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
课标要求
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。
教学目标
1.阅读教材，识记伽利略、牛顿在力学方面所取得的主要科学成就和经典力学创立的标志；爱因斯坦创立相对论；普朗克、爱因斯坦、玻尔等人对量子论诞生与发展所作出的主要贡献。
2.在识记上述基本史实的基础上，通过生生共议、师生互议、学生质疑，通过对经典力学创立的历史背景和主要内容综合分析，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位；对比分析经典力学与相对论、量子论的差异，认识相对论、量子论与经典力学之间的联系；并进一步认识近代以来物理学对自然运动变化规律的探索及取得的辉煌成就，带来了人类生产力的巨大进步。
学法指导
1.近代物理学的相关成就是无生命领域的一次巨大的革命，它不仅形成了探索、实证、创新、独立之科学精神，更重要的是，它表明天上、地上物体运动都是自然规律作用的结果，事实上将上帝从无生命研究领域逐出。
2．文艺复兴、宗教改革以后，思想解放促进了近代科学的进步：科学研究的领域不断扩大，科学研究方法与成就显著。同时，科技的进步不仅推动了社会生产力的进步，也进一步促进了思想解放。
重点难点
1.重点：经典力学、相对论、量子论的主要内容
2.难点：不同阶段物理学之间的关系，对科学发展创新性的理解。
课时安排
1课时。
教学设备
多媒体教学设备；自制本课课件；相关图文资料。
教学方法
以“四导一评”教学模式为主，辅以其它教学方法。
教学过程设计
【有机引入】
展示：《苹果落地》和《“神八”升空》图
引入：《苹果落地》和《“神八”升空》两幅图片，涉及到物理学中的传统经典力学和现代物理学中的相对论和量子力学原理。
【自主学习】带着下列问题，阅读教材P54-57，在书上进行圈、点、勾、划，并对知识点进行记忆与思考。
1.阅读教材第一目“经典力学”
A（1）：伽利略为近代科学的兴起做出了哪些贡献（请注意阅读“前言”、“历史纵横”、图片资料及解读综合思考）？
【3组学生板演预测】创立科学的研究方法：实验和观察；发现：物理学：实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等；天文学：自制望远镜观察天体并取得大量成果的第一人，证明了哥白尼“日心说”的正确性；伽利略的努力为近代自然科学的兴起奠定了基础。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
伽利略、开普勒与潮汐理论。
红衣主教贝拉明1615年发表声明，称哥白尼学说不成立，除非“有物理证据证明太阳不是围绕地球，而是地球围绕着太阳运行”。伽利略认为他的潮汐理论足可证明地球运动。这个理论十分重要，以至于他最开始将著作命名为《关于海洋潮汐与流动的两大世界体系的对话》。关于潮汐的字眼最终因为宗教法庭的指令而被删除。
伽利略认为，由于地球围绕轴心自转并围绕太阳公转，导致地球表面运动的加速减速引发海水潮汐式前后涌动。1616年，他将第一份有关潮汐的文献整理出来，交给了红衣主教奥斯尼。他的理论第一次涉及了海底大陆架的形状尺度，以及潮汐的时刻等。例如，他正确地推算出亚德里亚海中途的波浪相对于到达海岸的最后一波来说可以忽略不计。但是，从潮汐形成的总体角度来看，伽利略的理论并不成立。
如果理论成立了，那么每天只能出现一次涨潮。伽利略与他的同事们注意到该理论的不足之处，因为在威尼斯每天会涨潮两次，时间间隔为12小时。伽利略认为这种反常现象不过是因为海洋形状，深度及其它的问题导致的，不值得一提。对于他这种观点是不靠谱的论断，爱因斯坦则表示伽利略只是急于给出地球运动的物理证明，构造出了这种“引人入胜的观点”并自己全盘接受了。伽利略否定了当时开普勒的观点，即月球导致潮汐运动，而后者的观点袭承了托勒密法之书中占星传统。他也拒接接受开普勒关于行星沿椭圆轨道运行的观点，认为圆形轨道才是“完美”的。
A（2）：经典力学出现的标志是什么？其创立具备了那些社会条件？
【2组学生板演预测】1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》；社会条件：文艺复兴、宗教改革等思想解放运动的影响；资本主义的发展提供了物质基础；资产阶级民主革命运动的推动；科学家勇于的探索精神。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A（3）：经典力学的基本特征是什么？其的创立对人类社会产生了哪些影响（请注意阅读“资料回放”、“历史纵横”、图片资料及解读综合思考）？
【1组学生板演预测】基本特征：三大定律与万有引力定律等集中解释自然界宏观运动；以实验为基础，以数学为表达形式。
影响：建立了经典力学体系，标志着近代科学的形成，推动了物理学的发展；实践上，根据万有引力定律，发现了海王星；但仅确认了物体宏观运动的规律，不可能解决所有的物理学问题。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
经典力学发展史：
古希腊的哲学家，包括亚里士多德在内，可能是最早提出“万有之本，必涵其因”论点，以及用抽象的哲理尝试敲解大自然奥秘的思想家。当然，对于现代读者而言，许多仍旧存留下来的思想是蛮有道理的，但并没有无懈可击的数学理论与对照实验来阐明和证实。而这些方法乃现代科学，如经典力学，能形成的最基本因素。
开普勒是第一位要求用因果关系来诠释星体运动的科学家。他从第谷·布拉赫对火星的天文观测资料里发现了火星公转的轨道是椭圆形的。这与中世纪思维的切割大约发生在西元1600年。差不多于同时，伽利略用抽象的数学定律来解释质点运动。传说他曾经做过一个著名的实验：从比萨斜塔扔下两个不同质量的球来试验它们是否同时落地。虽然这传说很可能不实，但他确实做过斜面上滚球的数量实验；他的加速运动论显然是由这些结果推导出的，而且成为了经典力学上的基石。
牛顿和大多数那个年代的同仁，除了惠更斯著名的例外，都认为经典力学应可以诠释所有大自然显示的现象，包括用其分支，几何光学，来解释光波。甚至于当他发现了牛顿环（一个光波干涉现象），牛顿仍然使用自己的光微粒学说来解释。
十九世纪后期，尖端的理论与实验挖掘出许多扑朔迷离的难题。经典力学与热力学的连结导至出经典统计力学的吉布斯佯谬（熵混合不连续特性）。在原子物理的领域，原子辐射呈现线状光谱，而不是连续光谱。众位大师尽心竭力研究这些难题，引导发展出现代的量子力学。同样的，因为经典电磁学和经典力学在坐标变换时的互相矛盾，终就创发出惊世的相对论。
自二十世纪末后，不再能虎山独行的经典力学，已与经典电磁学被牢牢的嵌入相对论和量子力学里面，成为在非相对论性和非量子力学性的极限，研究质点的学问。
2.阅读教材第二目“相对论的创立”
A（1）：20世纪初，德国物理学家爱因斯坦为什么要创立相对论（请注意阅读图片资料及解读综合思考）？
【6组学生板演预测】19世纪末20世纪初，科学技术进一步发展；经典力学遭遇困境与挑战：无法解释高速运动的微观粒子发生的现象等。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A（2）：相对论的主要内容是什么？它的创立有何历史影响（请注意阅读“学思之窗”综合思考）？
【5组学生板演预测】相对论包括狭义相对论和广义相对论：狭义相对论是建立在相对性原理和光速不变原理上的，认为物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，时间和空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。广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动状况，也取决于物质本身的分布状态。
影响：物理学领域的一次重大革命；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；发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度；
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
相对论的影响：
联合国大会已把2005年确定为“国际物理年”，这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。
运动中的尺子会缩短：相对论的研究对象是超越人们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙。狭义相对论认为，运动中的尺子会缩短。人们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米。狭义相对论表明，高速旅行会使时间变慢。假定将来人们能制造一艘接近光速飞行的宇宙飞船，从地球出发飞向遥远的星系，来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间），但在此期间地球上已过去了几千年。
1915年，爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。广义相对论认为，没有物质的时空是平坦的，有物质存在的时空就变得弯曲了，两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。一个直观的比喻是，水平抻开的一块布应该是平坦的，当你在布上放置一个铅球后，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。根据广义相对论，1939年美国物理学家奥本海默证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，这就是人们常听说的黑洞。
理论催生原子弹：作为相对论的一个推论，爱因斯坦提出了著名的质能关系式：能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下，1939年，科学家找到了通过裂变把质量转化为能量，释放巨大原子能的中子链式反应，进而制造了原子弹，后来又利用核聚变发明了氢弹。而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用，比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。
全球卫星定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出：传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号，由于处在不同的参照系上，时空无法和地面同步，只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间，才能保证定位系统的精确。
1976年，物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。他们观察到，这个时钟与放置在地球上的时钟相比，多获得了1/10微秒。他们认为，为了在未来时光中旅行，就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星引力场。如果让飞船到达一颗中子星上，就会在未来的时光中迈出一大步。
3.阅读教材第三目“量子论的诞生与发展”
A(1)：请简述量子论提出的历史背景与发展过程（请注意阅读图片资料及解读综合思考）。
【4组学生板演预测】历史背景：19世纪末20世纪初，科学技术进一步发展；经典力学遭遇困境与挑战：无法解释高速运动的微观粒子发生的现象等。
发展过程：①爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应；②玻尔提出了有关原子的量子理论；③20世纪30年代，量子力学建立。（量子力学：研究微观世界粒子运动规律的科学）
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A(2)：量子论的提出对人类社会发展有何影响？
【1组学生板演预测】影响： 使人类对微观世界的认识取得重大进步，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一； 量子论与相对论共同构成现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足； 改变了人们认识世界的角度和方式；
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
【合作探究】结合材料和所学知识思考，通过对近代自然科学的发展与进步的学习，你有何认识？
材料：有高度社会责任感的人，通常是具有良心的智识者。1939年8月2日，爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信给罗斯福总统建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹；后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠！”爱因斯坦就核武器问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出的最强音。
【2组学生板演预测】A科技是第一生产力；B科技的发展是经济发展的要求，反之也推动了经济的发展；C科学技术能够改变人类、社会及世界的发展；D科学是一把双刃剑要正确对待合理把握，为人类造福。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
【知识梳理】【师生互动小结】
一、经典力学
1.伽利略奠基：创立实验和观察科研方法；实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等；自制望远镜观察天体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。伽利略的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大成就之一，标志着物理学的真正开端。
2.牛顿建立：标志是1687年《自然哲学的数学原理》出版；主要内容是物体机械运动三大定律、万有引力定律等 ；特点：以实验为基础，以数学为表达形式。标志着近代科学的形成。海王星的发现证明了牛顿理论的科学性和预见性。
3.经典力学产生的历史条件：文艺复兴、宗教改革等思想解放运动的影响；资本主义的发展提供了物质基础；资产阶级民主革命运动的推动；科学家勇于的探索精神。
二、相对论的创立
1.创立条件：过去的物理学以牛顿理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的；19世纪随着科学的飞速发展，科学家发现高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学无法解释。
2.主要内容：狭义相对论——打破经典力学的绝对时空观。广义相对论——进一步深化对时间空间和引力现象的认识。
3.历史意义：相对论的提出是物理学领域的一次重大革命；否定了经典力学绝对时空观，发展了牛顿力学；推动物理学发展到了新的高度。
三、量子力学的诞生与发展
1.历史背景：19c末20c初，电子和放射性的发现使人们对物质的认识深入到原子内部；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.诞生标志：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告量子论诞生；
3.发展状况：①爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应；②玻尔提出了有关原子的量子理论；③20世纪30年代，量子力学建立。
4.历史意义：使人类对微观世界的认识取得重大进步，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。量子论与相对论共同构成现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。改变了人们认识世界的角度和方式。
【检测反馈】
1．阅读材料，回答问题。
拉尔夫、伯恩斯等人合著的《世界文明史》这样写道：“17和18世纪的文化进步并不特别神秘……这一时代的思想进步的渊源是中世纪末期以来欧洲历史上主要的经济和文化运动所产生的一些因素。”
（1）列举17—18世纪重大的科学技术成果（至少三项）。
【3组学生板演预测】伽利略发现自由落体定律，牛顿创立经典力学、胡克等创立细胞学说，瓦特新型蒸汽机改良成功。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
（2）17—18世纪的欧洲还发生了哪些影响世界的重大事件？
【4组学生板演预测】启蒙运动，英国资产阶级革命，法国大革命，第一次科技革命（工业革命）。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
（3）结合材料分析这一时代的思想进步的原因。
【5组学生板演预测】思想进步根源于资本主义因素的产生发展；此外，文艺复兴以后理性精神得到弘扬，宗教改革冲破了神学的禁锢，科学的迅速发展拓展了人们的视野，工业革命改善和丰富人们的生活，这些都有力地推动了进步思想的出现。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
教学后记
本课涉及众多物理学原理，不少学生因物理较差而感到学习困难，特别是爱因斯坦的相对论原理，学生深感茫然。但讲爱因斯坦与相对论，就不能不涉及具体原因，否则学生就难以理解爱因斯坦的贡献。于是，我在教学过程中强调两点：第一，经典力学与相对论最主要的区别就在于运动与时空之间关系的区别，经典力学强调绝对时空观，而相对论则强调相对时空观。第二，相对论并没有否定经典力学，而是将经典力学作为一种特例，包含在相对论之中，是经典力学的发展。教学实际表明，这一教学难题，得到了较好解决。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/84e24a3d854769eae009581b6bd97f192279bf32.html
文档为doc格式