专题七 近代以来科学技术的辉煌
一 近代物理学的奠基人和革命者
一、选择题
1.(2018·浙江温州九校联考)“后人总是站在前人肩膀上远眺,人类才得以进步。”牛顿发现第一定律和第二定律的过程中,曾直接得益于( )
A.亚里士多德的力学
B.伽利略自由落体定律
C.笛卡尔等人对碰撞运动的研究
D.开普勒等人有关天体力学方面的研究
解析:B 惯性定律和加速度定律通常分别被称为牛顿第一定律和牛顿第二定律。亚里士多德的力学被伽利略推翻了,排除A;伽利略自由落体定律为牛顿得出第一定律、第二定律奠定基础,B正确;牛顿在笛卡尔等人对碰撞运动的研究基础上总结出第三定律,排除C;牛顿综合了开普勒等人有关天体力学方面的研究成果,导出万有引力定律,排除D。
2.(2018·浙江嘉兴期末)1846年德国天文学家加勒在认定的位置上找到了一颗行星,后命名为海王星。与这一发现密切相关的是( )
A.伽利略的自由落体定律
B.牛顿的万有引力定律
C.爱因斯坦的狭义相对论
D.爱因斯坦的广义相对论
解析:B 天王星被发现以后,人们根据万有引力定律计算出了天王星之外有一颗尚未发现的行星的轨道。1846年德国天文学家加勒在计算出的位置上真的发现了海王星,故B正确;伽利略的自由落体定律与天体力学无关,故A错误;爱因斯坦的狭义相对论在1905年提出,不符合题干时间,故C错误;广义相对论在1916年提出,也不符合题干时间,故D错误。
3.(2019·浙江6月学考)罗素写道:“近代世界与先前各世纪的区别,几乎每一点都能归源于科学。科学在17世纪收到了极奇伟壮丽的成功。”以下对“科学在17世纪收到了极奇伟壮丽的成功”解读正确的有( )
①推动了启蒙运动的发生 ②构成了现代物理学的基本理论框架 ③完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合 ④第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想
A.①③ B.①②③ C.②④ D.②③④
解析:A 构成现代物理学基本理论框架的是量子理论和相对论,是20世纪初的成就,排除②。第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想的是爱因斯坦的广义相对论,提出于1916年,与材料“17世纪”不符,排除④。①③符合史实和材料,故选A。
4.(2018·浙江绍兴学考模拟)有学者描述说18世纪后半期,欧洲的知识精英大多已对基督教持怀疑态度,此情况在法国尤为突出,极富玄想天分的法国人很自然地由自然界联想到人类社会。既然自然界有一个统一的规律,那么人类社会也决不会例外。此描述旨在强调( )
A.近代科技对文艺复兴的促进作用
B.牛顿定律对其他自然学科的影响
C.牛顿科学精神具有哲学意义
D.经典力学为相对论奠定理论基础
解析:C 18世纪后半期为启蒙运动时期,故A错误。材料反映的是“自然地由自然界联想到人类社会”,所以应该是对人类社会的影响,故B错误。自然界统一的规律是牛顿力学揭示的,“既然自然界有一个统一的规律,那么人类社会也决不会例外”,说明了牛顿科学精神具有哲学意义,C正确。材料没有涉及相对论问题,故D错误。
5.如图反映的是20世纪一项伟大的科学理论,该理论( )
A.是研究宏观物体低速运动的客观规律
B.构成了近代物理学的基本理论框架
C.完成人类对自然界认识史上的第一次理论大综合
D.第一次阐述了四维时空和物质分布相联系的思想
解析:D 材料反映的是相对论,A、B、C均指牛顿经典力学。材料“实际位置”“相对位置”“时空弯曲”,属于爱因斯坦相对论的内容,故D项正确。
6.1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,标志着狭义相对论的创立。狭义相对论( )
A.标志着一种全新的时空理论的诞生
B.指出物质存在的空间是弯曲的
C.全盘否定了牛顿的经典物理学体系
D.第一次指出四维时空的物质性
解析:A 根据“1905年”“狭义相对论的创立”等信息可知,相对论创立了一个全新的物理学世界,极大地扩展了物理学应用的领域,A项正确。B、D两项属于广义相对论的内容,排除。C项说法错误,爱因斯坦继承并发展了牛顿的经典物理学体系,排除。综上所述,本题正确答案为A。
7.1900年,英国著名物理学家开尔文在《热和光的动力理论上空的19世纪之乌云》中说:“古典物理学本来十分晴朗的天空出现了两朵乌云。正是这些乌云带来了世纪之交的一场物理学革命。”对于这一“世纪之交的一场物理学革命”成果表述不正确的是( )
A.揭示了时间、空间的可变性
B.从根本上改变了物理学中的传统观念
C.时空的变化与时空结构同物质的运动和状态密不可分
D.在这场革命中诞生了相对论和量子论
解析:B A是相对论,揭示了时空可变性的特点。B错在“根本上”。C是相对论的内容。D是现代物理学的具体内容。故选B。
8.“这种革命不是伽利略物理学对亚里士多德物理学的那种以否定为主并最终取而代之的革命。”“任何一个更为普遍的理论,都应当将先前所应用的、并在广大范围内所证实的理论作为一个局部情况,包含在本身之中。”符合上述评论的科学理论是( )
A.经典力学 B.生物进化论
C.相对论 D.量子假说
解析:C 根据材料和所学知识可知,牛顿之前,伽利略已经在试验中发现经典力学的相关定律,但牛顿最早用数学描述把这些定律固定下来,因而牛顿的研究更多的是“站在巨人的肩膀上”,而不是将以前的理论作为一个局部的情况,排除A。生物进化论是对之前“神造人”学说的直接否定,而非将先前的理论作为“一个局部情况,包含在本身之中”,排除B。相对论的提出是物理学领域的一次重大变革,它否定了经典力学的绝对时空观,同时它也发展了牛顿力学,并将其概括在相对论力学中,C项正确。量子假说研究微观粒子运动,扩展了人类对微观世界的认识,弥补了经典力学认识微观世界的不足,但这并非将以前的理论作为一个局部的情况,并包含在本身之中,排除D。综上所述,本题正确答案为C。
二、非选择题
9.阅读下列材料,回答问题:
材料一 启蒙运动的先驱很多都参与了17世纪的科学革命。特别值得一提的是,英国科学家艾萨克·牛顿的发现为启蒙运动奠定了基础。……牛顿的研究都是基于严谨的科学观察和人类理性,而不是上帝的指示,他的研究获得了各方的赞誉。
——[美]弗兰克·萨克雷等《世界大历史1689-1799》
材料二 自17世纪以来,由于弗兰西斯·培根和牛顿等人的著作,科学突飞猛进,每日都揭示新的宇宙法则。海顿在《创业》中写道:“天空向我们揭示神的荣耀。”有些人(注:启蒙思想家)认为自然按照它本身的规律发展,会产生一个完美的世界,因此人类的政治干预和宗教干预应该越少越好。
——阿尔德伯特《欧洲史》
(1)材料一中“牛顿的发现”是什么?结合所学知识指出牛顿在科学上取得辉煌成就的原因。
(2)据材料二并结合所学知识,指出“完美的世界”有哪些突出的特征。概述其影响。
解析:第(1)问,考查牛顿经典力学,“发现”即牛顿的成就,原因要结合17世纪的社会状况及牛顿的个人因素综合分析回答。第(2)问,“特征”据材料二“自17世纪以来”“启蒙思想家”“人类的政治干预和宗教干预应该越少越好”“科学突飞猛进”,结合所学从民主思想和科学精神方面来回答;“影响”据材料结合所学,从思想解放、冲击专制统治、推动资产阶级革命等方面来分析。
答案:(1)发现:提出万有引力定律和物体运动三大定律,创立了经典力学体系。原因:欧洲资本主义发展为科学的发展奠定了物质基础;文艺复兴和宗教改革解放了人们的思想;牛顿本人严谨观察、科学研究、追求真理的精神;借鉴了前人的科研成果。
(2)特征:民主法治;自由平等;崇尚科学;法律至上等。影响:极大地解放了人们的思想,冲击了欧洲的封建专制统治,为资产阶级革命和民主政治的建立奠定了思想理论基础;鼓舞了殖民地和半殖民地人民争取民族独立的斗争。
专题七 近代以来科学技术的辉煌
本专题主要介绍近代以来物理学领域的重大进展,从经典力学建立到相对论的提出,呈现出人们对世界认识的变化。经典力学完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合,而相对论提出了全新的时空观、运动观和物质观,是人类思想史上的一次根本性变革。
一 近代物理学的奠基人和革命者
基本 要求 知道经典力学的主要内容和伽利略、牛顿对经典力学建立的主要贡献;认识经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位。知道相对论的主要内容,了解爱因斯坦创立相对论的史实;认识相对论提出的意义。 感受伽利略、爱因斯坦等科学家不迷信权威,为科学而不断探索创新的进取精神。
说明 本课内容中的一些物理学概念比较抽象,可借助中学物理课所学知识来促进对本课内容的教学。
一、认识史上的飞跃——牛顿经典力学的建立
1.背景
(1)文艺复兴以来,近代科学的诞生。
(2)伽利略:创立自由落体定律,推翻了亚里士多德的学说。
2.标志:1687年,《自然哲学的数学原理》的发表。
3.内容
(1)运动三定律:惯性定律、加速度定律、作用力和反作用力定律。
(2)万有引力定律。
4.影响
(1)物理学角度:对力学现象做出了系统合理说明,完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
①运动三定律构成了近代力学体系的基础,成为整个近代物理学的重要支柱。
②万有引力定律使力学和天文学在理论上达到相当完备的程度,同时也在生产和科学实验中得到应用和验证。(如推算出地球的平均密度和扁平率,解释潮汐的成因)
(2)近代科学角度:冲破了神学的束缚,推动了近代科学的发展。
(3)人类社会角度:推动启蒙运动的进一步发展;牛顿的科学理论为工业革命奠定了基础。
材料 ……牛顿的光辉成就就是用精确的机械观点来解释整个自然界。……即自然界的每一事物都受着普遍规律的制约,这些规律能够像数学原则那样精确地用公式加以阐明。……牛顿的哲学并没有排除上帝的意思,但是他的哲学使上帝失去了权力。
思考:牛顿的光辉成就指的是哪一成就?你能综合所学内容分析一下牛顿能取得这一科学成就的社会条件吗?
提示:成就指确立了经典力学体系。
社会条件:①政治:英国资产阶级革命确立代议制。
②经济:资本主义经济迅速发展。
③思想:文艺复兴、宗教改革解放了思想。
④科学:出现了伽利略等近代自然科学家,自然科学有所突破。
【规律总结】 牛顿是在研究伽利略自由落体定律的基础上,通过进一步定量试验才得出惯性定律和加速度定律的。这说明自然科学是有传承性的,任何一项新的科学成就都是在吸收前人优秀成果的基础上取得的。
二、爱因斯坦的“时空”——相对论
1.主要内容
(1)狭义相对论:1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文,创立了狭义相对论。认为时间和空间都与物质的运动有关,随着物质运动速度的变化而变化。
(2)广义相对论:1916年,爱因斯坦建立了广义相对论,认为物质存在的现实空间不是平坦的,而是弯曲的,空间弯曲的程度体现为引力场强度。第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。
2.意义
(1)是对近代物理学理论框架的重大突破,它不仅揭示了空间、时间的可变性,而且说明,无论是空间还是时间都不可能单独发生变化,时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分。
(2)是人类思想发展史中的一次根本性变革,对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。
(3)相对论同量子理论一起,构成了现代物理学的基本理论框架。
【误区警示】 牛顿经典力学主要发现了宏观物体在低速状态下的运动规律,相对论则发现了宏观物体高速运动的客观规律。相对论与经典力学并不矛盾,而是对经典力学的继承与发展。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。
一、经典力学的历史地位
1.把自然界中一切力学现象囊括在力学体系中,成为人类认识自然的过程中对自然规律的第一次总结与概括。
2.形成以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系,即经典力学体系,标志着近代科学的形成和人类科学时代的开始。
3.牛顿力学和热学引发了第一次工业革命,使人类社会进入蒸汽时代。
4.牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则,为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础,打击了神学,促使人类思想不断解放。
【例题】 (2017·浙江11月学考)爱因斯坦曾说,“不让任何人猜测这一点,牛顿的伟大成就真的会被其他的什么理论所代替。他伟大而明晰的思想将永远作为我们整个现代概念构架的基础而保留下来”。这句话旨在强调( )
A.牛顿力学被狭义相对论所取代的意义
B.牛顿力学是近代物理学最先成熟的体系
C.牛顿学说对科学发展具有独特的意义
D.相对论构成了现代物理学的基本框架
【解题指导】 “永远作为我们整个现代概念构架的基础而保留下来”说明牛顿力学对后世的影响,牛顿力学构成了近代力学体系的基础,成为近代物理学的重要支柱,对科学发展有独特的意义。答案为C。
二、近现代科技发展与资本主义政治、经济、思想文化的联系
1.资本主义政治、经济、思想文化发展推动近代科学技术的发展
(1)经济
①资本主义经济的萌芽、发展是近代科技产生的前提和根本推动力。
②新航路的开辟、殖民扩张、工业革命推动了近代科技的发展,为近代自然科学的兴起奠定了物质基础。
(2)政治
①资产阶级民主政治的建立,为近代科技提供了自由发展的空间。
②欧洲先进国家奖励科技发明,改革教育制度和专利制度、组织科研机构,推动了近代科技的发展。
(3)思想:思想的解放为近代科技的发展解除了精神枷锁。
①文艺复兴对人文主义的弘扬,为近代自然科学的产生创造了条件。宗教改革打破了权威体系,怀疑、求真精神盛行。启蒙运动提倡理性,为近代科学的形成和发展创造了条件。
②面向现实、重视实验、崇尚理性的科研精神,也有利于科技的发明和发展。
③科学家群体的不懈努力是推动近代科技发展的重要因素。
2.近现代科技的产生和发展推动社会的进步
(1)牛顿的经典力学和热学引发了第一次工业革命,人类进入蒸汽时代,为法国启蒙运动和唯物主义哲学奠定了科学基础。
(2)蒸汽机的发明,解决了工业革命的动力问题,推动了社会生产力的发展;电气技术的应用,极大地推动了电力工业生产的发展,人类从此进入电气时代。
(3)相对论为人们提供了辩证看世界的途径,量子论带来了划时代的技术创新,直接推动生产力的发展。
(4)信息技术推动了“新经济”的出现,推动了全球化的发展,改变了人们的思想观念、思维方式和生活方式。
(5)进化论传入中国,成为维新变法运动和新文化运动的思想武器,推动中国社会的进步。
【例题】 路甬祥说:“科学的认知价值,曾经而且依然体现在对人类思想解放的推动。”在17世纪,科学对“人类思想解放的推动”主要表现为( )
A.促进启蒙运动的发生
B.突破经典,提出相对论
C.推动人文主义的产生
D.否定权威,证明地圆说
【解题指导】 17世纪的牛顿经典力学体系,推动了人类的思想解放,促进启蒙运动的发生,故A项正确;突破经典,提出相对论是在20世纪,故B项错误;人文主义产生于公元前5世纪前后的古希腊,故C项错误;否定权威,证明地圆学说是在15世纪末16世纪初的新航路开辟时期,特别是麦哲伦船队环球航行,故D项错误。答案为A。
一、选择题
1.(2016·浙江10月学考)2005年,英国皇家学会进行的一次“谁是科学史上最有影响力的人”民意调查中,牛顿被认为更具影响力。牛顿完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合,其经典力学体系初步建立于( )
A.英国圈地运动早期
B.英国资产阶级革命时期
C.英国工业革命时期
D.英国垄断资本主义形成时期
解析:B 1687年,牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》出版,标志着经典力学体系的初步建立,此时处于英国资产阶级革命时期,故B项正确。
2.(2018·浙江6月学考)美国物理学家约瑟夫·亨利在铺设大西洋海底电缆的竣工仪式上说:“19世纪历史的显著特点是,将抽象的理论应用于实用技术,让物质世界的内在力量为智慧所控制,成为文明人的驯服工具。”“抽象的理论”中最先成熟和完善的核心理论体系是( )
A.万有引力定律 B.经典力学
C.广义相对论 D.狭义相对论
解析:B 相对论发表于20世纪,根据材料时间“19世纪”,先可以排除C、D。“最先成熟和完善的核心理论体系”应该是经典力学,万有引力定律是该体系的一个内容,故选择B。
3.(2018·浙江11月学考)英国艺术家1795年的画作《牛顿》,表现了一颗伟大的头脑正在规划世界。牛顿力学所反映的宇宙规律是( )
A.自由落体定律
B.物体高速运动的客观规律
C.宏观物体低速运动的客观规律
D.热辐射过程中的能量分布规律
解析:C 本题考查牛顿的经典力学。自由落体定律是伽利略创立的,物体高速运动的客观规律是爱因斯坦发现的,宏观物体低速运动的客观规律是牛顿发现的,热辐射过程中的能量分布规律是普朗克发现的,故选择C项。
4.(2019·浙江温州十校期初)(英国)皇家学会会长汤姆逊说:“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一,也许就是最伟大的成就,它不是发现一个孤岛,而是发现了新的科学思想的新大陆。”爱因斯坦相对论的提出是物理学思想的一场重大革命。因为相对论( )
A.否定了牛顿的力学原理
B.借鉴了德国科学家普朗克的学说
C.揭示了时间、空间并非绝对不变的属性
D.修正了能量与质量互相转化的理论
解析:C 相对论没有否定牛顿的力学原理,主要是改变了牛顿的绝对时空观,排除A。爱因斯坦的相对论没有借助普朗克的学说,排除B。牛顿的时空观是绝对时空观,爱因斯坦的相对论主张时空是可以变化的,选择C。质能转化理论是在相对论的基础上提出来的,没有体现出是物理学思想的一场重大革命,不符合材料的特点,排除D。
5.(2018·浙江金华十校期末)1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年,这一年他成功解释了光电效应,他的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义。该理论( )
A.深刻揭示了时空的本质属性
B.推动量子论进一步发展
C.推动了近代自然科学的诞生
D.标志着量子理论的诞生
解析:B 1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,又成功解释了光电效应,本题考查的是光电效应,而非相对论。A是狭义相对论的内容,B是光电效应的影响,故选择B。C是牛顿经典力学的意义,D是普朗克的贡献。
6.1919年5月29日,英国皇家学会科考队在几内亚湾普林西比岛拍摄的日蚀照片和随后的计算证实了如下观点:引力是因质量的存在而引起的时空连续场的弯曲。本次科考活动支持了( )
A.经典力学 B.相对论
C.进化论 D.量子论
解析:B “引力是因质量的存在而引起的时空连续场的弯曲”表明是广义相对论,故B项正确。A、C、D三项错误。
7.(2017·浙江4月学考)20世纪上半期,有科学家认为:假如宇宙中所有的物质都消失了,时间和空间会与物质一同消失。支撑其观点的科学理论是( )
A.自由落体定律 B.天演论
C.相对论 D.加速度定律
解析:C 材料时间为20世纪上半期,物理学在爱因斯坦、普朗克等领军人物的推动下获得了突破性进展。爱因斯坦的相对论认为,时间和空间与物质的运动有关,并随着物质运动速度的变化而变化。
二、非选择题
8.阅读下列材料,回答问题:
材料一 “牛顿体系的本质在于,地球和其他天体都按照相同规律运动,并且可以量化计算……牛顿通过自己的伟大著作宣告了科学时代的来临,他告诉世人:自然界存在着规律,而且规律是能够被认识的。”
——《大国崛起》解说词
材料二 牛顿,请原谅我,你发现了你那个时代惟一的路,只有具备最深邃思想和创造力的人才能找到的路。你创建的那些概念,甚至直到今天还在引导着物理学中的思考,虽然我们如今知道,它们将被其他一些从直接经验中脱离开来的观念替代。
——爱因斯坦(1946年)
(1)材料一中的“牛顿体系”和“伟大著作”分别指什么?依据材料一和所学知识,概括指出该体系所产生的历史意义。
(2)材料二中爱因斯坦请求牛顿原谅,有人说是因为爱因斯坦完全否定了牛顿的理论,你认为这种说法对吗?为什么?
解析:第(1)问考查知识点为牛顿经典力学体系及其意义,主要考查学生读取材料、获取有效信息和知识的调动与运用能力。依据所学知识可知,“牛顿体系”是指经典力学体系,“伟大著作”是指《自然哲学的数学原理》,历史意义结合所学知识回答即可。第(2)问可结合相对论与牛顿经典力学的关系分析。根据所学可知,相对论是对牛顿经典力学的继承与发展。
答案:(1)经典力学体系。《自然哲学的数学原理》。意义:完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合;标志近代自然科学的诞生(或宣告科学时代的到来);推动启蒙运动开展。
(2)不对。爱因斯坦是在继承牛顿科学发现的基础上提出相对论的,他否定的只是牛顿经典力学中的绝对时空观,不是完全否定了牛顿的理论。两者之间是继承与发展的关系。
专题总结
牛顿经典力学与相对论的关系
1.牛顿力学体系概括了物体机械运动的基本规律,是整个力学的基础,但这些定律有一个不容忽视的前提,即物体在低速运动的情况下。
2.爱因斯坦的相对论否定了牛顿的绝对时空观,提出时空不是绝对不变的,而是随着物体运动而变化,物体的质量也随着物体运动速度的变化而变化,提出了质能转化原理,这加深了人们对物质和运动的认识,对自然科学和哲学都产生了深远的影响。
3.相对论没有否定牛顿力学,而是发展了牛顿力学,将其概括在相对论力学之中,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。
