第19课 物理学的长足进步 教学设计

第19课 物理学的长足进步
内容标准
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。
知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
教学目标
知识与能力
了解牛顿建立经典力学的时代背景、主要内容，理解其在近代自然科学理论发展中的历史地位。
通过分析牛顿建立经典力学的时代背景，认识重大科学理论的产生和时代发展之间的关系。
知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
学会辨证地认识经典力学、相对论、量子论之间的关系，能够比较正确的认识科学理论之间的继承与发展的关系。
过程与方法
以生活中的物理现象导入，联系现实生活创设情境，拉近与所学知识的距离。
依据教材概括牛顿经典力学建立的背景，说出牛顿经典力学的主要内容，并结合教材和补充史料认识牛顿经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位。
运用补充史料创设情境增强教学的趣味性，并结合教材讲述相对论的主要内容，进而分析相对论提出的意义，同时利用史料链接感悟爱因斯坦高尚的人格魅力，进行情感态度价值观教育。
引导学生用列表的方法归纳量子论建立的主要史实，总结量子论提出的意义。
情感态度与价值观
初步认识人类对自然界客观规律的探索是一个逐步加深的过程，科学探索无止境。
感受牛顿、爱因斯坦和普朗克等科学家积极探索的优秀品质，初步树立勇于探索科学真理、关心人类命运和敢于承担社会责任的人生态度。
教学策略
教学重点与难点
重点：经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
难点：理清经典力学、相对论、量子论之间的关系，认识其价值。
教学形式
本课主要采用互动教学，通过情境与问题的设置调动学习积极性，通过对问题的讨论，培养合作解决问题的能力。
（3）教学媒体
多媒体。
教学过程
新课导入
同学们，知道水为什么往低处流吗？太阳为什么会升起和落下？在今天看来，这些简单之极的问题，三百年前人类是根本无法认识和把握的，那个时候人类的思想中还充满了恐惧和迷信。你知道是谁改变了这种状况吗？对。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。牛顿怎样改变人们认识的呢？这节课让我们走进牛顿等科学家，我们一起学习“第19课物理学的长足进步”。
新课教学
一、牛顿与经典力学的建立
1．经典力学的建立
设计意图：首先请学生说出经典力学的主要内容，随后组织学生阅读教材和史料概括经典力学建立的背景，结合教材和史料认识牛顿经典力学在科学史上的地位。
牛顿在科学上的贡献是多方面的，其最主要的贡献是什么？牛顿力学体系有何特点？结合教材，学生总结牛顿经典力学的建立：牛顿发现了惯性定律、加速度定律和作用力与反作用力定律三大物体运动定律及万有引力定律。以实验为基础、以数字为表达形式。
2．经典力学建立的背景
设计意图：在教学中把科技“放到特定的历史时代、社会环境中考察,探讨其产生和发展的历史背景及对整个人类历史进程的影响”。科技史教学不是教授科技知识本身,而应凸显“历史味”---理解科技成就萌发的原因，继承发展的关系以及对其社会发展的推动作用。
材料一: 如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。
——牛顿
结合材料一和所学知识，你能指出牛顿所指的巨人是谁吗？牛顿众多的发现不仅有个人的努力，也与当时社会环境的有密切关系的产物。那么，当时的时代背景是怎样的呢？
学生总结：巨人指的是开普勒、伽利略等人。14世纪后，随着新航路的开辟，资产阶级开始到世界各地殖民和创业，对科学技术的发展提出了要求。
讲解：牛顿的生活于17世纪中期至18世纪30年代，正是英国资产阶级革命和君主宪制初步形成的时期。英国资产阶级革命对社会的巨大改造，推动了牛顿自然科学理论的建立。而且，文艺复兴运动不仅促进了人们思想的解放，也为科学的产生起到了推动作用。
3．经典力学建立的意义
设计意图：结合下列两段材料分析相关问题，培养学生获取材料信息、综合分析问题的能力。
阅读下列材料和教材，回答问题。
材料一：牛顿的《自然哲学的数学原理》被公认为是科学史上的最伟大的著作。在对当代和后代思想的影响上，无疑没有别的杰作可以同《原理》相媲美。二百年来，它一直是天文学和宇宙思想的基础……无怪乎牛顿力学的非凡成就甚至给诸如心理学、经济学、和社会学等不同领域的工作者也留下了极其深刻的印象，以致他们试图在解决各种问题时以力学或准力学为模型。
——[美]亚·沃尔夫：《十六十七世纪科学、技术和哲学史》
材料二：牛顿和他的《原理》开创了一个新时代，古典力学时代。他深深的影响了人类社会生活的各方面。尤其是生产机器的发明和应用，都是以牛顿的力学三大定律为理论前提。因此牛顿古典力学体系为产业革命奠定了雄厚的科学基础。
——《蒸汽机打出的天下》
请回答：
（1）请你指出牛顿科学发现在近代自然科学理论发展史中有着怎样的历史地位？
（2）牛顿的科学发现对人类社会生活又产生了怎样的影响？
（3）有人说：“17世纪的牛顿把造物主从无生命现象的研究领域驱逐了出去。”这种说法有没有道理？谈谈你的看法。
学生总结：牛顿把天上和地上的运动原理纳入统一的科学规律之中，经典力学体系的建立，成为近代科学技术发展史上的里程碑，标志着近代科学的产生，对此后两个世纪科学的发展，产生了深远的影响。
牛顿经典力学体系为工业革命奠定了科学基础，推动了人类进入蒸汽时代。有道理。牛顿经典力学的创立提高了人类的认识水平，使人们进一步摆脱神学的束缚，促进了启蒙运动的兴起。
思维拓展
牛顿的科学发现改变了人类的历史进程，他在当时英国人心目中的地位如何呢？请大家阅读一段史料，谈谈自己的感受。
史料链接
1727年，牛顿去世。英国以隆重的国葬仪式将他安葬在威斯敏斯特大教堂，这里一向是王公贵族的墓地，牛顿成为第一个安息在此的科学家。出殡的那天，成千上万的普通市民涌向街头为他送行；抬棺椁的是两位公爵、三位伯爵和一位大法官；在教堂合唱的哀歌中，王公贵族、政府大臣和文人学士们一起向这位科学巨人告别。
目睹了牛顿葬礼的法国思想家伏尔泰为之深深感动，他感慨道：“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”
整个社会在向一个科学家表达着由衷的敬意，这是一个国家对于科学家的态度，也是一个国家对于科学的态度。
——《大国崛起·工业先声（英国下）》
学生总结：略。
过渡：1846年，人们依据应用万有引力定律的计算结果发现了海王星，显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的美，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽殿堂”。然而19世纪末，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，放射线与电子被发现。另一方面，随着光学等学科的深入研究，人们对在光速或接近光速运动状态下的研究也超出了经典物理学的范围，酿成了深刻的物理学危机，在这种背景下出现了两个重大的理论创新——相对论和量子论，现代物理学产生了。
二、爱因斯坦和相对论
设计意图：培养学生获取材料信息、分析问题、解决问题的能力。
1．相对论的提出
阅读下列材料，尝试运用教材中的相关内容解释材料中提出的问题。
材料一：假定在未来的某一时间，有一对的孪生兄弟，其中一个乘宇宙飞船以接近光速（为了充分显示相对论效应）的速度做一次宇宙航行，按照相对论效应，呆在地球上的那位发现其兄弟生命周期变慢，因为在他看来地球正以一个与飞船速度相等的速度反向运动。现在宇航结束后，两兄弟又相遇了，那么他们谁更老？谁更年轻？
——《科学的历程》
教师引导分析，学生回答：
历经加速度的那位生命周期更慢一些。
讲解：在狭义相对论范围内，这个难题是不能解决的，只有引入广义相对论这个问题才有最后的答案。爱因斯坦在狭义相对论中认为，光速是物质运动的最大值，物体的质量是一个变量，它随着物体运动的速度增加而增加，同时空间和时间也随着物体运动速度变化而变化。它科学的揭示了时间、空间和物质运动之间的关系，进而证明时间和空间都是物质运动的一种基本属性。爱因斯坦建立的广义相对论认为，物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布状态，时间空间不能离开物质独立存在，他们是物质存在的形式，它揭示了四维时空同物质的统一关系，进而在更深层次上否定了绝对时空观。
相对论否定了牛顿的绝对时空观，但是相对论并不是全盘否定牛顿力学，牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的状态，相对论反映的是宏观物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。
2．相对论提出的意义
结合教材内容和材料分析相对论创立的意义。
材料一：狭义相对论和广义相对论的诞生，革新了物理学的基本框架……世界图景不在是“筐子装东西似的”“时空——物质”模式……世界图景变成了“时空——场——物质——流形”。经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时间空间成为一体……也是它导致物理学变革的主要原因。
——《科学的历程》
材料二：相对论和量子论的确立是物理学革命的高潮，以物理学变革为先导，带动了化学、生物学、天文学和地学等学科理论的革命性突破。20世纪的一系列重大技术成就，如原子能技术、无线电技术……都是先在科学理论上取得突破，进而转化成技术成果的。
——《世界史》
学生总结：
相对论的创立为物理学的发展开辟了广阔道路，引发了一场深刻的物理学革命。它否定了传统的绝对时空观念，揭示了时间空间的辩证关系，把空间、时间和物质联系起来，创立了新的时空观，进一步丰富和发展了经典力学，并把它概括到相对论理论之中。相对论以其新的世界观和方法论，促进了人类认识能力和思维方式的发展，是人类思想发展史上的一次根本性变革。相对论的提出引发了20世纪以原子能技术为代表的重大科技创造的出现，为第三次科技革命的发生提供了坚实的理论基础。
思维拓展
相对论的提出为核武器的研制提供了理论支持，爱因斯坦是如何看待核武器的研制呢？谈谈你的认识。
史料链接
在第二次世界大战中爱因斯坦看到战争不可避免，于是他（爱因斯坦）改变了自己的态度，认为应该拿起武器与法西斯主义者做斗争，以尽早结束战争，为防止德国纳粹最先造出原子弹给人类带来巨大危害，爱因斯坦写信给当时的总统罗斯福，建议尽早研制原子弹。1945年7月16日成功试爆了第一颗原子弹，但此时德国人已经战败，第二和第三颗被投到了日本，很快结束了第二次世界大战。爱因斯坦眼看战后愈演愈烈的核军备竞赛，忧心忡忡，感到自己有责任制止核武器扩散。他参加了无数次会议，发表了无数的宣言，致力于消灭原子弹的政治活动，但收效甚微……当他发现原子武器是人类的瘟疫时，他的痛苦是无法形容的。
——《科学的历程》
学生总结概括：爱因斯坦倡导研制原子弹制止战争和战后主张制止核武器的扩散都是出自于他对人类命运的高度关注，是勇于承担社会责任的表现。
教师讲解：爱因斯坦不仅是一位智者，更是一位有高度社会责任感的人!正如法国物理学家朗子万评价说：“在我们这一时代的物理学家中爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。”爱因斯坦身上所折射出的人性光辉具有超越时空的永恒价值。
三、量子论的创立
设计意图：组织学生依据教材内容填表，培养学生自学的能力，使学生形成重视教材的意识。
背 景
随着现代科学的发展，人类探求自然的奥秘已经进入微观世界，特别是电子和放射线的发现，使人们的研究开始进入原子内部。大量的实验证明经典力学无法解释微观粒子的运动。
创立历程
1900年，德国物理学家普朗克提出“量子假说”。1905年爱因斯坦提出光量子论，并成功解释光电效应。丹麦物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态，提出量子化的原子结构模型，丰富了量子论。1925年左右，量子力学最终建立。
意 义
量子论极大地拓展了人类对微观世界的认识，是20世纪人类所取得的最有成就的理论之一。它与相对论一起，引起了物理学的一场重大革命，并促进了现代科学技术的突破性进展。量子论揭开了微观世界的奥秘，深刻的改变了人们对整个物质世界的认识，改变了人们认识世界的角度和方式。也带动了量子化学、量子生物学、量子宇宙学等相关学科的发展。量子概念不愧是一个“伟大的创造性概念”。
四、本课小结
物理学学
主要贡献
地位和意义
牛顿
爱因斯坦
普朗克
设计意图：通过思考题的形式使学生对本课知识由总体认识。
思考：从经典力学到相对论和量子论，近代物理学得到了长足的进步，它们之间有何关系呢?
牛顿把天上和地上的运动原理纳入统一的科学规律之中,改变了自古代中世纪以来人们的认识论和方法论，成为近代科学技术发展史上的里程碑，标志着近代物理学的产生；相对论发展了牛顿经典力学，将其概括在相对论力学之中；量子论与相对论一起，弥补了经典力学在在认识宏观世界和微观世界的不足，构成了现代物理学的基础。