第11課-物理學(xué)的重大進(jìn)展

PAGEPAGEPAGE3第11課物理學(xué)的重大進(jìn)展教學(xué)目標(biāo)：（1）識(shí)記：識(shí)記伽利略、牛頓、愛(ài)因斯坦、普朗克等物理學(xué)家對(duì)物理學(xué)發(fā)展所作出的重大成就；（2）理解：理解經(jīng)典力學(xué)在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位；相對(duì)論和量子論誕生的原因、意義；（3）探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點(diǎn)，比較相對(duì)論、量子論與牛頓力學(xué)的關(guān)系。（4）思考“日心說(shuō)”與“地心說(shuō)”相比的進(jìn)步性，探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點(diǎn)、影響?！锝虒W(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：伽利略對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；經(jīng)典力學(xué)的建立；相對(duì)論的提出；量子論的誕生。難點(diǎn)：物理學(xué)各階段發(fā)展的原因；對(duì)科學(xué)發(fā)展創(chuàng)新性的理解?！罱滩姆治觯罕菊n教材主要分三個(gè)目從四個(gè)方面向?qū)W生介紹物理學(xué)從16世紀(jì)末17世紀(jì)初到19世紀(jì)末20世紀(jì)初的重大成就：經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者——伽利略、經(jīng)典力學(xué)的建立、從經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論、量子論的誕生與發(fā)展。這一時(shí)期物理學(xué)方面的文字、圖片、人物介紹等資料比較豐富，教師可以適當(dāng)補(bǔ)充一些資料，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣?！锝虒W(xué)過(guò)程及要點(diǎn)：導(dǎo)入新課：1632年，伽利略撰寫(xiě)的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》科學(xué)巨著出版后，立刻引起教會(huì)的恐慌，把伽利略投入監(jiān)獄。教皇烏爾班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布對(duì)伽利略的判決：“我們判決你在宗教法庭監(jiān)獄內(nèi)服刑，刑期由我們掌握，為了有益于補(bǔ)贖，命令你在今后3年內(nèi)，每周背誦7篇贖罪詩(shī)篇……”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都沒(méi)有撤銷(xiāo)判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準(zhǔn)葬入圣太克羅斯墓地。那么，是什么原因?qū)е伦诮滩门兴鶎?duì)伽利略作了如此判決？我們應(yīng)如何看待伽利略在科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)？由此導(dǎo)入新課。一、經(jīng)典力學(xué)：1、經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者──伽利略（1）背景：文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的影響，即解放了人們的思想，推動(dòng)了科學(xué)研究。（2）物理學(xué)成就和意義：●成就：發(fā)現(xiàn)自由落體定律等物理學(xué)定律●意義：開(kāi)創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)，為后來(lái)經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。（3）天文學(xué)成就和意義●成就：利用自制望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)許多星體，證明了哥白尼“日心說(shuō)”的正確性。●意義：伽利略的這些發(fā)現(xiàn)和觀點(diǎn)，摧毀了教會(huì)的信條而證明了哥白尼學(xué)說(shuō)的正確。2、牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)（1）標(biāo)志：1687年牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出物體運(yùn)動(dòng)三大定律和萬(wàn)有引力定律。（2）意義：①經(jīng)典力學(xué)體系的建立標(biāo)志著近代科學(xué)的形成。②促進(jìn)了天文學(xué)發(fā)展：根據(jù)牛頓力學(xué)體系，人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星。③促進(jìn)了光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)的統(tǒng)一，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。④促進(jìn)了資本主義的兩次科技革命的出現(xiàn)和發(fā)展。二、愛(ài)恩斯坦創(chuàng)立相對(duì)論：1、歷史背景：（1）19世紀(jì)科學(xué)得到了飛速發(fā)展；（2）經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，存在著絕對(duì)的靜止和絕對(duì)的時(shí)間。這與人們的一般看法一致。但到了19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋研究中遇到的一些新問(wèn)題，面臨著挑戰(zhàn)。英國(guó)著名物理學(xué)家開(kāi)爾文在一篇瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的文章中，就曾談到:“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！比欢?dāng)物理學(xué)界沉浸在滿足的歡樂(lè)之中的時(shí)候，從實(shí)驗(yàn)上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)。如固體比熱、黑體輻射、光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)cdotscdots這些新現(xiàn)象都涉及物質(zhì)內(nèi)部的微觀過(guò)程，用已經(jīng)建立起來(lái)的經(jīng)典理論進(jìn)行解釋顯得無(wú)能為力。特別是關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，運(yùn)用經(jīng)典理論得出的瑞利——金斯公式，雖然在低頻部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好，但是，隨著頻率的增加，輻射能量單調(diào)地增加，在高頻部分趨于無(wú)限大，即在紫色一端發(fā)散。這一情況被埃倫菲斯特稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”；對(duì)邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)所得出的“零結(jié)果”更是令人費(fèi)解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根本不存在“以太漂移”。這引起了物理學(xué)家的震驚，反映出經(jīng)典物理學(xué)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這兩件事被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的權(quán)威稱(chēng)為“在物理學(xué)晴朗的天空的遠(yuǎn)處還有兩朵小小的，令人不安的烏云”。然而就是這兩朵小小的烏云，給物理學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命。2、相對(duì)論的提出及主要內(nèi)容：（1）提出：1905年剛剛得到博士學(xué)位的愛(ài)因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章，提出了著名的相對(duì)論，引發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)的另一場(chǎng)革命。愛(ài)因斯坦(1879～1955)）生于德國(guó)烏爾姆鎮(zhèn)。1900年畢業(yè)于蘇黎世理工學(xué)院。畢業(yè)后靠臨時(shí)教書(shū)維持生活。1902年6月開(kāi)始任職于伯爾尼瑞士專(zhuān)利局。1905年在蘇黎世大學(xué)完成學(xué)位論文《分子大小的新測(cè)定方法》，獲博士學(xué)位。在隨后的幾個(gè)月中又相繼在德國(guó)《物理學(xué)雜志》上發(fā)表了四篇重要論文。1909年任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授，1911年任布拉格德國(guó)大學(xué)理論物理教授。1912年回母校蘇黎世理工學(xué)院執(zhí)教。1914年任德國(guó)威廉皇家物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。1933年因遭德國(guó)法西斯迫害前往美國(guó)，應(yīng)聘為普林斯頓高級(jí)研究院教授，后入美國(guó)籍。1955年4月18日在普林斯頓逝世。1905～1907年，愛(ài)因斯坦在物理學(xué)的三個(gè)不同領(lǐng)域取得了開(kāi)創(chuàng)性的成果。第一項(xiàng)工作是在分子運(yùn)動(dòng)理論方面（1905）。他用力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究懸浮粒子在流體中的運(yùn)動(dòng)，在理論上說(shuō)明了布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，并從懸浮粒子位移的平均值推算出單位體積中流體的分子數(shù)目。這一理論上的預(yù)見(jiàn)于1908年被法國(guó)物理學(xué)家J.-B.佩蘭的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。愛(ài)因斯坦的第二項(xiàng)工作對(duì)發(fā)展量子論起了推動(dòng)作用。他認(rèn)為光束的能量在輻射、傳播和吸收過(guò)程中都具有量子性，從而完滿地解釋了光電效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。同時(shí)，他還把量子說(shuō)同波動(dòng)說(shuō)并列起來(lái)，第一次揭示了光具有“波粒二象性”,為后來(lái)L.-V.德布羅意提出物質(zhì)波理論和E.薛定諤發(fā)現(xiàn)波動(dòng)方程以及隨后的量子力學(xué)的建立開(kāi)辟了道路。為此，愛(ài)因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1906年，他用量子論假設(shè)說(shuō)明了固體比熱對(duì)溫度的依賴(lài)關(guān)系。1916年，他從N.玻爾的量子躍遷概念導(dǎo)出黑體輻射譜，提出了受激輻射概念。作為他終生事業(yè)標(biāo)志的相對(duì)論。1905年，他發(fā)表了題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的論文，建立了狹義相對(duì)論。這一理論把經(jīng)典力學(xué)作為低速時(shí)的特殊情況包括在內(nèi)，揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時(shí)間在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，力學(xué)運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的統(tǒng)一性。他還導(dǎo)出相對(duì)論最重要的結(jié)果之一──質(zhì)能的相當(dāng)性。1915年，愛(ài)因斯坦從引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的等效性出發(fā)，建立了廣義相對(duì)論。1917年，他發(fā)表宇宙學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性文獻(xiàn)《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考察》，提出了宇宙有限無(wú)邊的假說(shuō)。愛(ài)因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。（2）內(nèi)容：相對(duì)論包含狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論認(rèn)為，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度增大而增加，同時(shí)，空間和時(shí)間也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)的變化而變化，即會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間和時(shí)間的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況，也取決于物質(zhì)本身的分布狀態(tài)。【合作探究】狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的區(qū)別 提示：狹義相對(duì)論討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，廣義相對(duì)論則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體和微觀領(lǐng)域。相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問(wèn)題。相對(duì)論顛覆了人類(lèi)對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“時(shí)間和空間的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式，它可以用來(lái)計(jì)算核反應(yīng)過(guò)程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。而廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測(cè)所證實(shí)。3、意義：（1）相對(duì)論的提出是物理學(xué)思想的一次重大革命，它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空論，從本質(zhì)上修正了由狹隘經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的時(shí)空觀，深刻地揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)屬性。即：揭示了時(shí)空的可變性、時(shí)空變化的聯(lián)系性，樹(shù)立了新的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、物質(zhì)觀。這一理論被后人譽(yù)為20世紀(jì)人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一。（2）愛(ài)因斯坦的相對(duì)論也發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)概括在相對(duì)論力學(xué)之中，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新高度。三、量子論的誕生與發(fā)展：1、誕生的背景：（1）19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電子和放射性的發(fā)現(xiàn)，打開(kāi)了原子的大門(mén)，使人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)深入到了原子內(nèi)部。（2）大量的實(shí)驗(yàn)表明，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不能用通常的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述。量子論在這種背景下誕生。2、量子論的誕生、發(fā)展和量子力學(xué)：（1）誕生：1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出量子假說(shuō)，宣告了量子論的誕生。（2）發(fā)展：①愛(ài)因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應(yīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質(zhì)，進(jìn)一步推動(dòng)了量子論的發(fā)展。②丹麥物理學(xué)家玻爾把量子論用于原子結(jié)構(gòu)的研究，創(chuàng)立了原子結(jié)構(gòu)的理論。③經(jīng)過(guò)這些科學(xué)家的共同努力，到1925年左右量子力學(xué)最終建立。量子力學(xué)是研究微觀世界粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。3、量子論和量子力學(xué)的影響：（1）量子論使人類(lèi)對(duì)微觀世界的基本認(rèn)識(shí)取得革命性的進(jìn)步，成為20世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。（2）量子論與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)在認(rèn)識(shí)宏觀世界和微觀世界方面的不足。（3）推動(dòng)了物理學(xué)自身的進(jìn)步，開(kāi)闊了人們的視野，改變了人們認(rèn)識(shí)世界的角度和方式?！飭?wèn)題解答⊙【學(xué)思之窗】你認(rèn)為應(yīng)該怎樣評(píng)價(jià)牛頓和愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)？答案提示：牛頓確立了萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律，之后光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)進(jìn)一步統(tǒng)一，大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)研究的是宏觀世界。愛(ài)因斯坦打破了牛頓以來(lái)傳統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空觀，于1905年提出了狹義相對(duì)論和光速不變?cè)恚?916年愛(ài)因斯坦完成了廣義相對(duì)論的最終形式。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)概括在相對(duì)論力學(xué)之中，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新高度。⊙本課測(cè)評(píng)相對(duì)論和量子論的出現(xiàn)有什么意義？答案提示：相