專題七: 近代以來世界的科學歷程
班級：高二（ ） 姓名
一 近代物理學的奠基人和革命者
一、課標要求：
了解經典力學的主要內容，認識其在近代自然科學理論發展中的歷史地位。知道相對論、量子論的主要內容，認識其意義。
二、學習目標：
（1）、知識與能力：了解經典力學的三大定律、量子理論、相對論等基礎知識。牛頓、普朗克、愛因斯坦等著名科學家的主要事跡，學會觀察，培養敏銳的洞察力。理解科學進步中繼承與發展的關系。
（2）、過程與方法：充分利用圖書館、博物館、互聯網等資源。提高收集、分析相關資料的能力。在學習過程中通過合作、探究學習，培養分析解決問題的能力及交流與合作的能力。科學的方法。全面提高科學素質，創新精神和實踐能力。學會運用閱讀法、觀察法、討論法、推理法、概括法、實驗法等來學習了解近代物理學的相關問題。
（3）、情感態度與價值觀：通過學習，了解科學家為科學進步所作出的努力。學習他們為科學獻身的精神；形成科學的態度。知道在科學的道路上荊棘遍布，增強面對挫折的能力。增強毅力，樹立勇往直前、持之以恒的精神。
三、重難點
教學重點：伽利略對物理學發展的重大貢獻；牛頓經典力學的建立；量子論的誕生；相對論的提出。
教學難點：如何理解物理學各階段發展的原因？
四、知識結構：
㈠牛頓力學體系
1、牛頓力學產生前的學說
（1）亞里士多德的學說
（2）伽利略的貢獻
2、牛頓力學體系
（1）產生過程
（2）基本理論（牛頓力學三定律、萬有引力定律）
（3）影響意義
（二）量子力學
1、背景
2、量子理論（誕生、發展、意義）
（三）相對論
1、提出
2、主要內容
3、意義
五、自主學習：
㈠巨人肩上的思索
17世紀末，英國科學家牛頓提出了著名的三大定律：即 、 和 ，它們構成了近代 體系的基礎，成為整個近代物理學的重要支柱。牛頓還以獨特的思考方式，從研究地球對月球的引力入手，成功地導出了 。
㈡認識史上的飛躍
牛頓的力學體系對自然界的 做了系統，合理的說明。完成了人類對自然界認識史上的
。
根據萬有引力定律，人們準確算出了 和 ，正確地解釋了 。
的發現體現了自然科學具有 和 。
㈢驅走烏云的太陽
19世紀末，物理學界的重大研究課題是黑體輻射問題；1879年，奧地利物理學家 通過實驗發現了黑體輻射的總能量與其溫度之間的定量關系；1900年，德國物理學家 提出了著名的量子概念，并加以闡述，他在《 》中闡述了自己的思想，標志著量子理論的誕生。
1905年，德國科學家 ，把普朗克的量子理論推廣到光學中，得出了光具有波粒二象性的結論。
㈣愛因斯坦的“時空”
1905年，愛因斯坦發表了《 》，創立了 。1916年，愛因斯坦又把適用于勻速運動體系的狹義相對論，推廣到加速運動的參考系，建立了 。廣義相對論第一次闡述了和物質的分布相聯系的重要思想。相對論同 一起構成了現代物理學的基本理論框架。
六、重點分析：
1、17-20世紀自然科學發展的原因
這一時期，人類歷史處于大變動時期，資本主義在全世界確立并得到迅速發展，資本主義工業和商品經濟的發展為近代自然科學的發展奠定了物質基礎并成為主要動力。文藝復興和宗教改革以前面向世界，重視實踐和理性的風氣，促進了科學的發展。一批優秀科學家實踐和刻苦鉆研，也促進了科學的發展。
2、牛頓力學體系建立的巨大意義
1687年，牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，把物體的運動規律概括為運動三大定律和萬有引力定律，由此建立起一個完整的力學理論體系，即牛頓力學體系。
牛頓力學體系正確反映了宏觀物體低速運動的客觀規律，把過去一向認為是截然無關的物體運動規律概括在一個統一理論中，實現了自然科學的第一次理論性的大綜合，這是人類對自然界認識的一個飛躍。牛頓力學是整個力學和天文學的基礎，也是現代一切機械、土木建筑、交通運輸等工程技術的理論基礎。
3、量子理論的誕生和發展
1900年，德國物理學學普朗克提出量子假說，這個假說宣告了量子理論的誕生。量子理論的出現曾遭到許多物理學家的反對。首先意識到量子概念的普遍意義，并將它運用到其他問題上的是愛因斯坦。后來有人又提出氬原子結構以后，利用量子理論成功地解釋了光電效應出現的現象及光的本質，進一步推動了量子理論的發展。
4、物理學大發展導致科學革命
20世紀物理學的大發展對世界各方面和領域都產生了革命性影響，主要表現在三個方面：一是對其他學科的影響，包括對既有學科的影響，如物理學、生物學、化學向縱深拓展；還包括在它的影響下出現了一些新的學科，如核物理、離子化學、納米科學、激光科學、高能物理學等。二是理論突破對科學技術和生產力產生巨大的推動作用。理論上的突破創新很快發展為新興的科學技術，轉化為現實的生產力，如半導體、集成電路、激光、核電站、計算機技術、轉基因食品等，推動了第三次工業革命的浪潮。三是對哲學的影響。現代物理學向人們展示了與傳統觀念完全不同的時空，并大大拓展了人類的認識領域和范圍，徹底改變了人們的時空觀念和認識論、方法論，打破了同時性等僵化觀念。分析哲學在西方影響最廣，以至一些西方哲學家稱20世紀為“分析的時代”，而“分析哲學是在19世紀末20世紀初自然科學的偉大革命……的推動下產生的”。這其中，重要的是以相對論和量子力學為代表的物理學革命。
七、鞏固練習
一、選擇題
1、實現了自然科學第一次理論性大綜合的是
A、合維的血液循環學說 B、法拉第的電磁感應理論
C、牛頓的經典力學體系 D、愛因斯坦的相對論
2、與愛因斯坦創立的理論最早有直接聯系的是
A、美國爆炸原子彈 B、蘇聯人造衛星上天
C、激光器的發明 D、晶體管問世
3、20世紀物理學思想的一次重大革命是
A、萬有引力定律提出 B、放射現象發現
C、鐳的發現 D、相對論的提出
4、愛因斯坦的相對論與牛頓力學體系的關系是
A、完全繼承 B、完全否定 C、有否定，有發展 D、沒有任何關系
5、愛因斯坦創立的相對論力學與牛頓力學的關系，比較準確的說法是
A、前者否定了后者 B、前者概括了后者 C、前者發展了后者 D、前者融化了后者
6、牛頓力學體系建立的巨大意義是
①實現了對自然規律的第一次理論性概括和綜合 ②近代科學形成的標志
③使人類獲得了用理性解決所有問題的自信 ④物理學思想性的一場重大革命
A、①② B、②③ C、①②④ D、①②③④
7、牛頓對自然科學的貢獻有
①提出物體機械運動三大定律 ②提出萬有引力定律
③實現形與數的結合 ④建立微積分
A、①②③④ B、①②③ C、①②④ D、②③④
8、物理學相對論的主要內容不包括
A、時間和空間是絕對不變的 B、時間和空間隨著物質的運動而變化
C、物質質量隨著運動速度變化而變化 D、質量和能量是可以相互轉化的
9、對牛頓力學體系的表述，不正確的一項是
A、其內容就是物體機械運動的三大定律 B、把天上和地上的物體運動概括在一個理論之中
C、是人類對自然規律的一次理論性的概括和綜合 D、牛頓力學體系的建立是近代科學形成的標志
10、17世紀牛頓力學體系產生的原因
A、資本主義生產的迅速發展對科學提出了迫切要求
B、伽利略等人的研究已有相當堅實的基礎
C、牛頓個人具有的偉大天才和所作出的巨大努力
D、同時代的眾多著名科學家的協同一致通力合作
11、愛因斯坦對物理學的重大貢獻是
A、否定了牛頓的力學原理 B、主要解釋宏觀世界不同運動狀態的物質
C、揭示了時間、空間并非絕對不變的屬性
D、他的理論相對于人們的日常經驗不會發生沖突
12、量子力學建立的基礎是①普朗克的量子理論②愛因斯坦的光量子理論③德布羅意的物質波理論
A、①② B、①③ C、②③ D、①②③
13、現代物理學的兩大基礎是①牛頓的經典力學②量子理論③相對論④天體物理學
A、①② B、②③ C、①③ D、①④
14.下列物理學理論提出的先后順序是①相對論②牛頓力學③量子理論
A、①②③ B、②③① C、②①③ D、①③②
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二、問答題
15、19世紀末，面對經典物理學近乎完美的發展，有的物理學家表示：“19世紀已經將物理大廈全部建成，今后物理學家只是修飾和完美這座大廈。”
請回答：這種想法對物理學及科學的發展會有什么影響？
八、學習探究
1、“地心說”反映了神學觀；“日心說”客觀地揭示了地球、行星和太陽的關系，推翻了上帝創造世界的謬論，使自然科學從神學束縛中解放出來。今天已不主張“日心說”，因為宇宙是無限的，銀河系是其一部分。
2、牛頓力學體系對自然界力學現象作出了系統的、合理的說明，它提出了物體機械運動的三大定律和萬有引力定律。這些定律構成一個統一的體系，把天上和地上的物體運動概括在一個理論之中。從此，它把神從無生命領域驅逐了出去，使科學擺脫了神學的束縛。因此，人們把牛頓力學體系的建立作為近代科學形成的標志。這是在人類認識史上對自然規律的第一次理論概括和綜合。理論的威力在于預見和指導，根據萬有引力定律，人們準確地算出地球的平均密度和扁平率，正確地解釋了潮汐的成因。根據這一定律，人們還發現了海王星，冥王星也是在類似情況下發生的。
3、愛因斯坦打破了牛頓以來傳統的絕對時空觀，于1905年提出了狹義相對論和光速不變原理，1916年完成廣義相對論的最終形式。愛因斯坦的相對論發展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，推動物理學發展到一個新高度。
九、資料卡片
1、伽利略
伽利略（1564—1642），偉大的意大利物理學家和天文學家，科學革命的先驅。他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數學、物理學和天文學三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質運動和宇宙的認識。為了傳播和證實哥白尼的日心說，他奉獻了畢業精力，由此晚年受到教會的迫害，并被終身監禁。他以系統的實驗和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀，開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此，他被稱為“近代科學之你”。他的工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎。他倡導數學與實驗相結合的研究方法，進行物理學概念和原理的創新，提出慣性原理和力與加速度的新概念；發現了單擺周期性；研制了幾種基本的物理實驗儀器：浮力天平、溫度計、望遠鏡等。他在人類思想解放和文明發展的過程中作出了劃時代的貢獻。1979天主教教皇約翰·保羅二世代表羅馬教廷為伽利略公開平反昭雪，認為教廷在300多年前迫害他是嚴重的錯誤。這表明教廷最終承認了伽利略的主張——宗教不應該干預科學。
2、萬有引力定律
物理間由于質量而引起的相互吸引的基本規律。牛頓根據開普勒定律和伽利略的自由落體定律，經過長期研究發現：自然界中任何兩個物理之間存在著一種相互的引力，稱為萬有引力。1687年牛頓發表了萬有引力定律：自然界中任何兩個質點都以一定的力互相吸引著，這個力同兩個質點的質量積成正比，同它們之間的距離的二次方成反比。萬有引力定律的提出奠定了天體力學的基礎，提示了天體運行的基本規律，是現代人造衛星和人造行星理論的先聲。根據萬有引力定律，1846年天文學家發現了海王星。
3、普朗克
普朗克（1858—1947），偉大的德國物理學家，量子論的奠基人。1874年進入慕尼黑大學學習，1879年在慕尼黑大學獲博士學位。1897年至1899年他發現了總題目為《論不可逆的輻射過程》的5篇論文。1900年在黑體研究中引入能量子概念，提出普朗克公式和普朗克假設。由于這一發現對物理學的發展作出的貢獻而獲得1918年諾貝爾物理學獎。他還是首先支持愛因斯坦狹義相對論的物理學家。代表作有《熱輻射理論》、5卷本的《理論物理學導論》等。
4、波粒二象性
微觀粒子的普遍屬性。光和粒子都具有波動性和微粒性這兩重屬性。早在17世紀就已經發現了光的波動性。光的干涉和衍射現象以及光的電磁理論從實驗和理論兩方面肯定了這一點。20世紀初所發現的黑體輻射、光電效應等現象揭示了光還具有微粒性。第一個完全肯定光除了波動性之外還有微粒性的是愛因斯坦。1927年被科學家用實驗證實。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規律就不同于宏觀物體的運動規律。描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同于描述宏觀物體運動規律的經典力學。
5、愛因斯坦的《論動體的電動力學》
1905年愛因斯坦寫的開創物理學新紀元的長篇論文，文中完整地提出狹義相對性理論。這是他十年醞釀和探索的結果，在很大程度上解決了當時出現的古典物理學的危機，推動了整個物理學理論的革命。他從自然界統一性的信念出發，考察了這樣的問題：牛頓力學領域中普遍成立的相對性原理（力學定律對于任何慣性系是不變的），為什么在電動力學中卻不成立？而根據法拉第電磁感應實驗，這種不統一性顯然不是現象所固有的，問題一定出在古典物理理論基礎。對牛頓的絕對空間與絕對時間概念的批判，從考察兩個在空間上分隔開的事件的“同時性”問題入手，否定了沒有經驗根據的絕對同時性，進而否定了絕對時間、絕對空間以及以太的存在，認為傳統的空間和時間概念必須加以修改。空間和時間的長度不再是不變的。這種改造實際上是一種推廣，是把古典力學作為相對論力學在低速運動時的一種極限情況。這樣，力學和電磁學也就在運動學的基礎上統一起來。
二、問答題
16、使物理學停滯在經典物理學的水平上，其他科學也裹足不前，對物理學和科學思維方式也是一個極大的束縛。