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人教版必修3《第11课西方近现代物理学的重大进展》备课资料九江市一中周明学时间：2012、12、21课程标准：（1）了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位；（2）知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。物理学和数学是自然科学最基础的最本质的科学。而数学是物理的基本工具。物理学就是研究自然界中物理现象的科学。这些现象包括力现象，声音现象，热现象，电和磁现象，光现象，原子和原子核的运动变化等现象。所以物理学包括力、声、热、电、光、原子等部分。研究机械运动的——力学；研究声音的产生、传播及其效应的——声学；研究分子运动的——热学；研究电磁运动的——电磁学；研究光的——光学；研究原子和原子核的——原子物理学。按照物理学本身发展的规律，结合社会经济各时期的特点，并考虑到不同时期有不同的研究方法，把物理学发展的历史大体分为三个时期。古代物理学时期，又称经验物理学时期，大约17世纪以前，物理知识一方面来源于社会实践的直接经验，常常与各种技术结合在一起；另一方面来源于对自然现象的猜测和思辨，因而与各种哲学思潮相融汇。物理知识与哲学交织在一起，这时期的主要方法是直观的观察，直觉的猜测，再加上形式逻辑的演绎。一般都停留在经验定律阶段。古希腊亚里士多德（前384—前322年）创造了这门学科的名称——“物理”一词，古希腊阿基米德（公元前287年—公元前212年）被称为“物理学之父”（其名言“给我一个支点，我能撬动整个地球。”）。古代中国和古希腊是两个中心，中国古代物理学处于领先地位。近代物理学时期，又称经典物理学时期。这一时期是大约从17世纪初至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进物理学中，物理学与哲学分离，走上独立发展的道路，迅速形成比较完整严密的经典物理学科学体系。近代物理学之父是伽利略。现代物理学时期，这一时期是从19世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。物理学的研究领域得到巨大的拓展，实验手段与设备得到前所未有的增强，理论基础发生了质的飞跃。现代物理学之父阿尔伯特·爱因斯坦。结合“文艺复兴”一课回顾：近代物理学是近代自然科学的组成部分。文艺复兴运动促使近代自然科学的产生。伴随着自然科学同宗教神学、经院哲学的激烈斗争，一批哲学家、科学家极力提倡科学实验。实验科学的兴起，更使自然科学有了独立的实践基础，从此，近代自然科学开始了它的相对独立发展的新时代。由于科学实验日益成为独立的社会实践，不仅使近代自然知识有了特有的实践基础，也促进了科学形态的变化，出现了与古代实用科学、自然哲学不同的崭新的科学形态，即实验科学。近代自然科学是建立在科学实验基础之上的实验科学。近代自然科学产生的社会基础和条件：1、资本主义生产方式的出现和发展提供了技术基础、实际需要。2、文艺复兴运动、新航路开辟和宗教改革运动的推动文艺复兴运动为近代自然科学的产生提供了一个良好的文化条件。文艺复兴运动反对蒙昧主义，崇尚理性和科学，追求知识，破除了人们对神圣不可侵犯的信条的迷信，培育了自由研究的精神，引导了人们去观察和研究自然和现实世界。文艺复兴对科学的最重要的贡献，则是培育了一批富有新鲜活力并有所建树的自然科学家。在文艺复兴的代表人物中间，最杰出的是意大利的达・芬奇(1482～1519)，他既是一位人文主义思想家，哲学家，艺术家，又是出色的工程师和科学家（是人类历史上绝无仅有的全才，广泛地研究与绘画有关的光学、数学、地质学、生物学等多种学科，是近代生理解剖学的始祖）；高举天文学革命旗帜的哥白尼(1473～1543)；提出了宇宙无限论的布鲁诺（1548—1600）；物理学家、天文学家和哲学家、近代实验科学的先驱者“伽利略”（1564年—1642）。航海活动首先需要科学技术的支持，同时又对科学技术的发展具有决定性的影响。航海活动和地理大发现，使人们看到了一个新的地球，开阔了人们的视野，扩展了人们的活动范围和知识领域。这样不仅使科学特别是天文学，地理学有了现实的经济价值，而且使科学变成了大众的科学。航海活动为天文学，地理学，动物学，植物学等自然科学的研究提供了大量的经验事实，推动了科学观念上的突破和新学科的建立。中世纪的欧洲，科学变成了神学的附庸，宗教改革运动对科学从神学中解放出来有积极作用，有利于自然科学的发展。一、古代物理学的成就（大约17世纪以前）：中国古代物理学成就参见戴念祖《中国读本：中国古代物理学》（中国国际广播出版社2010版）。本课主要介绍西方成就。严格地说，在古代世界中是没有近代意义的物理学的。物理学虽一直没有从哲学和自然科学中分化出来成为一门独立的科学，然而通过含有物理知识的哲学、自然科学和科技知识等著作的流传和有关的教学活动，物理知识还是不断地在社会上传播，仍然得到了一定的发展。1、表现：（1）亚里士多德（前384—前322年）：亚里士多德（前384—前322年）创造了这门学科的名称——“物理”一词。他利用直觉经验和数学比例关系来研究物体的位移运动，建立了两条影响深远但不准确的比例定律。其一，除上升下落外，地上物体的其他一切运动，他都认为是强迫运动：“任何运动着的事物都必然有推动者”。即认为物体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止。这种强迫运动的比例定律为：“设动力为α，运动物体为β，经过距离为γ，发生位置移动的时间为δ，则同一动力α在同一时间内将使β/2移动2γ，或在δ/2内使β/2移动距离γ。”由于教会的吹捧，这些定律在16～17世纪以前还是神圣不可侵犯的教条。亚里士多德提出的假设是，凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动——是建立在日常经验上。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。当没什么东西推它时，它就会停止移动，是一个推着一个，不能无限制地追溯上去，“必然存在第一推动者”，中古世纪的基督教说“第一推动者”就是指上帝，并将亚里斯多德的学说，与基督教教义结合。这样的结合让亚里斯多德的学说成为权威学说，一直到了牛顿手里，才建立正确的力学学说。“力是维持运动的原因”其二，他认为“下落运动的快慢有两个原因：①运动所通过的媒质不同（如通过水或空气），②运动物体自身轻或重的程度不同，如果运动的其他条件相同的话”。因此他关于自由落体运动的定律是：“物体下落的时间与重量成反比，如一物重量是另一物的两倍，则在同一下落中只用一半的时间。”“如果空气比水稀两倍，则同一运动物体在水中运动时要耗费两倍时间。”即作自由落体运动的物体重的比轻的落得快。亚里斯多德认为较重物体的下坠速度会比较轻物体的快，这个错误观点要到十六世纪，意大利科学家伽利略从比萨塔上掷下两个不同重量圆球的实验中才被推翻。另外，亚里士多德认为白色是一种再纯不过的光，而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光，是不纯净的，这种结论直到17世纪大家对这一种结论坚信不移，为了验证之一观点，牛顿把一个三棱镜放在阳光下，阳光透过三棱镜后形成了红，橙，黄，绿，蓝，靛，紫七种颜色组成的光带照射在光屏上，牛顿得到了跟人们原先一直认为正确的观点完全相反的结论：白光是由这七种颜色的光组成的，这七种光才是纯净的。由于人们对权威的盲目崇拜，又看不清自然现象的本质，使这些错误观点流行达二千年之久，在一定程度上阻碍了自然科学的发展。经典力学就是在批判亚里士多德的这些错误观点中建立起来的。（2）阿基米德（前287年—前212年）：古希腊著名的学者，被称为“物理学之父”。。其一，最早发现和提出“杠杆定律”（亦称“杠杆平衡条件”“阿基米德杠杆定律”）人们从远古时代起就会使用杠杆，并且懂得巧妙地运用杠杆。在埃及造金字塔的时候，奴隶们就利用杠杆把沉重的石块往上撬。造船工人用杠杆在船上架设桅杆。人们用汲水吊杆从井里取水，等等。但是，杠杆为什么能做到这一点呢？在阿基米德发现杠杆定律之前，是没有人能够解释的。当时，有的哲学家在谈到这个问题的时候，一口咬定说，这是“魔性”。阿基米德却不承认是什么“魔性”。他懂得，自然界里的种种现象，总有自然的原因来解释。杠杆作用也有它自然的原因，他决心把它解释出来。阿基米德经过反复地观察、实验和计算，终于确立了杠杆的平衡定律。就是，“力臂和力（重量）成反比例。”换句话说，就是：小重量是大重量的多少分之一重，长力臂就应当是短力臂的多少倍长。阿基米德确立了杠杆定律后，就推断说，只要能够取得适当的杠杆长度，任何重量都可以用很小的力量举起来。阿基米德认为，利用杠杆就能用一个最小的力，把不论多重的东西举起来。他甚至异想天开地说：“给我一个支点，我就能撬动地球。”（系其名言）据有关资料，阿基米德曾写信给国王，说一定大小的力可以移动任何重量的物体，如果在地球附近有另一个星球可以置放支点的话，我就能到上面去将地球移动一个位置。其实，举起地球是做不到的，一些科学家经过物理计算得出结论：即使有很长的杠杆，即使下压杠杆的速度与光速一样快，若举起地球一厘米最少也需要10万年时间。由此可见，任何科学的定律也只能适应于具体的时空，而不能超越无限的时空。然而，我们应该看到的是，阿基米德思考问题的方向是正确的，在理论上是可行的。系统总结并严格证明了杠杆定律（亦称“杠杆平衡条件”）——阿基米德杠杆定律。在总结前人经验的基础上，阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理，提出了精确地确定物体重心的方法，指出在物体的重心处支起来，就能使物体保持平衡。在《论平面图形的平衡》一书中，进一步确定了各种平面图形的重心，并对杠杆平衡条件做了严格的数学证明。得出“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比”杠杆定律。阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面，而且据此原理还进了一系列的发明创造。据说，他曾经借助杠杆和滑轮组，使停放在沙滩上的桅船顺利下水。在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中，阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器，利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人，曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。很多学者认为，墨子关于物理学的研究涉及到力学、光学（小孔成像的实验）、声学等分支，给出了不少物理学概念的定义，并有不少重大的发现，总结出了一些重要的物理学定理。《墨子》用两条经文系统地阐述了力学中的杠杆平衡原理。墨子至少比古希腊力学家阿基米德提前约200左右提出了该原理。《经下》：“负而不挠，说在胜。”《经说下》：“负：衡木加重焉而不挠，极胜重也。右校交绳，无加焉而挠，极不胜重也。”灌溉工具“桔槔”始见于《墨子•备城门》，是一种利用杠杆原理的取水机械。长杆一端系重物，另一端系水桶，利用杠杆原理的人力提水的工具。从史籍记载看，春秋战国时使用桔槔的地区主要是经济比较发达的鲁、卫、郑等国（今山东西南、河南北部、河北南部）。李约瑟在《中国科学技术史》物理卷中所说，墨子关于光学的研究，“比我们所知的希腊的为早”，“印度亦不能比拟”。其二，在著名的《论浮体》一书中，他总结出了著名的阿基米德浮力定律：放在液体中的物体受到向上的浮力，其大小等于物体所排开的液体重力。从此使人们对物体的沉浮有了科学的认识，从而奠定了流体静力学的基础。浮力定律是由阿基米德发现的。关于浮力定律的发现还流传着一个有趣的故事。相传古希腊的赫农王叫工匠做一顶纯金王冠。金王冠做得极其精致，可是有人告发说，工匠在制作王冠时将一些银子偷换了一些金子。国王叫阿基米德想办法在不损害王冠的情况下测出王冠里是否掺了假。于是，阿基米德便冥思苦想考虑如何解决这个难题。有一天，他到澡堂去洗澡。当他躺进澡盆时，发现自己身体越往下沉，盆里溢出的水就越多。而他则感到身体越轻。突然阿基米德欣喜若狂地跳出了澡盆，甚至忘记了穿衣服就直奔王宫，边跑边喊：“找到了，找到了！”阿基米德找到了什么？他找到的不仅是鉴定金王冠是否掺假的方法，而且是重要的科学原理，即浸没于水中的物体受到一个向上的浮力，浮力的大小等于它所排开水的重量，据此计算了金和银的含量。因为重量相同的物体，密度大的体积就小。金的密度大于银，因而金块和银块同重时，金块的体积必然小于银块体积，如把同重的实心金块和实心银块放入水中，那