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第四单元近代以来世界的科学发展历程第11课物理学的重大进展课前预习导学目标导航课程标准学习本课内容后,你应能够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。知道相对论、量子论的主要内容,认识其意义。1.掌握以下要点:(1)经典力学。(2)相对论的创立。(3)量子论的诞生与发展。2.探究以下问题:(1)经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位。(2)相对论和量子论出现的重要意义。预习导引一、经典力学1.伽利略(1)成就:伽利略通过实验,发现了自由落体定律等物理学定律。(2)意义:开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。2.牛顿(1)成就:1687年,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书,提出了物体运动三大定律和万有引力定律等。(2)意义:形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系,即经典力学体系。二、相对论的创立1.创立(1)狭义相对论:物体运动时,质量会随着物体运动速度增大而增加,同时空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应。(2)广义相对论:空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况,也取决于物质本身的分布状态。2.意义(1)相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。(2)它否定了经典力学的绝对时空观,揭示了时间和空间的本质属性。(3)发展了牛顿力学,推动物理学发展到一个新高度。预习交流爱因斯坦于1879年出生于德国。请结合所学交流他在物理学方面的突出贡献及其重要意义。提示:贡献:提出相对论。意义:否定了经典力学的绝对时空观,深刻揭示了时间和空间的本质属性;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。三、量子论的诞生与发展1.诞生:1900年,德国物理学家普朗克提出了量子假说,这一假说宣告了量子论的诞生。2.发展(1)爱因斯坦利用量子理论成功地解释了光电效应。(2)丹麦物理学家玻尔提出了有关原子的量子理论。(3)20世纪30年代,量子力学建立起来。3.意义(1)量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步,成为20世纪最深刻、最有成效的科学理论之一。它与相对论一起,构成了现代物理学的基础。(2)相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。它们的提出,不仅推动了物理学自身的进步而且开阔了人们的视野,改变了人们认识世界的角度和方式。课堂合作探究问题导学现代物理学的发展活动与探究材料一牛顿先生,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巅峰。但是,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。——爱因斯坦(1)材料一中爱因斯坦以什么理论“推翻”了牛顿的理论?这一理论的内容是什么?它是对牛顿力学的完全否定吗?提示:相对论。内容:在物体运动时,质量会随着物体运动速度增大而增加,同时,空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应。不是,相对论只是否定了经典力学的绝对时空观,它发展了牛顿力学,牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。材料二20世纪初,相对论和量子理论出现,它们掀起了物理学革命,构成了现代物理学的两大支柱,并对其他学科产生了历史性的影响。人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度。——《世界文化简史》(2)材料二中为什么说相对论和量子理论的形成使“人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度”?提示:相对论和量子理论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足,开阔了人们的视野,改变了人们认识世界的角度和方式。(3)量子理论的产生和相对论的产生有什么共同点?这说明了什么?提示:共同点:从背景上看,19世纪末,物理学的新发现对经典力学的绝对时空观提出了挑战。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。相对论与牛顿力学之间的辩证关系1.牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律,相对论反映的是物体高速运动的客观规律,它否定了牛顿力学的绝对时空观,深刻揭示了时间和空间的本质属性。2.相对论也发展了牛顿力学,将牛顿力学概括在相对论之中,相对论是对牛顿力学的继承和发展。3.总而言之,相对论只否定了牛顿的绝对时空观,没有否定整个牛顿力学。牛顿力学是相对论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。相对论发展了牛顿力学,打破了传统的绝对时空观。当堂检测1.牛顿《自然哲学的数学原理》的发表,标志着一种科学理论体系的初步建立,这一科学理论体系是()A.电磁学B.经典力学C.量子论D.相对论解析:牛顿建立的是经典力学体系,电磁学开始于法拉第,量子论是普朗克的成就,相对论是爱因斯坦的成就。答案:B2.20世纪最后一期《时代》周刊评选出了一位“世纪人物”,《时代》周刊称他为“天才、政治难民、人道主义者,原子和宇宙谜的开启者”。这位“世纪人物”应该是()A.牛顿B.爱因斯坦C.达尔文D.爱迪生解析:爱因斯坦提出相对论,所以说他是“原子和宇宙谜的开启者”。爱因斯坦曾遭受德国法西斯迫害,但他爱好和平,反对战争,故说他是“政治难民、人道主义者”。答案:B3.在20世纪初,量子论刚诞生和发展之时在该领域作出重大贡献的物理学家是()A.伽利略B.牛顿C.普朗克D.达尔文解析:由材料中的“量子论”“20世纪初”信息可知,该物理学家是普朗克。答案:C4.19世纪,经典力学遇到了无法解释的新问题。20世纪初,这些问题迎刃而解,主要得益于()A.日心说与相对论B.相对论与万有引力定律C.相对论与量子论D.日心说与量子论解析:爱因斯坦的相对论可以广泛地解释不同运动状态的物质,否定了经典力学的绝对时空观,解决了经典物理学的危机;量子理论使人类社会对于微观世界的基本认识有了革命性的进步。两者共同构成了现代物理学的基础,对物理学本身,对自然科学,对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。答案:C5.阅读下列材料:材料一我不知道世人对我是怎样看的,不过我只觉得自己好像是一个在海滨玩耍的孩子,有幸拾到光滑美丽的石子,但真理的大海,我还没有发现。——牛顿临终遗言材料二有一次,一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘诀,他回答:“早在1901年,我还是二十二岁的青年时就已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你,那就是A=X+Y+Z!A就是成功,X就是努力工作,Y是懂得休息,Z是少说废话!这个公式对我有用,我想对许多人也一样有用。”材料三德国著名物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”19世纪的理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。在人们的心目中,经典物理学已经达到了近乎完美的程度。请回答:(1)根据材料二,可知“A=X+Y+Z”带给爱因斯坦巨大的成功。结合所学知识说明其伟大成就。(2)你怎样理解材料三中普朗克的老师对他的告诫?近乎完美的物理学存在什么局限性?(3)结合以上材料和所学知识,谈谈三位科学家给你怎样的启迪。解析:第(1)问,属于再认再现基础知识,难度不大,主要回答其最杰出的成就——相对论。第(2)问,要结合19世纪物理学领域的状况理解普朗克的老师对他的告诫,19世纪物理学的局限性即牛顿经典力学存在的缺陷。第(3)问,属开放性题目,可自由发挥,言之有理即可。参考答案:(1)爱因斯坦打破了牛顿经典力学的绝对时空观,于20世纪初提出狭义相对论和广义相对论。相对论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一;爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质,进一步推动了量子论的发展。(2)①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成,19世纪经典物理学达到了巅峰状态,物理学似乎是一门已经完成了的科学;②经典力学的绝对时空观认为时间和空间都是绝对的。到了19世纪,随着物理学研究的进展,经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题,面临着挑战。(3)人类对客观规律的认识是在不断深入和发展的,科学理论也在不断完善之中,只有勇于探索、不懈追求,才能有所成就。