26课 现代科学革命[岳麓版][hao][上学期]

课件38张PPT。第26课
现代科学革命 导 言
科学总是向前发展的，托勒密的地心说被哥白尼的日心说取代，这就是一种对权威的挑战以及超越，而最终的目的是科学的进步。20世纪初，在牛顿经典物理学达到顶峰，形成一种权威的时候，也出现了对这种权威的挑战——爱因斯坦提出的相对论和普朗尼提出的量子论，而这个挑战引起了物理学的一场革命，也促进了科技和经济、社会的飞跃，促进了人类认识能力和思维模式的发展，也改变了人们的自然观念。学习本课，你将了解相对论和量子论的主要内容及其意义。
红色——代表过去蓝色——代表未来黄绿——表连结过　
　　　 去到未来
2005世界物理年　　对物理学家而言，这个标识象征的是光锥；对一般大众而言常被看成是沙漏，象征着爱因斯坦在时间相对性上渊博的见解及洞察力。 牛顿力学刚刚问世时，曾受到不少人的怀疑和反对。牛顿力学是否是科学？只能由实践来检验。牛顿力学不断被证实，历史上最著名的有三件事。
第一件，用牛顿力学算出地球的形状象只桔子。古希腊的亚里士多德认为地球是个正球体，两千年来人们对此深信不疑。牛顿却根据他的力学，说地球是个扁球体，象只大桔子。此言一出，学界哗然。地球那么大，牛顿又从不出远门，他凭什么说地球有点扁？可是法国科学家经过三次实地测量，终于证实了牛顿的看法。用力学能算出地球的形状，真是个奇迹。第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星的回归周期。长期以来到，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，根本不能用科学来说明。牛顿说，既然彗星也是天体，就必然遵循力学规律。他的好友哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年，由此预言它将在1758年再次出现。哈雷1705年发表这个预言，当时他已49岁，却要预言53年以后的事，岂非耸人听闻？可是1758年这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。牛顿力学剥掉了彗星的神秘外衣，对它的运行作出了科学预见，这又是一个奇迹。他们分别是?牛顿爱因斯坦一、经典物理学的危机
（一）经典物理学的创立1.时间：
2.基础：17—19世纪17世纪牛顿创立的经典力学
(牛顿力学三定律和万有引力定律)到19世纪，在经典力学的基础上，光学、热力学、电磁学、天体物理学等新兴学科取得了长足的进步，形成了经典物理学体系。经典物理学把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。(如:海王星和冥王星的发现)3.发展： 4.意义： 19世纪经典物理学达到了巅峰状态。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。许多物理学家甚至认为，物理学的大厦已经落成，人类对自然界的认识已经到了尽头，剩下的事情不多了。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。”你同意这些人的观点吗？
（二）经典物理学的危机1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后, 他充满自信地说:物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。 危机与机遇：“晴空上漂浮着两朵乌云”第一朵乌云： “以太”说破灭 水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质—“以太”。
他们假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。 “以太”：是假想的被用来表示占据并充满整个宇宙的一种媒质，光、电、磁、力都要借它来传播。 在经典力学体系中，时间和空间的量度是绝对不变的。随着生产实践特别是科学实验的发展，却出现了一些由“绝对时空观”解释不了的实验事实。比如，电磁波、光电传播和快速的电子运动等，都不遵循牛顿力学定律。为了检验以太的存在的假说，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷想用实验来证实以太的存在。实验的零结果否定了以太的存在。乌云之一： 地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。
1887年，实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。19世纪末以牛顿力学为基础的经典物理学陷入危机狭义相对论发表100周年，
也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，
但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变，
这样的改变还将继续下去。 二、爱因斯坦与相对论1905年，爱因斯坦26岁，接连写下4篇改变整个20世纪物理学面貌的论文：
1、光的量子说（解释光电效应）
2、布朗运动（证明分子的存在）
3、狭义相对论（修正了牛顿力学）
4、质能互换律（E=mc2）
1916年，爱因斯坦发表了广义相对论基础，最具创见也是最伟大的贡献：
5、广义相对论（取代了牛顿的万有引力理论）1905 神奇的一年（一）爱因斯坦与相对论
1. 相对论的提出：二、现代物理学的兴起1905年，爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文，完整地提出了狭义相对论。1916年，他又建立了广义相对论。2.相对论的两个基本原理：相对性原理和光速不变原理（1）相对论的观点提醒人们，不要被常识和日常经验所蒙蔽，常识不一定是正确的。
（2）相对论提出是物理学领域最伟大的革命。
（3）相对论打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辩证地看待世界的途径。3. 意义：二、现代物理学的兴起（二）量子理论中的微观世界1.提出：德国物理学家普朗克（一）爱因斯坦与相对论2.发展：（1）爱因斯坦提出了光的量子理论；
（2）丹麦物理学家玻尔提出了原子的量子理论；
（3）在这个基础上，一门新的物理学分支量子力学建立起来了。3. 意义：（1）量子理论是现代物理学的另一大支柱，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一，使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步。
（2）量子力学对化学、生物学、医学、考古学、古生物学和地质学等科学领域都产生了重大影响，带来许多划时代的技术创新，如半导体和激光器的发明等。这直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。学习探究共同点：
　　从背景上看，19世纪末，物理学得到了极大的发展，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，另一方面扩展到整个宇宙。但是，一系列新的发现无法用经典物理学解释，这使得经典物理学陷入了危机，面临着挑战。从产生过程看，第一，都是科学大师们敢于向权威挑战，追求真理的结果。第二，都经历了一个产生发展完善的过程。
说明了社会意识是一定的社会存在的反映；
任何事物的产生和发展都要经历一个曲折的过程。量子力学的产生和相对论的产生有什么共同点？
这说明了什么？（三）现代物理学兴起的意义1.量子理论和相对论一起，共同构成了现代物理学的基础。2.量子理论和相对论弥补了经典物理学在宏观世界和微观的粒子世界面前的空缺，描绘了一个崭新的世界，大大开阔了人们的视野，改变了人们看世界的角度和方式。3.量子理论和相对论不仅对物理科学本身，对自然科学，而且对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。阅读下列材料：
　　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，放射线和原子被发现，另一方面扩展到整个宇宙。随着光学等学科的深入发展，人们对在光速或接近光速运动状态下的物质的研究，也超出了经典物理学的范围。物理学被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题，其一就是以太的不存在。这使得经典物理学赖以建立的绝对时空观受到了严峻的挑战。请回答：（1）经典物理学形成的基础是什么？这一基础建立的理论是什么？（2）到19世纪时，经典物理学发展到何种程度？他所适用的范围主要是什么？（3）19世纪末，物理学的发展对经典物理学提出了怎样的挑战？（4）20世纪物理学的发展取得的两项最重大的成就是什么？它们与经典物理学的关系是什么？教材实例探究　　17世纪牛顿创立的经典力学。它是建立在绝对时空观的理论之上的。　　到19世纪，在经典力学的 基础上，光学、热力学、电磁学、天体物理学等新兴学科取得了长足的进步，把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。它所适用的范围主要是我们日常生活中的物理现象。　　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，另一方面扩展到整个宇宙，超出了经典物理学的范围，经典物理学赖以建立的绝对时空观受到严峻挑战。　　量子理论和相对论。它们发展了经典物理学，弥补了经典物理学在宏观宇宙世界和微观的粒子世界面前的空缺，为人类描绘了一个崭新的世界，对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。 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。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，1905年获苏黎世大学博士学位。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授，1911年任布拉格大学教授，两年后任德国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国，1933年10月定居美国。
青年时期的爱因斯坦趣味小故事：１９１１年的一天，在著名的布拉格大学校园里的一片草地上，一群大学生围坐在一位年轻学者的身旁，正进行着激烈的讨论。
“请您通俗地解释一下，什么叫相对论？”一位学生微笑着向青年学者发问。
年轻学者环视一下周围的男女学生，微笑着答道：“如果你在一个漂亮的姑娘旁边坐了两个小时，就会觉得只过了１分钟；而你若在一个火炉旁边坐着，即使只坐１分钟，也会感觉到已过了两个小时。这就是相对论。”
大学生们先是一愣，接着便大笑起来。在爱因斯坦看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。 了解“相对论”：狭义相对论的成就与困难在人们日常的观念中，两个事件是否发生在同一个地点，不是绝对的，具有相对性。例如，在公共汽车上，汽车启动的时刻，一位乘客把钱交给售票员，然后售票员把票交给乘客。这两件事，在车上的人看来，发生在同一地点（车厢的同一位置）。但在车下的人看来，乘客把钱交给售票员时，车正启动，还在车站上。当售票员把票交给乘客时，车已开了一段距离，已不在车站上。所以，车下的人认为，这两件事发生在不同的地点(以地面为参考系)，前一件事发生在汽车站上，后一件事发生在汽车站外。 “同地”的这种相对观念，是人们熟知的，大家不以为怪。 爱因斯坦1905年提出的相对论，后来称作狭义相对论，以光速永不改变、相对性原则来推论，得到“时间”会因速度快慢而改变的结论。 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。 什么是狭义相对论？什么是广义相对论？广义相对论是新的万有引力概念 爱因斯坦阐述“万有引力”的本质是导因于物质的分布而弯曲了邻近的时间─空间几何结构，从而导出比牛顿万有引力定律更精确的理论，得到弯曲的四维时空观念，牛顿的万有引力理论成了广义相对论中的一个特例。 广义相对论的重要结论是，加速运动与引力场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此，爱因斯坦作了一个的比喻。假想有一个人乘摩天楼的电梯自由降落，人不会感到自己在下降，因为这时电梯和人都依照重力加速度定律在下降，彷佛在电梯里不存在地球引力。 爱因斯坦在美国讲学相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又弄不懂这伟大的内容，有人不禁想起了英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句: 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说，‘让牛顿去吧，’ 于是一切成为光明。 他们在后面续写道: 但不久， 魔鬼说，‘让爱因斯坦去吧，’ 于是一切又重新回到黑暗中。 　　普朗克是近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人，1858年4月23日生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子。普 朗 克事情还要从19世纪下半叶说起，1870年在“铁血宰相”俾斯麦的领导下，德国(普鲁士) 赢得了普法战争，从法国得到大量战争赔款，同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国，急于从一个以农业为主的“土豆王国”，变成一个工业化的“钢铁王国”。德国的鲁尔区产煤，而紧靠鲁尔区的亚尔萨斯和洛林有丰富的铁矿，再加上大量的赔款，德国发展钢铁工业万事具备，就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温，数千度的炉温，任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度，这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。早已完成工业革命的英国，当然也在改进炼钢技术，因此许多英国科学家和德国同行一样，也致力于黑体辐射的研究。奇怪的是，无论怎么努力，构造什么样的辐射模型，理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好，就是在短波波段出现发散，即所谓“紫外光灾难”。这就是黑体辐射困难。 乌云之二：然而，普朗克的工作是不彻底的。他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中，则仍是连续的。曾有记者问他:“您说能量到底是连续的呢? 还是不连续的呢?”普朗克回答说:“如果一个人用小碗从缸里舀水，倒在水池中，你说水是连续的呢? 还是不连续的呢?”从普朗克的回答中，我们可以看出，他认为辐射本质上还是连续的，只是在原子发射或吸收辐射时，才是一份一份的。把量子化思想贯彻到底的是爱因斯坦。他认为辐射本质上就是不连续的，就是量子化的。不仅在被原子发射或吸收时，而且在传播过程中，辐射的能量都是一份一份的。1905年，爱因斯坦据此提出光子说，把普朗克的量子理论推进了一大步，并用以解释光电效应。普朗克最初对爱因斯坦的这一观点持批评态度，后来才接受下来。 科学的革命背景：经典物理学的危机。以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释19世纪末以来的物理学新发现现代物理学的两大支柱 相对论 量子论内容：相对性原理与和光速不变原理。时间、空间、运动、质量是相对的。意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维过程：普朗克的量子假说；玻尔提出原子的量子理论；爱因斯坦提出光电效应意义：对化学、生物学、医学等多门学科产生重大影响，直接推动了生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活 现代物理学的基础是:
A牛顿力学 B相对论
C量子假说 D量子理论、相对论D 爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命，主要是因为：
①否定了经典力学的绝对时空观
②揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性
③打破了经典力学体系的局限性
④使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界
A、①②③ B、②③④
C、①③④ D、①②④下列表述不正确的是：
A、牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础
B、经典物理学适用的主要是日常生活中的物理现象
C、相对论的提出证明经典的物理学是完全错误的
D、量子理论使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步THANK YOU！