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
【教学目标】
1．知识与能力：
（1）识记伽利略的发现以及他开始的科学研究方法，标志着物理学的真正开端；牛顿力学体系即经典力学体系的建立；海王星、冥王星的发现；经典力学体系的建立标志着近代科学的形成；1905年爱因斯坦提出了狭义相对论和光速不变原理；1916年他完成了广义相对论的最终形式；普朗克量子论的诞生；爱因斯坦推动了量子论的发展；
（2）理解16世纪末17世纪初物理学方面取得突出成就的历史条件；相对论和量子论诞生的原因、意义；
（3）思考“日心说”与“地心说”相比的进步性；探究经典力学体系的特点、影响；归纳量子论的发展过程；
2．过程与方法：
（1）利用多媒体手段，为学生提供图片、文字、视频等材料，激发学生学习的兴趣，发掘学生学习的动力；
（2）通过问题探究、实践体验、历史比较、图表分析等方法与手段培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
3．情感态度与价值观：
（1）科学真理需要勇于探索、执着追求的精神；
（2）科学理论在不断完善、创新；
（3）人类对客观规律的认识不断深入。
【教学方法】
1. 根据新课标的理念，鼓励学生自主学习，通过探究学习，解决问题。解决问题是关键，在解决问题的同时，学习具体知识。培养学生解决问题的方法和能力。
2．注意培养学生的情感态度价值观。一方面，适当介绍一些科学家的生平事迹、优秀品德、名言名句等，引导学生感悟他们的孜孜不倦的奋斗精神、求真求实的科学精神、为理想而献身的高贵品质等，陶冶自己的性情，提升自己的情操。另一方面，要学生有全球的眼光，关注人类的发展，自觉传承科技文化。
【教学内容】
1．经典力学的奠基者——伽利略：
（1）背景：受文艺复兴运动的影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来。人类进入到科学实验时代。16世纪末17世纪初，随着文艺复兴运动的扩展和人的思想的解放，意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统地观察和实验。他将科学实验与数学相结合，进行科学研究，并强调追究事物之间的数学关系。
（2）伽利略对物理学重大贡献及意义。
在1604年，意大利物理学家伽利略在实验中发现：物体下落时的距离与所用时间的平方成正比，而物体下落的速度与物体的重量无关，这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。
希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的，推动者一旦停止推动，运动就会立即停止。
伽利略的研究表明，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因。这是自古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革，为经典力学的建立奠定了基础。他的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。
（3）伽利略在天文学方面的贡献及影响。
中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”，它认为地球是宇宙的中央，日月星辰都围绕地球运行。文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼提出“太阳中心说”，并写成《天体运行论》。他提出太阳是宇宙的中心，地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法，摧毁了上帝创造世界的谬论。
意大利科学家伽利略对哥白尼学说的传播和天文学的发展做出了重要贡献。他自创了用以观察天体的第一架望远镜，从望远镜里他发现月球表面有高山深谷，并不是以前人们所说的月球表面是光滑的；木星有四颗卫星，很相似于行星绕着太阳转，他看到银河是由无数恒星组成的，还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年，伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。他的这些发现和观点，摧毁了教会的信条从而证明了哥白尼学说的正确。
2．经典力学的建立：
（1）经典力学建立的背景及概况。
17～18世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学，又称牛顿力学。在经典力学的建立中，曾有许多科学家为之付出心血，牛顿则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。
在经典力学领域中，最重要的成就是万有引力定律和运动三定律的发现，这些成就构成了经典力学的基本内容。
（2）经典力学建立的标志。
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。牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献，最重要的是在力学方面。他在力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明，任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比，而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们连结起来了。此外，牛顿还确立了著名的运动三定律，即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。
1687年，他出版了《自然哲学的数学原理》，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。
牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合。
（3）经典力学的显著特征。
最显著的特征之一就是注重实验，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。
另一个显著特征是它的数学化，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。
（4）经典力学的影响。
牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后，光学、电磁学等与力学的进一步统一，大大推动了物理学的发展。经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
3．从经典力学到相对论：
（1）相对论提出的历史背景。
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。
（2）相对论的提出及主要内容。
过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。德国物理学家爱因斯坦经过多年的研究，打破了传统的绝对时空观，于1905年提出了狭义相对论和光速不变原理。指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。狭义相对论认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。
1916年，爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。在广义相对论中，引力是被考虑的主要问题。广义相对论指出：空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间结构和性质取决于物质的分布，使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。广义相对论又被认为是一种引力理论。
（3）相对论提出的历史意义。
相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它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，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，即揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
4．量子论的诞生与发展：
（1）量子论诞生的背景。
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。但大量的实验表明，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。量子论在这种背景下诞生。
（2）量子论的诞生、发展和量子力学。
1900年，德国物理学家普朗克提出了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能量量子的整数位跳跃式地变化的量子假说。这个假说宣告了量子论的诞生。
在普朗克之后，英国的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。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。德国物理学家海森伯和奥地利物理学家薛定谔等创立了物理波理论，指出电子和一切物质粒子都像光一样，既具有连续的波动性质，又具有不连续的粒子性质。经过这些科学家的共同努力，到1925年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。
（3）量子论和量子力学的影响。
在量子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科学的发展。同时，也标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到了微观世界。
相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，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。
【教学重点】
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。
【热点试题】
1．你认为伽利略能够确定加速运动定律的关键途径是什么？你有何启示？为什么16世纪中期以后科学会出现新时期？
2．牛顿对物理学的主要贡献包括哪些？
3．爱因斯坦的主要研究成果有哪些？
【课堂小结】
文艺复兴以来，由于人的思想从宗教束缚中解放出来，重视实践和理论的结合，促进了科学技术的迅速发展，尤其是欧洲的自然科学取得了巨大成就，在数学、生物学、物理学、化学等众多领域，理论研究取得了很多划时代的成果。
在学习本单元过程中要突出了解这一时期科学家取得的重要成果以及对人类生活和社会进步的作用，同时也要关注这些科学巨匠勇于探索、执着追求的科学精神。
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