭”以光速作一日星际旅以光

20、速作一日星际旅行，回到地球时，我们会发现什么变化？行，回到地球时，我们会发现什么变化？“天上方一日，人间已一年天上方一日，人间已一年” 效应。钟慢钟慢很抱歉推翻了您的理论很抱歉推翻了您的理论 爱因斯坦曾说道：爱因斯坦曾说道：“牛顿牛顿先生，先生，很抱歉推翻了您的理论很抱歉推翻了您的理论，不过您的成就是您那个时代一不过您的成就是您那个时代一个人的智力和创造力所能达到个人的智力和创造力所能达到的颠峰。但是，当我们对宇宙的颠峰。但是，当我们对宇宙万物有了更深入的了解以后，万物有了更深入的了解以后，这些观念将会被一些更抽象的这些观念将会被一些更抽象的新观念所取代。新观念所取代。” 也许将来某一天，会有

21、一也许将来某一天，会有一位少不更事的科学家说道：位少不更事的科学家说道：“爱因斯坦先生，爱因斯坦先生，很抱歉推翻很抱歉推翻了您的理论了您的理论，不过您的成就是，不过您的成就是您那个时代一个人的智力和创您那个时代一个人的智力和创造力所能达到的颠峰造力所能达到的颠峰 ” ” 由于相对论的观点与人们的日常经验不太一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。受到包括一些科学家在内的很多人的反对。 19211921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不，当时不少德国的诺贝尔

22、奖获得者威胁说，如果给相对少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要论授奖，他们就要退回已获得的奖章退回已获得的奖章，结果评，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论光电效应理论的建立者得奖，的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔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但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。理且为实验所证实。 爱因斯坦根据相对论爱因斯坦根据相对论的观点提出的观点提出质能转换理质能转换理论论后，曾致信美国总统后，曾致信美国总统罗斯福，建议美国研制罗斯福，建议美国研制原子弹原子弹，以便在二战中，以便在二战中尽快战胜法

23、西斯国家。尽快战胜法西斯国家。19451945年年8 8月，美国先后月，美国先后在日本的广岛、长畸投在日本的广岛、长畸投下两颗原子弹，加速了下两颗原子弹，加速了日本法西斯的投降，但日本法西斯的投降，但对无辜平民的伤害也同对无辜平民的伤害也同样令全世界震惊。样令全世界震惊。 当原子弹真的从潘多拉魔当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修早知如此，我宁可当个修表匠！表匠！”爱因斯坦就核武器爱因斯坦就

24、核武器问题的懊悔，代表了人类良问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出知的高度，是人类良心发出的最强音。听爱因斯坦的自的最强音。听爱因斯坦的自责之声，我们明白人类良知责之声，我们明白人类良知之宝贵之宝贵. . 19551955年年4 4月月1818日，爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于日，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音乐典礼。骨灰撒在永远嘱：免除所有花卉布置以及音乐典礼。骨灰撒在永远对人

25、保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。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遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：葬礼： 我们全都获益不浅，我们全都获益不浅， 全世界都感谢他的教诲；全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西，那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星，光华四射，他像行将陨灭的彗星，光华四射， 把无限的光芒把无限的光芒 同他的光芒永相连结。同他的光芒永相连结。（1879-1955） 19世纪经典物理学达到巅峰状态，世纪经典物理学达到巅峰状态，在人们心目中，经典物理学已经达到近在人们

26、心目中，经典物理学已经达到近乎完美的程度。这时，年轻的普朗克和乎完美的程度。这时，年轻的普朗克和他的老师发生了一段对话：他的老师发生了一段对话： 普朗克：普朗克：“老师，我准备把我的一生老师，我准备把我的一生都献给物理学！都献给物理学！” 老师：老师：“年轻人，物理学是一门已经年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展，完成了的学科，不会再有多大的发展，把一生都献给这门学科，太可惜了。把一生都献给这门学科，太可惜了。” 对对 话话19C19C末末-20C-20C初初, ,人们对物质的认识深入到原子内部人们对物质的认识深入到原子内部微观的微观的粒子运动粒子运动不能用经典力学来解释不

27、能用经典力学来解释爱因斯坦利用量子论成功解释了光电效应爱因斯坦利用量子论成功解释了光电效应丹麦玻尔提出有关原子的量子理论丹麦玻尔提出有关原子的量子理论三、量子论的诞生与发展三、量子论的诞生与发展使人类对微观世界的基本认识取得革命性进步使人类对微观世界的基本认识取得革命性进步与相对论一起与相对论一起, ,构成现代物理学的基础构成现代物理学的基础1900,1900,德国物理学家德国物理学家普朗克普朗克加热到不同温度的物体发出不同颜色的光加热到不同温度的物体发出不同颜色的光 科学家们为了总结热辐射规律，推导出两个公式。科学家们为了总结热辐射规律，推导出两个公式。但这两个公式的计算结果总是与实验结果不

28、相符合。但这两个公式的计算结果总是与实验结果不相符合。 19001900年，为了解决热辐射理论上的疑点，德国物理年，为了解决热辐射理论上的疑点，德国物理学家普朗克提出了学家普朗克提出了量子假说量子假说：辐射像物质一样，是由：辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。具有能量的基本单位量子来实现的。 普朗克普朗克生于德国基尔。生于德国基尔。18791879年在慕尼黑大学获得年在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普朗克由于量子论创立，普朗克获得获得19181918年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖奖。普朗克是德国人所具普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚有的最好品质的范例：诚恳，忠于职守，他的业余恳，忠于职守