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必修3第11课《物理学的重大进展》导与练 江 西 王笑开 【重点讲解】 经典力学体系的建立、特点和历史地位 经典力学是物理学中发展较早的一个分支。古希腊著名的哲学家亚里士多德曾对“力和运动”提出过许多观点，他的著作一度被当作古代世界学术的百科全书，在西方有着极大的影响，以致他的很多错误观点在长达2000年的岁月中被大多数人所接受。16世纪以后，人们开始通过科学实验，对力学现象进行准确的研究。许多物理学家、天文学家如哥白尼、布鲁诺、伽利略、开普勒等，做了很多艰巨的工作，力学逐渐摆脱传统观念的束缚，有了很大的进展。英国科学家牛顿在前人研究和实践的基础上，经过长期的实验观测、数学计算和深入思考，提出了力学三大定律和万有引力定律，把天体力学和地球上物体的力学统一起来，建立了系统的经典力学理论。产生的原因是受到文艺复兴运动的影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来，进入到实验科学的时代。以伽利略为代表的科学家奠定了经典力学的理论基础。17世纪英国资本主义经济的迅速发展。工场手工业时期经济上的需要。 经典力学的重要奠基者──伽利略的主要贡献是发现落体定律，为经典力学的建立奠定了基础。发明天文望远镜发现许多星体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。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，标志着物理学的真正开端，被誉为“近代科学之父”。经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用力和反作用力定律）。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。其显著特征之一是注重实验，之二是它的数学化。经典力学的建立，凝聚着许多科学家的心血，牛顿（微积分的创立者之一）则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。 牛顿力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。牛顿力学的创立标志着人类科学时代的开始。牛顿力学和热学的应用，引发了以英国工业革命为起点的第一次技术革命，使人类社会进入蒸汽时代。牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则，还为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。 【难点分析】 量子论的诞生与发展 1．诞生的历史背景 （1）19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。 （2）大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。 2．诞生与发展 1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。普朗克并由此而获得了诺贝尔物理学奖。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。丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。20世纪30年代，经过众多科学家的努力量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。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。量子力学和狭义相对论结合形成原子物理学，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。 3．影响 （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、最有成就的科学理论之一。 （2）量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。 （3）推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。 【易混知识】 一、经典力学、相对论与量子论的关系 经典力学改变了自古代以来人们的认识论和方法论。相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，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。量子论则是研究微观世界粒子运动规律的科学。量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。 二、狭义相对论和广义相对论的区别 狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。 相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适对用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。 狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。 【热点追踪】 中国力学大会──2011暨钱学森诞辰100周年纪念大会在哈尔滨召开 2011男8月22日，“中国力学大会──2011暨钱学森诞辰100周年纪念大会”在哈尔滨隆重召开。来自全国各地的专家学者、30多位两院院士和20余名大学校长，2000多人出席此次大会。力学是一门研究力与运动的科学，两弹一星、载人航天、高速铁路、航空母舰、抗震减灾、油气开采等都离不开力学。“中国力学大会──2011”举办之际，适逢我国近代力学和航天事业奠基人、中国力学学会创始人之一、中国力学学会首任理事长钱学森先生诞辰100周年。为表达全国力学界对钱老的缅怀和崇敬之情，大会特邀请钱老学生、学会第三任理事长郑哲敏院士作回顾钱老的报告；钱学森长子钱永刚先生也应邀出席大会开幕式。“中国力学大会”由中国力学学会发起并主办，隔年举办一次。自2005年已先后举办了三届，已经成为国内规模最大、综合性最强、影响力最大的力学交流平台，是力学科技工作者“了解学科前沿的窗口，展示青年风采的舞台”。 【学法导航】 1．分析16世纪中期以后科学发展的背景，了解伽利略和牛顿在物理学发展上的贡献，进一步了解经典力学的主要内容。初步掌握用探究的方法得出“经典力学逐步发展的理论层次和重要内容”。 2．通过对经典力学、相对论、量子论三大理论的学习，归纳它们近代自然科学理论发展中的历史地位和重要意义， 【小资料】 爱因斯坦生平介绍 艾伯特·爱因斯坦（1879～1955），美籍德国物理学家。1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。1921年获诺贝尔物理学奖。1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。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。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留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论…… 【同步训练】 1．自然科学的发展经历了由古代科学向近代科学的转变过程。下图是意大利某著名物理学家及其发明的望远镜，其被誉为“近代科学之父”，是基于他  A．以实验事实为根据并强调严密逻辑体系 B．研究行星运动取得重大成果 C．用数学方法和逻辑体系描述宇宙运动 D．对宇宙的认识动摇宗教神学的基础 2．牛顿曾经说过：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩膀上。”正是站在那些巨人的肩膀上，牛顿才建立起宏伟的经典力学大厦，这座大厦建立起来的标志是 A．《基督教原理》发表 B．《物种起源》发表 C．《自然哲学的数学原理》发表 D．《纯粹理性批判》发表 3．2006年8月国际天文学联合会第26届大会投票决定，冥王星不再是行星，太阳系将只有八个行星。当时冥王星的发现是依据 A．偶然的天文观测 B．伽利略的“日心说” C．牛顿经典力学 D．爱因斯坦的相对论 4．英国著名学者罗素写道：“几乎所有现代世界与古代世纪之间的区别，都得归功于在17世纪取得最辉煌成就的科学。”这一“辉煌科学”的重大意义在于 A．改变了19世纪的多数人对生物界和人类在生物界中的位置的看法 B．建立了完整的力学体系，实现了物理学史上的第一次大飞跃 C．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 D．从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础 5．1945年，当爱因斯坦得知美国的原子弹给广岛、长崎人民带来的灾难后，痛心疾首，悔恨自己当初的一大理论研究。这一理论是 A．落体定律 B．量子假说的提出 C．经典力学的创立 D. 相对论中质能转换的原理 6．从17世纪初的经典力学到20世纪初的相对论的发展历程，充分表明 ①任何科学成就都是“站在巨人肩膀上”的发现 ②人类对自然界的认识是随着时代的前进而不断发展的 ③人类开始从宏观世界深入微观世界认识客观规律 ④科学的发展是无止境的 A．①②③④ B．①②④ C．②③④ D．①②③ 7．19世纪晚期和20世纪早期，物理学发生了革命性的变化，主要表现为 ①牛顿经典力学体系的建立 ②量子论的诞生 ③物理学相对论的提出 ④电磁感应现象的发展 A．①② B．③④ C．②③ D．①④ 8．阅读下列材料： 材料一：19世纪末，正当物理学家在庆贺“物理学大厦”落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。 材料二：读下列一组图片：
请回答： （1）材料一中的“物理学大厦落成”指的是什么？它是在怎样的背景下落成的？ （2）据材料二指出，20世纪初物理学理论又有什么新发展？其发展的原因是什么？ （3）结合所学知识指出，物理学理论的新发展在当时各有何重大意义？ 9．阅读下列材料： 材料一：但是，正是在物理学领域，牛顿进行了最有意义的研究。在这方面，他以伽利略的研究为基础，将后者的成果发展到辉煌的顶点。 材料二：但是，在某些方面，特别是在教士中间，却存在着激烈的反对。这是可理解的，因为正如以往哥白尼的天文学体系废除了地球在宇宙的中心地位一样，达尔文主义似乎废黜了人类在地球历史上的中心地位。 材料三：20世纪初，在物理学领域掀起了一场伟大的革命，取得了一系列辉煌成果，爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论则是这场革命中最伟大的理论成果。 请回答： （1）据材料一，分析“伽利略的研究”是指什么？牛顿是如何将其“发展到辉煌的顶点”的？ （2）据材料二，分析达尔文在生物学上的主要贡献是什么？其标志和内容各是什么？ （3）据材料三，分析相对论和量子理论各是怎样提出的？ 10．阅读下列材料 材料一：几种不同国家纪念牛顿的邮票。  材料二：苹果为什么垂直落地？为什么不向旁边、不向上而总是向着地面落下呢？我想这一定是地球吸引它的缘故。苹果、月亮不都是一样吗？月球围绕地球转，无疑是地球吸引力像一条看不见的绳索，在拉着月球。如果真是如此，地球以及其他一切行星也肯定都被吸引着。那么，能否认为这种引力是作用于任何两个物体的物质的普遍性呢？ ──牛顿的主治医生斯库利的日记 材料三：（英国）皇家学会会长汤姆逊致词说：“爱因斯坦的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，它不是发现一个孤岛，而是发现了新的科学思想的新大陆。”……1921年，爱因斯坦获得了诺贝尔奖金。这奖来得十分不易。当时有不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获的奖章，结果评选委员会找到了一个办法，让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖，相对论始终没有获诺贝尔奖。 ──《科学的历程》 材料四：后世得益于爱因斯坦理论的重大发明：太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。核能利用了这样一个物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱因斯坦的著名等式E=MC2。如今，核能为英国提供了25%的电力。狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在。科学家们利用正电子，即反物质“电子”，通过X射线层析照相术研究大脑活动。 爱因斯坦1916年至1917年对光子的研究为人类40年后发现激光奠定了基础。 请回答： （1）材料一说明了什么？基于教材的视角，用牛顿所取得的科学成就来加以说明。 （2）结合材料二，从科学研究自身的视角说明牛顿取得巨大成就的原因。 （3）材料三中汤姆逊为什么说“相对论是人类思想史上最伟大的成就之一”？试从相对论的理论价值方面加以阐述。 （4）材料四中有哪些事实能够说明“相对论是人类思想史上最伟大的成就之一”？ （5）你如何看待1921年爱因斯坦获诺贝尔奖这件事？ 【参考答案】 1．A 2．C 3．C 4．B 5．D 6．B 7．C 8．(1)经典物理学。背景：资本主义经济的发展；人文主义的兴起和发展极大地解放了人们的思想；自然科学从神学的束缚中解脱出来。（2）普朗克提出量子论，爱因斯坦提出 相对论。原因：科技革命的推动；经典物理学出现危机；科学理论有了重大突破。（3）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，在量子论的基础上发展起来的量子力学，极大地促进原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。相对论的提出否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时空的本质属性，推动了物理学发展到一个新高度。 9．（1）自由落体定律；提出万有引力定律。（2）贡献：创立生物进化论理论。标志：1859年《物种起源》发表。内容：论证了自然界中生物的物种是不断进化的，是不断从低级到高级发展的，自然界进化的规则是物竞天择、适者生存。（3）1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，1916年提出了广义相对论，二者统称为相对论。1900年，普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。 10．（1）牛顿是伟大的科学家，在世界的影响是巨大的。他提出了物体运动三大定律和万有引力定律，他把地球上的物体的运动和天体运动概括到同一个理论之中，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。这一体系对解释和预见物理现象，具有决定的意义。后来，根据万有引力定律，人们发现了海王星等。（2）伽利略研究的基础；善于观察和思考；将细微的生活现象与宏观的科学思考结合起来等。（3）相对论的提出是物理学领域的一次重大革命。它否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。它也发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。（4）核能的利用；研究大脑活动（5）“科学无国界”精神；应尊重真理，而不应有任何歧视和偏见。 作者简介：王笑开，毕业于井冈山大学历史教育专业，中学历史高级教师，从事高中历史教学15年，在《江西教育科研》《考试报》《中学生学习报》《少年智力开发报》《中学生导报》《素质教育报》《高考天地》等10多家报刊发表文章80余篇。 (责任编辑：admin) |
