《物理学的重大进展》

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1、第四单元近代以来世界的科学发展历程牛顿是一位伟大的科学家 。数学界，他总结出了微积分 ；在物理界，他总结出了万有 引力定律以及经典力学的三大 定律；在光学方面，他最早发 现了白光的组成，指出了色散 的本质。1727年3月20日，伟大的 牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏 斯特教堂，在他的墓碑上镌刻 着：让人们欢呼这样一位多么 伟大的人类曾经荣耀在世界上 存在！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

2、。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7576 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

3、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。第三件，用牛顿力学 算出了一颗未知行星的位 置。1781年天王星被发现 ，科学家用牛顿力学计算 它的轨道，可是计算结果 总是同观测纪录不大相符 。经反复核算，观测无误 。那问题是否出现在牛顿 力学上面？法国的勒维列 和英国的亚当斯坚信牛顿 力学的正确，大胆猜想计 算结果之所以不理想，是因为太阳系中还有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作 用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。 1848年9月23日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，

4、用望远镜对准勒 维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星海王星。勒维列无需观 测星空，就在笔 尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。有了牛顿力学，秀才不出门，能知地球事，能知天上事。牛顿力学创造 的一次又一次奇迹，使科学享有崇高的威望。然而，科学总是向前 发展的。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，科学上一系列无法 解释的现象越来越需要 科学本身的发展来解决 。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

5、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”。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

6、相对运 动。因而，根本找不到“以 太”或“绝对静止的空间” 。无法解释之例子一：夜空的金牛座上的“蟹状星云” ，是900多年前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。 结论：在25年持续看到超新星爆发时发出的强光。史书记载：强光从出现到隐没还不到两年。矛盾L（距离）C+V（速度）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

7、 神奇的一年爱因斯坦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

8、 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。 1、相对论的两条基本原理： 1）相对性原理 2）光速不变原理 2、相对论的意义：（1）解决了经典物理学的危机，创造了一个全 新的物理学世界，极大地扩展了物理学的应用

9、 的领域；也使人们对自然规律的探索从普通世 界深入到广阔的宏观宇宙空间。（2）打破了经典物理学绝对化的思维模式，为 人们提供了辩证看待世界的途径。很抱歉推翻了您的理论 爱因斯坦曾说道：“牛顿先生 ，很抱歉推翻了您的理论，不过您 的成就是您那个时代一个人的智力 和创造力所能达到的颠峰，您所创 造的许多观念直到今日都仍在引导 我们的物理思维。虽然我们知道， 当我们对宇宙万物有了更深入的了 解以后，这些观念将会被一些更抽 象的新观念所取代。”也许将来某一天，会有一位少 不更事的科学家说道：“爱因斯坦 先生，很抱歉推翻了您的理论，不 过您的成就是您那个时代一个人的 智力和创造力所能达到的颠峰 ”爱因斯

10、坦能够取得伟大成就有哪些条件?（1）科学发展提供的基础；（2）科学发展需要提供动力；（3）个人坚持不懈勤奋追求真理的优秀品质 ；（4）科学的工作和研究方法。爱因斯坦根据相对论的观点提 出质能转换理论后，曾致信美 国总统罗斯福，建议美国研制 原子弹，以便在二战中尽快战 胜法西斯国家。45年8月 美国 先后在日本的广岛、长畸投下 两颗原子弹，加速了日本法西 斯的投降，但对无辜平民的伤 害也同样令全世界震惊。爱因 斯坦为此非常懊悔。从这件事 中，我们能得到什么启发？我 们应如何对待科学的发展？ 科学技术本身是一把双刃剑 。科技能造福人类，推动生 产力水平的提高，但如果运 用不当，也能危害人类。关于爱

11、因斯坦的小故事多得不 胜枚举，有此些是因为他的知名度 太高，穿凿附会，以讹传讹；有些 则是真实的。无论是真是假，人们 对一位伟大物理学家的崇拜是不会 改变的。例如他穿的袜子左右脚常不同颜 色；爱因斯坦的小故事用手推车推孩子散步，竟会由于 专心思考问题，而一不小心把孩子推到水沟里；陪太太看电影时，却在电影院里用手电筒看书； 1952年，以色列共和国请爱因斯坦去担任总统，因为以色列都 是犹太人，爱因斯坦是犹太人心目中的精神领袖，然而他没有 接受，觉得自己的个性并不适合处理行政。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

12、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。为纪念爱因斯坦对物理学的贡献，联合国教科文 组织特选定相对论发表100周年暨爱因斯坦逝世50周 年的05年为世界物理年，许多国家更将2005年定为 爱因斯坦年。并透过展示物理在经济技术文化等方面 的重要作用，争取公众对物理学的理解与支持，期使 物理学能在21世纪得到全新的发展。 寻找本世纪爱因斯坦，再创科学奇迹 1875年时，普朗克在慕尼黑 大学学物理，物理老师曾劝他不 要学纯理论，因为物理学“是一 门高度发展的、几乎是臻善臻美 的科学”，现在这门科学“看来 很接近于采取最稳定的形式。也 许，在某个角落里还有一粒尘屑 或一个

13、小气泡，对它们可以去进 行研究和分类，但是，作为一个 完整的体系，那是建立得足够牢 固的。而理论物理学正在明显地 接近于几何学在数百年中所已具 有的那样完美的程度。”1900年，普朗克为 了克服经典物理学对黑 体辐射现象解释上的困 难，创立了物质辐射（ 或吸收）的能量只能是 某一最小能量单位（能 量量子）的整数倍的假 说，即量子假说。他引 进了一个物理普适常数 ，即普朗克常数，以符 号h表示，其数值为 6.62617610-27尔格 秒，是微观现象量子特 性的表征。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？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

14、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：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。（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？17世纪牛顿创立的经典力学，它是建立在绝 对时空观的理论基础上的。（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？到19世纪，在经典力学的 基础上，光学、 热力学、电磁学、

15、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。（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？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。（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？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

16、可磨灭的影响。课时小结一、物理学发展的原因文艺复兴、宗教改革等思想解放 运动的影响 资本主义的发展提供了物质基础 科学家勇于的探索精神二、物理学发展的过程中观世界经典力学（奠基者、创立者）宏观世界相对论（爱因斯坦：广义与狭义）微观世界量子论（普朗克、爱因斯坦、玻尔）1、经典力学的奠基者A.伽利略 B.牛顿 C.爱因斯坦 D.普朗克2、近代科学形成的标志是A、 “日心说”的提出 B、 “地心说”的提出C、牛顿力学体系的建立 D、落体定律的提出3、20世纪初物理学思想的一场重大革命是指A.万有引力定律的提出 B.发射现象的发现C.电子的发现 D.相对论的提出4、海王星的发现是根据：A、哥白尼日心说的推算 B、牛顿理论的推测C、法拉第演说计算 D、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示5、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6、爱因斯坦相对论的提出是物理学领