專題七: 近代以來世界的科學歷程
班級：高二（ ） 姓名
一 近代物理學的奠基人和革命者
一、課標要求：
了解經典力學的主要內容，認識其在近代自然科學理論發(fā)展中的歷史地位。知道相對論、量子論的主要內容，認識其意義。
二、學習目標：
（1）、知識與能力：了解經典力學的三大定律、量子理論、相對論等基礎知識。牛頓、普朗克、愛因斯坦等著名科學家的主要事跡，學會觀察，培養(yǎng)敏銳的洞察力。理解科學進步中繼承與發(fā)展的關系。
（2）、過程與方法：充分利用圖書館、博物館、互聯(lián)網等資源。提高收集、分析相關資料的能力。在學習過程中通過合作、探究學習，培養(yǎng)分析解決問題的能力及交流與合作的能力�？茖W的方法。全面提高科學素質，創(chuàng)新精神和實踐能力。學會運用閱讀法、觀察法、討論法、推理法、概括法、實驗法等來學習了解近代物理學的相關問題。
（3）、情感態(tài)度與價值觀：通過學習，了解科學家為科學進步所作出的努力。學習他們?yōu)榭茖W獻身的精神；形成科學的態(tài)度。知道在科學的道路上荊棘遍布，增強面對挫折的能力。增強毅力，樹立勇往直前、持之以恒的精神。
三、重難點
教學重點：伽利略對物理學發(fā)展的重大貢獻；牛頓經典力學的建立；量子論的誕生；相對論的提出。
教學難點：如何理解物理學各階段發(fā)展的原因？
四、知識結構：
㈠牛頓力學體系
1、牛頓力學產生前的學說
（1）亞里士多德的學說
（2）伽利略的貢獻
2、牛頓力學體系
（1）產生過程
（2）基本理論（牛頓力學三定律、萬有引力定律）
（3）影響意義
（二）量子力學
1、背景
2、量子理論（誕生、發(fā)展、意義）
（三）相對論
1、提出
2、主要內容
3、意義
五、自主學習：
㈠巨人肩上的思索
17世紀末，英國科學家牛頓提出了著名的三大定律：即 、 和 ，它們構成了近代 體系的基礎，成為整個近代物理學的重要支柱。牛頓還以獨特的思考方式，從研究地球對月球的引力入手，成功地導出了 。
㈡認識史上的飛躍
牛頓的力學體系對自然界的 做了系統(tǒng)，合理的說明。完成了人類對自然界認識史上的
。
根據萬有引力定律，人們準確算出了 和 ，正確地解釋了 。
的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了自然科學具有 和 。
㈢驅走烏云的太陽
19世紀末，物理學界的重大研究課題是黑體輻射問題；1879年，奧地利物理學家 通過實驗發(fā)現(xiàn)了黑體輻射的總能量與其溫度之間的定量關系；1900年，德國物理學家 提出了著名的量子概念，并加以闡述，他在《 》中闡述了自己的思想，標志著量子理論的誕生。
1905年，德國科學家 ，把普朗克的量子理論推廣到光學中，得出了光具有波粒二象性的結論。
㈣愛因斯坦的“時空”
1905年，愛因斯坦發(fā)表了《 》，創(chuàng)立了 。1916年，愛因斯坦又把適用于勻速運動體系的狹義相對論，推廣到加速運動的參考系，建立了 。廣義相對論第一次闡述了和物質的分布相聯(lián)系的重要思想。相對論同 一起構成了現(xiàn)代物理學的基本理論框架。
六、重點分析：
1、17-20世紀自然科學發(fā)展的原因
這一時期，人類歷史處于大變動時期，資本主義在全世界確立并得到迅速發(fā)展，資本主義工業(yè)和商品經濟的發(fā)展為近代自然科學的發(fā)展奠定了物質基礎并成為主要動力。文藝復興和宗教改革以前面向世界，重視實踐和理性的風氣，促進了科學的發(fā)展。一批優(yōu)秀科學家實踐和刻苦鉆研，也促進了科學的發(fā)展。
2、牛頓力學體系建立的巨大意義
1687年，牛頓發(fā)表了《自然哲學的數(shù)學原理》，把物體的運動規(guī)律概括為運動三大定律和萬有引力定律，由此建立起一個完整的力學理論體系，即牛頓力學體系。
牛頓力學體系正確反映了宏觀物體低速運動的客觀規(guī)律，把過去一向認為是截然無關的物體運動規(guī)律概括在一個統(tǒng)一理論中，實現(xiàn)了自然科學的第一次理論性的大綜合，這是人類對自然界認識的一個飛躍。牛頓力學是整個力學和天文學的基礎，也是現(xiàn)代一切機械、土木建筑、交通運輸?shù)裙こ碳夹g的理論基礎。
3、量子理論的誕生和發(fā)展
1900年，德國物理學學普朗克提出量子假說，這個假說宣告了量子理論的誕生。量子理論的出現(xiàn)曾遭到許多物理學家的反對。首先意識到量子概念的普遍意義，并將它運用到其他問題上的是愛因斯坦。后來有人又提出氬原子結構以后，利用量子理論成功地解釋了光電效應出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質，進一步推動了量子理論的發(fā)展。
4、物理學大發(fā)展導致科學革命
20世紀物理學的大發(fā)展對世界各方面和領域都產生了革命性影響，主要表現(xiàn)在三個方面：一是對其他學科的影響，包括對既有學科的影響，如物理學、生物學、化學向縱深拓展；還包括在它的影響下出現(xiàn)了一些新的學科，如核物理、離子化學、納米科學、激光科學、高能物理學等。二是理論突破對科學技術和生產力產生巨大的推動作用。理論上的突破創(chuàng)新很快發(fā)展為新興的科學技術，轉化為現(xiàn)實的生產力，如半導體、集成電路、激光、核電站、計算機技術、轉基因食品等，推動了第三次工業(yè)革命的浪潮。三是對哲學的影響�，F(xiàn)代物理學向人們展示了與傳統(tǒng)觀念完全不同的時空，并大大拓展了人類的認識領域和范圍，徹底改變了人們的時空觀念和認識論、方法論，打破了同時性等僵化觀念。分析哲學在西方影響最廣，以至一些西方哲學家稱20世紀為“分析的時代”，而“分析哲學是在19世紀末20世紀初自然科學的偉大革命……的推動下產生的”。這其中，重要的是以相對論和量子力學為代表的物理學革命。
七、鞏固練習
一、選擇題
1、實現(xiàn)了自然科學第一次理論性大綜合的是
A、合維的血液循環(huán)學說 B、法拉第的電磁感應理論
C、牛頓的經典力學體系 D、愛因斯坦的相對論
2、與愛因斯坦創(chuàng)立的理論最早有直接聯(lián)系的是
A、美國爆炸原子彈 B、蘇聯(lián)人造衛(wèi)星上天
C、激光器的發(fā)明 D、晶體管問世
3、20世紀物理學思想的一次重大革命是
A、萬有引力定律提出 B、放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)
C、鐳的發(fā)現(xiàn) D、相對論的提出
4、愛因斯坦的相對論與牛頓力學體系的關系是
A、完全繼承 B、完全否定 C、有否定，有發(fā)展 D、沒有任何關系
5、愛因斯坦創(chuàng)立的相對論力學與牛頓力學的關系，比較準確的說法是
A、前者否定了后者 B、前者概括了后者 C、前者發(fā)展了后者 D、前者融化了后者
6、牛頓力學體系建立的巨大意義是
①實現(xiàn)了對自然規(guī)律的第一次理論性概括和綜合 ②近代科學形成的標志
③使人類獲得了用理性解決所有問題的自信 ④物理學思想性的一場重大革命
A、①② B、②③ C、①②④ D、①②③④
7、牛頓對自然科學的貢獻有
①提出物體機械運動三大定律 ②提出萬有引力定律
③實現(xiàn)形與數(shù)的結合 ④建立微積分
A、①②③④ B、①②③ C、①②④ D、②③④
8、物理學相對論的主要內容不包括
A、時間和空間是絕對不變的 B、時間和空間隨著物質的運動而變化
C、物質質量隨著運動速度變化而變化 D、質量和能量是可以相互轉化的
9、對牛頓力學體系的表述，不正確的一項是
A、其內容就是物體機械運動的三大定律 B、把天上和地上的物體運動概括在一個理論之中
C、是人類對自然規(guī)律的一次理論性的概括和綜合 D、牛頓力學體系的建立是近代科學形成的標志
10、17世紀牛頓力學體系產生的原因
A、資本主義生產的迅速發(fā)展對科學提出了迫切要求
B、伽利略等人的研究已有相當堅實的基礎
C、牛頓個人具有的偉大天才和所作出的巨大努力
D、同時代的眾多著名科學家的協(xié)同一致通力合作
11、愛因斯坦對物理學的重大貢獻是
A、否定了牛頓的力學原理 B、主要解釋宏觀世界不同運動狀態(tài)的物質
C、揭示了時間、空間并非絕對不變的屬性
D、他的理論相對于人們的日常經驗不會發(fā)生沖突
12、量子力學建立的基礎是①普朗克的量子理論②愛因斯坦的光量子理論③德布羅意的物質波理論
A、①② B、①③ C、②③ D、①②③
13、現(xiàn)代物理學的兩大基礎是①牛頓的經典力學②量子理論③相對論④天體物理學
A、①② B、②③ C、①③ D、①④
14.下列物理學理論提出的先后順序是①相對論②牛頓力學③量子理論
A、①②③ B、②③① C、②①③ D、①③②
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二、問答題
15、19世紀末，面對經典物理學近乎完美的發(fā)展，有的物理學家表示：“19世紀已經將物理大廈全部建成，今后物理學家只是修飾和完美這座大廈。”
請回答：這種想法對物理學及科學的發(fā)展會有什么影響？
八、學習探究
1、“地心說”反映了神學觀；“日心說”客觀地揭示了地球、行星和太陽的關系，推翻了上帝創(chuàng)造世界的謬論，使自然科學從神學束縛中解放出來。今天已不主張“日心說”，因為宇宙是無限的，銀河系是其一部分。
2、牛頓力學體系對自然界力學現(xiàn)象作出了系統(tǒng)的、合理的說明，它提出了物體機械運動的三大定律和萬有引力定律。這些定律構成一個統(tǒng)一的體系，把天上和地上的物體運動概括在一個理論之中。從此，它把神從無生命領域驅逐了出去，使科學擺脫了神學的束縛。因此，人們把牛頓力學體系的建立作為近代科學形成的標志。這是在人類認識史上對自然規(guī)律的第一次理論概括和綜合。理論的威力在于預見和指導，根據萬有引力定律，人們準確地算出地球的平均密度和扁平率，正確地解釋了潮汐的成因。根據這一定律，人們還發(fā)現(xiàn)了海王星，冥王星也是在類似情況下發(fā)生的。
3、愛因斯坦打破了牛頓以來傳統(tǒng)的絕對時空觀，于1905年提出了狹義相對論和光速不變原理，1916年完成廣義相對論的最終形式。愛因斯坦的相對論發(fā)展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，推動物理學發(fā)展到一個新高度。
九、資料卡片
1、伽利略
伽利略（1564—1642），偉大的意大利物理學家和天文學家，科學革命的先驅。他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數(shù)學、物理學和天文學三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質運動和宇宙的認識。為了傳播和證實哥白尼的日心說，他奉獻了畢業(yè)精力，由此晚年受到教會的迫害，并被終身監(jiān)禁。他以系統(tǒng)的實驗和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此，他被稱為“近代科學之你”。他的工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎。他倡導數(shù)學與實驗相結合的研究方法，進行物理學概念和原理的創(chuàng)新，提出慣性原理和力與加速度的新概念；發(fā)現(xiàn)了單擺周期性；研制了幾種基本的物理實驗儀器：浮力天平、溫度計、望遠鏡等。他在人類思想解放和文明發(fā)展的過程中作出了劃時代的貢獻。1979天主教教皇約翰·保羅二世代表羅馬教廷為伽利略公開平反昭雪，認為教廷在300多年前迫害他是嚴重的錯誤。這表明教廷最終承認了伽利略的主張——宗教不應該干預科學。
2、萬有引力定律
物理間由于質量而引起的相互吸引的基本規(guī)律。牛頓根據開普勒定律和伽利略的自由落體定律，經過長期研究發(fā)現(xiàn)：自然界中任何兩個物理之間存在著一種相互的引力，稱為萬有引力。1687年牛頓發(fā)表了萬有引力定律：自然界中任何兩個質點都以一定的力互相吸引著，這個力同兩個質點的質量積成正比，同它們之間的距離的二次方成反比。萬有引力定律的提出奠定了天體力學的基礎，提示了天體運行的基本規(guī)律，是現(xiàn)代人造衛(wèi)星和人造行星理論的先聲。根據萬有引力定律，1846年天文學家發(fā)現(xiàn)了海王星。
3、普朗克
普朗克（1858—1947），偉大的德國物理學家，量子論的奠基人。1874年進入慕尼黑大學學習，1879年在慕尼黑大學獲博士學位。1897年至1899年他發(fā)現(xiàn)了總題目為《論不可逆的輻射過程》的5篇論文。1900年在黑體研究中引入能量子概念，提出普朗克公式和普朗克假設。由于這一發(fā)現(xiàn)對物理學的發(fā)展作出的貢獻而獲得1918年諾貝爾物理學獎。他還是首先支持愛因斯坦狹義相對論的物理學家。代表作有《熱輻射理論》、5卷本的《理論物理學導論》等。
4、波粒二象性
微觀粒子的普遍屬性。光和粒子都具有波動性和微粒性這兩重屬性。早在17世紀就已經發(fā)現(xiàn)了光的波動性。光的干涉和衍射現(xiàn)象以及光的電磁理論從實驗和理論兩方面肯定了這一點。20世紀初所發(fā)現(xiàn)的黑體輻射、光電效應等現(xiàn)象揭示了光還具有微粒性。第一個完全肯定光除了波動性之外還有微粒性的是愛因斯坦。1927年被科學家用實驗證實。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規(guī)律就不同于宏觀物體的運動規(guī)律。描述微觀粒子運動規(guī)律的量子力學也就不同于描述宏觀物體運動規(guī)律的經典力學。
5、愛因斯坦的《論動體的電動力學》
1905年愛因斯坦寫的開創(chuàng)物理學新紀元的長篇論文，文中完整地提出狹義相對性理論。這是他十年醞釀和探索的結果，在很大程度上解決了當時出現(xiàn)的古典物理學的危機，推動了整個物理學理論的革命。他從自然界統(tǒng)一性的信念出發(fā)，考察了這樣的問題：牛頓力學領域中普遍成立的相對性原理（力學定律對于任何慣性系是不變的），為什么在電動力學中卻不成立？而根據法拉第電磁感應實驗，這種不統(tǒng)一性顯然不是現(xiàn)象所固有的，問題一定出在古典物理理論基礎。對牛頓的絕對空間與絕對時間概念的批判，從考察兩個在空間上分隔開的事件的“同時性”問題入手，否定了沒有經驗根據的絕對同時性，進而否定了絕對時間、絕對空間以及以太的存在，認為傳統(tǒng)的空間和時間概念必須加以修改。空間和時間的長度不再是不變的。這種改造實際上是一種推廣，是把古典力學作為相對論力學在低速運動時的一種極限情況。這樣，力學和電磁學也就在運動學的基礎上統(tǒng)一起來。
二、問答題
16、使物理學停滯在經典物理學的水平上，其他科學也裹足不前，對物理學和科學思維方式也是一個極大的束縛。