第11课 物理学的重大进展.ppt

1、为什么我站在地上而不是漂浮在空中？为什么拍别人的手掌时我的手会感到疼痛？乘坐公共汽车时，如果我们遇到突然刹车，我们的身体总是向前冲。为什么？为什么？第十一课物理学的重大进展伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克(1)基础：经典力学的基础，认知史上的一次飞跃，背景：文艺复兴把科学从神学的桎梏中解放出来，现代科学诞生了。伽利略创立了自由落体定律，推翻了亚里士多德的理论，为经典力学的建立奠定了基础，并标志着物理学的真正开端。创立：牛顿，机械运动的三大定律，惯性定律，加速度定律，作用力和反作用力定律，意义，人类对第一个自然规律理论的伟大综合，推动现代科学进入全面繁荣的时代，标志着现代科学万有引力定律的形成。1

2、610年，伽利略用望远镜发现有四颗卫星围绕木星运行。这一发现震惊了整个欧洲和全球科学界。伽利略是第一个用望远镜观察天体的人。目前，在人类发现的16颗木星卫星中，有一颗被称为伽利略卫星。木星及其伽利略卫星，他在太阳上发现了太阳黑子，在月球上发现了山脉，这为哥白尼关于地球围绕太阳旋转的日心说提供了强有力的证据。宗教裁判所将他软禁起来，不允许他外出。一年多以后，加加利奥在死前没有屈服，他坚定地说：“地球真的在绕着太阳转！”他的努力没有白费，越来越多的人开始探索恒星和科学！伽利略(意大利)是古典力学的创始人(1)伽利略的成就，a)物理学，b)天文学，以及(2)伽利略的贡献，突出了这些成就，创造了自由落

3、体定律，制造了天文望远镜并证明了哥白尼日心说的正确性，a)他的发现和他的科学研究方法标志着伽利略创立自由落体定律的物理学的真正开端。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了一个著名的“自由落体”实验。从那时起，他推翻了亚里士多德的理论“物体落地的速度与其重量成正比”，并纠正了这个持续了1900年的错误结论。惯性定律、加速度定律、作用和反作用定律、经典力学体系的建立：牛顿(英国)(1)经典力学体系的主要内容、牛顿的力学体系及其在数学和天文学方面的研究成果都记录在自然哲学的数学原理中，这是他的伟大科学著作。伽利略的自由落体定律、笛卡尔的碰撞运动、开普勒的天体力学和微积分计算工具，以及(2)经典力学体系和

4、理论综合的历史地位：牛顿的力学体系系统而合理地解释了自然界的力学现象，从而完成了人类认识自然历史上的第一次理论综合。经典力学体系的建立标志着现代科学的形成。根据万有引力定律，人们准确地计算出地球的平均密度和扁率，并正确地解释潮汐的成因。根据这个定律，海王星也被发现了。天王星在1781年被发现，科学家用牛顿力学来计算它的轨道，但是计算结果总是与观测记录不一致。经过反复核算，观察是正确的。这个问题出现在牛顿力学中吗？法国的勒维尔和英国的亚当斯坚信牛顿的力学是正确的，并大胆猜测计算结果并不理想，因为太阳系中有一颗未知的行星，而我们没有考虑它对天王星的引力效应。他们用牛顿力学计算了这颗未知旅行恒星的位

5、置和质量。1848年9月23日，柏林天文台台长在收到勒维尔来信的当晚，将望远镜对准勒维尔指出的位置，突然看到一颗新的行星海王星。勒维尔在笔尖上发现了一颗新行星，但没有观察到恒星。牛顿力学创造了一个新的奇迹。海王星的发现和哈雷彗星轨道的计算一直被认为是神秘而不幸的灾难，这根本无法用科学来解释。牛顿的朋友哈雷用牛顿力学计算了1682年出现的彗星的轨道，并指出它的回归周期是7576年，因此预言它将在1758年重现。五十三年后，1758年(哈雷去世)，这颗彗星如期出现。哈雷彗星的发现验证了万有引力定律的科学本质。如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上.如果我有一点成就，除了勤奋，没有其他秘密

6、.“我不知道在别人眼里我是什么样的人；但在我看来，我就像一个在海边玩耍的孩子。我有时会因为找到比平时更光滑的鹅卵石或更美丽的贝壳而沾沾自喜，但我从未发现面前有如此浩瀚的真理海洋。”牛顿的遗言，牛顿站在哪个巨人身上？你知道牛顿发现了什么“光滑的石头”和“美丽的贝壳”吗？牛顿的话告诉我们他成功的原因之一。思考：片段一：研究并计算风暴中的风力在狂风中，牛顿跑到院子的中央，从雨滴的方向可以看到风的方向。牛顿把一个苹果放在他的脚下，先是随风跳跃，然后把一个苹果放在他的脚下；记录两个苹果顺风跳跃时的距离。然后从第二个苹果开始，第一个苹果逆风跳跃。牛顿希望从顺风跳远和顺风跳远的区别中找到风力。经过多次重复，

7、我们终于得到了正确的数据。有一次，当他向一个女孩求婚时，他失去了理智，脑子里只剩下无数个二项式定理。他抓住女孩的手指，把它当成烟斗，塞进烟斗，导致女孩大喊一声，离开了他。有一次，在阅读时，他煮鸡蛋。当他打开锅想吃鸡蛋时，他发现锅里有一块怀表。在另一个场合，他邀请他的朋友吃饭。当饭菜准备好了，牛顿突然想到了一个问题，独自走进了内室。他的朋友等了他很长时间，但仍然没有看到他出来，所以他的朋友吃了所有的鸡，留下鸡骨头在盘子里，没有说再见。当牛顿想起它并出来时，他发现了盘子里的骨头，并认为他已经吃了，所以他转身回到内室继续研究他的问题。英国著名诗人亚历山大波普曾经写过一首赞美牛顿的诗：隐藏在黑暗中的自

8、然和自然法则。上帝说，“放开牛顿！”然后，一切都变得光明。三百年前，人类的思想仍然充满魅力和恐惧。为什么水流下来？为什么太阳升起又落下？这些问题在今天看来极其简单，但在当时却无法理解和掌握。直到牛顿出现，人类才最终结束了这种状态。大国崛起的解释、质疑与思考：经典力学体系是完美的物理理论吗？经典力学无法解释微观粒子高速运动的现象！难点突破牛顿力学体系的特点和局限性： (1)注重实验。实验可以进一步揭示客观现象和过程之间的逻辑关系，从而得出重要结论。机械系统的数学化。他创立的微积分主要用作计算工具，这种数学化源于自然界固有的数学关系。(2)局限性33，360牛顿的经典机械系统是基于日常生活中常见的

9、低速运动材料。在牛顿力学中，有绝对静止和绝对时间。这种绝对的时空观符合人们的日常经验，但却无法解释微观世界中高速运动的物体和粒子的规律，这表明牛顿力学体系正面临着危机和挑战。阿尔伯特爱因斯坦(1879-1955)于1879年3月14日出生在德国乌尔姆的一个犹太家庭。1894年，他的家人搬到了意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世技术大学。爱因斯坦被认为是最有创造力的科学家。他不仅创立了相对论，还提出了光量子的概念，获得了光电效应的基本定律，揭示了光的波粒二象性，为量子力学的建立奠定了基础。他获得了1921年诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热分子运动理论，提出了一种测量分子大小的新方法。经典物理

10、学关注日常生活中常见的低速运动物质。在这里，时间和空间被认为是绝对的，与物质的运动无关。因此，一旦物理学研究的基础发生变化，例如，被研究的物质以光速或接近光速运动，经典物理学的一些结论就会变得不准确。相对论的两个基本原理是相对论原理和光速不变原理。在相对论中，爱因斯坦认为时间、运动和质量不是绝对的，而是相对的。典型的现象是运动物体的长度变短(比例效应)，运动的时钟比静止的时钟慢(时钟慢效应)，并且运动物体的重量变大。相对论可以广泛地解释不同的运动物质，创造出一个全新的物理世界，极大地拓展了物理学的应用领域，使人们从平凡的世界到广阔的宏观空间探索自然规律。由于相对论的观点与人们的日常经验不一致，

11、甚至有尖锐的冲突，相对论从一开始就遭到包括一些科学家在内的许多人的反对。爱因斯坦于1921年获得诺贝尔奖。当时，许多德国诺贝尔奖获得者威胁说，如果他们把奖颁给相对论，就把他们赢得的奖牌还给他们。结果，评选委员会不得不让爱因斯坦作为光电效应理论的创始人获得诺贝尔奖，但相对论从未获得诺贝尔奖。然而，相对论在物理学中是非常合理的，并且得到了实验的证明。因主动脉瘤破裂于1955年4月18日在普林斯顿去世。按照他的意愿，没有讣告，没有公共葬礼，没有坟墓，没有纪念碑。火葬是按照他的遗嘱进行的：所有的插花和音乐仪式都被免除。骨灰被撒在对人们保密的地方，以免任何地方成为圣地。遗嘱执行人用歌德悼念席勒的诗结束了

12、简单的葬礼：我们都受益匪浅，全世界都感谢他的教诲；那是他自己的事情，已经传到了群众中。他就像一颗垂死的彗星，闪耀着光芒，将无限的光与他的光永远联系在一起。他的医生何伟博士认为应该研究这样一个伟大的大脑，所以他保留了爱因斯坦的大脑，并把它切成200块带走。但是到目前为止还没有结论。狭义相对论的影响否定了牛顿力学中的绝对时空观，继承和发展了牛顿力学，为原子能的利用奠定了理论基础。1905年，爱因斯坦发表了运动物体的电动力学，并创立了狭义相对论。(2)爱因斯坦“时空”相对论的建立；(2)广义相对论于：1916年提出。内容、意义：首先阐述了四维时空与物质分布相关的重要思想。广义相对论认为物质存在的真实

13、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和分布，空间曲率的程度反映在引力场的强度上。爱因斯坦关于相对论的比喻为了对这一深奥的理论做出通俗的解释，爱因斯坦曾经幽默地对一个年轻人说：“让我打个比方，比如说，如果你屁股坐在炉子上，坐在公园里的柳荫下，爱上一个女人，那么在同一时间你认为哪一个更长？”年轻人说：“当然，坐在炉子上感觉很久了。”这个故事图像说明了时间和空间的相对性。相对论的建立意义爱因斯坦的相对论是对现代物理学理论框架的重大突破，它不仅揭示了空间和时间的可变性，而且揭示了空间和时间的变化和结构是与物质的运动和状态分不开的。这种全新的时空、运动和物质概念的形成，是人类思想发展史

14、上的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学产生了深远的影响。量子理论和相对论是现代物理学的两大支柱。量子理论的形成标志着人类对客观规律的认识，并开始从宏观世界深入到微观世界。量子力学和狭义相对论的结合形成了核物理，指导原子弹、氢弹的制造和核电站的建立。量子力学也为电子技术、半导体技术和激光技术奠定了理论基础。相对论与牛顿力学的关系相对论打破了自牛顿以来传统的绝对时空观，但并没有完全否定牛顿力学。牛顿力学反映了宏观物体低速运动的客观规律，狭义相对论反映了物体高速运动的客观规律，是牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论(物体低速运动)的特例，它包含在相对论系统中。爱因斯坦在新力学和电磁学的基础上，提

15、出了包括宏观世界和微观世界在内的更广泛的物质运动规律。他的理论适用于低速运动的物质和以光速或接近光速运动的物质。爱因斯坦不仅否定了牛顿的绝对时空观，而且提出了质能转换原理，为原子能的利用奠定了理论基础，加深了人们对物质和运动的理解，具有重大的科学和哲学意义。但这并不是说牛顿力学的荣耀已经被抹去了。相反，牛顿力学理论和牛顿的科学思想和方法仍然在广泛的领域中发挥着指导作用。在2005年，狭义相对论发表100周年之际，也许全世界只有几十个人能够完全理解它的真正含义，但这并不能掩盖相对论给人类生活带来的巨大变化。用图片生动地解释爱因斯坦的“时空弯曲”概念。成功的秘密一个喜欢胡说八道而不是努力学习的年轻

16、人缠着伟大的科学家爱因斯坦，要他揭示成功的秘密。爱因斯坦很无聊，写了一个公式给他：阿克斯爱因斯坦解释道：“A代表成功，X代表努力工作，Y代表正确的方法。”“Z代表什么？”年轻人迫不及待地问。“少废话。”爱因斯坦说，在19世纪末，物理学中有三大事件，即X射线、放射性和电子的发现。这三项发现动摇了原子是不可分的、不可被实验事实改变的传统观念。物理学家曾经认为已经基本完成的经典物理体系已经发生了根本性的动摇，这就是所谓的“物理危机”。过去，物理学是以牛顿理论为基础的，牛顿认为时间和空间是绝对的，它们之间没有直接的联系。似乎宇宙中总有一个大钟在移动。无论如何，它的速度总是一样的，世界上所有的运动都是用

17、它来衡量的。量子理论的诞生和发展普朗克诞生于基尔。普朗克于1879年从慕尼黑大学获得博士学位，然后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子理论的创立，普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法学教授。普朗克是德国人拥有的最好品质的一个例子：真诚和忠于职守，他的爱好是音乐，他在这方面显示出专业的艺术才能；另一个爱好是登山，他一直坚持到晚年。量子力学的创始人，(1858-1947)，量子理论的诞生，(2)德国物理学家普朗克发现了辐射过程中的能量传播定律。1900年，他提出了量子的概念。并发表了正态光谱能量分布定律理论，标志着量子理论的诞生。1905年，德国科学家爱因斯坦提出了光的量子理论。量子理论诞生的背景：19世纪的物理领域是基于牛顿力学。到19世纪末，物理学的重要研究课题是黑体辐射。1979年，奥地利物理学家斯蒂芬通过实验发现了黑体辐射总能量与其温度之间的定量关系。1923年，法国物理学家德布罗意提出了物质波理论。在量子理论的基础上，奥地利和德国的物理学家建立了量子力学。(3)量子理论诞生的影响：它标志着人类对客观规律的认识开始从宏