第5课 20世纪的科学伟人爱因斯坦 教案

第5课 20世纪的科学伟人爱因斯坦 教案
课程目标：了解牛顿、爱因斯坦等人成长历程及主要科学成就，认识他们在社会发展中的作用。
教学目标：
（一）知识与能力
简述爱因斯坦的主要科学成就；了解他的成长历程，感受他对科学的创新精神，理解爱因斯坦的科学成就对科学和人类社会发展的巨大贡献；培养学生阅读材料能力，学会运用历史唯物主义基本观点，认识爱因斯坦取得成功的原因。
（二）过程与方法
1、整合教材资源、引导学生选择，提供情境材料来体验感知历史、理解历史，主动参与合作交流的历史学习过程。
2、引导学生运用探究性学习方法，采用合作教学的手段通过对爱因斯坦生平事迹的了解，认识他的主要科学成就及其对社会的责任感。
（三）情感、态度、价值观
通过本课学习，使学生认识科学创新精神是人类不断进步的源泉，使学生懂得科技的力量，以及爱因斯坦的科学精神，感受伟大科学家的优秀品质，从而树立对社会历史使命感和责任感。
重点：了解爱因斯坦的成长历程，简述他的主要科学成就，感受他脚踏实地地进行科学研究和勇于科学创新精神。
难点：认识爱因斯坦对科学和社会发展的巨大推动作用，感受其成长的人生启迪。
教学过程：
“全世界科学家一致公认:他的天才思想带来了一系列令人炫目的技术革新，100年间的变化超过了过去2000年的总和。计算机、人造卫星、通讯技术、激光、电视和原子能，无一不与他所揭示的理论有关。”
　　　　　　　　　　 　——李政道
毫不夸张地说，根据爱因斯坦创立的科学理论而衍生出的发明创造，几乎涵盖了现代文明的每一个角落。电脑游戏、公共汽车、数码照相机……我们衣食住行的每个细节都闪现着爱因斯坦的影子。
一、提出狭义相对论
1、童年时代：1879年，爱因斯坦出生于德国南部小城乌尔姆的一个犹太血统家庭中。儿时的他很少讲话，却十分善于思考，对自然界的许多现象，总要寻根究底地问一问原因。
爱因斯坦5岁时，有一次，父亲给他拿来了一只罗盘针玩。他发现，无论盘子怎样转，其中的那根小红针总是指向北方，这是为什么？他的叔叔做了解答，但他又提出了新的问题什么是磁力，又是怎样吸引罗盘针的？
在某次吃晚饭的时候，爱因斯坦打破了沉默，他说“这汤太烫了。”这下他的父母非常高兴，然后问他为什么之前不说话。爱因斯坦答道：“因为到现在为止一切都很正常。”
2、中学时代：上学后，爱因斯坦的探究精神使他成了不受老师欢迎的学生。在学校，爱因斯坦提出的问题常常让老师难以回答，因此有老师指责他想入非非，中学还没毕业他就被赶出校门。即使这样，爱因斯坦依然坚持自学。后来，由于他的数学、物理成绩优秀，在补习了其他学科的知识后，得以进入瑞士苏黎世联邦工业大学师范系，主修数学和物理。
爱因斯坦在10岁时，进入了慕尼黑的路提波德中学。当同学们还在等边三角形的浅水中扑腾时，他已经在微积分的大海中畅游。没过多久，数学老师已经不是他的对手了，常常被小爱问得张口结舌。有一次，数学老师公开对他说：“如果班上没有你这个学生，我会非常愉快。”小爱困惑地说：“我并没有做对不起老师的事呀！”“但是，你提的问题经常使我心神不定。”
爱因斯坦对许多问题有自己的独特的看法，在中学，他经常思索这样一个问题：假设光的接收器眼睛，跟随在光的后面，用光速飞奔，会发生些什么情形呢。对此，他作了种种假设，但是找不到答案。实际上，在他这个奇怪的想法里，已经孕育了相对论的萌芽。
有一次，爱因斯坦爬上一架梯子挂一幅画，由于他专心地思考自己的问题，一不小心，竟从梯子上摔了下来。他马上想到一个问题：“人为什么笔直摔下来呢？”经过认真思考后，他得到了答案，他认为物体是沿着阻力最小的路程运动的，这对他研究广义相对论给予了很大的启发。
中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉、想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，名落孙山。
3、大学时代：在大学里，爱因斯坦利用一切时间学习各种知识，渐渐地他迷上了物理学，开始如饥似渴地攻读物理大师们的著作。大学的学习为他打下了从事理论物理学研究的基础。
在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授们所不满，大学一毕业就失业，两年后才找到固定职业。
4、提出狭义相对论
（1）提出：1905年6月，在德国莱比锡出版的《物理学纪事》杂志上，发表了同一作者的三篇论文，其中《论物体的电动力学》是有关相对论的第一篇论文，这篇论文的发表，标志着狭义相对论的提出。三篇论文的作者正是阿尔伯特?爱因斯坦。
（2）内容：狭义相对论有两条基本原理，一是相对性，爱因斯坦通过光学实验证明，在自然界，不仅物体的运动和力的作用是相对的，而且比普通物体运动速度更快的电磁波的运动也是相对的；二是光速不变原理，爱因斯坦认为，光在真空中的传播速度，是一个不变的常数一一每秒30万公里，它和光源的运动速度以及观察者本人的运动速度都无关。
一束光向你而去,如果你乘一辆每秒20万公里的火车去追它，按照常理可知光速每秒30万减掉你的20万，那么你在火车测到的光速应该是10万公里每秒，顺理成章。但是，那是错的,实际情况是，无论你选取的是什么参照系，光速都不受相对性的影响，永远为30万公里每秒。（光相对于以速度v运动着的惯性观察者的传播速度是c-v（当c和v同向时）或c+v（当c和v反向时））。这就是光速不变原理。所谓光速不变是指光在传播时其运动速度不适用于任何参照系。
（3）意义：狭义相对论的创立，改变了牛顿力学的时空观念，揭露了物质和能量的相当性，为原子能的利用奠定了理论基础，是近代物理学领域的一次伟大革命。
根据爱因斯坦的相对论，可以对以下现象得出结论：1、尺缩钟慢：物体高速运动时，运动物体上的尺子变短了，时钟变慢了。这种现象是时间和空间随物质运动而变化的结果。2、物体的质量会随着运动速度的加快而增加。3、质能相当：一切质量都有能量，一切能量都有质量，质量和能量可以互相转化。这一理论是狭义相对论最出色的成果之一，表达这个理论的关系式E= mc2,即能量=质量乘光速平方。在核反应中消失的质量就按这个公式转化成能量释放出来。因此，这一理论成为打开核能源理论的一把金钥匙。核能的发现，使科学界长期存在的恒星能源问题最终获得了满意的解决。以后狭义相对论也成为解释高能天体物理现象最基本的理论工具。
相对论的例子：一卷录音带，如果在地面上播放需要一个小时；在快速飞行的宇宙飞船里播放，宇宙飞船里的人测定也是一个小时。但是由地面上的人员，来测定在宇宙飞船中播放的时间呢？根据牛顿的理论，因为时间是绝对的，所以也是一小时；但是爱因斯坦的理论则认为应该是一个多小时，因为时间是相对的，在不同速度下测量时间，长度是不一样的。
电脑显示器
来到办公室，你打开电脑开始工作。在短促的瞬间，电子正从显像管的阴极发射出来，好像在飞驰过程中获得了能量，积聚在显示屏上———这正好符合爱因斯坦的狭义相对论。发明电脑显示器的工程师必须使显示器符合“相对论效应”，否则控制电子飞驰的磁铁就会在显示屏上产生模糊图像，使你无法工作，当然，精彩的电脑游戏也玩不起来了。
精准的激光
下班后你到超市购物，你手里的每一件商品条形码也得益于爱因斯坦的激光理论，只有激光才能准确读出条形码中的编码。
二、推动量子力学的发展
1、广义相对论
（1）标志：1916年发表论文《广义相对论的基础》。
（2）内容：广义相对论也有两条基本原理：一是等效原理，即在一个加速运动的系统里，物体会自动改变运动状态，而改变这种运动状态的力，就是惯性力；二是广义相对性，即在加速运动系统里的惯性力，可以运用到时空中的各种物体运动上。爱因斯坦还由此提出，在引力中传播的光线，也要发生弯曲，并建议在发生日全食时，通过天文观测验证这个预见。几年后，一位英国著名天文学家在观测中证实了爱因斯坦的预言完全正确。
根据广义相对论原理，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年5月，英国派出了两支远征队分赴非洲和南美两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。
（3）意义：广义相对论改变了人们对宇宙的认识，在广义相对论的指引下，天体和宇宙演化的观测研究及理论探讨前所未有地蓬勃开展起来。
2、推动量子力学发展
（1）1905年，爱因斯坦就提出了光量子假说，解决经典物理学无法解释的光电效应（所谓光电效应，是指光射在金属表面，能打出电子这一现象）问题。
（2）1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖，他的研究推动了量子力学的发展。
由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。
说明：象许多事物一样，科学的发展道路也并非一帆风顺，往往会遇到很多阻力。
启示：要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律也可能是不科学的。
数码相机
假期你和家人轻松郊游。当你打开数码相机，准备摄下家人温馨的笑容时，要先感谢爱因斯坦。从镜头飞进来的光子会把半导体里的电子挤走，这同样利用了宝贵的光电效应。
3、其他成就
除了在相对论、光电效应理论研究方面的发现外，爱因斯坦在宇宙学、统一场论等物理学的其他领域也取得重大研究成果，他的研究无疑对传统物理学是一次伟大的革命，也是人类自然科学史上的一次革命。
三、为人类和平进步而斗争
1、捍卫和平
（1）一战时：在第一次世界大战爆发时，他就曾在一份仅有4人参加的反战宣言上签了字，而当时德国多数科学家都是支持本国战争的。
（2）一战后：一战后，爱因斯坦积极致力于恢复各国人民的相互谅解，并为此到法、英、荷等国奔走呼号，而他自己却被反犹主义者列入谋杀的黑名单中。
（3）30年代：到了30年代，当战争的阴影再次在德国呈现时，爱因斯坦开始呼吁各国人民为和平而斗争。他遭到纳粹分子的追捕和迫害，不得不离开德国，来到美国，在普林斯顿高等研究院就职。
爱因斯坦淡泊名利，在接受邀请到普林斯顿研究院任职的要求之一竟然是年薪只要3000美元，他甚至还表示：“倘若在普林斯顿维持一年生活不需3000美元，还可以再低一些。” 以至于校方要和他“讨价还价”，请他别把年薪标准定得如此之低。
（4）二战中：第二次世界大战爆发前后，在一些同行的促动下，爱因斯坦上书美国总统罗斯福，建议抢在德国之前研制原子弹。尽管他本人没有参与研制，但他却是美国原子弹研究的发起人之一。几年后，爱因斯坦得知美国人用两颗原子弹轰炸了人口稠密的日本城市，这件事又成为他终生的遗憾。
（5）二战后：以后他就致力于防止核战争，亲自领导组织“原子科学家非常委员会”，出刊《原子科学家公报》，要使全世界人民认识到核战争的极端危险性，倡议各国科学家用自己的言行来维护世界和平。
科学是一种强有力的工具，如何使用它，它是给人赐福还是给人降祸，则取决于人本身，而不是取决于工具。刀子对人生活是有用的，但是它能够用来杀人。
—— 爱因斯坦
2、逝世：1955年4月18日，爱因斯坦病逝于美国普林斯顿，生前他留下遗嘱，将自己的骨灰撒到不为人知的地方，不建坟墓，不立纪念碑。
“我死后，切切不可把梅塞街１１２号变成人们‘朝圣’的纪念馆。我在高等研究院里的办公室，要让给别人使用。除我的科学理想和社会理想，我的一切都将随我一起死去。”
3、评价
爱因斯坦创立的相对论，是人类认识自然过程中一次质的飞跃。今天，这个理论已成为原子能科学、宇宙航行等科学的理论基础。如果没有爱因斯坦，原子能发电站、宇宙飞船等现代科学技术或许还在探索之中。
对比：如何理解牛顿经典力学与爱因斯坦相对论的关系？
1、爱因斯坦的相对论实际上是对牛顿经典力学的继承与发展。
2、牛顿力学体系概括了物体机械运动的基本定律，这些定律有一个适用的前提，即物体运动是在低速情况下发生的一个特例。
3、爱因斯坦的相对论否定了牛顿的绝对时空观，指出时间和空间都不是绝对不变的，它们随着物质的运动而变化，物质质量随运动速度的增大而增加。爱因斯坦还提出质能转化原理，加深了人们对物质和运动的认识。
相对论并没有抹掉牛顿在历史上的光辉，实际上相对论发展了牛顿力学，把牛顿力学概括在相对论之中，牛顿所创造的概念至今仍然是指导物理学的重要思想。
总结：杰出科学家身上所体现的共同优秀品质
1、挑战权威的创新精神.如李四光两次否定“洋神话”；牛顿则在“巨人的肩上”大胆创新，做出了辉煌的科学成就； 爱因斯坦则大胆否定了牛顿的绝对时空观念，创立了相对论。
2、正确的科研方法。
（1）独立思考是科学创见的首要条件，是科学思维的必备品质。
（2）重视实践调查，考察（李四光），归纳总结（牛顿），理论分析（爱因斯坦），科学实验以及实践调查，科学实践与理论研究相结合，是科学家基本的方法。
（3）坚持不懈勤奋探索。
3、淡泊名利的人生态度，科学的价值观。杰出科学家无一例外地生活简朴，看轻物质享受，淡泊名利，有自知之明，对自身价值有正确的认识，有关注国家民族、全人类生存兴衰的强烈责任感，以工作为快乐，以成功为享受，如爱因斯坦的快乐主张就很有代表性。
4、艰苦奋斗的精神。牛顿则终身未婚，把生命完全献给了人类的科学事业。
物理学史上三次革命
1、牛顿经典力学（第一次革命）
2、法拉第和麦克斯韦（第二次革命）
3、爱因斯坦和普朗克（第三次革命）
正好对应人类历史上三次技术革命
学思之窗
1．你认为爱因斯坦的科学创新体现了哪种精神？
答案提示：坚持解放思想，实事求是，勇于面对新情况新问题，反复研究，反复实践，不断前进；热爱科学，崇尚真理，重视科学决策，一切按规律办事；勤于学习，勤于思考，努力用科学理论、科学知识以及人类所创造的一切优秀文明成果武装头脑；勇攀高峰，甘于奉献，为人类贡献一切智慧和力量。
3．人只有献身于社会，才能找出那短暂而有风险的生命的意义。
一个人对社会的价值首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。这是爱因斯坦的两句名言，对爱因斯坦来说，生命的意义是什么？
答案提示：生命的意义在于设身处地替别人着想，忧他人之忧，乐他人之乐。酷爱正义，并竭尽全力为改善人类境况而奋斗。
本课测评
1．爱因斯坦对人类科学发展的主要贡献是什么？
对科学的主要贡献是狭义相对论、光量子理论、广义相对论、宇宙论和统一场论的提出，从而引发了传统物理学的伟大革命和人类自然科学史的一次革命。
2．爱因斯坦为人类和平事业做了哪些工作？（略）
趣闻一：爱因斯坦曾为一对年轻朋友证婚。几年后,那对夫妇带小儿子来 看他。孩子看了乱糟糟的爱因斯坦一眼就嚎啕大哭起来,弄得这对夫妇很难为情。 幽默的爱因斯坦却摸着孩子的头,高兴地说:“你是第一个肯当面说出 对我的印象的人。
趣闻二：爱因斯坦的一位朋友，要求爱因斯坦有空的时候打电话给她。“我的电话号码很长，挺难记。”朋友说。
“说吧!我听着。”
“24361。”　
“这有什么难记的呢?”
爱因斯坦笑笑说， “两打与十九的平方，我记住了。”　
趣闻三：曾经有人问过爱因斯坦：如果发生第三次世界大战，您知道将如何打吗？爱因斯坦回答：我不知道，但我知道第四次如何打。人们将用棍棒和石头打!
趣闻四：一天爱因斯坦在街上遇见一位朋友·， “爱因斯坦先生”这位朋友说了。“瞧瞧，你身上这件多旧呀!” “你似乎有必要添置一件新大 衣， “这有什么关系?反正在纽约谁也不认识我。”爱因斯坦回答说。 几年后，他们又偶然相遇。这时，爱因斯坦已成为一个著名的物 理学家，但还穿着那件大衣。他的朋友又不厌烦其烦地劝他去换件 大衣。 “何必呢!”爱因斯坦说，“反正这儿每个人都认识我了。”
趣闻五：爱因斯坦被带到普林斯顿大学他的办公室那天，有人问他需要什么工具。“我看，一张书桌或台子，一把椅子和一些纸张铅笔就行了。啊，对了，还要一个大废纸篓。”他说。“为什么要大的？”“好让我把所有的错误都扔进去。”
爱因斯坦名言：
“不是我聪明，只是我和问题周旋得比较久。”
“书读得太多，而脑筋用得太少的人，都会落入懒得思考的习惯。”
我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追问问题罢了。智慧并不产生于学历，而是来自对于知识的终身不懈的追求。
A＝X＋Y＋Z，A是成功，X是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话。成功＝艰苦的劳动＋正确的方法＋少谈空话