您现在的位置:江苏省兴化中学>> 教育科研>> 学科建设>>正文内容

高二历史:必修三第11课集体备课教案

第11课 物理学的重大进展

【教学目标】

1 、知识与能力:识记伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克等物理学家对物理学发展所作出的重大成就;理解经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位;相对论和量子论诞生的原因、意义;探究经典力学体系的特点,比较相对论、量子论与牛顿力学的关系。思考“日心说”与“地心说”相比的进步性,探究经典力学体系的特点、影响。

2 、过程与方法:

(1)引导学生回忆初中物理知识来促进本课的学习。

(2)通过学生预习(围绕4个物理学家,自制小课件)、课堂展示本课主要内容,促进同学的互相学习。教师给予必要的补充。

3 、情感态度与价值观:

(1)科学真理需要勇于探索、执着追求的精神;

(2)科学理论在不断完善、创新,人类对客观规律的认识不断深入。

【教法学法】

教法:史料分析法、问题探究法

学法:自主学习、合作学习、探究学习

【教学手段】多媒体辅助教学

【重点难点】

重点:伽利略对物理学发展的重大贡献;经典力学的建立;相对论的提出;量子论的诞生。

难点:物理学各阶段发展的原因;对科学发展创新性的理解。

【教学过程设计】

[ 导入新课]

1632年,伽利略撰写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》科学巨著出版后,立刻引起教会的恐慌,把伽利略投入监狱。教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决:“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑,刑期由我们掌握,为了有益于补赎,命令你在今后3年内,每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言,竟使伽利略蒙冤300多年,致死都没有撤销判决,甚至死后还被禁止举行殡礼,不准葬入圣太克罗斯墓地。那么,是什么原因导致宗教裁判所对伽利略作了如此判决?我们应如何看待伽利略在科学领域的贡献?

一、经典力学:

1 、经典力学的重要奠基者──伽利略

(1)背景:文艺复兴运动的影响,即解放了人们的思想,推动了科学研究。

16世纪末17世纪初,随着文艺复兴运动的扩展和人的思想的解放,意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统地观察和实验。他将科学实验与数学相结合,进行科学研究,并强调追究事物之间的数学关系。

(2)物理学成就和意义:

●成就:发现自由落体定律等物理学定律

●意义:开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。

自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律,而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法,因此,现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法,物理学研究才走上正确道路。

(3)天文学成就和意义

●成就:利用自制望远镜发现许多星体,证明了哥白尼“日心说”的正确性。

●意义:伽利略的这些发现和观点,摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。

2 、牛顿创立经典力学

(1)标志:1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》,提出物体运动三大定律和万有引力定律。

牛顿(1642—1727)是著名的英国科学家,在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡,牛顿是一个早产儿,出生时只有三磅重,接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人,并且竟活到了85岁的高龄。1665年毕业于著名的剑桥大学三一学院,获得学士学位。

1687年,他出版了《自然哲学的数学原理》,在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义,对大至宇宙天体,小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动,全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明,把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来,把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律,从力学的角度证明了自然界的统一性,实现了人类自然界认识的第一次综合。

牛顿力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明,任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比,而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们联结起来了。此外,牛顿还确立了著名的运动三定律,即惯性定律、比例定律(即加速度与力成正比)、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律成为经典力学建立的标志。

经典力学最显著的特征之一就是注重实验,实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系,并由此得出重要的结论。另一个显著特征是它的数学化,这种数学化的根源是自然内在的数学关系。自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。

(2)意义:

①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。

②促进了天文学发展:根据牛顿力学体系,人们发现了海王星和冥王星。

【备课资料】天王星和海王星的发现

18世纪以前,人们都以为土星就是太阳系的边界。随着观测技术的进步,人类对太阳系的认识有了突破。1781年,英国天文学家赫舍尔在用望远镜观察天空时,发现在土星之外的金牛座群星中有一颗既不像恒星又不是彗星的星星,后来英国天文学家麦斯克雷弄清楚了它是一颗前所未知的行星,新行星以希腊神话中的萨都恩神(土星以此命名)的父亲、天神乌兰纳斯来命名新行星,中文译为天王星。其后人们按照当时的观测编制了天王星的运行表。但到了1830年,人们发现它的实际运行情况与运行表所推算的数值存在着明显的差别,根据万有引力理论,这种“越轨”现象使天文学家们考虑到在它的附近可能有一颗未知的行星干扰着它的运动,根据万有引力定律,人们可以从天王星的行为中推算出这颗未知行星的位置。1845年10月,英国剑桥大学学生亚当斯首先得出了计算结果,但未被引起重视。1846年8月,法国天文学家勒维烈经过自己的计算,公布了这颗未知行星的轨道参数。三个多星期后,德国天文学家加勒根据勒维烈计算的数据果真找到了这颗行星,这就是海王星。海王星的发现是牛顿力学在天文学运用上的伟大胜利,它标志着天体力学已趋于成熟。

③促进了光学、电磁学等与力学的统一,推动了物理学的发展。

④促进了资本主义的两次科技革命的出现和发展。

二、爱恩斯坦创立相对论:

1 、历史背景:

(1)19世纪科学得到了飞速发展;

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”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界,三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象,这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家,他们继续向前探索,于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命,物理学从此开辟了新的天地。

(2)经典力学无法解释高速运动的微观粒子发生的现象。

经典力学认为,时间和空间与物质运动无关,存在着绝对的静止和绝对的时间。这与人们的一般看法一致。但到了19世纪,经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题,面临着挑战。

英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中,就曾谈到:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”然而,正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现。如固体比热、黑体辐射、光电效应、原子结构cdots cdots这些新现象都涉及物质内部的微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力。特别是关于黑体辐射的实验规律,运用经典理论得出的瑞利——金斯公式,虽然在低频部分与实验结果符合得比较好,但是,随着频率的增加,辐射能量单调地增加,在高频部分趋于无限大,即在紫色一端发散。这一情况被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”;对迈克尔逊——莫雷实验所得出的“零结果”更是令人费解。实验结果表明,根本不存在“以太漂移”。这引起了物理学家的震惊,反映出经典物理学面临着严峻的挑战。这两件事被当时物理学界的权威称为“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的,令人不安的乌云”。然而就是这两朵小小的乌云,给物理学带来了一场深刻的革命。

2 、相对论的提出及主要内容:

(1)提出:1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章,提出了著名的相对论,引发了二十世纪物理学的另一场革命。

爱恩斯坦(1879~1955))  生于德国乌尔姆镇。1900年毕业于苏黎世理工学院。毕业后靠临时教书维持生活。1902年 6月开始任职于伯尔尼瑞士专利局。1905年在苏黎世大学完成学位论文《分子大小的新测定方法》,获博士学位。在随后的几个月中又相继在德国《物理学杂志》上发表了四篇重要论文。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授,1911年任布拉格德国大学理论物理教授。1912年回母校苏黎世理工学院执教。1914年任德国威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年因遭德国法西斯迫害前往美国,应聘为普林斯顿高级研究院教授,后入美国籍。1955年4月18日在普林斯顿逝世。

1905~1907年,爱因斯坦在物理学的三个不同领域取得了开创性的成果。第一项工作是在分子运动理论方面(1905)。他用力学和统计学相结合的方法研究悬浮粒子在流体中的运动,在理论上说明了布朗运动产生的原因,并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目。这一理论上的预见于1908年被法国物理学家J.-B.佩兰的实验所证实。

爱因斯坦的第二项工作对发展量子论起了推动作用。他认为光束的能量在辐射、传播和吸收过程中都具有量子性,从而完满地解释了光电效应经验规律。同时,他还把量子说同波动说并列起来,第一次揭示了光具有“波粒二象性”,为后来L.-V.德布罗意提出物质波理论和E.薛定谔发现波动方程以及随后的量子力学的建立开辟了道路。为此,爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。1906年,他用量子论假设说明了固体比热对温度的依赖关系。1916年,他从N.玻尔的量子跃迁概念导出黑体辐射谱,提出了受激辐射概念。

作为他终生事业标志的相对论。1905年,他发表了题为《论动体的电动力学》的论文,建立了狭义相对论。这一理论把经典力学作为低速时的特殊情况包括在内,揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性,力学运动和电磁运动在运动学上的统一性。他还导出相对论最重要的结果之一──质能的相当性。1915年,爱因斯坦从引力质量和惯性质量的等效性出发,建立了广义相对论。1917年,他发表宇宙学的开创性文献《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》,提出了宇宙有限无边的假说。爱因斯坦晚年致力于统一场论的研究。

(2)内容:相对论包含狭义相对论和广义相对论。

狭义相对论认为,物体运动时,质量会随着物体运动速度增大而增加,同时,空间和时间也会随着物体运动的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应。

广义相对论认为,空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况,也取决于物质本身的分布状态。

狭义相对论:1905年6月,爱因斯坦完成题为《论运动媒质的电动力学》的论文,提出了狭义相对论。此后,爱因斯坦又连续发表几篇论文,建立起狭义相对论的全部框架。

爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。第一个假设是相对性原理,即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关;第二个假设是光速不变原理,即对任何一个参照系而言,光速都是相同的。从两个基本假设出发,爱因斯坦得出如下新的结论:(1)运动物体在运动方向上长度缩短。(2)运动着的时钟要变慢。(3)任何物体的运动速度都不可能超过光速。(4)同时性是相对的,在一个惯性系中同时发生的事情,在另一个运动着的惯性系中测量便不是同时发生的。(5)如果物质速度比光速小得多,相对论力学就变为牛顿力学,比起牛顿力学来,相对论力学具有更普遍的意义。(6)物体的能量等于物体的惯性质量乘以光速的平方。

爱因斯坦的狭义相对论,在我们的日常生活中是很难理解的,因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动,根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应:长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话,一个以这样速度运动的人,在另一个静止的观察者看来就可能只是一条线。另外还会出现这样的景象:一个人坐上光子火箭,以接近光速的高速度去作星际航行。一年后他回来了,发现儿子已经是白发苍苍的老人,而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日,人间已一年”就可用相对论得到解释。

广义相对论:1915年,爱因斯坦完成了创立广义相对论的工作,并于1916年写成总结性论文《广义相对论的基础》。这篇论文的发表宣告了广义相对论的诞生。

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。

广义相对论认为,质点在万有引力作用下的运动,如地球上的自由落体、行星围绕太阳的运动等,是弯曲时空中的自由运动——惯性运动。它们在时空中描出的曲线,虽然不是直线,却是直线在弯曲时空中的推广——短程线,即两点之间的最短线。当时空恢复平直时,短程线就成为通常的直线。

可以打这样一个比方来说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角,床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面,如果不去推它,它就会保持静止或匀速直线运动状态不变(假设床单是足够光滑的,微小的摩擦力忽略不计)。如果在床单中央放一个铅球,床单就会凹下去,这个二维空间就弯曲了。这时,如果再放置一个小玻璃球,它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点,这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点,则是由于大球的存在使空间弯曲了,并不存在什么“引力”,小球落向大球乃是弯曲空间中的自由(惯性)运动。

当然,上面这个比喻,说的只是“空间”弯曲,而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了。行星绕日运动,就是在弯曲时空中的惯性运动,行星轨道是四维时空中的短程线,根本就不存在什么万有引力。

广义相对论指出,在引力场的区域,空间的性质不再服从欧几里德几何,而是遵循非欧几何,并得出结论:现实的物质空间不是平直的欧几里德空间,而是弯曲的黎曼空间(即三角形三个内角之和大于180度、曲率为正的空间),它的弯曲度取决于物质在空间的分布情况。物质密度大的地方,引力场的强度也大,空间弯得也厉害,时间也要相应地变慢。爱因斯坦为了证明广义相对论思想的正确性,他作出了三个预言:

第一,水星近日点的运动。自1859年发现水星近日点的运动以来,有每百年43秒的变动是用牛顿力学无法解释的。曾有人怀疑这是由一颗未发现的星引起的,但天文观测一直没有发现这颗星。爱因斯坦广义相对论,通过理论计算说明,太阳引力使空间弯曲,水星近日点的进动每百年就应有43秒的剩余值。

第二,光谱线的引力红移,即在强引力场中,光谱应向红端移动。这一结论后来被天文观测所证实。

第三,引力场使光线偏转。爱因斯坦预言,光线经过太阳表面,将会发生1.75秒的偏转。1919年5月29日发生日全食,在英国天文学家爱丁顿的建议下,英国皇家学会组织了两路观测人马,分赴巴西北部的索布拉尔和西非的普林西比岛,拍摄了日全食时在太阳周围看到的恒星照片。爱丁顿把这些照片和半年后的夜晚拍摄的天空同一位置的照片进行细致的对照,最终结论是,星光在太阳附近的确发生了偏转,并且数值与爱因斯坦的预言极为接近。这结果一公布,立即轰动了世界。人们开始把爱因斯坦与牛顿相提并论。

【合作探究】狭义相对论和广义相对论的区别

提示:狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系(惯系参照系)之间的物理定律,广义相对论则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。

相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论最著名的推论是质能公式,它可以用来计算核反应过程中所释放的能量,并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞,也相继被天文观测所证实。

3 、意义:

(1)相对论的提出是物理学思想的一次重大革命,它否定了经典力学的绝对时空论,从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观,深刻地揭示了时间和空间的本质属性。即:揭示了时空的可变性、时空变化的联系性,树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。

(2)爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学,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。

三、量子论的诞生与发展

1 、诞生的背景:

(1)19世纪末20世纪初,电子和放射性的发现,打开了原子的大门,使人们对物质的认识深入到了原子内部。

(2)大量的实验表明,微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。

2 、量子论的诞生、发展和量子力学:

(1)诞生:1900年,德国物理学家普朗克提出量子假说,宣告了量子论的诞生。

普朗克(1858.4.23.―1947.10.3)德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基人,1918年诺贝尔物理学奖的获得者。普朗克在慕尼黑度过了少年时期,1874年入慕尼黑大学。1879年普朗克在慕尼黑大学得博士学位后,先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年基尔霍夫逝世后,柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人(先任副教授,1892年后任教授)和理论物理学研究所主任。他一生发表了215篇研究论文和7部著作,其中包括1959年所著的《物理学中的哲学》一书。在普朗克诞辰80周年的庆祝会上,人们“赠给”他一个小行星,并命名为“普朗克行星”。

普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论,这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年,普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念,导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式,必须假设物质辐射的能量是不连续的,只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点,并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。

(2)发展:

①爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质,进一步推动了量子论的发展。

②丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究,创立了原子结构的理论。

③经过这些科学家的共同努力,到1925年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。

3 、量子论和量子力学的影响:

(1)量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步,成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。

(2)量子论与相对论一起构成现代物理学的基础,并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。

(3)推动了物理学自身的进步,开阔了人们的视野,改变了人们认识世界的角度和方式。

在量子论基础上发展起来的量子力学,极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。同时,也标志着人类对客观规律的认识,开始从宏观世界深入到了微观世界。

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、地理学等学科的理论也都发生了革命性的突破。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。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。

[ 本课小结]

请记住爱因斯坦的话吧:“没有能独立思考和独立判断的有创造性的个人,社会的向上发展是不可想象的。” 经典力学、相对论、量子论之间的关系。经典力学改变了自古代中世纪以来人们的认识论和方法论;相对论发展了牛顿力学,将其概括在相对论力学之中;量子论与相对论一起,构成了现代物理学的基础。

 


【字体: 】【收藏】【打印文章】【查看评论