第11课：物理学的重大进展
（一）教学目标
一、课标要求
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、量子论的的主要内容，认识其意义。
二、学习目标
1．知识与能力
了解经典力学、相对论、量子论的主要内容，理解它们近代自然科学理论发展中的历史地位和重要意义，提高分析历史问题的能力。
2．过程与方法
A补充相关材料，分析16世纪中期以后科学发展的背景，了解伽利略和牛顿在物理学发展上的贡献，进一步了解经典力学的主要内容。初步掌握用探究的方法得出“经典力学逐步发展的理论层次和重要内容”。
B依据教材56页“学思之窗”的内容，分析相对论的重要内容，掌握观察阅读、获取信息的学习方法。
C通过对经典力学、相对论、量子论三大理论的学习，归纳它们近代自然科学理论发展中的历史地位和重要意义，提高分析历史问题的能力。
3．情感态度价值观
使学生认识科学真理需要勇于探索、执着追求的精神。得出“人类对客观规律的认识是不断深入”的结论。
三、教学重点、难点
重点：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；相对论发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中；量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。认清它们之间的关系，有利于了解近代物理学的发展历程。
难点：认清经典力学、相对论、量子论之间的关系，加深对其作用或意义的理解。
（二）教学过程
【导入新课】引导学生回忆中国古代科技发展的特点。
A在科技内容上：应用性强，但对事物发展规律的探索不够；
B在研究方法上：主要是典籍整理和经验总结，缺少实验；
C在科技使用上：主要服务于农业发展的需要；
D在分布上看：主要集中分布在与农业发展密切相关的农学、天文历法、数学及医学等领域。
【讲授新课】
一、经典力学
1、产生的背景
A14世纪以后，伴随欧洲资本主义的萌芽，新兴的资产阶级在经济上和政治上对自然科学产生了迫切的需要。
B文艺复兴运动解放了人们的思想，推动了自然科学研究。
C伽利略的研究成果，为经典力学的创立奠定了基础。
希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止。
16世纪末17世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思想解放，意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统的观察和实验。他将科学实验与数学相结合，进行科学研究，并强调追究事物之间的数学关系。
1590年的一天，26岁的伽利略为了证实自己论断的正确，他来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约4.5千克重的石块和约0.45千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地。1604年，伽利略在实验中发现：物体下落时的距离与所用时间的平方成正比，而物体下落的速度与物体的重量无关，这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。
伽利略的研究表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定基础。他的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。
【历史纵横】简要介绍天文学的发展历程
公元前4世纪，亚里士多德创立了“地心说”。中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。这些恰好迎合了基督教义，便被基督教用来维护圣经学说。《圣经》宣扬，宇宙和地球都是上帝耶和华创造的，地球不动位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人类是神的骄子，宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……于是，托勒密的“地心说”成了圣经，天文学成了宗教的奴婢，这种状况一直延续到哥白尼时代。
文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼在1543年提出“太阳中心说”，并写成《天体运行论》。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论；引起了中世纪宇宙观的彻底革命，沉重打击了封建教会的神权统治。1569年伽利略用自创的望远镜发现了月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
【情感培养】投影教材中的图片《伽利略面对教会的审判》
伽利略在科学领域里的重大成就，激怒了罗马教皇及其信徒们，当伽利略写了《关于两种世界体系对话》这篇科学巨著后，教会终于露出了狰狞面目，把伽利略投入了监狱。教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决：“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今后3年内，每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，至死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。
2、牛顿力学体系的产生
【史海荡舟】牛顿生平介绍
牛顿（1642—1727）是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，1665年（23岁）毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。三年后（26岁）又获得文学硕士学位。1669年（27岁），开始担任三一学院的教授。牛顿最突出的贡献是在力学方面，他在前人的研究基础上，总结出了机械运动的三个基本定律，还发现了万有引力定律。在光学方面，牛顿也作出了巨大贡献。他在1666年用三棱镜分析日光时，发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。同时，他在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律，这一定律表明：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。在天文学领域，他在1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。1687年，他发表了著名的《自然哲学数学原理》一书，用数学方式解释了哥白尼的学说和天体运动的现象，阐明了机械运动三定律和万有引力定律等。在哲学思想上，牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，被授予爵士称号。1727年病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。
标志：1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律（惯性定律、比例定律、作用与反作用定律）和万有引力定律。
特点：以实验为基础，以数学为表达形式。经典力学最显著的特征之一就是注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。另一个显著特征是它的数学化，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。
意义：
A具有科学性和预见性。牛顿力学体系对解释和预见物理现象具有决定性意义，根据牛顿力学体系，人们发现了海王星和冥王星。
B把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中，正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，实现了自然科学的一次大综合，是人类认识自然界的一次大飞跃。
C局限性：建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上，认为存在绝对静止和绝对时间，然而，随着科学的飞速发展，物理学出现一系列新现象，无法用经典力学来解释高速运动的微观粒子发生的现象，这使其陷入危机，面临着挑战。
D标志着近代科学的形成。
【探究学习】引导学生比较中国古代的传统科技与西方的近代科学的主要区别。
提示：主要从研究内容与研究方法上进行比较。
二、相对论的创立
1、历史背景：19世纪末出现了“物理学危机”
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。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，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。
2、相对论的主要内容：狭义相对论和广义相对论
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加，同时，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，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。
【开阔视野】相对论与我们的生活
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的黑洞，也相继被天文观测所证实。
爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话，会出现这样的景象：一个人坐上接近光速的火箭高去作星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年”就可用相对论得到解释。
3、意义
A物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，即：揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
B爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，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】阅读P56【学思之窗】，你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？并进一步说明相对论与牛顿力学的关系。
贡献：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。爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观，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。
关系：相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义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。
【史海荡舟】爱因斯坦生平介绍
艾伯特·爱因斯坦（1879—1955），美籍德国物理学家。1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。1921年获诺贝尔物理学奖。1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。1955年
4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论……
三、量子论的诞生与发展
1、诞生的历史背景
A
19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。
B
大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。
2、诞生与发展
1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。普朗克并由此而获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。20世纪30年代，经过众多科学家的努力量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。今天，我们的现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。量子力学和狭义相对论结合形成原子物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。
3、影响
A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、最有成就的科学理论之一。
B量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。
C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。
【本课小结】经典力学、相对论与量子论的关系
经典力学改变了自古代以来人们的认识论和方法论。相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。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。第11课 物理学的重大进展
教学目标：
1、知识与能力：
（1）识记：识记伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克等物理学家对物理学发展所作出的重大成就；
（2）理解：理解经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位；相对论和量子论诞生的原因、意义；
（3）探究经典力学体系的特点，比较相对论、量子论与牛顿力学的关系。
（4）思考“日心说”与“地心说”相比的进步性，探究经典力学体系的特点、影响。
2、过程与方法：
（1）引导学生回忆初中物理知识来促进本课的学习。
（2）通过学生预习（围绕4个物理学家，自制小课件）、课堂展示本课主要内容，促进同学的互相学习。教师给予必要的补充。
3、情感态度与价值观：
（1）科学真理需要勇于探索、执着追求的精神；
（2）科学理论在不断完善、创新，人类对客观规律的认识不断深入。
★教学重点和难点：
重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。
☆教材分析：
本课教材主要分三个目从四个方面向学生介绍物理学从16世纪末17世纪初到19世纪末20世纪初的重大成就：经典力学的重要奠基者——伽利略、经典力学的建立、从经典力学到相对论、量子论的诞生与发展。这一时期物理学方面的文字、图片、人物介绍等资料比较丰富，教师可以适当补充一些资料，提高学生学习的兴趣。
★教学过程及要点：
导入新课：
1632年，伽利略撰写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》科学巨著出版后，立刻引起教会的恐慌，把伽利略投入监狱。教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决：“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今后3年内，每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行殡礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。
那么，是什么原因导致宗教裁判所对伽利略作了如此判决？我们应如何看待伽利略在科学领域的贡献？
由此导入新课。
一、经典力学：
1、经典力学的重要奠基者──伽利略
（1）背景：文艺复兴运动的影响，即解放了人们的思想，推动了科学研究。
16世纪末17世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思想的解放，意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统地观察和实验。他将科学实验与数学相结合，进行科学研究，并强调追究事物之间的数学关系。
（2）物理学成就和意义：
●成就：发现自由落体定律等物理学定律
希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止。
伽利略首先运用理想实验的方式进行逻辑推理，从推理中发现物体下落的快慢和它的重量无关。伽利略设想，如果亚里士多德的观点是正确的，那么，让轻重不同的两个物体下落时，重的物体下落快，轻的物体下落慢。可是，把它们绑在一起让其下落会出现什么情形呢？按照亚里士多德的观点，绑在一起后的物体会比原来重的物体更重，所以它们就比重的物体下落得快。可是，从另一方面分析，绑在一起后，由于重的物体要带动轻的物体运动，它们应该比重的物体下降得慢一些。这显然是两个互相矛盾的结论。无论如何，绑在一起的两个物体只能以一个速度下落，而推理的过程又是完全正确的，因此推理的前提必然是错误的。伽利略由这个推理得出结论：物体下落的快慢与重量无关，所有物体下落快慢都是相同的。
据说1590年的一天，26岁的伽利略为了证实自己论断的正确，他来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约4.5千克重的石块和约0.45千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地。在场的数以百计的学者和观众，亲眼目睹了这一精彩的场面，伽利略用活生生的事实向人们展示了轻重相差悬殊的两个物体同时落地的现象。从而推翻了亚里士多德的错误理论，发现了物体下落的真正运动规律——自由落体定律。现在的科学史研究表明，伽利略实际上没有在比萨斜塔做落体实验。无论是当时的文献资料记录，还是伽利略的著作，在任何地方都没有这个实验的记载。况且在伽利略时代，连一般的记时钟都没有，更谈不上有准确的记时装置，这个实验当时根本就没有办法做出来，从所有的证据材料考察，这仅仅是一个传说而已。伽利略虽然没有在比萨斜塔做实验。但是，他发现了自由落体定律确是千真万确的事实。
伽利略并不满足于得到的定性结论，他又继续研究物体下落运动的定量规律，探索下落距离和所用时间的关系。为了测量时间，伽利略在一个大的盛水桶底部钻一个小孔，并安上龙头，在龙头下面放上接水容器。打开龙头水就会流入接水容器，称量容器中所接水的质量就可以确定经历的时间。伽利略又想出了一个“冲淡重力”的方法。他仔细观察小球在斜面上的运动时发现，斜面越陡，小球运动得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那么它的运动就是小球的下落运动。因此，小球下落运动可以看作是小球斜面运动的一种特殊情况。因此用斜面做实验就可以研究物体下落的规律。做斜面实验时，斜面的倾斜度可以任意调节，调节到较小的倾斜度时，小球在斜面上运动就比较缓慢，此时用他的计时装置就可以进行较为精确的研究。伽利略反复进行斜面实验，测量出小球在斜面上运动的距离和所用时间，通过推导距离、时间、速率和加速度之间的关系，伽利略得到小球沿斜面滚下或自由下落的运动都是匀加速运动的结论，又进一步发现了物体下落运动的规律——自由落体定律。即物体从静止状态开始下落运动，物体运动的距离同下落的时间的平方成正比。
他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。伽利略的研究表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定基础。他的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。
●意义：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。
自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法，因此，现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确道路。
（3）天文学成就和意义
●成就：利用自制望远镜发现许多星体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。
公元前4世纪，亚里士多德创立了“地心说”。亚里士多德认为，宇宙是一个有限的球体，分为天地两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行，物体总是落向地面。地球之外有9个等距离天层，各个天层自己都不会运动，是上帝推动了恒星天层，才带动了所有的天层。人类居住的地球，巍然不动地居于宇宙中心。
作为古希腊的最后一位大天文学家，托勒密全面承袭了亚里士多德的“地心说”，把亚里士多德的9层天扩大为11层。托勒密设想，各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”，同时假设地球并不恰好在均轮的中心，而是偏开一定的距离，均轮都是一些偏心圆；日、月、行星除了作上述轨道运行外，还与众恒星一起，每天绕地球转动一周，从而使计算结果达到了与实测的一致，取得了航海上的实用价值。
托勒密的“地心说”恰好迎合了基督教义，便被基督教用来维护圣经学说。《圣经》宣扬，宇宙和地球都是上帝耶和华创造的，地球不动位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人类是神的骄子，宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……于是，托勒密的“地心说”成了圣经，天文学成了宗教的奴婢，这种状况一直延续到哥白尼时代。
哥白尼，1473年出生在波兰托伦小城的一个商人家庭里。他10岁那年，瘟疫夺去了他的父亲。从那时起，哥白尼开始跟舅父务卡施生活在一起。18岁的时候，舅父把他送进了克拉科夫大学，在那里，思想敏锐的哥白尼对天文学和数学发生了极大的兴趣。他钻研了数学，广泛涉猎古代天文学书籍，潜心研究过“地心说”，做了许多笔记和计算，并开始用仪器观测天象，头脑里开始孕育新的天文体系。
在1543年出版的《天体运动论》中，哥白尼向人们描述了他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，有五颗当时已知的行星和地球围绕太阳旋转。《天体运行论》发表后，遭到了马丁·路德的反对和责难，他把哥白尼叫做“想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人。但并未引起罗马教廷的注意。70年后的1616年被罗马教廷列为禁书，300年后才解除禁令。
《天体运行论》虽然也存在缺点，但它在人类历史上第一次描绘出了太阳系结构的真实图景，揭示了地球围绕太阳转的本质，把颠倒了1000多年的日地关系重新颠倒过来，引起了中世纪宇宙观的彻底革命，沉重打击了封建教会的神权统治。
意大利科学家伽利略对哥白尼学说的传播和天文学的发展作出了重要贡献。1569年他自创了用以观察天体的第一架望远镜，从望远镜里他发现月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
●意义：伽利略的这些发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。
2、牛顿创立经典力学
（1）标志：1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律和万有引力定律。
牛顿（1642—1727）是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，牛顿是一个早产儿，出生时只有三磅重，接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人，并且竟活到了85岁的高龄。1665年毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。
1687年，他出版了《自然哲学的数学原理》，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合。
牛顿力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明，任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比，而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们联结起来了。此外，牛顿还确立了著名的运动三定律，即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律成为经典力学建立的标志。
经典力学最显著的特征之一就是注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。另一个显著特征是它的数学化，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。
（2）意义：
①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
②促进了天文学发展：根据牛顿力学体系，人们发现了海王星和冥王星。
【备课资料】天王星和海王星的发现
18世纪以前，人们都以为土星就是太阳系的边界。随着观测技术的进步，人类对太阳系的认识有了突破。1781年，英国天文学家赫舍尔在用望远镜观察天空时，发现在土星之外的金牛座群星中有一颗既不像恒星又不是彗星的星星，后来英国天文学家麦斯克雷弄清楚了它是一颗前所未知的行星，新行星以希腊神话中的萨都恩神（土星以此命名）的父亲、天神乌兰纳斯来命名新行星，中文译为天王星。其后人们按照当时的观测编制了天王星的运行表。但到了1830年，人们发现它的实际运行情况与运行表所推算的数值存在着明显的差别，根据万有引力理论，这种“越轨”现象使天文学家们考虑到在它的附近可能有一颗未知的行星干扰着它的运动，根据万有引力定律，人们可以从天王星的行为中推算出这颗未知行星的位置。1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯首先得出了计算结果，但未被引起重视。1846年8月，法国天文学家勒维烈经过自己的计算，公布了这颗未知行星的轨道参数。三个多星期后，德国天文学家加勒根据勒维烈计算的数据果真找到了这颗行星，这就是海王星。海王星的发现是牛顿力学在天文学运用上的伟大胜利，它标志着天体力学已趋于成熟。
③促进了光学、电磁学等与力学的统一，推动了物理学的发展。
④促进了资本主义的两次科技革命的出现和发展。
二、爱恩斯坦创立相对论：
1、历史背景：
（1）19世纪科学得到了飞速发展；
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。
这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。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，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。
（2）经典力学无法解释高速运动的微观粒子发生的现象。
经典力学认为，时间和空间与物质运动无关，存在着绝对的静止和绝对的时间。这与人们的一般看法一致。但到了19世纪，经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。
英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中，就曾谈到:“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”然而，正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现。如固体比热、黑体辐射、光电效应、原子结构cdots
cdots这些新现象都涉及物质内部的微观过程，用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力。特别是关于黑体辐射的实验规律，运用经典理论得出的瑞利——金斯公式，虽然在低频部分与实验结果符合得比较好，但是，随着频率的增加，辐射能量单调地增加，在高频部分趋于无限大，即在紫色一端发散。这一情况被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”；对迈克尔逊——莫雷实验所得出的“零结果”更是令人费解。实验结果表明，根本不存在“以太漂移”。这引起了物理学家的震惊，反映出经典物理学面临着严峻的挑战。这两件事被当时物理学界的权威称为“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的，令人不安的乌云”。然而就是这两朵小小的乌云，给物理学带来了一场深刻的革命。
2、相对论的提出及主要内容：
（1）提出：1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章，提出了著名的相对论，引发了二十世纪物理学的另一场革命。
爱恩斯坦(1879～1955)）
生于德国乌尔姆镇。1900年毕业于苏黎世理工学院。毕业后靠临时教书维持生活。1902年
6月开始任职于伯尔尼瑞士专利局。1905年在苏黎世大学完成学位论文《分子大小的新测定方法》，获博士学位。在随后的几个月中又相继在德国《物理学杂志》上发表了四篇重要论文。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授，1911年任布拉格德国大学理论物理教授。1912年回母校苏黎世理工学院执教。1914年任德国威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年因遭德国法西斯迫害前往美国，应聘为普林斯顿高级研究院教授，后入美国籍。1955年4月18日在普林斯顿逝世。
1905～1907年，爱因斯坦在物理学的三个不同领域取得了开创性的成果。第一项工作是在分子运动理论方面（1905）。他用力学和统计学相结合的方法研究悬浮粒子在流体中的运动，在理论上说明了布朗运动产生的原因，并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目。这一理论上的预见于1908年被法国物理学家J.-B.佩兰的实验所证实。
爱因斯坦的第二项工作对发展量子论起了推动作用。他认为光束的能量在辐射、传播和吸收过程中都具有量子性，从而完满地解释了光电效应经验规律。同时，他还把量子说同波动说并列起来，第一次揭示了光具有“波粒二象性”,为后来L.-V.德布罗意提出物质波理论和E.薛定谔发现波动方程以及随后的量子力学的建立开辟了道路。为此，爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。1906年，他用量子论假设说明了固体比热对温度的依赖关系。1916年，他从N.玻尔的量子跃迁概念导出黑体辐射谱，提出了受激辐射概念。
作为他终生事业标志的相对论。1905年，他发表了题为《论动体的电动力学》的论文，建立了狭义相对论。这一理论把经典力学作为低速时的特殊情况包括在内，揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，力学运动和电磁运动在运动学上的统一性。他还导出相对论最重要的结果之一──质能的相当性。1915年，爱因斯坦从引力质量和惯性质量的等效性出发，建立了广义相对论。1917年，他发表宇宙学的开创性文献《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》，提出了宇宙有限无边的假说。爱因斯坦晚年致力于统一场论的研究。
（2）内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。
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加，同时，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，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。
狭义相对论：1905年6月，爱因斯坦完成题为《论运动媒质的电动力学》的论文，提出了狭义相对论。此后，爱因斯坦又连续发表几篇论文，建立起狭义相对论的全部框架。
爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。第一个假设是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关；第二个假设是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。从两个基本假设出发，爱因斯坦得出如下新的结论：（1）运动物体在运动方向上长度缩短。（2）运动着的时钟要变慢。（3）任何物体的运动速度都不可能超过光速。（4）同时性是相对的，在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个运动着的惯性系中测量便不是同时发生的。（5）如果物质速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，比起牛顿力学来，相对论力学具有更普遍的意义。（6）物体的能量等于物体的惯性质量乘以光速的平方。
爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话，一个以这样速度运动的人，在另一个静止的观察者看来就可能只是一条线。另外还会出现这样的景象：一个人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去作星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年”就可用相对论得到解释。
广义相对论：1915年，爱因斯坦完成了创立广义相对论的工作，并于1916年写成总结性论文《广义相对论的基础》。这篇论文的发表宣告了广义相对论的诞生。
广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论，它指出空间、时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布。狭义相对论已指出时间、空间是一个整体，即四维时空。广义相对论进一步指出，物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现。如果物质消失，时空就回到平直状态。
广义相对论认为，质点在万有引力作用下的运动，如地球上的自由落体、行星围绕太阳的运动等，是弯曲时空中的自由运动——惯性运动。它们在时空中描出的曲线，虽然不是直线，却是直线在弯曲时空中的推广——短程线，即两点之间的最短线。当时空恢复平直时，短程线就成为通常的直线。
可以打这样一个比方来说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角，床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或匀速直线运动状态不变（假设床单是足够光滑的，微小的摩擦力忽略不计）。如果在床单中央放一个铅球，床单就会凹下去，这个二维空间就弯曲了。这时，如果再放置一个小玻璃球，它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点，这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球的存在使空间弯曲了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由（惯性）运动。
当然，上面这个比喻，说的只是“空间”弯曲，而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了。行星绕日运动，就是在弯曲时空中的惯性运动，行星轨道是四维时空中的短程线，根本就不存在什么万有引力。
广义相对论指出，在引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里德几何，而是遵循非欧几何，并得出结论：现实的物质空间不是平直的欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间（即三角形三个内角之和大于180度、曲率为正的空间），它的弯曲度取决于物质在空间的分布情况。物质密度大的地方，引力场的强度也大，空间弯得也厉害，时间也要相应地变慢。爱因斯坦为了证明广义相对论思想的正确性，他作出了三个预言：
第一，水星近日点的运动。自1859年发现水星近日点的运动以来，有每百年43秒的变动是用牛顿力学无法解释的。曾有人怀疑这是由一颗未发现的星引起的，但天文观测一直没有发现这颗星。爱因斯坦广义相对论，通过理论计算说明，太阳引力使空间弯曲，水星近日点的进动每百年就应有43秒的剩余值。
第二，光谱线的引力红移，即在强引力场中，光谱应向红端移动。这一结论后来被天文观测所证实。
第三，引力场使光线偏转。爱因斯坦预言，光线经过太阳表面，将会发生1.75秒的偏转。1919年5月29日发生日全食，在英国天文学家爱丁顿的建议下，英国皇家学会组织了两路观测人马，分赴巴西北部的索布拉尔和西非的普林西比岛，拍摄了日全食时在太阳周围看到的恒星照片。爱丁顿把这些照片和半年后的夜晚拍摄的天空同一位置的照片进行细致的对照，最终结论是，星光在太阳附近的确发生了偏转，并且数值与爱因斯坦的预言极为接近。这结果一公布，立即轰动了世界。人们开始把爱因斯坦与牛顿相提并论。
【合作探究】狭义相对论和广义相对论的区别
提示：狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。
3、意义：
（1）相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。即：揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
（2）爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，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。
三、量子论的诞生与发展：
1、诞生的背景：
（1）19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。
（2）大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。
2、量子论的诞生、发展和量子力学：
（1）诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。
普朗克（1858.4.23.―1947.10.3）德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。普朗克在慕尼黑度过了少年时期，1874年入慕尼黑大学。1879年普朗克在慕尼黑大学得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年基尔霍夫逝世后，柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人（先任副教授，1892年后任教授）和理论物理学研究所主任。他一生发表了215篇研究论文和7部著作，其中包括1959年所著的《物理学中的哲学》一书。在普朗克诞辰80周年的庆祝会上，人们“赠给”他一个小行星，并命名为“普朗克行星”。
普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。
（2）发展：
①爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。
②丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。
③经过这些科学家的共同努力，到1925年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。
量子力学(Quantum
Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。
量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。
量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯（又称海森堡，下同）和泡利（pauli）等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。
1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。
3、量子论和量子力学的影响：
（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、最有成就的科学理论之一。
（2）量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并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。
在量子论基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。同时，也标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到了微观世界。
相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地理学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。
★问题解答
⊙【学思之窗】
你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？
答案提示：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。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。
⊙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。
⊙学习延伸
20世纪初，爱因斯坦提出相对论后，核能研究得到迅速发展。请查找资料，了解20世纪核能研究发展的基本情况，谈一谈这一研究的发展对人类社会产生了哪些影响？
答案要点提示：略。(本题的核心是培养学生查阅资料和组织材料的能力，应该鼓励学生通过不同方式组织材料，鼓励他们积极发表意见)第四单元 近代以来世界的科学发展历程
单元设计
文艺复兴以来，由于人的思想从宗教束缚中解放出来，重视实践和理论的结合，促进了科学技术的迅速发展，尤其是欧洲的自然科学取得了巨大成就。在物理学、生物学、化学等众多领域，理论研究取得了很多划时代的成果。
本单元共分三课，为我们系统地介绍了近代以来自然科学在理论研究方面取得的划时代成果和人类社会的三次科技革命，及其对人类生活和社会进步的巨大作用。第一课“物理学的重大进展”，主要内容包括伽利略在自然科学领域的重大贡献及其意义，经典力学的建立及其积极意义，相对论和量子论的主要内容。第二课“破解生命起源之谜”，介绍生物学的进步及其影响。第三课“从蒸汽机到互联网”，主要介绍三次科技革命的进程和对人类社会的影响。
在学习本单元过程中要突出了解这一时期科学家取得的重要成果以及对人类生活和社会进步的作用，同时也要关注这些科学巨匠勇于探索、执著追求的科学精神。
本单元的重点有：
（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）简述进化论的主要观点，概括科学与宗教在人类起源问题上产生分歧的根源。
（3）以蒸汽机的发明和电气技术的应用等为例，说明科学技术进步对社会发展的作用。
（4）知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
（5）以网络技术为例，理解现代信息技术对人类社会的影响。
第11课 物理学的重大进展
整体设计
本节概述
联合国大会指出“物理学是认识自然界的基础”“物理学是当今众多技术发展的基石”“物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础”，可见物理学在认识世界、改变人类社会、提高人的科学素质等方面有着重大的作用。
近现代物理学发展史是一部一代代物理学家精心实验观察、大胆质疑、开拓创新、发现真理、坚持真理、推动人类文明前进的历史。伽利略以其勤奋、执著和智慧开创了科学实验的道路，开启了物理学的科学研究大门；牛顿站在巨人的肩膀上，集前人之大成奠定了经典物理学的基石；20世纪以相对论和量子力学为基础的现代物理学的发展，使人类的视野既深入到微观世界，又延伸到宇宙深处。现代物理学的广泛应用使人类文明进入到一个日新月异迅猛发展的时代。可以说物理学奠定了现代人类文明发展的基础。
本课分三小目介绍了从16世纪末17世纪初到19世纪末20世纪初物理学的每一次重大进步。第一目“经典力学”讲述伽利略进行科学研究的背景，他在物理学方面和天文学方面的重大贡献和意义；牛顿经典力学建立的背景及概况，经典力学建立的标志及其显著特征，还分析了经典力学建立的重要影响。第二目“相对论的创立”分析了相对论提出的历史背景，讲述了相对论的提出及其主要内容，分析了相对论提出的历史意义。第三目“量子论的诞生与发展”首先分析量子论诞生的背景，接着介绍了量子论的诞生和发展及量子力学，最后分析了量子论及其影响。
思路设计
●教学重点
伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
●教学难点
爱因斯坦的相对论。
●教具准备
（1）准备多媒体设备（电脑、液晶投影仪、视频展示台）及网络设备。
（2）制作多媒体课件。
●课时安排
1课时
●教学方法
本节课主要采用讲述和提问法进行，由于本课内容理论性较强，课堂上可多采用问题比较法、问题探究法，引导学生思考、讨论，进行教学，使学生从感知历史中不断积累历史知识，进而不断加深对历史和现实的理解过程；同时借助物理学方面比较丰富的课外资料、图片、人物等资料，注重探究学习，善于从不同的角度发现问题，积极探索解决问题的方法，养成独立思考的学习习惯。
三维目标
知识与技能
（1）知识点：伽利略的发现以及他开始的科学研究方法；经典力学体系的建立及其标志；狭义相对论和广义相对论，海王星、冥王星的发现，量子论的诞生和发展。
（2）技能
了解：16世纪末17世纪初物理学方面取得突出成就的历史条件；相对论和量子论诞生的原因、意义。
运用：思考“日心说”与“地心说”相比的进步性；探究经典力学体系的特点、影响；归纳量子论的发展过程。
过程与方法
通过引导学生对近代以来物理学的重大发展的讨论和分析，培养学生运用历史唯物主义和辩证唯物主义观点分析、比较和评价历史问题的能力。
情感态度与价值观
（1）通过对伽利略等科学家不畏艰难追求真理的事例的讲述，培养学生勇于探索、执著追求和捍卫真理的优良品质，以及为理想献身的精神，对其进行正确的世界观和人生观的教育。
（2）通过对近代以来物理学的重大发展的讲述，使学生认识到科学理论是不断完善、创新的，人类对客观规律的认识是不断深入的。
教学设计
导入设计
图片导入→
世界物理年学术报告会海报
“世界物理年”邮资明信片
师生互动：为什么要把2005年定为“世界物理年”呢？
1905年，爱因斯坦先后发表了5篇具有划时代意义的论文，为相对论的建立奠定了基础，为量子理论的发展作出了重要贡献。为纪念这一奇迹100周年，全球物理学界一致呼吁2005年为“世界物理年”。爱因斯坦是近现代众多为世界文明发展作出巨大贡献的物理学家的代表。今天我们就来学习爱因斯坦等众多科学家在近现代物理学领域的杰出成就。
情境导入→
北京时间4月9日19时整，信 上海崇明：从这里传遍中国
号从韩国抵达中国首站上海
北京站：环球光束昨晚耀长城
信号从保定传给俄罗斯和印度
图为保定学生手持光源
师生互动：2005年当地时间4月18日傍晚，从美国普林斯顿，一道朝西方射出的激光束照耀整个天空，一个名为“物理学照亮世界（Physics
Enlightens
the
World）”的活动就此开始了。4月19日进入中国，以上海为起点，兵分两路，每隔5分钟由一城市向另一城市传递信号，途经31个省（市、自治区），共34个城市，最后同时汇聚到北京，之后再分别传送到俄罗斯和印度。北京时间4月19日19点至21点被定为“中国时间”。活动是为了纪念一个人，是为了纪念哪位伟人？
是为了纪念20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。这一天正是他逝世50周年纪念日。2004年6月10日，联合国大会召开第58次会议，会议鼓掌通过了2005年为“国际物理年”的决议。“物理照耀世界”光束传递活动就是“2005——世界物理年”全球纪念活动的组成部分。那么近现代物理学是如何产生发展的？又对现代文明产生了哪些影响？下面我们系统地探究近代物理学的发展历程。
（多媒体课件打出课题）
第11课 物理学的重大进展
推进新课
问题情境1：阅读材料并结合教材P54相关内容，思考伽利略进行科学研究的背景，他一生有哪些科学贡献？
（板书）一、经典力学的建立
1.经典力学的奠基者——伽利略
多媒体展示材料：
伽利略（Galileo
Galilei，1564～1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。他通过理论分析与实验推翻了亚里士多德的力学体系并建立了近代力学。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。他工作中体现出的“实验－模型”思维方法成为至今实验科学研究的基石，为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”
伽利略开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。
伽利略的折射式望远镜 伽利略绘制的第一幅月面图
师生互动：中世纪农业、手工业的发展为近代科学提供了物质条件。14世纪发端于意大利、随后波及整个欧洲的文艺复兴运动，是一场思想文化解放运动，不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且由于它对经院哲学的蔑视和拒斥，对现实世界和世俗生活的关注、对古典文化资源的挖掘，提倡注重科学实验、注重实践的人文主义精神为近代自然科学的诞生创造了非常有利的文化氛围，同样它也为伽利略进行科学研究提供了重要的社会前提。
（板书）（1）背景：伽利略进行科学研究的背景
物质条件——中世纪农业、手工业的发展；
社会前提——文艺复兴运动的兴起。
自主学习：从材料可以看出伽利略一生的科学成就主要表现在两个方面：
（板书）（2）主要成就
物理学方面：突出成果——创立自由落体定律。
天文学方面：制造天文望远镜、证明哥白尼“日心说”的正确性。
问题情境2：比较一下伽利略和亚里士多德关于运动观念的不同之处，并说明伽利略创立的自由落体定律与他制造望远镜证明“日心说”的正确性在当时的积极意义。
师生互动：亚里士多德（约前384～前322年）是古希腊著名的哲学家、科学家和教育家。他首次将哲学和其他科学区分开来，开创了逻辑学、伦理学、政治学和生物学等学科的独立研究。他的学术思想对西方文化、科学的发展产生巨大的影响。
亚里士多德认为，外力是维持运动状态的原因。伽利略则认为，外力并不是维持运动状态的原因，而是改变运动状态的原因。
过程评价：1604年，伽利略在实验中发现：物体下落时的距离与所用时间的平方成正比，而物体下落的速度与物体的重量无关，这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。伽利略的研究明确表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定了基础。
过渡：中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼提出“太阳中心说”，并写成《天体运行论》。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论。
学习探究：伽利略是利用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人。他用这个望远镜来观测天体，发现了月球表面的凹凸不平，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成，等等。这些发现开辟了天文学的新时代。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。他的这些发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。由于伽利略的发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确，所以他遭到了教会的审判。
多媒体展示材料：
伽利略（1564～1642）面对教会的审判
伽利略在科学领域里的重大成就，激怒了罗马教皇及其信徒们，当伽利略写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》这篇科学巨著后，教会终于露出了狰狞面目，把伽利略投入了监狱。教皇乌尔班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决说：“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑，刑期由我们掌握，为了有益于补赎，命令你在今后3年内，每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言，竟使伽利略蒙冤三百多年，至死都没有撤销判决，甚至死后还被禁止举行葬礼，不准葬入圣太克罗斯墓地。当然正如伽利略所说的：“真理就是具备这样的力量，你越是想要攻击它，你的攻击就愈加充实了和证明了它。”不过，由此可见伽利略的科学研究并不是非常顺利，而是要面对各种困难的威胁，但他仍然为天文学、为物理学作出了巨大的贡献。
问题情境3：我们能从中学习到什么东西呢？
自主学习：要学习伽利略那种勇于探索、执著追求和捍卫真理的优良品质，以及为理想献身的精神，培养和树立正确的世界观和人生观。
问题情境4：伽利略科学研究的主要意义有哪些？
（板书）（3）意义
①他的发现和他开始的科学研究方法，标志着物理学的真正开端。
②为经典力学的创立奠定了基础。
③开创了近代科学。
过渡：刚才我们介绍的经典力学的奠基者伽利略在物理学和天文学方面的巨大贡献，主要涉及的是16世纪末17世纪初物理学的发展情况，17～18世纪时物理学经过牛顿的发展最终建立起经典力学。
（板书）2.经典力学的建立
（1）牛顿
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牛顿是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿对人类的贡献是巨大的，正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学；由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学；由于认识了力的本质，而创立了科学的力学。”为纪念牛顿的贡献，国际天文学联合会决定把662号小行星命名为牛顿小行星。
问题情境5：牛顿在科学上的贡献是多方面的，他最主要的贡献是什么呢？
(板书)（2）贡献
师生互动：牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献，最重要的是在力学方面。
过程评价：17～18世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学，在经典力学的建立中，曾有许多科学家为之付出心血，牛顿是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。
问题情境6：经典力学建立的标志是什么？
(板书)（3）建立标志
师生互动：经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。
过程评价：万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们联结起来了。
运动三大定律即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。
（板书）《自然哲学的数学原理》的出版标志着经典力学的成熟。
过程评价：《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动的普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类对自然界认识的第一次综合。
问题情境7：阅读教材P55相关内容思考：牛顿力学体系有何显著特征？它的建立有何意义？
自主学习：经典力学建立了一套与古代和中世纪不同的自然观和方法论，它有两个显著的特征，即注重实验与数学化。
（板书）（4）经典力学体系特征
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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。
自主学习：理论的威力在于其预见性，人们根据牛顿理论的推测先后发现了两颗新的行星：海王星、冥王星，新的行星的发现证明了牛顿理论的预见性和科学性。
（板书）（5）意义：牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后，光学、电磁学等与力学的进一步统一，大大推动了物理学的发展。
过渡：牛顿力学体系虽然有着巨大的影响，但由于其本身还有不完善的地方，随着科学研究的不断深入，仅用经典力学理论已无法解决越来越复杂的物理问题。在这种情况下，19世纪末20世纪初物理学发展进入新阶段即物理学界出现了一种崭新的革命性的理论——相对论。
（板书）二、相对论的创立
问题情境8：爱因斯坦创立相对论的原因是什么？相对论的主要内容是什么？相对论的创立有何意义？
（板书）1.背景
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到19世纪末，经典力学取得了前所未有的进步和成功。在物理学领域，牛顿的力学体系一度被看作是对科学根本问题的最终解答，以此为基础，人们统一了声学、热学、光学和电磁学，描绘出了一幅小到原子、大到宇宙天体的似乎是最终和一劳永逸的世界图景。
然而，正当人们认为物理学已经达到了顶峰，并陶醉于这种“完美的”境界时，出乎意料地爆发了物理学的危机。
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。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，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。
师生互动：19世纪科学得到飞速发展，而经典力学无法解释高速运动微观粒子发生的现象，所以物理学发展遇到了危机。爱因斯坦在此时刻提出了相对论，从而发展了牛顿力学，把物理学发展到一个新的高度。
(板书)2.相对论的内容
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爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14日生于德国的乌尔姆，1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。1905年，年仅26岁的爱因斯坦发表了三篇论文，在物理学三个不同领域取得了历史性成就，特别是狭义相对论的提出，使人类对于空间、时间和物质运动的认识发生了革命性变化，标志着物理学新纪元的到来。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，这是继狭义相对论之后，近代科学的又一个重大成就。除在光电效应、相对论等方面作出举世皆知的杰出贡献外，他关于布朗运动的研究成果，由于对大量无序因子的规律性把握，成为当今最热门的金融数学的基础；他提出的激光受激辐射的概念，在几十年后的今天得到了广泛的应用；他与玻尔进行的论战中提出的EPR佯谬，至今仍是理论物理学和科学哲学界不断探讨的话题……爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，还是一位和平主义者。他目睹了两次世界大战对人类文明的摧残，认为和平是人类的首要问题。1955年4月，弥留之际的爱因斯坦签署了《罗素─爱因斯坦宣言》，呼吁人们团结起来，防止新的世界大战爆发。
师生互动：相对论包括狭义相对论和广义相对论。1905年爱因斯坦提出了狭义相对论和光速不变原理，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。
过程评价：过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。而相对论建立的突破口就是对人们千百年来所习惯的盲目的“同时性”观念的推翻。爱因斯坦经过研究，打破了传统的绝对时空观，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。狭义相对论认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。
当速度接近光速时，时间变慢而质量增加
自主学习：1916年，爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。
在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论认为，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。
过程评价：在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论指出：空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间结构和性质取决于物质的分布，使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。广义相对论又被认为是一种引力理论。
过渡：2005年被联合国教科文组织确定为“世界物理年”，就是为了纪念爱因斯坦1905年先后发表5篇具有划时代意义的论文，为相对论的建立奠定了基础，为量子理论的发展作出了重要贡献。
(板书)3.意义
自主学习：相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，即揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
相对论的提出也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，作为人们探索自然奥秘的强有力的理论武器，为物理学的发展开辟了一个全新的方向，为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。
过渡：相对论是物理学的一次重大革命，在19世纪末20世纪初物理学的另一个重大成就是量子论的诞生与发展。相对论与量子论共同构成了现代物理学的基础。
问题情境9：量子论是在什么背景下产生的？又是如何发展的？在量子论研究方面作出杰出贡献的科学家有哪些？量子论的建立有什么意义？
（板书）三、量子论的诞生与发展
1.背景
自主学习：19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。但大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。
（板书）2.量子论的诞生
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普朗克，德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。
普朗克的伟大成就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。
1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。
自主学习：1900年，德国物理学家普朗克在柏林德国物理学会上宣读了他的划时代论文《论正常光普能量分布定律》，在这篇论文中他提出了一个假说，而正是这个假说宣告了量子论的诞生。
(板书)3.量子论的发展
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量子论与物理学的传统原则是相违背的，所以它曾遭到很多人的怀疑，但是量子论的发展趋势是不可逆转的，此后又有众多的科学家为它的发展作出了贡献，爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，丹麦物理学家玻尔提出了有关原子的量子理论，进一步推动了量子论的发展。经过众多科学家的共同努力，到20世纪30年代量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。
自主学习：在量子力学理论研究方面，普朗克、爱因斯坦、玻尔等物理学家都作出了自己的贡献，经过众多科学家不懈的努力，量子力学最终在20世纪30年代建立起来。
（板书）4.量子论建立的意义
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江泽民在接受美国《科学》杂志独家专访时强调指出：“可以说，没有量子理论，就不会有微电子技术。如果没有相对论，就不会有原子弹，也不会有核电站。”相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。
自主学习：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。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。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，改变了人们认识世界的角度和方式。
课堂小结
19世纪以牛顿力学为代表的经典物理学的发展日趋成熟，并达到了高峰。但是随着时代的发展和科技的进步，一些新的研究发现对它提出了挑战，导致了经典物理学的危机。相对论和量子力学的确立掀起了一场物理学革命。量子力学和狭义相对论结合形成的原子核物理学，是物理学革命的高潮，对其他学科产生了历史性影响，人类对自然界的探索又跃上了一个新的高度。物理学的发展给了我们这样的启示：要敢于质疑，勇于创新，实践才能出真知。
板书设计
物理学的重大进展
活动设计
爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“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最有光辉的巨星之一。”2005年是爱因斯坦逝世50周年纪念。如果搞一个纪念活动，让你用一句话来说说自己对爱因斯坦和他的理论的理解，你应该怎么说？看看谁说的最好！
思路引领：只有对爱因斯坦的生平和他的理论有全面的理解才会有精辟的概括和评论。建议利用互联网查找有关资料，然后根据自己的了解，说出一句精辟的评述。如“他是一个用理性而不是暴力成功地改变人类世界观的人”；通过查找资料了解他目睹了两次世界大战对人类文明的摧残，认为和平是人类的首要问题，指出“他不仅是一位伟大的科学家，还是一位和平主义者”，只要言之有理均可。
习题解答
学思之窗
你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？
解题关键：适应时代的需要，推动科学的发展。
思路引领：牛顿创立经典力学；爱因斯坦提出相对论。
答案提示：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。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。
探究学习总结
一、本课测评
相对论和量子论的出现，有什么意义？
解题关键：考查物理学发展的意义。
思路引领：设问有两点：相对论出现的意义、量子论出现的意义。依据教材内容回答即可。
答案提示：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。
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。
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。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，改变了人们认识世界的角度和方式。
二、学习延伸
20世纪初，爱因斯坦提出了著名的质量能量公式?Ｅ＝mc2，这一理论为核能的开发提供了依据。第二次世界大战期间和战后，核能研究得到迅速发展。请查找资料，了解20世纪核能研究发展的基本情况，谈一谈这一研究的发展对人类社会产生了哪些影响。
解题关键：核科学发展的重大影响。
思路引领：从正反两方面正确评价其影响。
答案提示：核技术的发展给世界带来紧张和不安，同时也可以维护世界和平；核武器曾经给人类带来毁灭性的灾难，我们也可以利用核技术为人类服务，造福社会。第11课 物理学的重大进展 教案
一、教学目标
1、识记伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克等物理学家对物理学发展所作出的重大成就；
2、理解经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位，经典力学体系的特点、影响。
3、掌握相对论和量子论诞生的原因、意义。
二、重点难点
1、重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；
相对论的提出；量子论的诞生。
2、难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。
三、教学方法
1、补充相关材料，分析16世纪中期以后科学发展的背景，了解伽利略和牛顿在物理学发展上的贡献，进一步了解经典力学的主要内容。初步掌握用探究的方法得出“经典力学逐步发展的理论层次和重要内容”。
2、依据教材56页“学思之窗”的内容，分析相对论的重要内容，掌握观察阅读、获取信息的学习方法。
3、通过对经典力学、相对论、量子论三大理论的学习，归纳它们近代自然科学理论发展中的历史地位和重要意义，提高分析历史问题的能力。
四、教学过程
新课导入
先概述思想解放、科学勃兴和生产力发展的关系然后直接引入本课讲解：《物理学的重大进展》设置疑问：亚里士多德以来的物理观是怎样的？
落体的速度与重量成正比；
物体从来都是静止的，除非你用力推它才开始运动
这种点自亚里士多德以来一直被奉为经典，直到伽利略的横空问世，开始打破这种思想权威，他提出：
落体的下落速度与质量无关
外力不是维持，而是改变运动状态的原因。
该观点的问世，揭开了物理研究的新篇章，伽利略后来也被誉为“近代科学之父” ，成为为经典力学奠基者。
下面，我们来学习第一框：经典力学。
新课讲授
一、经典力学
1．经典力学的奠基者——伽利略
（1）背景:
(十六七世纪)
①
物质条件：资本主义的发展
②
思想条件：文艺复兴运动的影响
（2）成就：
①
物理学：
外力只是改变运动状态的原因
发现了自由落体定律
②
天文学：用自制的望远镜发现了许多星体，证明了哥白尼提出的“日心说”的正确性。
【历史纵横】简要介绍天文学的发展历程
公元前4世纪，亚里士多德创立了“地心说”。中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。这些恰好迎合了基督教义，便被基督教用来维护圣经学说。《圣经》宣扬，宇宙和地球都是上帝耶和华创造的，地球不动位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人类是神的骄子，宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……于是，托勒密的“地心说”成了圣经，天文学成了宗教的奴婢，这种状况一直延续到哥白尼时代。
文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼在1543年提出“太阳中心说”，并写成《天体运行论》。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论；引起了中世纪宇宙观的彻底革命，沉重打击了封建教会的神权统治。1569年伽利略用自创的望远镜发现了月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
（3）意义：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（特征：观察和实验），为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。
2．经典力学的建立者——牛顿
【史海荡舟】牛顿生平介绍
牛顿（1642—1727）是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，1665年（23岁）毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。三年后（26岁）又获得文学硕士学位。1669年（27岁），开始担任三一学院的教授。牛顿最突出的贡献是在力学方面，他在前人的研究基础上，总结出了机械运动的三个基本定律，还发现了万有引力定律。在光学方面，牛顿也作出了巨大贡献。他在1666年用三棱镜分析日光时，发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。同时，他在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律，这一定律表明：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。在天文学领域，他在1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。1687年，他发表了著名的《自然哲学数学原理》一书，用数学方式解释了哥白尼的学说和天体运动的现象，阐明了机械运动三定律和万有引力定律等。在哲学思想上，牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，被授予爵士称号。1727年病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。
牛顿所处时代的时代特征：
（17世纪中叶至18世纪初）
①
经济上：资本主义发展到手工工场时期
②
政治上：资本主义制度在英国确立
③
思想上：启蒙运动逐渐兴起和发展
（1）建立标志：《自然哲学的数学原理》
（2）主要内容:物体运动三大定律和万有引力定律
（3）显著特征:以实验为基础，以数学为表达形式
（4）影响：对解释和预见物理现象，具有决定性意义
二、相对论的创立——爱因斯坦
1、背景：“物理学危机”
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。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，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。
2、内容：狭义相对论和广义相对论
3、意义：
①
是物理学领域的一次重大革命（否定了……发展了……）
②
改变了人们认识世界的角度和方式
【探究学习】你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？并进一步说明相对论与牛顿力学的关系。
贡献：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。爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观，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。
关系：相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义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。
【史海荡舟】爱因斯坦生平介绍
艾伯特·爱因斯坦（1879—1955），美籍德国物理学家。1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。1921年获诺贝尔物理学奖。1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论……
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
②
实验表明微观粒子的运动不能用经典力学的理论进行描述
2、诞生：1900年，德国普朗克提出量子假说
3、发展：
①
爱因斯坦利用量子理论解释光电效应
②
波尔提出有关原子的量子理论
4、建立：20世纪30年代，一门新的物理学分支---量子力学建立起来
5、意义：
A．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、最有成就的科学理论之一。
B．量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。
C．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。
本课小结
请记住爱因斯坦的话吧：“没有能独立思考和独立判断的有创造性的个人，社会的向上发展是不可想象的。”
经典力学、相对论、量子论之间的关系。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；相对论发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中；量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。
五、教学后记人教版历史必修3第3单元第11课《物理学的重大进展》教案
教学目标
知识与技能
1．识记：伽利略的贡献和他的科学研究方法；经典力学体系的建立过程；相对论的基本内容，知道它是物理学的一次重大革命；普朗克量子论的诞生。
2．理解：16世纪末17世纪初物理学方面取得突出成就的历史条件；相对论、量子论诞生的原因、影响。
3．运用：比较“日心说”和“地心说”，讨论其进步性；归纳量子论的发展过程。
过程与方法
1．运用问题探究和自主实验，了解物理学成就的取得与近代科学研究方法形成之间的联系。
2．运用历史比较的方法，认识物理学的发展历程。
情感态度与价值观
1．了解近代自然科学不断突破、取得成就的过程，认识科学无止境，科学真理的魅力在于它的不断完善和不断创新。
2．一切科学成就的取得都是科学家们艰辛努力的结果，认识科学家们勇于探索、执着追求的精神。
重点与难点
重点
伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
难点
物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。教学过程
教学过程
导入新课
邓小平同志曾经说过，科学技术是第一生产力。当我们走进世界近代科学的殿堂，便会更深刻地感受到这一结论的伟大之处。伽利略、牛顿、爱因斯坦……这些在世界科学史上闪耀着璀璨光芒的科学巨匠，以他们伟大的科学发现使人类逐步从农业文明进入工业文明，又从工业文明跨入信息社会的新时代，给整个人类社会带来了广泛而深刻的革命性变化。同时他们那种敢于坚持真理、不畏强权的科学精神也为我们后人树立了榜样。
联想质疑
近代自然科学在物理学领域取得了哪些主要成就？
新课学物理学有哪些重大成就？是哪些科学家研究的结果？
近代物理学经历的三个发展阶段：
一、经典力学的奠基和建立——伽利略和牛顿；
二、从经典力学到相对论——爱因斯坦；
三、量子论的诞生和发展——普朗克。
一、经典力学的奠基者——伽利略
1．背景
（1）文艺复兴运动的影响。文艺复兴运动解放了人们的思想，为把自然科学从神学中解放出来创造了必要的条件。
（2）资产阶级在经济上和政治上对自然科学的迫切需要。
（3）自然科学自身发展的需要。资本主义生产方式的产生和发展，不仅向自然科学提出大量的研究课题，还提供了丰富的经验材料以及新的科学实验条件。
2．伽利略的生平
伽利略（1564～1642），意大利的物理学家和天文学家。他出生于比萨城一个家道中落的贵族家庭。伽利略从小聪明好学，才智过人，具有极强的独立精神，遇事好寻根问底，并养成观察、思考和亲自实验操作的习惯，从不迷信权威和盲从他人。他才华横溢，能言善辩，锋芒毕露，在比萨大学获“辩论家”的绰号。这些品质，为他以后取得卓越科学成果创造了条件。
[过渡]伽利略的一生贡献是多方面的，首先了解他在物理学特别是力学方面的贡献。
3．伽利略的贡献
（1）对物理学的贡献
①发现自由落体定律。
②确定了匀速运动、加速运动这两个物理概念。
③通过研究提出力不是维持物体运动状态的原因，而只是改变物体运动状态的原因，从根本上改变了亚里士多德以来的力学观念，为经典力学的建立奠定了基础。
做一个简单的物体运动演示实验，结合实验，对伽利略在物理学方面的成就加以介绍
（2）对天文学的贡献
①利用自制望远镜观察天体的第一人。
②证明了哥白尼“日心说”的正确。
4．伽利略的贡献的意义
只要木星的光芒在天空中闪耀，地球上的人就永远不会忘记伽利略。
——乌尔班八世1624年给费迪南德大公爵的信
伽利略的一生是为科学真理战斗的一生。他以力学上的一系列重要发现，为经典力学体系的建立提供了重要的基础；他注重观察和实验，强调数学与实验相结合、演绎与实验相结合，成为实验科学的创始人；在天文学方面的一系列主要发现，为哥白尼的日心说提供了坚实的基础。
二、经典力学的建立——牛顿
1．牛顿的生平
伽利略是力学的奠基者，他在世时就曾预见说：“一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。”那个比他更敏锐的人就是牛顿。
牛顿，1643年诞生于英国林肯郡的一个小镇乌尔斯索普的一个农民家庭。牛顿在中学时代学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有好奇心，并有很好的技巧，喜欢别出心裁地做些小工具、小发明、小实验。牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，成为一名优秀的学生，1665年毕业于剑桥大学并获学士学位。1669年，年仅26岁的牛顿就担任了剑桥大学的教授，1672年他被接纳为英国皇家学会会员，1703年被选为皇家学会主席。牛顿于1727年3月逝世，国葬于伦敦威斯敏斯特教堂。
2．牛顿经典力学体系建立的标志
“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。“
——《自然哲学的数学原理》序言
1687年，牛顿发表了巨著《自然哲学的数学原理》，在这本书中，牛顿确立了物体机械运动的三大定律，即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律成为经典力学的基础、近代物理学的重要支柱。同时，牛顿还以独特的思考方式，从研究地球对月球的引力人手，成功地导出了著名的万有引力定律。
这样，牛顿在运动三定律和万有引力定律的基础上，建立起人类历史上第一个完整的科学体系——牛顿力学体系，为以后科学的发展树立了一个光辉的典范。
3．牛顿经典力学体系的显著特征
牛顿经典力学体系最显著的特征之一就是注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。另一个显著特征是它的数学化，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。
4．牛顿经典力学体系建立的意义
（1）科学的验证
牛顿成功预言彗星的出现。应用万有引力定律，说明和计算了彗星的运动轨道。“笔尖下的行星”的发现。1781年，天文学家赫舍尔发现天王星，距太阳约28亿公里，环绕太阳一周要84年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还应该存在另一颗星。当时，天文学家列威尔、亚当斯根据牛顿的理论计算出了该星的轨道。柏林天文学家伽列于1846年9月23日在列威尔推算处相距不到10的地方发现了这颗星——海王星。后来，人们在类似的情况下又发现了另一颗行星一一冥王星。这再次验证了牛顿万有引力定律的正确性，大大拓宽了天
文科学家的视野。
（2）近代科学的形成
牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后，光学、电磁学等与力学的进一步统一，大大推动了物理学的发展。经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
（3）推动物理学的发展
牛顿对科学的贡献是前无古人的。从本质上讲，在科学研究的方法上，牛顿继承了伽利略的实验方法和数学方法，发展了数学方法，发明了“流数”（即微积分），并用方程式来描述自然规律，用严密的数学推导对实验和观察进行分析和综合。牛顿正是应用他独创的、在当时是最先进的数学方法，在三个运动定律和万有引力定律的基础上建立起他的力学体系的。可以说，伽利略为科学的发展打下了坚实的地基，牛顿则在这个地基上面建立起了气势恢弘的科学殿堂。牛顿正是伽利略所期待的“头脑更敏锐”的人，是一位站在巨人们肩膀上的巨人。
为什么说牛顿力学体系引起人类认识上的巨大飞跃？
牛顿力学体系对自然界的力学现象作出系统的合理的说明，它提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律。这些定律构成一个统一的体系，把天上和地上的物体运动概括在一个理论之中。从此，它把神从无生命领域驱逐了出去，使科学摆脱了神学的束缚。因此，人们把牛顿力学体系的建立作为近代科学形成的标志。这是在人类认识史上对自然规律的第一次理论概括和综合。理论的威力在于预见和指导，根据万有引力定律，人们准确地算出地球的平均密度和扁平率，正确地解释了潮汐的成因。根据这一定律，人们还发现了海王星，冥王星也是在
类似情况下发现的。
三、相对论
1．相对论提出的背景
（1）19世纪的理论物理学达到了巅峰状态。在人们的心目中，经典物理学已经达到了近乎完美的程度。
（2）19世纪末的物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现使物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上发生了动摇。
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，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。
2．爱因斯坦及其相对论的提出
也许有人会觉得爱因斯坦离我们很遥远，但事实上，他控制着我们日常生活的一切。请看下面的一幅幅场景：
每天早晨6点，当卫星闹钟把你从床上叫起的时候，抱怨爱因斯坦吧！你的闹钟之所以能在6时准时响起，是因为各国的原子钟和地球上空的GPS全球定位卫星系统每一秒钟都校时一次。但如果它们不是以爱因斯坦最著名的理论——相对论效应为依据校时的话，全球的定时和定位系统将一团糟，甚至完全失去意义。
6点15分，当你在刷牙时不小心将牙膏滴在了衬衫上，抱怨爱因斯坦吧！正是爱因斯坦测量液体分子大小的理论使众多的发明成为现实，包括如何生产出效果更好的牙膏。6点30分，你打开电视收看天气预报和交通情况。下雨了，路上的车已经排了几公里长，看起来又是糟糕的一天，抱怨爱因斯坦吧！是他的光电效应理论使电视摄影机在后来成为现实。遥控器、数码相机也都离不开这一理论。
现在，从你起床到现在已经半个小时了，但你生活的一切好像都在由爱因斯坦控制。这就是爱因斯坦的魔力所在。爱因斯坦对光子和光电效应的阐述，已成为我们生活中大部分日用电器得以出现的基础。他在1917年进一步发展了他的光电理论，今天的CD和DVD播放器来源于此。如果没有爱因斯坦对原子理论的阐述，我们今天所有的日用电器将会是另一种模样。
爱因斯坦生平
爱因斯坦是现代最伟大的物理学家。1879年，他出生在德国南方的一个犹太人家庭。青年时期的爱因斯坦在物理学上就卓有成就，1905年，他在一篇论文中首次提出了狭义相对论，到1916年又推出广义相对论。他还发现了光电效应定律。相对论的新观念对现代理论物理学的发展影响深远。1921年，爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。
2．过程
（1）爱因斯坦经过多年研究，于1905年提出了狭义相对论和光速不变原理，指出时间、空间和物体质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化，打破了传统的绝对时空观。
（2）狭义相对论：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。
（3）1916年，爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。广义相对论：空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间结构和性质取决于物质的分布。这使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。
3．意义
（1）相对论的提出是物理学的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。
（2）它发展了牛顿力学，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。
牛顿定律和爱因斯坦相对论的关系？
20世纪初，爱因斯坦先后提出了狭义相对论和广义相对论，揭示了时空的可变性。相对论认为：时间和空间不是绝对不变的，而是随着物质的运动而变化；物质质量随着运动速度的增大而增加。爱因斯坦的相对论否定了牛顿经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性；同时也发展了牛顿力学，牛顿力学只是相对论力学在低速运动状态时的一个特例。狭义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。因此，不能据此认为，相对论的建立就一笔勾销了牛顿的历史功绩，广义相对论则使牛顿力学体系中的“空虚空间”这个概念失去了它的意义。
四、量子论的诞生与发展
1．量子论诞生的背景
19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。但大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。
2．量子论诞生的过程
1900年，德国物理学家普朗克提出了量子假说。这个假说宣告了量子论的诞生。
在普朗克之后，英国的物理学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。
爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。
3．量子论和量子力学的意义
在量子论基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。同时，也标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到了微观世界。
相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地质学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。
3．意义
（1）在量子论基础上发展起来的量子力学极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展，是20世纪最有成就的科学理论之一。
（2）标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到了微观世界。
（3）相对论与量子论构成了现代物理学的基础，改变了人们认识世界的角度和方式。
课堂小结
科学家
成果
地位和评价
伽利略
自由落体定律；匀速运动、加速运动的概念；提出力不是维持物体运动状态的原因；自制望远镜
经典力学的奠基人
牛顿
机械运动三大规律；万有引力
经典力学的确立者
爱因斯坦
相对论
物理学的重大革命
普朗克
量子假说
宏观到微观
玻尔
氢原子结构
