第11课 物理学的重大进展 学案 (3)

第11课　物理学的重大进展
[课标要求]　1.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。2.知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
一、经典力学
1．背景
(1)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)16世纪末17世纪初，伽利略发现了自由落体定律等物理学定律，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．建立
(1)标志：1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书。
(2)内容：物体运动三大定律和万有引力定律等。
(3)特征：①以实验为基础。②以数学为表达形式。
[深度点拨]
经典力学体现了近代科学的显著特征：一是注重实验；另一个是数学化。这种数学化的根源是自然内在的数学关系。自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。
3．意义
经典力学体系对解释和预见物理现象具有决定性意义。后来，根据万有引力定律，人们发现了海王星等。
[关键点拨]
1．牛顿力学体系是人类对自然规律进行的第一次理论性概括和总结，它以实验为基础、以数学为表达形式，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。
2．伽利略的杰出成就为牛顿经典力学的创立奠定了基础，标志着物理学的真正开端；牛顿力学体系的建立标志着近代科学的形成，是经典物理学的基础。
深化探究
材料　我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更好更光滑的石子或美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。——牛顿临终遗言
思考
根据材料列举出牛顿捡到的“光滑的石子”和“美丽的贝壳”。说说牛顿的发现有什么科学意义？
答案　(1)创立微积分、提出物体机械运动的三大定律和万有引力定律(牛顿力学体系)。
(2)科学意义：①牛顿力学定律以严格的数学方法和逻辑体系把宇宙间的运动统一起来，对人类解释和预见物理现象具有决定性意义。
②牛顿力学体系把天上、地上的物体运动概括到一个理论之中，使人类认识到支配日月星辰运转的不是上帝，而是自然规律。这样就把上帝从无生命现象的研究领域赶走了。
二、相对论的创立
1．背景
19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世纪初的德国物理学家爱因斯坦提出了相对论。
3．内容
(1)狭义相对论：物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，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。
(2)广义相对论：空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。
4．意义
(1)相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。
(2)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。
(3)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。
[重点精讲]
为什么说相对论的提出是物理学领域的一次重大革命？
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。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。
深化探究
材料　
思考
(1)爱因斯坦是怎样推翻牛顿的理论的？
(2)如何理解牛顿的一番话？
答案　(1)爱因斯坦打破了牛顿创立的经典力学的绝对时空观，提出了狭义相对论和广义相对论，发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。
(2)相对论是在经典物理学基础上发展起来的，两者之间是继承与发展而不是相互排斥的关系。相对论只否定了牛顿力学的绝对时空观，并没有否定整个牛顿力学。相对论发展了牛顿力学，牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。牛顿力学是整个力学的基础，牛顿所创造的概念，至今仍指导着我们的物理学思想。
三、量子论的诞生与发展
1．背景
(1)19世纪末20世纪初，电子和放射线的发现，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。
2．诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出了量子假说，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。
3．发展
(1)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，量子力学建立起来。
[归纳总结]
牛顿经典力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论的一种特例(物体低速运动状态)，包括在相对论体系中。量子论则是研究微观世界粒子运动规律的科学。量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。
4．意义
(1)使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步。
(2)与相对论一起，构成了现代物理学的基础，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)推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
[教材互补]
量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系，指导着人们向物质运动的各个层面进行深入探讨。量子理论让人们从根本上改变了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大革命。(人民版)
[归纳总结]
量子理论及在此基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理、原子核物理等学科的发展，标志着人类对客观世界的认识，开始从宏观世界深入到微观世界，开创了物理学的新纪元。
课堂小结
1．“月亮既不会掉下来，也不会离去，那是因为它的运动正好抵消了地球的引力。”说这句话的科学家是(　　)
A．牛顿
B．波义耳
C．拉瓦锡
D．哥白尼
答案　A
解析　据题干材料中的“引力”这一关键词可知为“万有引力定律”。
2．“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。”这说明牛顿的发现(　　)
A．推动了天文学的发展
B．使人类彻底摆脱了神学的影响
C．促进了人类思想的解放
D．使人类开始关注现实世界
答案　C
解析　“人类用理性的眼光打量世界”，说明人们的思想得以解放，B项说法过于绝对。
3．爱因斯坦的相对论揭示的核心问题是(　　)
A．时间、空间、物体质量随物体运动而变化
B．时间、空间、物体的质量是永远不变的
C．时间、空间、光速随物体运动而变化
D．时间、空间、光速是永远不变的
答案　A
解析　爱因斯坦在相对论中提出，物体的质量会随着时间、空间的变化而变化，这给人们辩证地看待世界提供了新途径。
4．电视连续剧《天仙配》中有这样的情节：唐朝张百胜因孝道而升天成为玉皇大帝，而后他的年龄基本上是恒定的，七仙女亦然，永葆青春。假设此情景成立，其科学依据最有可能的是(　　)
A．相对论
B．量子论
C．转基因理论
D．进化论
答案　A
解析　根据爱因斯坦的相对论，时间、质量、重量等都不是固定不变的，而是处在不断的变化中。
5．它打开了人类认识微观世界的大门，深刻地改变了人们的生活、生产和观念……标志着一个新纪元的到来！这里的“它”是指(　　)
A．经典力学
B．进化论
C．量子论
D．相对论
答案　C
解析　使人类的认识深入到微观世界的是量子论的出现。
学思之窗
提示　牛顿确立了万有引力定律和物体运动三大定律，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。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年爱因斯坦的广义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。
探究学习总结
一、本课测评
提示　(1)量子论和相对论弥补了经典物理学的缺点，掀起了物理学的革命，构成了现代物理学的基本理论框架。
(2)量子论和相对论的创立使人们的认识深入到新的层
次和领域，特别是发现了微观物质的运动规律，为现代自然科学和现代技术革命提供了重要的理论基础。
(3)它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步，而且开阔了人们的视野，改变了人类认识世界的角度和方式，在人类思想史上占有极其重要的地位。
二、学习延伸
提示　发展状况：二战期间，德国法西斯与美国竞相发展核武器，1945年，美国在日本投放原子弹，苏联也在1949年试验成功原子弹，1957年苏联建成核电站，1964年中国制造出了原子弹。
影响：核能的研究，一方面使人类处在核战争的阴影之下，另一方面，核能的和平开发与利用，又给人们带来了生活的便利。
[基础达标]
1．下图中的情景能够说明的问题是(　　)
伽利略面对教会的审判
A．伽利略的思想理论为后来经典力学的创立和发展奠定了基础
B．文艺复兴解放了思想，对科学的研究产生了重要影响
C．伽利略时代人们的思想仍然受到教会的严厉禁锢
D．伽利略认识到要了解自然必须进行系统的观察和实验
答案　C
解析　本题图中反映的情景是教会对伽利略的审判，由此可推断出当时教会对人们思想的禁锢，对新思想者的迫害。A、D两项表述的是伽利略的贡献，B项论述的角度正好与图中情景相反。
2．史学家在评论某位科学家时说，他“已经向人们展示了理性的强大力量，那么已获启蒙的人即可循此途径依靠理性来发现所有的人类制度都应遵循的自然规律”。这位科学家应该是(　　)
A．亚里士多德
B．伽利略
C．牛顿
D．爱因斯坦
答案　C
解析　材料反映了科学发展对思想解放运动的启蒙作用。牛顿的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，启发人们以理性来认识世界。牛顿的科学革命为启蒙运动提供了理论基础。
3．根据国际天文学联合会大会投票5号决议，冥王星被排除在行星行列之外，正式从九大行星中除名，而将其列入“矮行星”。冥王星的发现当时是根据(　　)
A．哥白尼日心说的推算
B．牛顿力学的推算
C．法拉第定律的推算
D．爱因斯坦的相对论
答案　B
解析　根据牛顿天体力学，1930年2月18日美国天文学家汤博发现了太阳系第九大行星冥王星。冥王星的出现引起了人们的欢呼，被认为是牛顿力学的伟大成果。
4．他的墓志铭上写着这样的话：他以超乎寻常人的智力，用他所发明的数学方式，第一个证明了“行星的运动和图像，彗星的轨道和大海的潮汐。”此人可能是(　　)
A．哥白尼
B．牛顿
C．达尔文
D．普朗克
答案　B
解析　牛顿力学定律以严格的数学方法和逻辑体系把宇宙间的运动统一起来，对人类解释与预见物理现象具有决定性的意义，如解释了彗星的轨道和大海的潮汐。海王星的发现是证明牛顿力学和万有引力定律有效性的最成功范例。本题选B项。
5．菲利普·费尔南德兹·阿迈斯托在评价某科学家时指出：在他的宇宙里，“每一种现象都是带有欺骗性。物质和能量可以相互转换。双胞胎以不同的速度衰老。平行线可以交叉。光线弯曲的径迹其实缠绕宇宙。”这位科学家是(　　)
A．伽利略
B．达尔文
C．牛顿
D．爱因斯坦
答案　D
解析　本题考查学生对历史事实的记忆和理解能力。根据题干中“物质和能量可以相互转换”“光线弯曲的径迹其实缠绕宇宙”分析，属于爱因斯坦的相对论的内容。
6．1919年11月9日美国《纽约时报》头版文章有如下标题：“天之光歪斜”“科学家急切等待着日蚀观测的结果”“恒星不是在它们似乎应该所在的或被计算出来的位置上，但不必担心。”这些文章介绍的科学理论应该是(　　)
A．经典力学
B．狭义相对论
C．广义相对论
D．量子理论
答案　C
解析　经典力学的发表是在1687年；狭义相对论发表于1905年；广义相对论发表于1915年；量子理论发表于1900年。
7．史学家认为“17世纪后期科学革命的胜利为启蒙运动提供了先决条件”。符合此“先决条件”的事件是(　　)
A．哥白尼提出“日心说”
B．经典力学的形成
C．达尔文提出生物进化论学说
D．伽利略发现自由落体定律
答案　B
解析　可从时间上来判断分析排除各错误选项，A项是在1543年，C项是在1859年，D项是在1590年。故选B。
8．经典物理学所面临的危机，终于在20世纪初被物理学发展史上的两场伟大的革命所解决。这两场革命使人类(　　)
A．拥有了研究宏观世界和微观世界的理论体系
B．放弃了经典物理学的思想方法和科学理论
C．否定了此前物理学取得的一系列成果
D．转变了人们的思维方式和社交方式
答案　A
解析　注意时间“20世纪初”，这两场革命分别是爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论，分别使人们对宏观和微观世界的认识有了革命性的进步。
[能力提升]
9．1970年英国发行的D系列1英镑纸币的正面图案上，牛顿身后是一根开花的苹果树枝，身边的桌上是他手制的第一架反射式望远镜。纸币背面左半部分的主要图案，是各种椭圆形的天体运行轨道。纸币纪念的牛顿的贡献除反射式望远镜外还有(　　)
A．机械运动三大定律
B．万有引力定律
C．微积分
D．发现冥王星
答案　B
解析　从材料中“开花的苹果树枝”、“各种椭圆形的天体运行轨道”可知反映的是万有引力定律。
10．《宇宙探险》一书认为，由于科学家“揭示了时间、空间与物质分布、运动之间的辩证关系，提出了新的宇宙观，同时使得现代物理学和天文学如此结合而产生了天体物理学，为人类研究和探索宇宙提供了新的更广泛的途径。”你认为为此作出最重要贡献的应是(　　)
A．创立万有引力的牛顿
B．创立相对论的爱因斯坦
C．提出量子假说的普朗克
D．提出太阳中心说的哥白尼
答案　B
解析　从材料“揭示了时间、空间与物质分布、运动之间的辩证关系”可以很容易地推断出答案为B。
11．普朗克曾这样评论爱因斯坦的科学成就：“这个原理在物理世界观上所引起的革命，只有哥白尼世界体系的引入才能与之相提并论。”文中的“这个原理”是(　　)
A．相对论
B．日心说
C．量子假说
D．万有引力定律
答案　A
解析　相对论描绘了一个崭新的宏观宇宙世界，打破了经典物理学绝对化的思维模式，大大开阔了人们的视野，改变了人们看世界的角度和方式，为人们提供了辩证地看待世界的途径。因此才有“这个原理在物理世界观上所引起的革命，只有哥白尼世界体系的引入才能与之相提并论”的说法。据上述判断可知正确答案为A。
12．爱因斯坦对19世纪末20世纪初诞生的某物理学理论评价说：“这一发现成为20世纪物理学研究的基础……要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。”材料中的“这一发现”(　　)
A．说明了物体空间和时间会随着物体运动速度的变化而变化
B．说明了空间和时间的性质取决于物质的运动和本身的分布状态
C．与物理学界长期信奉的“自然界无跳跃”的原则是一致的
D．开阔了人们的眼界并改变了人们认识世界的角度和方式
答案　D
解析　本题考查量子理论，根据题干内容可以判断是普朗克的量子论，故选D。
13．阅读下列材料：
20世纪初，相对论和量子理论出现，它们掀起了物理学革命，构成了现代物理学的两大支柱，并对其他学科产生了历史性的影响。人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度。
请回答：
(1)结合所学知识，指出相对论和量子理论出现的历史背景。
(2)为什么说这两大支柱的形成使人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度？
答案　(1)背景：19世纪，物理学的新发现对经典力学的绝对时空观提出了挑战。
(2)原因：爱因斯坦揭示了时间和空间的本质属性，将牛顿力学概括在相对论之中；普朗克的量子理论发现了微观物质的运动规律，为现代自然科学和技术革命提供了理论基础。
14．阅读下列材料，完成问题。
材料一　伽利略发现运动中的物体若无一定的外力使它转向，便作匀速直线运动。这一发现要求人们必须能解释：为什么行星不以直线飞离，而趋于落向太阳，结果形成椭圆形的运动轨道；为什么月亮同样地趋于落向地球。——斯塔夫里阿诺斯《全球通史》
材料二　
　　　　　
图一　　　　
　图二
材料三　“在失重状态下点燃的蜡烛会熄灭”，这是爱因斯坦的结论。上海市向明中学的学生设计了“失重”状态下观察烛光的各种实验，结果发现：在完全失重状态下点燃的蜡烛依然是不灭的，只不过火焰呈圆形，亮度比较暗一点。——2008年11月6日四川新闻网
请回答：
(1)材料一中伽利略的发现是被谁的什么理论解释的？
(2)材料二中两人在科学理论上的成就分别是什么？
(3)许多科学理论都受到过人们的质疑，联系材料三说明科学研究的特点。
答案　(1)牛顿的万有引力定律。
(2)图一爱因斯坦提出了相对论；图二普朗克提出了量子假说。
(3)科学研究总是在不断修正前人错误的过程中，在质疑、释疑的过程中探索发展的。