11《物理學(xué)的重大進(jìn)展》

1、第四單元近代以來(lái)世界的科學(xué)發(fā)展歷程 牛頓是一位偉大的科學(xué)家。數(shù)學(xué)界，他總結(jié)出了微積分；在物理界，他總結(jié)出了萬(wàn)有引力定律以及經(jīng)典力學(xué)的三大定律；在光學(xué)方面，他最早發(fā)現(xiàn)了白光的組成，指出了色散的本質(zhì)。1727年3月20日，偉大的牛頓逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上鐫刻著：讓人們歡呼這樣一位多么偉大的人類曾經(jīng)榮耀在世界上存在！ 牛頓力學(xué)剛剛問(wèn)世時(shí)，曾受到不少人的懷疑和反對(duì)。牛頓力學(xué)是否是科學(xué)？只能由實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。牛頓力學(xué)不斷被證實(shí)，歷史上最著名的有三件事。 第一件，用牛頓力學(xué)算出地球的形狀象只桔子。古希臘的亞里士多德認(rèn)為地球是個(gè)正球體，兩千年來(lái)人們對(duì)此深信不疑。牛頓卻根據(jù)他的力學(xué)，說(shuō)地球是

2、個(gè)扁球體，象只大桔子。此言一出，學(xué)界嘩然。地球那么大，牛頓又從不出遠(yuǎn)門，他憑什么說(shuō)地球有點(diǎn)扁？可是法國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)三次實(shí)地測(cè)量，終于證實(shí)了牛頓的看法。用力學(xué)能算出地球的形狀，真是個(gè)奇跡。第二件，用牛頓力學(xué)算出了哈雷彗星的回歸周期。長(zhǎng)期以來(lái)到，人們一直認(rèn)為彗星是神秘的，不吉利的災(zāi)星，根本不能用科學(xué)來(lái)說(shuō)明。牛頓說(shuō)，既然彗星也是天體，就必然遵循力學(xué)規(guī)律。他的好友哈雷用牛頓力學(xué)算出了1682年出現(xiàn)的彗星的軌道，指出它的回歸周期是7576年，由此預(yù)言它將在1758年再次出現(xiàn)。哈雷1705年發(fā)表這個(gè)預(yù)言，當(dāng)時(shí)他已49歲，卻要預(yù)言53年以后的事，豈非聳人聽聞？可是1758年這顆彗星果然如期出現(xiàn)，并被命名為哈雷

3、彗星。牛頓力學(xué)剝掉了彗星的神秘外衣，對(duì)它的運(yùn)行作出了科學(xué)預(yù)見，這又是一個(gè)奇跡。 第三件，用牛頓力學(xué)算出了一顆未知行星的位置。1781年天王星被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家用牛頓力學(xué)計(jì)算它的軌道，可是計(jì)算結(jié)果總是同觀測(cè)紀(jì)錄不大相符。經(jīng)反復(fù)核算，觀測(cè)無(wú)誤。那問(wèn)題是否出現(xiàn)在牛頓力學(xué)上面？法國(guó)的勒維列和英國(guó)的亞當(dāng)斯堅(jiān)信牛頓力學(xué)的正確，大膽猜想計(jì)算結(jié)果之所以不理想，是因?yàn)樘?yáng)系中還有一顆未知的行星，我們沒(méi)有考慮到它對(duì)天王星的引力作用。他們用牛頓力學(xué)算出了這顆未知行星的位置和質(zhì)量。1848年9月23日，柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)在收到勒維列來(lái)信的當(dāng)晚，用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)勒維列所指出的位置，一下子就看到了一顆新的行星海王星。勒維列無(wú)需觀測(cè)星

4、空，就在筆 尖上發(fā)現(xiàn)了新行星。牛頓力學(xué)又創(chuàng)造了新的奇跡。 有了牛頓力學(xué)，秀才不出門，能知地球事，能知天上事。牛頓力學(xué)創(chuàng)造的一次又一次奇跡，使科學(xué)享有崇高的威望。 然而，科學(xué)總是向前發(fā)展的。20世紀(jì)初，在牛頓經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到頂峰，形成一種權(quán)威的時(shí)候，科學(xué)上一系列無(wú)法解釋的現(xiàn)象越來(lái)越需要科學(xué)本身的發(fā)展來(lái)解決。危機(jī)與機(jī)遇：“晴空上漂浮著兩朵烏云”第一朵烏云： “以太”說(shuō)破滅 水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽(yáng)光穿過(guò)真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過(guò)宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)

5、“以太”。 他們假定整個(gè)宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺(jué)不到的媒介。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。 地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來(lái)，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。 1887年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。無(wú)法解釋之例子一：夜空的金牛座上的“蟹狀星云”，是900多年前一次超新星爆

6、發(fā)中拋出來(lái)的氣體殼層。 結(jié)論：在25年持續(xù)看到超新星爆發(fā)時(shí)發(fā)出的強(qiáng)光。史書記載：強(qiáng)光從出現(xiàn)到隱沒(méi)還不到兩年。矛盾L（距離）C+V（速度）1905年，愛因斯坦26歲，接連寫下4篇改變整個(gè)20世紀(jì)物理學(xué)面貌的論文：1、光的量子說(shuō)（解釋光電效應(yīng)）2、布朗運(yùn)動(dòng)（證明分子的存在）3、狹義相對(duì)論（修正了牛頓力學(xué)）4、質(zhì)能互換律（E=mc2）1916年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論基礎(chǔ)，最具創(chuàng)見也是最偉大的貢獻(xiàn)：5、廣義相對(duì)論（取代了牛頓的萬(wàn)有引力理論）1905 神奇的一年 愛因斯坦1905年提出的相對(duì)論，后來(lái)稱作狹義相對(duì)論，以光速永不改變、相對(duì)性原則來(lái)推論，得到“時(shí)間”會(huì)因速度快慢而改變的結(jié)論。 相對(duì)論的例子

7、：一卷錄音帶，如果在地面上播放需要一個(gè)小時(shí)；在快速飛行的宇宙飛船里播放，宇宙飛船里的人測(cè)定也是一個(gè)小時(shí)。但是由地面上的人員，來(lái)測(cè)定在宇宙飛船中播放的時(shí)間呢？根據(jù)牛頓的理論，因?yàn)闀r(shí)間是絕對(duì)的，所以也是一小時(shí)；但是愛因斯坦的理論則認(rèn)為應(yīng)該是一個(gè)多小時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間是相對(duì)的，在不同速度下測(cè)量時(shí)間，長(zhǎng)度是不一樣的。 什么是狹義相對(duì)論？什么是廣義相對(duì)論？廣義相對(duì)論是新的萬(wàn)有引力概念 愛因斯坦闡述“萬(wàn)有引力”的本質(zhì)是導(dǎo)因于物質(zhì)的分布而彎曲了鄰近的時(shí)間空間幾何結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)出比牛頓萬(wàn)有引力定律更精確的理論，得到彎曲的四維時(shí)空觀念，牛頓的萬(wàn)有引力理論成了廣義相對(duì)論中的一個(gè)特例。 廣義相對(duì)論的重要結(jié)論是，加速運(yùn)動(dòng)與引

8、力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，要區(qū)別是由慣性力或者引力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是不可能的。對(duì)此，愛因斯坦作了一個(gè)的比喻。假想有一個(gè)人乘摩天樓的電梯自由降落，人不會(huì)感到自己在下降，因?yàn)檫@時(shí)電梯和人都依照重力加速度定律在下降，彷佛在電梯里不存在地球引力。 1、相對(duì)論的兩條基本原理： 1）相對(duì)性原理 2）光速不變?cè)?2、相對(duì)論的意義：（1）解決了經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)，創(chuàng)造了一個(gè)全新的物理學(xué)世界，極大地?cái)U(kuò)展了物理學(xué)的應(yīng)用的領(lǐng)域；也使人們對(duì)自然規(guī)律的探索從普通世界深入到廣闊的宏觀宇宙空間。（2）打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對(duì)化的思維模式，為人們提供了辯證看待世界的途徑。很抱歉推翻了您的理論 愛因斯坦曾說(shuō)道：“牛頓先生，很抱歉推翻了您的理

9、論，不過(guò)您的成就是您那個(gè)時(shí)代一個(gè)人的智力和創(chuàng)造力所能達(dá)到的顛峰，您所創(chuàng)造的許多觀念直到今日都仍在引導(dǎo)我們的物理思維。雖然我們知道，當(dāng)我們對(duì)宇宙萬(wàn)物有了更深入的了解以后，這些觀念將會(huì)被一些更抽象的新觀念所取代。” 也許將來(lái)某一天，會(huì)有一位少不更事的科學(xué)家說(shuō)道：“愛因斯坦先生，很抱歉推翻了您的理論，不過(guò)您的成就是您那個(gè)時(shí)代一個(gè)人的智力和創(chuàng)造力所能達(dá)到的顛峰 ”愛因斯坦能夠取得偉大成就有哪些條件?（1）科學(xué)發(fā)展提供的基礎(chǔ)；（2）科學(xué)發(fā)展需要提供動(dòng)力；（3）個(gè)人堅(jiān)持不懈勤奮追求真理的優(yōu)秀品質(zhì)；（4）科學(xué)的工作和研究方法。發(fā)散思維：愛因斯坦根據(jù)相對(duì)論的觀點(diǎn)提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換理論后，曾致信美國(guó)總統(tǒng)羅斯福，建議美

10、國(guó)研制原子彈，以便在二戰(zhàn)中盡快戰(zhàn)勝法西斯國(guó)家。45年8月 美國(guó) 先后在日本的廣島、長(zhǎng)畸投下兩顆原子彈，加速了日本法西斯的投降，但對(duì)無(wú)辜平民的傷害也同樣令全世界震驚。愛因斯坦為此非常懊悔。從這件事中，我們能得到什么啟發(fā)？我們應(yīng)如何對(duì)待科學(xué)的發(fā)展？ 科學(xué)技術(shù)本身是一把雙刃劍?？萍寄茉旄Ｈ祟?，推動(dòng)生產(chǎn)力水平的提高，但如果運(yùn)用不當(dāng)，也能危害人類。 關(guān)于愛因斯坦的小故事多得不勝枚舉，有此些是因?yàn)樗闹忍撸╄徃綍?huì)，以訛傳訛；有些則是真實(shí)的。無(wú)論是真是假，人們對(duì)一位偉大物理學(xué)家的崇拜是不會(huì)改變的。例如他穿的襪子左右腳常不同顏色；愛因斯坦的小故事用手推車推孩子散步，竟會(huì)由于專心思考問(wèn)題，而一不小心把孩

11、子推到水溝里；陪太太看電影時(shí)，卻在電影院里用手電筒看書； 1952年，以色列共和國(guó)請(qǐng)愛因斯坦去擔(dān)任總統(tǒng)，因?yàn)橐陨卸际仟q太人，愛因斯坦是猶太人心目中的精神領(lǐng)袖，然而他沒(méi)有接受，覺(jué)得自己的個(gè)性并不適合處理行政。紅色代表過(guò)去藍(lán)色代表未來(lái)黃綠表連結(jié)過(guò) 去到未來(lái)2005世界物理年對(duì)物理學(xué)家而言，這個(gè)標(biāo)識(shí)象征的是光錐；對(duì)一般大眾而言常被看成是沙漏，象征著愛因斯坦在時(shí)間相對(duì)性上淵博的見解及洞察力。 為紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，聯(lián)合國(guó)教科文組織特選定相對(duì)論發(fā)表100周年暨愛因斯坦逝世50周年的05年為世界物理年，許多國(guó)家更將2005年定為愛因斯坦年。并透過(guò)展示物理在經(jīng)濟(jì)技術(shù)文化等方面的重要作用，爭(zhēng)取公眾對(duì)

12、物理學(xué)的理解與支持，期使物理學(xué)能在21世紀(jì)得到全新的發(fā)展。 尋找本世紀(jì)愛因斯坦，再創(chuàng)科學(xué)奇跡 1875年時(shí)，普朗克在慕尼黑大學(xué)學(xué)物理，物理老師曾勸他不要學(xué)純理論，因?yàn)槲锢韺W(xué)“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學(xué)”，現(xiàn)在這門科學(xué)“看來(lái)很接近于采取最穩(wěn)定的形式。也許，在某個(gè)角落里還有一粒塵屑或一個(gè)小氣泡，對(duì)它們可以去進(jìn)行研究和分類，但是，作為一個(gè)完整的體系，那是建立得足夠牢固的。而理論物理學(xué)正在明顯地接近于幾何學(xué)在數(shù)百年中所已具有的那樣完美的程度。” 1900年，普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難，創(chuàng)立了物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說(shuō)，即

13、量子假說(shuō)。他引進(jìn)了一個(gè)物理普適常數(shù)，即普朗克常數(shù)，以符號(hào)h表示，其數(shù)值為6.62617610-27爾格秒，是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。量子力學(xué)的產(chǎn)生和相對(duì)論的產(chǎn)生有什么共同點(diǎn)？這說(shuō)明了什么？共同點(diǎn)：從背景上看，19世紀(jì)末，物理學(xué)得到了極大的發(fā)展，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，另一方面擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。但是，一系列新的發(fā)現(xiàn)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋，這使得經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機(jī)，面臨著挑戰(zhàn)。從產(chǎn)生過(guò)程看，第一，都是科學(xué)大師們敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，追求真理的結(jié)果。第二，都經(jīng)歷了一個(gè)產(chǎn)生發(fā)展完善的過(guò)程。說(shuō)明：社會(huì)意識(shí)是一定的社會(huì)存在的反映；任何事物的產(chǎn)生和發(fā)展都要經(jīng)歷一個(gè)曲折的過(guò)程。（1）經(jīng)典物理學(xué)形成

14、的基礎(chǔ)是什么？這一基礎(chǔ)建立的理論是什么？ 17世紀(jì)牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)，它是建立在絕對(duì)時(shí)空觀的理論基礎(chǔ)上的。（2）到19世紀(jì)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到何種程度？他所適用的范圍主要是什么？ 到19世紀(jì)，在經(jīng)典力學(xué)的 基礎(chǔ)上，光學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、天體物理學(xué)等新興學(xué)科取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，把人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到前所未有的深度和廣度。它所適用的范圍主要是我們?nèi)粘Ｉ钪械奈锢憩F(xiàn)象。（3）19世紀(jì)末，物理學(xué)的發(fā)展對(duì)經(jīng)典物理學(xué)提出了怎樣的挑戰(zhàn)？ 19世紀(jì)末，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，另一方面擴(kuò)展到整個(gè)宇宙，超出了經(jīng)典物理學(xué)的范圍，經(jīng)典物理學(xué)賴以建立的絕對(duì)時(shí)空觀受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。（4）20世紀(jì)物理學(xué)的

15、發(fā)展取得的兩項(xiàng)最重大的成就是什么？它們與經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系是什么？ 量子理論和相對(duì)論。它們發(fā)展了經(jīng)典物理學(xué)，彌補(bǔ)了經(jīng)典物理學(xué)在宏觀宇宙世界和微觀的粒子世界面前的空缺，為人類描繪了一個(gè)嶄新的世界，對(duì)整個(gè)人類的思維都產(chǎn)生了不可磨滅的影響。課時(shí)小結(jié)一、物理學(xué)發(fā)展的原因文藝復(fù)興、宗教改革等思想解放運(yùn)動(dòng)的影響資本主義的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)科學(xué)家勇于的探索精神二、物理學(xué)發(fā)展的過(guò)程中觀世界經(jīng)典力學(xué)（奠基者、創(chuàng)立者）宏觀世界相對(duì)論（愛因斯坦：廣義與狹義）微觀世界量子論（普朗克、愛因斯坦、玻爾）1、經(jīng)典力學(xué)的奠基者A.伽利略 B.牛頓 C.愛因斯坦 D.普朗克2、近代科學(xué)形成的標(biāo)志是A、 “日心說(shuō)”的提出 B、 “

16、地心說(shuō)”的提出C、牛頓力學(xué)體系的建立 D、落體定律的提出3、20世紀(jì)初物理學(xué)思想的一場(chǎng)重大革命是指A.萬(wàn)有引力定律的提出 B.發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)C.電子的發(fā)現(xiàn) D.相對(duì)論的提出4、海王星的發(fā)現(xiàn)是根據(jù)：A、哥白尼日心說(shuō)的推算 B、牛頓理論的推測(cè)C、法拉第演說(shuō)計(jì)算 D、愛因斯坦對(duì)時(shí)間、空間屬性的揭示5、現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)是：A、牛頓力學(xué) B、相對(duì)論 C、量子假說(shuō) D、量子理論、相對(duì)論6、愛因斯坦相對(duì)論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)重大革命，主要是因?yàn)椋?否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀揭示了時(shí)間、空間并非絕對(duì)不變的本質(zhì)屬性打破了經(jīng)典力學(xué)體系的局限性使人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)開始從宏觀世界深入到微觀世界A、 B、 C、 D、7、下列表述不正確的是：A、牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)