第11课 物理学的重大进展 学案（人教版必修3）

第11课 物理学的重大进展
课程标准：
了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。
历史史实：
阅读理解概念：上帝创世说、哥白尼、伽利略、牛顿、经典力学体系。
理解记忆：经典力学的主要内容。
历史解释：
分析西方近代科学发展的原因，探讨经典力学对近代自然科学理论发展的影响。
发展性选择：
结合西方近代政治、经济、文化模块相关知识，探讨科技进步对西方社会的影响。
比较此时期中国与西方科技发展特征，分析其不同的历史背景，探讨东西方科技的交流及影响。
学习提纲
一、经典力学
（一）伽利略对物理学和天文学的贡献：
1、原因：文艺复兴运动不仅解放了人们的思想，也对科学研究产生了重要影响。
2、贡献：
⑴物理学：①16世纪末17世纪初，伽利略等人已经认识到，为了解自然界，必须进行系统的观察和实验。
②伽利略通过实验证实，外力并不是维持运动状态的原因，只是改变运动状态的原因。
③通过实验，他发现了自由落体定律等物理学定律，大大改变了古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动的观念，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。
（2）天文学：伽利略是利用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人。他用自己制造的望远镜发现了许多用肉眼看不见的星体，证明了哥白尼提出的“日心说”的正确性。1632年，伽利略因在一本书中宣传“日心说”，遭到罗马教会的迫害。他被教会判处终身监禁，这本书也遭到教会的查禁。
（二）经典力学
1、建立：在伽利略研究基础上，英国科学家牛顿确认了物体宏观运动的规律。1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书，提出了物体运动三大定律和万有引力定律等。他把地球上的物体的运动和天体运动概括到同一个理论之中，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系，即经典力学体系。
2、意义：这一体系对解释和预见物理现象，具有决定的意义。后来，根据万有引力定律，人们发现了海王星等。
3、经典力学在近代科学理论发展中的地位：
(1)牛顿的发现以及他开创的科学研究方法，是人类思想史上伟大成就，对解释和预见物理现象，具有决定性意义。
(2)牛顿力学体系是人类对自然规律第一次进行的理论性概括和总结，它以实验为基础、以数学为表达形式。
(3)经典力学是近代自然科学理论体系中最先成熟和完善的核心理论体系。
资料回放
我不知道世人对我是怎样看的，不过我只觉得自己像是一个在海滨玩耍的孩子，有幸拾到光滑美丽的石子，但真理的大海，我还没有发现。我所以有这样的成就，是因为我站在巨人们的肩膀上的缘故。 ——牛顿
历史纵横
1781年，人们发现了太阳系的第七大行星——天王星，但它的理论位置与实际观测不符。科学家们设想有一颗未知的行星对它产生了影响。后来，经过科学家的计算，1846年，人们终于发现了海王星。
二、相对论的创立
1、背景：经典力学认为，时间和空间与物质运动无关，存在绝对的静止和绝对的时间。这与人们的一般看法一致。20世纪，随着物理学研究的进展，经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。
2、创立：20世纪初，德国物理学家爱因斯坦经过多年的研究，提出了相对论，包括狭义相对论和广义相对论。
3、内容：⑴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大，同时空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化。即会发生尺缩效应和钟慢效应。
⑵广义相对论认为，空间和时间的性质仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。
学思之窗
相对论的观点与人们的日常经验不一致，但它在物理学上却十分合理，并为实验所证实。爱因斯坦为了说明时间的相对性，曾经举出这样的例子：把两个完全一样的钟，分别放在地球的北极和赤道上。由于地球自转的缘故，赤道上的钟会比北极的钟走得慢一些。他的计算表明：当速度增大时，时间将会变慢；当速度达到光速时，时间也就停止。
你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？
答案提示：1、牛顿确立了万有引力定律和运动三定律，之后光学、电磁学等与力学进一步统一，大大推动了物理学的发展，牛顿力学研究的是宏观世界。2、爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观，于1905年提出了狭义相对论和光速不变原理，1916年爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。爱因斯坦的相对论发展了牛顿力学，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。
4、意义：⑴相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。
⑵它否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。
⑶它也发展了牛顿力学，将其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
（一）背景：1、19世纪末20世纪初，电子和放射线的发现，打开了原子的大门，人们对物质的认识深入到了原子内部。
2、大量的实验表明，微观的粒子运动不能用经典力学的理论来说明。
（二）诞生：1900年，为了解决热辐射理论卜的疑点，德国物理学家普朗克提山了量子假说。他认为：辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。这一假说宣告了量子论的诞生。
普朗克做出了一个大胆的假设 物体在发射辐射与吸收辐射时能量的交换或变化．是以不连续的方式进行的，是以一定数量值的整数倍跳跃式要化的，在辐射的发射和吸收过程中。能量不是无限可分的，而是有一个最小的份额单元。这个最小的能量单元普朗克称之为“能量子”或“量子”。他因提出量子假说，获得1918年诺贝尔物理学奖。
（三）发展：
1、量子论与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则发生冲突，遭到许多物理学家的反对，但也得到了一些科学家的支持。爱因斯坦利用量子理论成功地解释了光电效应。
2、丹麦物理学家玻尔提出了有关原子的量子理论。
3、20世纪30年代，量子力学建上起来。
（四）意义：
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、最有成效的科学理论之一。
2、它与相对论一起，构成了现代物理学的基础。相对论和量子论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、它们的提出，不仅推动丁物理学自身的进步而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
（五）量子论和相对论的共同点：
(1)从背景上看，都是在经典物理学的某些领域已经十分完善但在另外的领域却遭遇重重问题的情况下，作为一种解释提出。
(2)从产生过程看，两种理论刚开始时知识作为假说，但后来都是得到精确地证明。
(3)从影响上看，对修正经典物理学的不足和谬误之处都起到了关键作用，成为现代物理学得支柱；体现了科学大师们敢于向权威挑战、追求真理的精神。
四、归纳近代西方科技产生、发展的原因。
(1)经济：资本主义生产关系的产生、发展是近代科技产生的前提和根本推动力。
(2)政治：资产阶级民主政治的建立，为近代科技提供了自由发展的空间。
(3)思想：思想的解放（文艺复兴、宗教改革、启蒙运动）为近代科技的发展扫清了精神枷锁。
(4)风气：面向现实，重视实践，崇尚理性的科研精神也有利于科技的发明和发展。
(5)个人：科学家们的不懈努力。
五、近代自然科学发展的四个阶段
1．近代自然科学的产生阶段(15～16世纪)
(1)原因：①资本主义工商业的产生和发展为近代自然科学的产生奠定了物质基础；②人文主义思潮的影响使人们对自然界的认识产生了革命性的变化；③中世纪生产经验的积累为技术能力的提高提供了条件。
(2)标志：天文学领域的革命。
2．近代自然科学形成和发展阶段(17～18世纪中期)
(1)原因：①新航路的开辟促进了西欧资本主义工商业的发展；②手工工场的发展促进了技术的进步；③早期资产阶级革命的成功。
(2)标志：牛顿力学体系的创立。
3．自然科学的迅速发展阶段(18世纪末～19世纪中期)
(1)原因：随着该时期西方主要国家工业革命的进行，经济的发展对科学提出了更高的要求。
(2)标志：电磁学的新成就、道尔顿的科学原子论、细胞学说和达尔文的生物进化论等。
4．自然科学的重大突破和系统化阶段(19世纪末20世纪初)
(1)原因：第二次工业革命的进行和资本主义经济的迅速发展。
(2)标志：电的发明与应用，门捷列夫元素周期表的制定，特别是爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论是现代物理学的两大支柱。
本课要旨
●牛顿创建了万有引力定律和力学三定律，建立了经典力学，改变了自古代中世纪以来人们的认识论和方法论。
●19世纪末20世纪初，普朗克提出了量子假说，爱因斯坦提出了相对论，改变了人们认识世界的角度和方式。
本课测评
相对论和量子论的出现，有什么意义?
答案提示：相对论和量子论发现人们日常经验之外的宏观世界和微观世界的物质运动规律，不仅推动了物理学的进步，还大大开阔了人们视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
练习
选择题（在每小题所列的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。）17世纪初的一天，在意大利比萨斜塔上进行了一场著名的实验，物理学家伽利略从塔顶抛出了质量不一的两个球，结果这两个球同时落地。伽利略还利用望远镜观察天体，并因此而被教会判处终身监禁。回答下列1－4题
?
伽利略的望远镜和他观察到的月亮
?1.下列不属于伽利略比萨斜塔实验证实的运动定律是
A.落体定律　　B.匀速运动定律　　C.惯性定律　　D.匀加速运动定律
2.在中世纪的欧洲曾长期被教会奉为教条，后来被伽利略推翻的是
A.亚里士多德的学说　　B.托勒密的学说　　C.哥白尼的学说　　D.牛顿的学说
3.伽利略的斜塔实验和望远镜观察能够说明
A.只有试验才能发现科学定律 B.只有观察才能发现物理定律
C.近代科学是以实验和观察的事实为依据的 D.伽利略为经典力学奠定了基础
4.根据材料情境提供的知识，对文艺复兴和宗教改革以后的罗马教会的下列推论最符合题意的是
A.教会宣扬地球中心说　　B.教会与路德教等新教派并列
C.教会容忍人文主义　　　D.教会仍然动用“异端”的武器阻碍科学探索
5.确立科学实验与数学相结合的科学家是
A.爱因斯坦　　B.牛顿　　C.伽利略　　D.普朗克
6.经典力学体系形成的标志是
A.惯性定律的发现　　　　　　　　　　　B.作用和反作用定律的发现
C.《自然哲学的数学原理》一书的出版　　D.万有引力定律的发现
7.经典力学体系形成的历史条件不包括：
A.文艺复兴以来的思想解放　　B.工业革命对科学的需求
C.伽利略的研究成果　　　　　D.科学界的实验思想和近代数学思想
8.20世纪初，物理学本身发生了一场革命性的变化。下列选项中推动这一变化的是
A.电的发明和使用　　B.量子论的提出和发展 C.经典力学的发展　　D.原子能在军事上的运用
9.在物理学领域，对物质运动的微观世界的探索作出过贡献的科学家有
①牛顿②普朗克③玻尔④爱因斯坦
A.②③④　　B.①②④　　C.①②③　　D.①②③④
观察右图，回答下列10~11题
?
?
10.右图的钟摆示意说明：“当速度接近光速时，时间变慢而且质量增加”。它是下列哪一科学理论的生活例子？
A.万有引力定律　　B.自由落体定律　　C.量子力学　　D.相对论原理
11.上列图示说明的科学理论的创立者是
A.牛顿　　B.伽利略　　C.普朗克　　D.爱因斯坦
12.上列图示说明的科学理论的诞生具有重大的意义，最接近该理论的一项评价是
A.表达了近代自然科学的基本特点
B.深刻揭示了时空的可变性与时空变化的联系性
C.弥补了经典力学在认识粒子运动上的不足
D.完成了人类对自然规律的第一次理论概括
二、非选择题
13.阅读下列材料
材料一　我不知道世人对我是怎样看法，但是在我看来，我不过像一个在海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常更为光滑的卵石或比寻常更为美丽的贝壳而感到高兴；但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢？
──牛顿
?
材料二　有一次，一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘决。他回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是A=X+Y+Z!A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！这公式对我有用，我想对许多人也是一样有用。”
材料三　德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。
请回答：
?（1）“秘决A=X+Y+Z”带给爱因斯坦成功，结合所学知识简述他的成功所在。
?
（2）你怎样理解材料三中“普朗克老师对他的告诫”？近乎完美的经典物理学存在什么局限性？
?
（3）通过对以上材料的分析，结合所学知识，觉得这三位科学家能给你什么启示和动力?
?
14.牛顿对近代科学的主要贡献有哪些？相对论提出后，牛顿力学是否失去了光辉？为什么？据此说明牛顿的地位。
第11课　物理学的重大进展参考答案
?一、选择题
?1．D　　2．A　　3．C　　4．D　　5．B　　6．C　　7．B　　8．B　　9．A　　10．D　　11．D　　12．B
?二、非选择题
?13．（1）①爱因斯坦经过多年的研究，打破了牛顿以来传统的绝对时空观，于20世纪初提出了相对论，包括狭义相对论和广义相对论。相对论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。②爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应，进一步推动了量子论的发展。
?
（2）①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成，19世纪理论物理学达到了巅峰状态，物理学似乎是一门已经完成了的科学。②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，没有涉及人们没有直接经验的微观现象；经典力学的绝对时空论认为时间和空间是绝对的。
（3）①科学真理需要勇于探索、执着追求的精神。②人类对客观规律的认识在不断深入，科学理论在不断完善和创新，只要勇于探索、不懈追求，就能有所成就。
?14．牛顿是近代著名的科学家，他在科学上的贡献是多方面的：
?（1）他建立了微积分，从而使精密的测量和变量计算成为可能。
?（2）牛顿最重要的贡献是在力学方面，他发表了科学巨著《自然哲学的数学原理》，提出了牛顿运动的三大定律和万有引力定律，这些定律构成了一个统一的体系，把天上和地上的物体运动概括在一个理论之中。牛顿力学体系的建立被认为近代科学形成的标志。这是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。
?20世纪初，德国科学家爱因斯坦提出了著名的相对论，否定了牛顿的绝对时空观，但这并没有使牛顿力学失去光辉。因为任何自然科学发展研究都经历了从低级到高级的发展历程，相对论也是对牛顿力学的发展。正如爱因斯坦所说，在牛顿时代，牛顿的道路是一位具有最高思维能力和创造能力的人所能发现的唯一道路。牛顿所创造的概念，至今仍然指导着我们的物理学。
?地位：（1）完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合。
?（2）使科学摆脱了神学的束缚向前发展。
?（3）万有引力定律确立后，通过海王星的发现，体现了自然科学的所具有的惊人的预见力和巨大的理论指导意义。