專題七: 近代以來(lái)世界的科學(xué)歷程
班級(jí)：高二（ ） 姓名
一 近代物理學(xué)的奠基人和革命者
一、課標(biāo)要求：
了解經(jīng)典力學(xué)的主要內(nèi)容，認(rèn)識(shí)其在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位。知道相對(duì)論、量子論的主要內(nèi)容，認(rèn)識(shí)其意義。
二、學(xué)習(xí)目標(biāo)：
（1）、知識(shí)與能力：了解經(jīng)典力學(xué)的三大定律、量子理論、相對(duì)論等基礎(chǔ)知識(shí)。牛頓、普朗克、愛(ài)因斯坦等著名科學(xué)家的主要事跡，學(xué)會(huì)觀察，培養(yǎng)敏銳的洞察力。理解科學(xué)進(jìn)步中繼承與發(fā)展的關(guān)系。
（2）、過(guò)程與方法：充分利用圖書(shū)館、博物館、互聯(lián)網(wǎng)等資源。提高收集、分析相關(guān)資料的能力。在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)合作、探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析解決問(wèn)題的能力及交流與合作的能力?？茖W(xué)的方法。全面提高科學(xué)素質(zhì)，創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。學(xué)會(huì)運(yùn)用閱讀法、觀察法、討論法、推理法、概括法、實(shí)驗(yàn)法等來(lái)學(xué)習(xí)了解近代物理學(xué)的相關(guān)問(wèn)題。
（3）、情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過(guò)學(xué)習(xí)，了解科學(xué)家為科學(xué)進(jìn)步所作出的努力。學(xué)習(xí)他們?yōu)榭茖W(xué)獻(xiàn)身的精神；形成科學(xué)的態(tài)度。知道在科學(xué)的道路上荊棘遍布，增強(qiáng)面對(duì)挫折的能力。增強(qiáng)毅力，樹(shù)立勇往直前、持之以恒的精神。
三、重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn)：伽利略對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立；量子論的誕生；相對(duì)論的提出。
教學(xué)難點(diǎn)：如何理解物理學(xué)各階段發(fā)展的原因？
四、知識(shí)結(jié)構(gòu)：
㈠牛頓力學(xué)體系
1、牛頓力學(xué)產(chǎn)生前的學(xué)說(shuō)
（1）亞里士多德的學(xué)說(shuō)
（2）伽利略的貢獻(xiàn)
2、牛頓力學(xué)體系
（1）產(chǎn)生過(guò)程
（2）基本理論（牛頓力學(xué)三定律、萬(wàn)有引力定律）
（3）影響意義
（二）量子力學(xué)
1、背景
2、量子理論（誕生、發(fā)展、意義）
（三）相對(duì)論
1、提出
2、主要內(nèi)容
3、意義
五、自主學(xué)習(xí)：
㈠巨人肩上的思索
17世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家牛頓提出了著名的三大定律：即 、 和 ，它們構(gòu)成了近代 體系的基礎(chǔ)，成為整個(gè)近代物理學(xué)的重要支柱。牛頓還以獨(dú)特的思考方式，從研究地球?qū)υ虑虻囊θ胧郑晒Φ貙?dǎo)出了 。
㈡認(rèn)識(shí)史上的飛躍
牛頓的力學(xué)體系對(duì)自然界的 做了系統(tǒng)，合理的說(shuō)明。完成了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)史上的
。
根據(jù)萬(wàn)有引力定律，人們準(zhǔn)確算出了 和 ，正確地解釋了 。
的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了自然科學(xué)具有 和 。
㈢驅(qū)走烏云的太陽(yáng)
19世紀(jì)末，物理學(xué)界的重大研究課題是黑體輻射問(wèn)題；1879年，奧地利物理學(xué)家 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了黑體輻射的總能量與其溫度之間的定量關(guān)系；1900年，德國(guó)物理學(xué)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(biāo)志著量子理論的誕生。
1905年，德國(guó)科學(xué)家 ，把普朗克的量子理論推廣到光學(xué)中，得出了光具有波粒二象性的結(jié)論。
㈣愛(ài)因斯坦的“時(shí)空”
1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《 》，創(chuàng)立了 。1916年，愛(ài)因斯坦又把適用于勻速運(yùn)動(dòng)體系的狹義相對(duì)論，推廣到加速運(yùn)動(dòng)的參考系，建立了 。廣義相對(duì)論第一次闡述了和物質(zhì)的分布相聯(lián)系的重要思想。相對(duì)論同 一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基本理論框架。
六、重點(diǎn)分析：
1、17-20世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的原因
這一時(shí)期，人類歷史處于大變動(dòng)時(shí)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展為近代自然科學(xué)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)并成為主要?jiǎng)恿?。文藝?fù)興和宗教改革以前面向世界，重視實(shí)踐和理性的風(fēng)氣，促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。一批優(yōu)秀科學(xué)家實(shí)踐和刻苦鉆研，也促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。
2、牛頓力學(xué)體系建立的巨大意義
1687年，牛頓發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，把物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律概括為運(yùn)動(dòng)三大定律和萬(wàn)有引力定律，由此建立起一個(gè)完整的力學(xué)理論體系，即牛頓力學(xué)體系。
牛頓力學(xué)體系正確反映了宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，把過(guò)去一向認(rèn)為是截然無(wú)關(guān)的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律概括在一個(gè)統(tǒng)一理論中，實(shí)現(xiàn)了自然科學(xué)的第一次理論性的大綜合，這是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的一個(gè)飛躍。牛頓力學(xué)是整個(gè)力學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代一切機(jī)械、土木建筑、交通運(yùn)輸?shù)裙こ碳夹g(shù)的理論基礎(chǔ)。
3、量子理論的誕生和發(fā)展
1900年，德國(guó)物理學(xué)學(xué)普朗克提出量子假說(shuō)，這個(gè)假說(shuō)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(xué)家的反對(duì)。首先意識(shí)到量子概念的普遍意義，并將它運(yùn)用到其他問(wèn)題上的是愛(ài)因斯坦。后來(lái)有人又提出氬原子結(jié)構(gòu)以后，利用量子理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)了量子理論的發(fā)展。
4、物理學(xué)大發(fā)展導(dǎo)致科學(xué)革命
20世紀(jì)物理學(xué)的大發(fā)展對(duì)世界各方面和領(lǐng)域都產(chǎn)生了革命性影響，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是對(duì)其他學(xué)科的影響，包括對(duì)既有學(xué)科的影響，如物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)向縱深拓展；還包括在它的影響下出現(xiàn)了一些新的學(xué)科，如核物理、離子化學(xué)、納米科學(xué)、激光科學(xué)、高能物理學(xué)等。二是理論突破對(duì)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。理論上的突破創(chuàng)新很快發(fā)展為新興的科學(xué)技術(shù)，轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力，如半導(dǎo)體、集成電路、激光、核電站、計(jì)算機(jī)技術(shù)、轉(zhuǎn)基因食品等，推動(dòng)了第三次工業(yè)革命的浪潮。三是對(duì)哲學(xué)的影響?，F(xiàn)代物理學(xué)向人們展示了與傳統(tǒng)觀念完全不同的時(shí)空，并大大拓展了人類的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域和范圍，徹底改變了人們的時(shí)空觀念和認(rèn)識(shí)論、方法論，打破了同時(shí)性等僵化觀念。分析哲學(xué)在西方影響最廣，以至一些西方哲學(xué)家稱20世紀(jì)為“分析的時(shí)代”，而“分析哲學(xué)是在19世紀(jì)末20世紀(jì)初自然科學(xué)的偉大革命……的推動(dòng)下產(chǎn)生的”。這其中，重要的是以相對(duì)論和量子力學(xué)為代表的物理學(xué)革命。
七、鞏固練習(xí)
一、選擇題
1、實(shí)現(xiàn)了自然科學(xué)第一次理論性大綜合的是
A、合維的血液循環(huán)學(xué)說(shuō) B、法拉第的電磁感應(yīng)理論
C、牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系 D、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論
2、與愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的理論最早有直接聯(lián)系的是
A、美國(guó)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(wèn)世
3、20世紀(jì)物理學(xué)思想的一次重大革命是
A、萬(wàn)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(duì)論的提出
4、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與牛頓力學(xué)體系的關(guān)系是
A、完全繼承 B、完全否定 C、有否定，有發(fā)展 D、沒(méi)有任何關(guān)系
5、愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的相對(duì)論力學(xué)與牛頓力學(xué)的關(guān)系，比較準(zhǔn)確的說(shuō)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(xué)體系建立的巨大意義是
①實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然規(guī)律的第一次理論性概括和綜合 ②近代科學(xué)形成的標(biāo)志
③使人類獲得了用理性解決所有問(wèn)題的自信 ④物理學(xué)思想性的一場(chǎng)重大革命
A、①② B、②③ C、①②④ D、①②③④
7、牛頓對(duì)自然科學(xué)的貢獻(xiàn)有
①提出物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)三大定律 ②提出萬(wàn)有引力定律
③實(shí)現(xiàn)形與數(shù)的結(jié)合 ④建立微積分
A、①②③④ B、①②③ C、①②④ D、②③④
8、物理學(xué)相對(duì)論的主要內(nèi)容不包括
A、時(shí)間和空間是絕對(duì)不變的 B、時(shí)間和空間隨著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而變化
C、物質(zhì)質(zhì)量隨著運(yùn)動(dòng)速度變化而變化 D、質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的
9、對(duì)牛頓力學(xué)體系的表述，不正確的一項(xiàng)是
A、其內(nèi)容就是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三大定律 B、把天上和地上的物體運(yùn)動(dòng)概括在一個(gè)理論之中
C、是人類對(duì)自然規(guī)律的一次理論性的概括和綜合 D、牛頓力學(xué)體系的建立是近代科學(xué)形成的標(biāo)志
10、17世紀(jì)牛頓力學(xué)體系產(chǎn)生的原因
A、資本主義生產(chǎn)的迅速發(fā)展對(duì)科學(xué)提出了迫切要求
B、伽利略等人的研究已有相當(dāng)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)
C、牛頓個(gè)人具有的偉大天才和所作出的巨大努力
D、同時(shí)代的眾多著名科學(xué)家的協(xié)同一致通力合作
11、愛(ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)的重大貢獻(xiàn)是
A、否定了牛頓的力學(xué)原理 B、主要解釋宏觀世界不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物質(zhì)
C、揭示了時(shí)間、空間并非絕對(duì)不變的屬性
D、他的理論相對(duì)于人們的日常經(jīng)驗(yàn)不會(huì)發(fā)生沖突
12、量子力學(xué)建立的基礎(chǔ)是①普朗克的量子理論②愛(ài)因斯坦的光量子理論③德布羅意的物質(zhì)波理論
A、①② B、①③ C、②③ D、①②③
13、現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)是①牛頓的經(jīng)典力學(xué)②量子理論③相對(duì)論④天體物理學(xué)
A、①② B、②③ C、①③ D、①④
14.下列物理學(xué)理論提出的先后順序是①相對(duì)論②牛頓力學(xué)③量子理論
A、①②③ B、②③① C、②①③ D、①③②
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二、問(wèn)答題
15、19世紀(jì)末，面對(duì)經(jīng)典物理學(xué)近乎完美的發(fā)展，有的物理學(xué)家表示：“19世紀(jì)已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學(xué)家只是修飾和完美這座大廈?！?SPAN lang=EN-US>
請(qǐng)回答：這種想法對(duì)物理學(xué)及科學(xué)的發(fā)展會(huì)有什么影響？
八、學(xué)習(xí)探究
1、“地心說(shuō)”反映了神學(xué)觀；“日心說(shuō)”客觀地揭示了地球、行星和太陽(yáng)的關(guān)系，推翻了上帝創(chuàng)造世界的謬論，使自然科學(xué)從神學(xué)束縛中解放出來(lái)。今天已不主張“日心說(shuō)”，因?yàn)橛钪媸菬o(wú)限的，銀河系是其一部分。
2、牛頓力學(xué)體系對(duì)自然界力學(xué)現(xiàn)象作出了系統(tǒng)的、合理的說(shuō)明，它提出了物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三大定律和萬(wàn)有引力定律。這些定律構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的體系，把天上和地上的物體運(yùn)動(dòng)概括在一個(gè)理論之中。從此，它把神從無(wú)生命領(lǐng)域驅(qū)逐了出去，使科學(xué)擺脫了神學(xué)的束縛。因此，人們把牛頓力學(xué)體系的建立作為近代科學(xué)形成的標(biāo)志。這是在人類認(rèn)識(shí)史上對(duì)自然規(guī)律的第一次理論概括和綜合。理論的威力在于預(yù)見(jiàn)和指導(dǎo)，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，人們準(zhǔn)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(jù)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(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?B style="mso-bidi-font-weight: normal">1916年完成廣義相對(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。
九、資料卡片
1、伽利略
伽利略（1564—1642），偉大的意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，科學(xué)革命的先驅(qū)。他首先在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上融會(huì)貫通了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)三門知識(shí)，擴(kuò)大、加深并改變了人類對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和宇宙的認(rèn)識(shí)。為了傳播和證實(shí)哥白尼的日心說(shuō)，他奉獻(xiàn)了畢業(yè)精力，由此晚年受到教會(huì)的迫害，并被終身監(jiān)禁。他以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(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)。因此，他被稱為“近代科學(xué)之你”。他的工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。他倡導(dǎo)數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，進(jìn)行物理學(xué)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(shí)驗(yàn)儀器：浮力天平、溫度計(jì)、望遠(yuǎn)鏡等。他在人類思想解放和文明發(fā)展的過(guò)程中作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。1979天主教教皇約翰·保羅二世代表羅馬教廷為伽利略公開(kāi)平反昭雪，認(rèn)為教廷在300多年前迫害他是嚴(yán)重的錯(cuò)誤。這表明教廷最終承認(rèn)了伽利略的主張——宗教不應(yīng)該干預(yù)科學(xué)。
2、萬(wàn)有引力定律
物理間由于質(zhì)量而引起的相互吸引的基本規(guī)律。牛頓根據(jù)開(kāi)普勒定律和伽利略的自由落體定律，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)：自然界中任何兩個(gè)物理之間存在著一種相互的引力，稱為萬(wàn)有引力。1687年牛頓發(fā)表了萬(wàn)有引力定律：自然界中任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以一定的力互相吸引著，這個(gè)力同兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量積成正比，同它們之間的距離的二次方成反比。萬(wàn)有引力定律的提出奠定了天體力學(xué)的基礎(chǔ)，提示了天體運(yùn)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(jù)萬(wàn)有引力定律，1846年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了海王星。
3、普朗克
普朗克（1858—1947），偉大的德國(guó)物理學(xué)家，量子論的奠基人。1874年進(jìn)入慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)，1879年在慕尼黑大學(xué)獲博士學(xué)位。1897年至1899年他發(fā)現(xiàn)了總題目為《論不可逆的輻射過(guò)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(shè)。由于這一發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展作出的貢獻(xiàn)而獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他還是首先支持愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的物理學(xué)家。代表作有《熱輻射理論》、5卷本的《理論物理學(xué)導(dǎo)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(dòng)性和微粒性這兩重屬性。早在17世紀(jì)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光的波動(dòng)性。光的干涉和衍射現(xiàn)象以及光的電磁理論從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面肯定了這一點(diǎn)。20世紀(jì)初所發(fā)現(xiàn)的黑體輻射、光電效應(yīng)等現(xiàn)象揭示了光還具有微粒性。第一個(gè)完全肯定光除了波動(dòng)性之外還有微粒性的是愛(ài)因斯坦。1927年被科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)。
5、愛(ài)因斯坦的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》
1905年愛(ài)因斯坦寫(xiě)的開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)新紀(jì)元的長(zhǎng)篇論文，文中完整地提出狹義相對(duì)性理論。這是他十年醞釀和探索的結(jié)果，在很大程度上解決了當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的古典物理學(xué)的危機(jī)，推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)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(wèn)題：牛頓力學(xué)領(lǐng)域中普遍成立的相對(duì)性原理（力學(xué)定律對(duì)于任何慣性系是不變的），為什么在電動(dòng)力學(xué)中卻不成立？而根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這種不統(tǒng)一性顯然不是現(xiàn)象所固有的，問(wèn)題一定出在古典物理理論基礎(chǔ)。對(duì)牛頓的絕對(duì)空間與絕對(duì)時(shí)間概念的批判，從考察兩個(gè)在空間上分隔開(kāi)的事件的“同時(shí)性”問(wèn)題入手，否定了沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)根據(jù)的絕對(duì)同時(shí)性，進(jìn)而否定了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間以及以太的存在，認(rèn)為傳統(tǒng)的空間和時(shí)間概念必須加以修改?？臻g和時(shí)間的長(zhǎng)度不再是不變的。這種改造實(shí)際上是一種推廣，是把古典力學(xué)作為相對(duì)論力學(xué)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種極限情況。這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)。
二、問(wèn)答題
16、使物理學(xué)停滯在經(jīng)典物理學(xué)的水平上，其他科學(xué)也裹足不前，對(duì)物理學(xué)和科學(xué)思維方式也是一個(gè)極大的束縛。