7.1近代物理学的奠基人和革命者.ppt

1、Physics,专题七 近代以来科学技术的辉煌,power,informationize,life sciences,为什么我是站在地面上而不是飘在空中的？为什么拍打别人手心的时候我的手也会感觉到痛？在乘坐公交的时候，如果遇到一个急刹车，我们的身体总是往前冲的，为什么？海宁是观潮圣地，你能告诉我最佳的观潮时间是什么时候吗？理由是？,为什么？,近代物理学 的 奠基人和革命者,7.1,1、知识与能力目标： （1）知道经典力学的主要内容,伽利略、牛顿对经典力学建立的主要贡献；知道相对论、量子论的主要内容；了解爱因斯坦建立相对论和光的量子理论、普朗克提出量子假说等史实。 （2）认识经典力学在近代自然科

2、学理论发展中的历史地位，认识相对论、量子论提出的意义。,2、过程与方法目标： （1）阅读教材中提供的有关经典力学、量子论、相对论资料，从中获得知识，形成认识。 （2）查阅和收集有关伽利略、牛顿、普朗克、爱因斯坦进行科学研究、得出科学结论过程的资料，感受科学探索的精神。,3、情感态度价值观目标： 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。,本课时课外阅读内容：“加勒与海王星”、“斯蒂芬与黑体辐射”、“德布罗意与物质波理论”等知识点。,一、奠基：经典力学的创立认识史上的飞跃,背景,文艺复兴运动使科学从神学的桎梏中被解放出来，近代 科学诞生。,伽利略创立自由落体定律，推

3、翻了亚里士多德的学说，为经典力学的建立奠定基础，标志着物理学的真正开端。,创立 ：牛顿,机械运动三定律,惯性定律,加速度定律,作用力与反作用力定律,意义,人类对自然规律第一理论大综合,促进近代科学进入全面繁荣时代,标志着近代科学的形成,万有引力定律,1、伽利略（意大利）经典力学的奠基者,（1）伽利略的成果,A、物理方面： B、天文学方面：,（2）伽利略的贡献,突出成果创立自由落体定律,制造天文望远镜、证明哥白尼“日心说”的正确性,A、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B、为经典力学的创立奠定了基础 C、开创了近代科学，被誉为“近代科学之父”。,实验,计算,伽利略创立自由落体

4、定律,1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“自由落体”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落地下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。,惯性定律,加速度定律,作用和反作用定律,经典力学体系,2.经典力学体系的建立：牛顿（英国）（1）经典力学体系的主要内容,牛顿力学体系及数学、天文学方面的研究成果记载在他的科学巨著自然哲学的数学原理中。,伽利略自由落体定律,笛卡尔等人碰撞运动,开普勒等人天体力学及微积分计算工具,（2）经典力学体系的历史地位,理论的综合：牛顿力学体系对自然界的力学现象做出了系统、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。 经典力

5、学体系的建立标志着近代科学的形成。,实践的验证：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。,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，用望远镜对准勒维列所指出的位置，

6、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。,海王星和冥王星的发现,哈雷慧星轨道的推算,长期以来，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。53年以后的1758年（当时哈雷已去世），这颗彗星果然如期出现。哈雷慧星的发现验证了万有引力定律的科学性。,“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”,“假如我有一点微小成就的话，没 有其它秘诀，唯有勤奋而已。”,“我不知道在别人看来，我是什么样

7、的人；但在我自己看来，我不过就像是一个在海滨 玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的 一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾 沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理 的海洋，却全然没有发现。” 牛顿临终遗言,牛顿站在哪些巨人的肩上？ 你知道牛顿捡到了哪些“光滑的石子”和“美丽的贝壳”？牛顿的这些话道出了他成功的其中一个原因是什么？,思考：,片断一：在暴风雨中研究和计算风力,狂风中，牛顿跑到庭院中央，从雨点的方向可以看到风的方向。牛顿在脚下放一个苹果，先是顺风猛跳，落脚点再放上一个苹果；两个苹果之间记录下自己顺风跳的距离。然后再从第二个苹果，逆着风向第一个苹果猛跳，牛顿希望从顺风跳远和逆风跳远的

8、距离之差，求出风力。经过多次反复，终于求得正确的数据。,片断二,有一次，他在向一位姑娘求婚时思想开了小差，他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。一次，他边读书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了，鸡骨头留在盘子，不告而别了。等牛顿想起，出来后，发现了盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。,英国著名诗人亚历山大波普曾写过一首赞

9、美牛顿的诗： 自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。 上帝说：“让牛顿去吧!” 于是，一切成为光明。,三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么往低处流？太阳为什么升起落下？这些今天看来简单之极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。 大国崛起解说词,材料： 牛顿出生的时代，正是欧洲的自然科学、社会科学向前跃进的变革时代。文艺复兴后的200年中，真正的科学伴随着资本主义的发展而登上新的历史舞台，并以磅礴的气势迅速发展。牛顿的时代是一个科学革命的大时代，而他也以巨大的成就给这个时代增添了绚烂的色彩。,西欧思想解放运动提供思想基础； 英国资产阶级革命的洗礼

10、；,质疑与思考：经典力学体系是个完美的物理学理论吗？,高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！,难点突破 牛顿力学体系的特征及局限性:(1)特征注重实验。实验可以进一步揭示客观现象和过程之间的逻辑关系，并由此得出重要的结论。力学体系的数学化。主要运用他创立的微积分做计算工具,这种数学化源于自然界内在的数学关系。(2)局限性:牛顿经典力学体系建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上。在牛顿力学中,存在着绝对的静止和绝对的时间。这种绝对的时空观符合人们的日常经验,但无法解释高速运动的物体运动的规律和微观世界中的粒子,这说明牛顿力学体系面临着危机和挑战。,19世纪末，物理学界连续发生了三

11、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”。 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，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。,二、驱走乌云的太阳量子理论的诞生,普朗克，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。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。

12、他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。,量子力学的创立者,（18581947）,1.量子理论的诞生,德国物理学家普朗克发现辐射过程中的能量颁布规律。1900年，他提出量子概念。并发表关于正常光谱能量分布定律的理论，标志着量子理论的诞生。,1905年，德国科学家爱因斯坦提出光的量子理论。,1）量子论诞生的背景：,19世纪的物理学领域，以牛顿力学为基础。,到19世纪末，物理学界的重大研究课题是黑体辐射问题。,2）量子论诞生的过程：,1979年，奥地利物理学家斯蒂

13、芬通过实验发现了黑体辐射的总能量与其温度之间的定量关系。,1923年，法国物理学家德布罗意提出物质波理论。,在量子理论的基础上，奥地利、德国的物理学家建立了量子力学。,3）量子论诞生影响：,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。,量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”,1.狭义相对论,创立：,内容：,时间和空间都与物质运动有关,时间和空间随着物质运动速度的变化而变化,狭义相对论的影响,否认了牛顿力学的绝对时空观,继承和发展了牛顿力学,奠定了利用原子能的理论基础,19

14、05年，爱因斯坦发表了论动体的电动力学，创立了狭义相对论。,三、爱因斯坦的“时空”相对论的建立,2.广义相对论,提出:1916年,内容：,意义：,第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想,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，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲的程度体现为引力场强度。,爱因斯坦关于相对论的比喻 为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。” 这故事形象说明了时间和空间

15、相对性。,3.相对论建立的意义,爱因斯坦相对论的建立，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，时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分。 这种全新的时空观、运动观和物质观的形成，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。,量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。 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。,（4）、相对论与牛顿力学的关系：,相对论打破了牛顿以来传统

16、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。,爱因斯坦在新的力学与电磁学的基础上，提出了包括宏观和微观世界在内的范围更为广阔的物质运动规律。他的理论既适用于低速运动物质,又适用于光速运动或接近光速运动的物质。 爱因斯坦不仅否定了牛顿绝对的时空观，而且提出了质能转化原理,奠定了利用原子能的理论基础，加深了人们对物质和运动的认识,在科学、哲学上都具有重大意义。但并不是说,牛顿力学的光辉由此被抹掉，相反,牛顿力学的理论、牛顿的

17、科学思想和方法仍然在广阔的领域发挥着指导作用。,艾伯特爱因斯坦（18791955），1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。 爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。,经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素。因此，一旦物理学

18、研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。 相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。,相对论的提出可以广泛地解释不同运动的物质，创立了一个全新的物理世界，极大地扩展了物理学应用的领域，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。 由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1

19、921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。,2005年狭义相对论发表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。,例1：以图片资料形象地解读爱因斯坦的“时空弯曲”概念。,成功的秘诀 一个爱说废话而不爱用功的青年，整天缠着大科学家爱因斯坦，要他公开成功的秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一个公式给他：Axyz 爱因斯坦解释道：“A代表成功，x代表艰苦的劳

20、动，y代表正确的方法” “z代表什么？”青年迫不及待地问。“代表少说废话。”爱因斯坦说,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。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼： 我们全都获益不浅， 全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星， 光华四射， 把无限的光芒同他的光芒永相连结。 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

21、留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。,近代物理学发展过程中的主要成就及意义,自由落体定律,匀速运动、匀加速运动,用自制的望远镜证明了哥白尼的“日心说”,为经典力学奠定基础,证明哥白尼的“日心说”的正确性,自然哲学的数学原理（物体运动三大定律和万有引力定律）,运动三定律是近代物理学的重要支柱,相对性原理、光速不变原理相对论（狭义、广义）,量子理论,爱因斯坦,近代物理学理论框架的重大突破,继承和发展了牛顿力学构成现代物理学的基本理论框架,经典力学是近代自然科学理论体系中最先成熟和完善的核心理论体系,为什么15世纪下半叶以后西方的科学技术取得了辉煌的成就？,a.欧洲中世纪时期农业、手工业的

22、发展，资本主义萌芽，为近代自然科学的兴起奠定了物质基础（物质基础）b.新兴资产阶级在生产中的技术改造和要求掌握政权，对自然科学的迫切需要。（经济上和政治上）c.文艺复兴以来，崇尚科学、知识、注重实验，鼓励探索未知世界。（思想条件）d.新航路开辟，重商主义，殖民扩张，资产阶级为了满足日益扩大的市场需求，迫切需要革新科技来提高生产，征服世界。（生产经验、技术能力）e.科学家勇于探索的精神。,“月亮既不会掉下来，也不会离去，那是因为它的运动正好抵消了地球的引力。”说这句话的科学家是 A.牛顿 B.波义耳 C.拉瓦锡 D.哥白尼,A,一位科学家的墓碑上镌刻着这样的铭文：“他以神一般的力量，第一个说明了行星的运动和图像。”这位科学家应该是 A.伽利略 B.牛顿 C.爱因斯坦 D.普朗克,B,1 现代自然科学和现代技术革命的基础是A、牛顿力学 B、相对论 C、量子假说 D、量子理论、相对论,D,2、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、经典物理学所适用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,C,3、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,B,