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

总体知识结构

科学革命技术革命物理学生物学经典力学体系量子论相对论进化论万能原动机与“蒸汽机时代”电力的广泛应用与“电气时代”互联网技术与信息时代

科学技术发展过程

1、1687年牛顿《自然哲学的数学原理》--标志着经典力学体系的建立。

2、20世纪初爱因斯坦相对论--否定了牛顿的绝对时空观，进一步发展了牛顿力学体系。

3、20世纪初普朗克量子力学---弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。

4、1859年达尔文《物种起源》--创立了生物进化论。有力挑战了封建神学创世说。

5、18世纪80年代蒸汽机问世--标志蒸汽时代的到来。

6、19世纪晚期发电机问世--标志电气时代的到来。

7、1946年，美国研制成世界上第一台电子计算机--奠定了现代信息技术的基础。

项目古代科学近代科学考察对象把自然界作为一个整体

把自然界划分为不同的领域，分门别类加以研究，形成自然科学的各门学科。研究手段

依靠直观感受和哲学思辨对自然界提出种种猜测

依靠科学实验来检验和发展科学理论。科学与技术的关系

科学——依赖学者的潜心研究。技术——依赖工匠对各种实用技艺的继承和发展。科学与技术相分离

科学与技术密切结合。

近代科学与古代科学比较

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。

第一课近代物理学的奠基人和革命者

创立：牛顿经典力学体系

---提出一套实验观察和数学演绎相结合的科学研究方法，标志着近代科学的形成。

发展：普朗克量子论和爱因斯坦的相对论。---奠定了现代物理学的基础。

近现代物理学的发展

近代科学技术发展的背景

牛顿出生的时代，正是欧洲的自然科学、社会科学向前跃进的变革时代。…文艺复兴后的200年中，真正的科学伴随着资本主义的发展而登上新的历史舞台，并以磅礴的气势迅速发展。牛顿的时代是一个科学革命的大时代，而他也以巨大的成就给这个时代增添了绚烂的色彩。

经济：资本主义经济的发展。

政治：

英国资产阶级革命的洗礼。

思想：

文艺复兴、宗教改革和启蒙运动。

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》，把哥白尼学说推到最终胜利的阶段。

伽利略的贡献PK

亚里士多德：

1.物体落地的速度和重量成比例,即“重物体比轻物体下落速度要快些”；

2.必须有力的作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会停止。

伽利略：

1.重量不同的两个物体，在同一位置上下落的速度是一样的；

2.如果运动的物体不受阻碍，它将速度保持不变地持续运动下去。

伽利略是用什么办法推翻亚里士多德的学说？

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。自由落体定律经典力学的奠基者

1616年，伽利略被传唤到罗马的宗教裁判所，并责令伽利略保持沉默。伽利略发表《两种世界观的对话》一书，被教会认为违反了禁令被召到罗马囚禁受到缺席审判，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着忏悔，最后被判处终身监禁，他的书也被列为禁书。

1642年，伽利略在贫病交加中逝世。在他离开人世的前夕，他还重复着这样一句话：“追求科学需要特殊的勇气。”

1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。但教会对科学的干涉和对伽利略的迫害所造成的严重后果是无法挽回的。伽利略之后，意大利在很长一段时间内，没有再产生重要的科学家。

伽利略的遭遇

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。

物理方面突出成就：

自由落体定律

历史地位：

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，因此被誉为“近代科学之父”。

经典力学的奠基者。惯性定律加速度定律作用和反作用定律物理运动三大定律万有引力定律经典力学体系一、经典力学的建立者——17世纪英国牛顿

数学成就：

二次项定理；微积分。

物理成就：

伽利略通过梁的弯曲试验和理论分析，指出对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例；1685年，牛顿发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比。

马文·佩里《西方文明史》：“此时的宇宙被描述成运动中的物质，受到充满宇宙的无形的力的控制，无论是地面还是天空，这些力可用数学方式表现出来。中世纪那幅封闭的、仅限于地面并以地球为中心的宇宙图景被淘汰了，代之而起的是无限的、受普遍法则制约的新宇宙，地球现在被看作其中的一颗行星。”近代自然科学的特征：1、以实验为基础。2、以数学（微积分）做计算工具。

科学巨著：1687年《自然哲学的数学原理》

沃尔夫在1935年写道：“（它）公认是科学史上最伟大的著作……二百多年来，它一直是全部天文学和宇宙学思想的基础。”

牛顿在《自然哲学的数学原理》序言里写道：理性力学应当是研究任何力所引起的运动和产生任何运动的力的科学。因此，本书被命名为自然哲学的数学原理。因为，自然哲学的一切难题都涉及通过各种运动现象来研究自然力,再通过这些自然力来解释其他现象。

牛顿经典力学意义：

中央电视台电视系列片《大国崛起》解说词：“三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么会往低处流？太阳为什么会升起落下？这些今天看来简单至极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。”

1、科学

人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。

使科学摆脱了神学的束缚，推动近代科学的发展。

成为近代科学形成的标志。

近代自然科学从诞生之日起就在各个领域开始了对古代权威和基督教神学的反叛和进攻，而科学自身的每一个胜利又都是对宗教教义和传统观念的致命打击与否定。随着各门科学的发展，一种以静观反思代替盲目信仰、以经验事实为依据代替经验古训的怀疑批判的近代理性精神产生了。……人们热烈地崇尚以科学为代表的理性，在欧洲大地形成了一股强劲的理性主义思潮，对人类社会产生了深远影响。——沈之兴、张幼香主编《西方文化史》

2、思想解放

否定了基督教神学的权威，批判封建神学；

使人摆脱上帝，理性思考，为资产阶级反封建的启蒙运动提供了思想理论武器。

“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。”。这说明学说①成为了宗教改革的指导思想②否定了基督教神学的权威③促进了人类的思想解放④反映了工业资产阶级的要求

A．①②B．②③C．①③D．②④【答案】B【点拨】牛顿的力学体系对自然界的力学现象做出了系统的、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。

牛顿的物理学分析方法现今开始不仅被应用于物质世界，而且被应用于思想知识的整个领域及人类社会。正如伏尔泰所说的，“整个自然界、所有行星竟会服从永恒的法则”。寻找决定人类事务的这些永恒法则，是法国革命之前的所谓的启蒙运动的实质。——[美]斯塔夫里阿诺斯《全球通史》“永恒的法则”指牛顿的万有引力定律。它把地球上物体的运动和天体的运动概括到同一个体系中。既然自然界存在着“规律和法则”，人类社会也应该有类似的规律和法则。受此启发，启蒙思想家开始了对人类社会发展规律的探究。牛顿经典力学为启蒙思想家探求人类社会的法则提供了科学理论依据。

“在牛顿描述的世界中，处处充满着井然有序的规律和法则……于是更多的人开始建立这样一种世界观：既然物质世界有着如此的自然规律，那么在人类社会的发展中，也应该有类似的规律存在。”这一观点说明了牛顿的发现①可以改变人的世界观②对文艺复兴和宗教改革的兴起产生了影响③对思想家们描绘资产阶级共和国的蓝图产生影响④为资产阶级革命奠定了理论基础A．①②④B．②③C．①③D．①③④【答案】C

【点拨】从材料看，作者认为，既然自然界存在着“规律和法则”，同样人类社会也应该有类似的规律和法则。这一思想可以改变人的世界观，为启蒙思想家描绘理性王国的蓝图产生影响。

3、实践的验证

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，发现海王星、冥王星。

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。哈雷慧星轨道的推算

长期以来，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，根本不能用科学来说明。牛顿的好友哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年，由此预言它将在1758年再次出现。53年以后的1758年（当时哈雷已去世），这颗彗星果然如期出现。哈雷慧星的发现验证了万有引力定律的科学性。

晚年的牛顿迷恋和钻研宗教与神秘思想，写下了大量的《圣经》评注和其他神学论文，认为“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。这说明A.牛顿毕生致力于自然科学的研究B.牛顿晚年否定了自己所发展的科学C.牛顿受时代的限制也有其局限性D.牛顿真实的目的是用科学战胜神学

【解析】选C。受时代的限制，晚年的牛顿遇到了难以解释的天体运动，提出了“神的第一推动力”的理论，承认上帝的存在并崇拜他。答案为C。

1727年，牛顿去世。英国以隆重的国葬仪式将他安葬在威斯敏斯特大教堂，这里一向是王公贵族的墓地，牛顿成为第一个安息在此的科学家。出殡的那天，成千上万的普通市民涌向街头为他送行；抬棺椁的，是两位公爵、三位伯爵和一位大法官；在教堂合唱的哀歌中，王公贵族、政府大臣和文人学士们一起向这位科学巨人告别。目睹了牛顿葬礼的法国思想家伏尔泰为之深深感动，他感慨道：“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”整个社会在向一个科学家表达着由衷的敬意，这是一个国家对于科学家的态度，也是一个国家对于科学的态度。

牛顿力学体系的局限性

绝对的静止和绝对的时间---绝对的时空观。

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。”

经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的。牛顿力学存在着绝对的静止和绝对的时间---绝对的时空观，无法解释高速运动的物体运动的规律和微观世界中的粒子。牛顿力学无法解释19世纪末以来的物理学新发现，如：

黑体辐射、光电效应。

19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”。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。

二、量子理论的诞生--20世纪初德国普朗克

1、背景19世纪末，物理学界的重大研究课题是黑体辐射问题。

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。

2、诞生

时间：1900年，德国普朗克提出量子概念。著作：《关于正常光谱能量分布定律的理论》。“量子”的含义：

物体在发射辐射和吸收辐射时，以一定数值的整数倍进行能量交换。

能量的基本单位:量子

发展：

“在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电”

1905年，德国爱因斯坦解释光电效应。在量子理论的基础上，建立了量子力学。

3．意义

爱因斯坦:

“这一发现成为二十世纪物理学研究的基础，从那个时候起几乎完全决定了物理学的发展。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。”（1）使人类对微观世界的认识取得革命性进步。

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）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发生了重大变革。

现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。

你不熟悉的他！

1879年出生在德国的莫个小城三岁多还不会讲话父母担心他的智能是否会不及常人，直到10岁才送去上学当年被校长认为“干什么都不会有作为”的笨学生

阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein，1879年3月14日-1955年4月18日），美国物理学家，犹太人，现代物理学的开创者和奠基人。1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。走近爱因斯坦

有一次爱因斯坦与卓别林共同出席一个宴会，他们都受到了热烈的欢迎。卓别林笑说：“大家欢迎我是因为他们能理解我，大家欢迎你是因为他们都不理解你。”

三、相对论的建立--20世纪初德国爱因斯坦1、狭义相对论

绝对静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应该认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。——爱因斯坦《论动体的电动力学》

创立:

1905年《论动体的电动力学》

内容：

时间和空间都与物质运动有关;

时间和空间随着物质运动速度的变化而变化。

原理：

相对论、光速不变

爱因斯坦以光速永不改变、相对性原则来推论，得到“时间”会因速度快慢而改变的结论。

一卷录音带，如果在地面上播放需要一个小时；在快速飞行的宇宙飞船里播放，宇宙飞船里的人测定也是一个小时。但是由地面上的人员，来测定在宇宙飞船中播放的时间呢？根据牛顿的理论，因为时间是绝对的，所以也是一小时；但是爱因斯坦的理论则认为应该是一个多小时，因为时间是相对的，在不同速度下测量时间，长度是不一样的。

狭义相对论法国协和式飞机上的钟就比地球上的钟慢.“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？

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。”

时间和空间的相对性

经典物理学所面临的危机，终于在20世纪初被物理学发展史上的两场伟大的革命所解决。这两场革命使人类 A．拥有了研究宏观世界和微观世界的理论体系B．放弃了经典物理学的思想方法和科学理论C．否定了此前物理学取得的一系列成果D．转变了人们的思维方式和社交方式

解析注意时间“20世纪初”，这两场革命分别是爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论，分别使人们对宏观和微观世界的认识有了革命性的进步。答案A2、广义相对论（1916年）

内容：

物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，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。

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。

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“时空弯曲”概念

相对论与牛顿力学的关系1、相对论否定了牛顿的绝对时空观。

指出时间和空间的辩证关系，即时间和空间不是绝对不变的，而是随着物质的运动而变化。2、相对论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，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。牛顿力学是整个力学的基础，牛顿所创造的概念，至今仍指导着我们的物理学思想。

牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，相对论反映的是物体高速运动的客观规律。

牛顿力学体系、狭义相对论和广义相对论的关系项目区别（适用范围）关系（地位）牛顿力学体系与狭义相对论牛顿。狭义狭义相对论与广义相对论狭义

广义宏观物体低速运动的客观规律微观物体高速运动的客观规律

狭义相对论打破绝对时间和绝对空间。但不是对牛顿力学全盘否定,而是继承和发展

广义相对论第一次阐述四维时空和物质分布相联系的的重要思想。适用于高速运动中的匀速运动体系适用于高速运动中的加速运动体系

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。3、相对论建立的意义

《宇宙探险》一书认为，由于科学家“揭示了时间空间与物质分布、运动之间的辩证关系，提出了新的宇宙观，同时使得现代物理学和天文学如此结合而产生了天体物理学，为人类研究和探索宇宙提供了新的更广泛的途径。”①相对论的建立是对近代物理学理论框架的重大突破，深刻揭示了空间和时间的本质属性。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。

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，极大地扩展了物理学应用的领域。相对论打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辩证地看待世界的途径。

“这一发现成为二十世纪物理学研究的基础，从那个时候起几乎完全决定了物理学的发展。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。”下列有关“这一发现”的表述，错误的是 A．有助于解释光电效应B．推动了现代物理学的重大发展C．揭示了时空的本质属性D．促进了人们深入认识微观世界

解析从材料信息“分子、原子”等，可以看出这一理论注重对微观世界的研究，属于普朗克量子理论的内容；C项是爱因斯坦相对论的内容，属于宏观世界的研究。答案C

得益于爱因斯坦理论的重大发明

太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。核能利用了这样一个物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱因斯坦的著名公式E=mc^2

。如今，核能为英国提供了25%的电力。全球定位系统之所以能将物体的位置精确到米，正是根据爱因斯坦的相对论对地球卫星发生的信号进行了修正。狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在，科学家利用正电子，即反物质“电子”，通过X射线层分析照相术研究大脑活动。……

相对论和量子论的影响

量子理论与相对论一起构成现代物理学的基础。

①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。②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。③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。

启示

1、真理不是古代圣人蒙灰的书籍，实验和观察才是认识自然的工具。教会可以囚禁科学家的躯体，却不能禁锢探索的脚步。

2、你踩着巨人的肩膀来了，把隐藏在黑暗中的迷底揭开。你举着一把名为真理的火炬，使威斯敏斯特大教堂熠熠生辉。

3、人类思想的每一次飞跃都需要冲破传统的勇气和开拓进取的精