第11课 物理学的重大进展 导学案（人教版必修3）

 

【学习目标】

【重点难点】

重点

伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。

难点

物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。

 

【学法指导】

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。

 

【学习过程】

一、经典力学

1．背景

(1)____________运动不仅解放了人们的思想，也对科学研究产生了重要影响。

(2)16世纪末17世纪初，伽利略发现了____________等物理学定律，开创了以____________为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，为后来____________的创立和发展奠定了基础。

2．建立

(1)提出：1687年，牛顿出版了《____________________》。

(2)内容：物体运动____________和____________等。

(3)特征

①以________为基础。

②以________为表达形式。

3．地位及作用

经典力学体系对解释和预见物理现象，具有决定性意义。后来，根据________________，人们发现了海王星等。

细节点拨　“以实验为基础，以数学为表达形式”是近代物理学的突出特征。

二、相对论的创立

1．背景

(1)19世纪，随着物理学研究的进展，____________无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。

(2)________物理学家爱因斯坦多年的研究。

2．内容

(1)狭义相对论：物体运动时，________会随着物体运动________增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动________的变化而变化，即会发生____________和____________。

(2)广义相对论：空间和时间的性质不仅取决于物质的________情况，也取决于物质本身的________状态。

3．意义

(1)相对论的提出是________领域的一次重大革命。

(2)它否定了____________的绝对时空观，深刻地揭示了____________的本质属性。

(3)它也发展了____________，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。

细节点拨　学习相对论时，要注意和经典力学使用的范围加以对比，以加深对相对论的认识。

 

【问题思考】

 

1．牛顿力学产生的原因是什么？

　　

2．相对论与牛顿力学的关系如何？

　　

三、量子论的诞生与发展

1．背景

(1)19世纪末20世纪初，电子和________的发现，人们对物质的认识深入到了________内部。

(2)大量的实验表明，__________运动不能用____________的理论来说明。

2．诞生

(1)时间：________年，________物理学家普朗克提出了量子假说。

(2)内容：辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位________来实现的。

3．发展

(1)爱因斯坦利用量子理论成功地解释了____________。

(2)丹麦物理学家________提出了有关原子的量子理论。

(3)20世纪30年代，____________建立起来。

4．意义

(1)使人类对____________的基本认识取得革命性的进步。

(2)与________一起，构成了现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识宏观世界和

____________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

____________。

细节点拨　相对论和量子论是现代物理学的两大支柱。

 

【问题思考】

 

3．量子论的主要内容是什么？其创立有什么意义？

 

 

探究一　经典力学

1． 材料　伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论，不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。……伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义。

——爱因斯坦《物理学的进化》

问题　据材料结合所学知识指出爱因斯坦所说的伽利略的发现是什么？有何意义？

　　

2．材料　

牛顿头像

问题　牛顿作为经典力学的创始人，他的经典力学有哪些特征？有何局限性？

　

探究二　相对论

 

1．材料　1905年，爱因斯坦先后发表了三篇具有划时代意义的论文，为相对论、量子理论和布朗运动理论的建立奠定了基础，对现代物理学的发展产生了巨大的影响。100年后，为了纪念这一历史性的年份，全球物理学界一致呼吁将2005年定为“世界物理年”，以纪念这位伟大的物理学家——爱因斯坦，并唤起公众对物理学的关注。

 

问题　爱因斯坦相对论的主要贡献有哪些？

　　

2．问题　有人认为爱因斯坦相对论否定了牛顿经典力学；也有人认为相对论是对牛顿经典力学的发展，你同意哪一种观点，并说明理由。

　

　

探究三　量子论

 

材料　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。

问题　结合所学知识指出相对论和量子理论出现的历史背景。为什么说这两大支柱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？

　　

【史料文本】　

伽利略的望远镜和他观察到的月亮

历史纵横　伽利略是利用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人。他用自己制造的望远镜发现了许多用肉眼看不见的星体，证明了哥白尼提出的 “日心说”的正确性。1632年，伽利略因在一本书中宣传“日心说”，遭到罗马教会的迫害。他被教会判处终身监禁，这本书也遭到教会的查禁。

【信息】　通过材料可以了解到伽利略用望远镜观测到许多天体，证明了哥白尼的“日心说”的正确性。

【价值】　通过这一材料可以了解到伽利略对物理学所作出的重大贡献，这一材料可以作为背景材料，用以对伽利略的贡献等知识的考查。

【方法】　阅读本材料注意把握人物、时间、重大发明或发现，并与教材正文部分相关知识相联系。

 

【参考答案】

一、1.( 1)文艺复兴　(2)自由落体定律　实验事实　经典力学　2.(1)自然哲学的数学原理　(2)三大定律　万有引力定律　(3)①实验　②数学

3．万有引力定律

二、1.(1)经典力学　(2)德国　2.(1)质量　速度　速度　尺缩效应　钟慢效应　(2)运动　分布　3.(1)物理学　(2)经典力学　时间和空间　(3)牛顿力学

三、1.(1)放射线　原子　(2)微观的粒子

经典力学　2.(1)1900　德国　(2)量子　3.(1)光电效应　(2)玻尔

(3)量子力学　4.(1)微观世界　(2)相对论　微观世界　(3)角度和方式

问题思考

1．(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，为牛顿在科学方面的贡献创造了条件并提出了迫切要求。

(2)具备了较好的知识条件。开普勒和伽利略的研究成果，特别是伽利略的实验观察方法，为牛顿在科学方面的成就提供了更好的知识条件。

(3)牛顿在科学领域的探索精神和不畏艰辛、勇于牺牲的思想品质。

2．(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，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。

3．(1)主要内容：认为物质的辐射能不是连续的，而是以最小的不可再分的能量单位即以一定数值的整数倍进行能量交换。

(2)意义

①量子论的提出开创了物理学的新纪元，在其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科学的发展，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。②相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，带动其他学科的理论都发生了革命性的突破。

课堂活动区

探究一

1．发现：伽利略发现了自由落体定律，确定匀速运动和匀加速运动这两个新概念。意义：为经典力学的建立奠定了基础，标志着物理学的真正开端。

2．(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的逻辑关系，并由此得出重要的结论。②力学体系的数学化。主要运用他创立的微积分做计算工具，这种数学源于自然界内在的数学关系。

(2)局限性：牛顿经典力学体系建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上。在牛顿力学中，存在着绝对的静止和绝对的时间。这种绝对的时空观符合人们的日常经验，但无法解释高速运动的物体运动的规律和微观世界中的粒子，这说明牛顿力学体系面临着危机和挑战。

探究二

1．(1)物理学方面：相对论的提出是物理学领域最伟大的革命。它在很大程度上解决了19世纪末经典物理学出现的危机，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，使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间。

(2)人类思想认识方面：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，是人类思想发展史上的一次根本性的变革。

2．同意第二种观点。

理由：(1)牛顿力学体系概括了物体机械运动的基本定律，这些定律有一个不容忽视的前提，即物体运动是在低速情况下，这些定律才适用。

(2)20世纪初，爱因斯坦提出相对论，否定了牛顿的绝对时空观，指出了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，并提出质能转化原理，奠定了开发利用原子能的理论基础，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。

(3)相对论发展了牛顿力学，牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。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。

探究三

背景：19世纪，物理学的新发现对经典力学的绝对时空观提出了挑战。原因：爱因斯坦揭示了时间和空间的本质属性，将牛顿力学概括在相对论之中；普朗克的量子论发现了微观物质的运动规律，为现代自然科学和技术革命提供了理论基础。

 

【知识链接】

 

◆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。

 

◆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。

 

◆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。

 

【基础达标】

一、选择题

1．关于伽利略的力学成就的评述，正确的是(　　)

①标志着经典力学体系的建立　②开创了实验科学的时代　③标志着物理学的真正开端　④是人类思想史上的伟大成就之一

A．①②③  B．②③④

C．①③④  D．①②④

2．牛顿临终遗言：“我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。”牛顿所说的“光滑的石子”和“美丽的贝壳”是指(　　)

A．物体机械运动定律和万有引力定律

B．相对论

C．量子论

D．进化论

3．2006年8月24日，在捷克首都布拉格举行的国际天文学联合会大会通过行星的新定义，1930年发现的冥王星“惨遭降级”。发现冥王星的理论依据是(　　)

A．哥白尼的“太阳中心说”

B．伽利略的科学理论

C．牛顿经典力学理论

D．爱因斯坦的相对论

4．“爱因斯坦是一个造物者！”这是著名华裔物理学家诺贝尔奖得主杨振宁对爱因斯坦的评价。杨振宁在这里高度评价爱因斯坦，主要依据是他(　　)

A．否定牛顿力学体系

B．创立现代物理学

C．改变了人们的思维模式

D．发现和创立了相对论

5．有一次，爱因斯坦与卓别林共同出席一个宴会，他们都受到了热烈的欢迎。卓别林对爱因斯坦开玩笑说：“大家欢迎我是因为他们都能理解我，大家欢迎你是因为他们都不理解你。”此语意指(　　)

A．绝大多数人盲目欢迎爱因斯坦

B．相对论有悖于人们的日常经验

C．理论物理与人们日常生活很远

D．伟大的科学家不如著名艺术家

6．在2007年12月20日的第62届联合国会员大会上，联合国宣布2009年为“国际天文年”，并希望地球上的每一个人，在2009年都至少想一次宇宙中的奇观，理解科学知识是如何对一个更加公正与和平的社会作出贡献的。下列有关人类探索宇宙的表述，正确的是(　　)

A．伽利略证明了白光由七色光组成

B．牛顿正确地解释了潮汐的成因

C．量子理论成为天文学上的基础定律

D．广义相对论改变了人们对宇宙的认识

7．20世纪初，物理学本身发生了一场革命性的变化。下列选项中推动这一变化的是(　　)

A．电的发明和利用

B．量子论的提出和发展

C．经典力学的发展

D．原子能在军事上的应用

8．下列有关量子理论的描述，不正确的是(　　)

A．与相对论一起构成了现代物理学的基础

B．促进了现代科学技术的突破性发展

C．改变着人们的生活

D．是由普朗克完成的

题号	1	2	3	4	5	6	7	8
答案

二、非选择题

9．阅读下列材料：

材料一　英国广播公司(BBC)评出的千年最伟大的思想家(1999.9)

1.马克思(德国思想家、哲学家、政治家)	2.爱因斯坦(犹太籍科学家)
3.牛顿(英国物理学家)	4.达尔文(英国科学家)
5.阿奎纳(意大利经院哲学家)	6.霍金(英国科学家)
7.康德(德国哲学家)	8.笛卡儿(法国数学家、哲学家)
9.麦克斯韦(英国物理学家)	10.尼采(德国哲学家)

材料二　我们被放在这有如戏院的世界上，每个事件的起源和缘由却完全隐瞒不让我们知道，我们既没有足够的智慧预见未来，也没有能力防止那些使我们不断受伤害的不幸事件发生。我们被悬挂在永恒的疑惧之中……                          ——英国哲学家休谟

请回答：

(1)根据材料一，爱因斯坦和牛顿紧随马克思之后排在第二位和第三位，他们分别对人类历史发展作出了怎样的贡献？

　　

(2)材料二是对材料一中哪位科学家诞生之前的社会的描述？为什么？

　

(3)在光学领域，爱因斯坦取得了什么成就？

　　

【参考答案】

1．B　[伽利略的力学成就为经典力学的建立奠定了基础，标志着物理学的真正开端。另外，伽利略开创的一系列科学研究方法使其成为近代实验科学的奠基者，是人类思想史上的伟大成就之一。]

2．A

3．C　

4．D　[爱因斯坦的主要贡献是提出了相对论。杨振宁对爱因斯坦的评价，依据就是相对论的重要性。]

5．B

6．D　[17世纪初，牛顿制作折射望远镜，对太阳光进行反射实验，证明日光即白光由七色光组成；潮汐的成因较多，万有引力只是其中之一，因此不能说是正确解释；万有引力定律是天文学上的基础定律，因此A、B、C三项错误。]

7．B　[考查20世纪初自然科学的成就，A项发生于19世纪70年代后，C项出现在17世纪，D项出现在20世纪四五十年代，均与题干不符。因此正确答案为B项。]

8．D　[量子理论的诞生、发展是由一系列发明创造促成的。1900年，德国物理学家普朗克提出了量子假说，宣告了量子理论的诞生；丹麦物理学家玻尔在此基础上提出了有关原子的量子理论；爱因斯坦利用量子理论成功地解释了光电效应；经过这些科学家们的共同努力，到20世纪30年代量子力学最终建立。D项说法不正确。]

9．(1)牛顿创立了经典力学，标志着近代自然科学的形成；爱因斯坦提出相对论，奠定了现代物理学的基础。

(2)牛顿。经典力学(《自然哲学的数学原理》)是人类历史上对自然规律进行的第一次理论性概括和总结。

(3)利用量子理论成功解释了光电效应。

 

【拓展提升】

 

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。