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第七单元近代世界科学技术的发展[时空观念·线索特征]从经典力学建立到相对论、量子论的提出，呈现出人们对世界认识的变化，一方面从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，另一方面也标志着人们对客观规律的认识开始由宏观世界深入到微观世界。生物学经历了从创世神话到生物进化的理论演变。这一革命性的变化沉重打击了封建神学，破解了生命起源之谜。科技革命极大地促进了社会生产力发展，三次科技革命分别使人类进入蒸汽时代、电气时代和信息时代，改变了人类的生活方式和世界的面貌。第19课物理学的长足进步课程标准学习目标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。简述经典力学的主要内容，认识其意义。概述伽利略和牛顿对经典力学分别作出的贡献。简述相对论的主要内容，概述其意义。简述量子论的主要内容，概述其意义。牛顿与经典力学1．背景(1)14世纪以后，随着资本主义萌芽的产生和新航路的开辟，资产阶级开始到世界各地殖民和创业，对科学技术的发展提出了要求。(2)16世纪末，欧洲开始进入近代科学技术的发展时期。(3)牛顿在德国科学家开普勒发现三大行星运行规律的基础上，总结意大利科学家伽利略的力学研究成果。2．建立：17世纪下半叶，牛顿在总结前人成就的基础上，建立了经典力学体系。3．著作：《自然哲学的数学原理》。4．内容(1)物体运动三定律，是机械运动的基本规律，主要包括惯性定律、加速度定律和作用与反作用定律。(2)万有引力定律则认为，宇宙间的一切物体都有互相吸引的力，并给出计算两个物体之间吸引力的公式。5．意义(1)经典力学体系的建立，成为近代科学技术发展史上的一个重要里程碑。(2)对此后两个世纪科学的发展，产生了深刻的影响。爱因斯坦和相对论1．背景(1)经典力学认为，时间和空间与物质运动无关，宇宙中存在着绝对的静止和绝对的时间。(2)随着科学实验的进步，人们发现这种理论无法解释研究中出现的一些新问题，经典力学面临着严峻的挑战。2．创立：20世纪初，爱因斯坦提出了相对性原理和光速不变原理，进而创立了相对论，包括狭义相对论和广义相对论。3．内容(1)狭义相对论认为，光速是物质运动的极限速度。物体的质量随着物体运动速度的增加而增加，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化。(2)广义相对论揭示了四维时空同物质的统一关系，从而在更深层次上否定了绝对时空观。4．意义(1)相对论的创立，为物理学的发展开辟了广阔道路，引起了一场深刻的物理学革命。(2)否定了传统的绝对时空观念，创立了新的时空观，进一步丰富和发展了经典力学，并把它概括在相对论理论之中。(3)相对论以其新的世界观和方法论，促进了人类的认识能力和思维模式的发展。量子论的创立1．背景(1)随着现代科学的发展，人类探求自然的奥秘已经进入到微观世界。(2)电子和放射线的发现，使人们的研究开始进入原子内部。2．创立：1900年，德国物理学家普朗克提出了著名的“量子假说”。3．发展(1)1905年，爱因斯坦将量子概念推广到光的传播过程中，提出了光量子论，并成功地解释了光电效应。(2)丹麦物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态，提出了一种量子化的原子结构模型，丰富了量子论。(3)到1925年左右，量子力学最终建立。4．意义(1)量子论极大地拓展了人类对微观世界的认识，是20世纪人类所取得的最有成就的理论之一。(2)量子论与相对论等一起，引起了物理学的一场重大革命，并促进了现代科学技术的突破性发展。(3)量子论揭开了微观世界的奥秘，深刻地改变了人们对整个物质世界的认识。【易错提醒】伽利略发现的自由落体定律不是近代科学形成的标志。伽利略发现的自由落体定律等物理学定律，开创了近代科学，为经典力学的创立奠定了基础。牛顿力学体系的建立是近代科学形成的标志。【轻巧识记】经典力学【概念阐释】相对论相对论是关于时空和引力的基本理论，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性参照系)，并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。【易错提醒】爱因斯坦的相对论只是否定了牛顿力学体系的绝对时空观，并没有否定整个牛顿力学体系。牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。牛顿力学是整个力学的基础，至今仍指导着物理学的发展。【名师指津】1．量子理论对化学、生物学、医学、考古学、古生物学和地质学等科学领域都产生了重大影响，带来了许多划时代的技术创新，直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。2．近代自然科学产生的重要启示：社会经济发展的需要是科学发展的动力；科学的发现和发明需要几代人不懈的艰辛努力，其间的曲折和失败是不可避免的，但科学的高峰最终会被人类征服；科学技术是第一生产力，自然科学在反对封建迷信的斗争中起到了巨大的作用。【轻巧识记】图示法理解物理学的发展经典力学的特征及意义史料牛顿以其高超的数学才能提出了①万有引力定律……牛顿是第一个成功地运用公式清楚地表述力学体系公理的人。如果说牛顿是站在巨人的肩膀上，那么让他成功地站到巨人肩上的阶梯就是数学工具……而著名的牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学三大独立力学体系也是建立在三个独立的数学模型之上，它们都具有普遍的适用范围。——《经典力学建立与数学模型关系之探究》长期以来，人们一直认为彗星是神秘的，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②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75—76年，由此预言它将在1758年再次出现。……1758年这颗彗星果然如期出现，因此被命名为哈雷彗星。——百度文库①万有引力定律是解释物体(质点)间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。②指哈雷以牛顿运动定律和万有引力定律为基础，研究速度远小于光速的宏观物体的运动。牛顿力学体系可以推算出天体运行的轨道。(1)根据史料并联系所学知识，分析牛顿经典力学形成的原因和特征。(2)史料中“哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道”，这体现出经典力学的什么特点？提示(1)原因：牛顿高超的数学才能；“站在巨人的肩膀上”；时代的需要。特征：注重实验；数学化；研究人们日常生活中易于理解的宏观世界。(2)以实验为基础；以数学为表达形式。经典力学的特征及意义(1)特征①注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。②数学化，这种数学化的根源是自然内在的数学关系。自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。③研究人们日常生活中易于理解的宏观世界。后来科学发展所揭示的是人们没有直接经验的微观现象，表明人们对物质世界的认识在不断深入。(2)意义①自然科学角度a．把自然界中力学现象囊括在同一体系中，是人类认识自然历史上对自然规律的第一次总结与概括。b．有助于人类解释和预见物理现象，是经典物理学、天文学、现代工程力学等的理论基础。c．标志着近代科学的形成和人类科学时代的开始。②生产力和社会发展角度：引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代。③哲学角度a．打击了神学，促进了人类思想的进一步解放。b．为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。20世纪初物理学的发展1．相对论史料①17世纪牛顿创立的经典力学符合人们的日常经验，也被认为是天经地义的。但是到19世纪末，物理学遇到了被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题。爱因斯坦的②相对论是人类思想史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就。——(英)皇家学会会长汤姆逊①指牛顿经典力学研究人们日常生活中易于理解的宏观世界。②相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。(1)史料中“晴空上漂浮着两朵乌云”是指什么？后来驱散“两朵乌云”的是哪些新理论？(2)据史料，为什么说相对论是“最伟大的成就之一”？提示(1)“两朵乌云”：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。这些研究，已超出了经典物理学的范围。物理学遇到了被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题。新理论：量子论和相对论。(2)相对论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，提出了全新的时空观、运动观和物质观，发展了牛顿力学，使物理学发展到一个新的高度。2．量子论史料普朗克认为，①牛顿力学并没有解决所有的问题，尤其是②不能适用于原子范围。①②指牛顿经典力学是有局限性的，经典力学的适用范围是宏观、低速运动的物体，对于微观粒子和高速运动的物体的运动则无法解释。(1)史料中普朗克怎样解决“原子范围”内的问题？有何意义？(2)为什么说相对论和量子论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(1)普朗克提出了量子假说，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。意义：标志着量子论的诞生，使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步。(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，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。经典力学、相对论与量子论之间的关系(1)经典物理学所适用的主要是我们日常生活中的物理现象，但在宏观的宇宙世界和微观的粒子世界面前，就显得不太够用了。(2)量子论的形成标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界；同时，在量子理论基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等学科的发展。(3)相对论的提出否定了经典力学的绝对时空观，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，推动物理学发展到一个新的高度。(4)量子论和相对论弥补了经典物理学的缺点，掀起了物理学的革命，构成了现代物理学的基本理论框架。一、近代自然科学兴起的原因和经典力学建立的条件1．近代自然科学兴起的原因项目原因社会原因资本主义的发展为科技发展奠定了物质基础，这是近代自然科学创立发展的社会基础思想基础文艺复兴、宗教改革和启蒙运动，为近代自然科学的诞生和发展奠定了思想基础制度基础欧洲资本主义国家保护、奖励科技发明，改革教育制度和专利制度，组织科研机构，推动了近代科学的创立和发展外在因素中国的四大发明、阿拉伯文化和希腊自然哲学传入西欧，开阔了人们的眼界，并为科学研究提供了丰富的素材主观原因科学家的努力探索，促进了科学的发展2.经典力学建立的条件(1)具备了较好的经济基础。当时英国资本主义经济的迅速发展，为牛顿的科学研究创造了条件。(2)具备了较好的知识条件，特别是伽利略的实验观察法和培根所倡导的唯物主义的科学研究方法。(3)英国资本主义制度确立后，资本主义生产的迅速发展对力学提出了迫切的要求。(4)牛顿在科学领域的探索精神和不畏艰辛、勇于奉献的思想品质。【对点演练】1．“随着科学的发展，人们的心理素质发生了深刻的变化。一种怀疑、反思批判意识和以具体的经验事实与严谨的逻辑推理代替似是而非的经院思辨，以明晰的自然定律代替神秘的宗教启示的理性主义精神产生了。”此处“科学”的典型代表是()A．经典力学B．蒸汽机C．量子论D．相对论解析：选A。推动“理性主义精神产生”的是牛顿创立的经典力学体系。其他三项都出现在理性主义产生后。二、多角度认识相对论的主要意义1．相对论在很大程度上解决了19世纪经典物理学面临的危机，可以广泛地解释不同运动状态的物质，创立了一个全新的时空观、运动观和物质观，极大地扩展了物理学应用的领域。2．相对论打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辩证地看待世界的途径。3．相对论将牛顿力学体系概括在其中，推动物理学发展到一个新高度。4．相对论是人类思想发展史上的一次重大变革。【对点演练】2．在近现代物理学史上，有位科学家认为时间没有绝对的定义，时间与光速有着不可分割的联系，以此为突破口，他建立了全新的时空理论。该科学家是()A．伽利略B．牛顿C．爱因斯坦D．笛卡尔解析：选C。伽利略和牛顿主要是在力学上的