搜索
第25课现代科学革命学习目标1、相对论、量子论提出的背景、主要内容及意义；2、通过对相对论、量子论出现过程的学习，培养敢于怀疑、勇于创新的精神。一、经典物理学的危机牛顿经典物理学有哪些内容?17世纪后期，牛顿发表了著名的力学三定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用与反作用定律）和万有引力定律，标志着经典力学体系的建立。经典物理学是指以牛顿力学为代表的运动三大定律和万有引力定律,及在此基础上建立的理论体系。当德国著名的物理学家普朗克年轻时向他的老师求教，是选择音乐还是物理学作为自己终身的职业时，得到的答复是：“物理学基本是一门已经完成了的科学，因此，对于物理学的研究实际上是不会有多大成果的。”当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。物理学睛空的“两朵乌云”是什么？1.迈克尔逊-莫雷实验（发现光速不随运动参考系而变）与“以太”说破灭。2.黑体辐射实验和理论的不一致。第一朵乌云导致相对论的爆发。第二朵乌云导致量子物理的爆发。一、经典物理学的危机辉煌：17—19世纪牛顿经典力学日趋完善、成熟。危机：19世纪末以牛顿力学为基础的经典物理学无法解释物理学的新发现而陷入危机思考中的晚年爱因斯坦青年时期的爱因斯坦二、爱因斯坦与相对论艾伯特·爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是犹太人。爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子。1888年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。拉小提琴的爱因斯坦（1941年）在宇宙中唯一不变的是光在真空中的速度，其它任何事物─长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。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：◇1905年提出匀速运动体系的狭义相对论；◇1916年提出加速运动体系的广义相对论。狭义相对论主要内容：相对性原理和光速不变原理。广义相对论是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。下面的事例可以帮助我们理解相对论1971年8月的一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中“闯入”古埃及，他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基……1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中，视野里竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到史前非洲大陆。1970年一架272客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中，也无故“失踪”了10分钟，10分钟后，客机又在原来的地方出现。失踪的一刹那，专家们的惟一的解释是时间“静止”不动了1994年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来的空域出现，雷达又追踪到了客机的讯号。最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。然而，客机上的机组人员和315名乘客，并不知道他们曾经失踪过。机长巴达里疑惑不解地说：我们的班机由马尼拉起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。不过，事实却不容争辨：到达机场时，每个乘客的手表都慢了20分钟。运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）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相对性。•这就提醒人们甚至要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律都有可能是不科学的。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。1921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。这说明了一个什么问题?可以给我们什么启发?说一说:爱因斯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。爱因斯坦成功公式：W＝X＋Y＋ZW成功X勤奋工作Y正确方法Z少说废话牛顿力学体系与爱因斯坦相对论的关系1、爱因斯坦的相对论否定了牛顿的绝对时空观，指出时间和空间的辩证关系，即时间和空间不是绝对不变的，而是随着物质的运动而变化的，并提出质量能量公式，加深了人们对物质和运动的认识，在哲学和科学上都具有重大意义。2、相对论发展了牛顿力学，牛顿力学只是相对论在低速运动状态下的一个特例。两者之间是继承与发展而不是相互排斥的关系。三、量子理论中的微观世界1.提出：德国物理学家普朗克普朗克，德国人，著名物理学家，慕尼黑大学和基尔大学任教授。他在物理学上最大的贡献是1900年提出辐射量子假说，认为辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的，弥补了经典力学在认识微观世界方面的不足。并因此获得1918年诺贝尔物理学奖。普朗克提出了量子理论假说后，因为思想僵化，不但不敢相信自己的理论，反而把自己提出的理论收回去：1900年，43岁的普朗克发表了他划时代的革命性的量子假说。但是他“想方设法要把作用量子纳入古典理论中去，然而终归徒劳。”这些徒劳无益的做法持续了许多年，花费了他不少心血。这种迷惘的来源诚如海森堡所指出的那样：“普朗克由于在整个世界观上是保守的，他根本就不喜欢这个结果……”2.量子理论的提出和发展：•量子假说最先由德国物理学家普朗克于1900年提出。•爱因斯坦利用原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。•随后英国物理学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。电子在不同轨道上围绕着原子核运动，当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。•2.发展：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?不是，经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。讨论与交流想一想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。1945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？答题要点：科学理论对科学技术的发展有巨大的推动作用，但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。1．(2010年春季北京学业水平)20世纪初，物理学发生了一场革命性的变化。推动这一变化的是()B．相对论的提出D．原子能的应用A．电的发明和利用C．经典力学的创立答案：B2．(2011年广东广州六中高二期末理科)下列哪一理论的提)出，使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步？(A．自由落体运动规律的提出B．相对论的提出C．量子论的提出D．万有引力定律的提出答案：C3．在未来的某一时间，有一对20岁的孪生兄弟，弟弟乘宇宙飞船以29万千米/秒的速度飞行，哥哥留在地球上。50年以后，当哥哥已经变成白发苍苍的老人时，他去迎接回到地球的弟弟，却发现弟弟还是一个30多岁的年轻人！你认为应该用)什么理论来解释这一现象？(A．相对论B．量子理论C．万有引力定律D．质量不变定律答案：A【典例1】(单选Ⅰ)(2010年山东学业水平)爱因斯坦是继牛顿之后的最伟大的科学家，他的重大贡献是()A．建立了经典力学体系B．创立了进化论C．提出了量子假说D．提出了相对论解析：A项经典力学体系是牛顿创立的；B项进化论是由达尔文提出的；C项量子假说是由普朗克提出的。爱因斯坦提出了相对论，D项正确。答案：D【配对练习1】学术界有一种观点，认为量子论是由普朗克和爱因斯坦共同创立的。这种观点是基于爱因斯坦提出了()A．经典力学B．原子的量子理论C．光的量子理论D．量子假说解析：爱因斯坦提出的光的量子理论，对量子理论产生重要影响。答案：C【典例2】(单选Ⅱ)20世纪初，相对论的提出是物理学的一场变革。它()A．否定了经典力学体系B．打破了绝对时空观C．彻底解决了19世纪以来物理学面临的危机D．标志着人们对物质世界的认识开始进入微观粒子世界解析：爱因斯坦的相对论只否定了牛顿的绝对时空观，并没有否定整个牛顿力学，A项错误；C项说法过于绝对；D项应是量子论提出的影响。答案：B【配对练习2】(2010年广东中山高二检测)从经典力学到相对论的发展，给我们的启示不包括()A．科学的发展是无止境的B．人类对自然规律的认识随着时代前进而不断发展C．要辩证地看待世界D．绝对化思维模式是认识自然世界的有力武器解析：经典物理学指牛顿建立的物理学体系，而为人们提供了辩证地看待世界的途径的成就是爱因斯坦提出的相对论。答案：D【典例3】(双项)爱因斯坦相对论的提出，是物理学思想的一场重大革命。它()A．否定了牛顿经典力学的绝对时空观B．借鉴了法国科学家拉瓦锡的学说C．揭示了时间、空间并非绝对不变的属性D．修正了能量、质量互相转化的理论解析：本题主要考查对相对论内容的了解和认识。19世纪末，由于科技的进步，经典物理学出现了危机。爱因斯坦创立了相对论，揭示了时间、空间、物质、运动之间的本质上的统一性，在很大程度上解决了经典物理学的危机。答案：AC【配对练习3】(双项)爱因斯坦提出的相对论的科学意义在于()A．彻底否认了经典物理学理论B．很大程度上解决了经典物理学的危机C．创立了一个全新的物理学世界D．引导人们探索微观世界解析：相对论是对经典物理学的继承发展，并不是彻底否定，故排除A项；量子论引导人们探索微观世界，故D项错误。答案：BC阅读——宇宙发现巨大“轴线”“相对论”可能遭颠覆据俄罗斯媒体2006年2月3日报道，美国“宇宙微波背景辐射探测器”日前传回的最新数据在世界科学界引起了巨大震动，有可能颠覆现有的部分基础性理论。在测量宇宙中各个不同区域背景辐射温度的过程中，“宇宙微波背景辐射探测器”意外地发现，在辽阔的宇宙空间中居然存在着一条贯穿整个宇宙的奇特“轴线”。目前，科学家们正在着手构建该“轴线”的空间模型。专家们指出，新近发现的这条“轴线”将会动摇当今所有有关宇宙诞生和演化过程的理论，这其中也爱因斯坦的“相对论”。根据爱因斯坦提出的“相对论”，空间和时间的分布在“大爆炸”发生后便一直是非常混乱的，而宇宙本身从总体上看应是非常均匀的并且存在着向各个方向扩展的趋势。但是，美国“宇宙微波背景辐射探测器”传回的最新数据却从根本上否定了这一著名的假设。据专家们介绍，测量结果显示，宇宙背景辐射温度的分布并不是混乱无章的，它们所处的位置都相当确定，或者说是“有计划的”。科学家们宣称，在宇宙中似乎存在着一条巨大的轴线，而整个宇宙都环绕在它的周围。