2018-2019學年高中歷史 第四單元 近代以來世界的科學發(fā)展歷程 第11課 物理學的重大發(fā)展新課教案2 新人教版必修3.doc

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第11課 物理學的重大進展 推進新課 問題情境1：閱讀材料并結合教材P54相關內容，思考伽利略進行科學研究的背景，他一生有哪些科學貢獻？ （板書）一、經典力學的建立 1.經典力學的奠基者——伽利略 多媒體展示材料： 伽利略（Galileo Galilei，1564～1642），意大利物理學家、天文學家和哲學家，近代實驗科學的先驅者。他通過理論分析與實驗推翻了亞里士多德的力學體系并建立了近代力學。1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的著名實驗，從此推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學說，糾正了這個持續(xù)了1900年之久的錯誤結論。他工作中體現出的“實驗－模型”思維方法成為至今實驗科學研究的基石，為了紀念伽利略的功績，人們把木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四命名為伽利略衛(wèi)星。人們爭相傳頌：“哥倫布發(fā)現了新大陸，伽利略發(fā)現了新宇宙?！? 伽利略開創(chuàng)了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系和數學表述形式的近代科學，被譽為“近代科學之父”。他第一個把望遠鏡對準天空進行觀測，出版了《星空使者》一書。1632年，他出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，把哥白尼的學說推到了最終勝利的階段。 伽利略的折射式望遠鏡　　　　伽利略繪制的第一幅月面圖 師生互動：中世紀農業(yè)、手工業(yè)的發(fā)展為近代科學提供了物質條件。14世紀發(fā)端于意大利、隨后波及整個歐洲的文藝復興運動，是一場思想文化解放運動，不僅創(chuàng)造了近代的古典文學和藝術，而且由于它對經院哲學的蔑視和拒斥，對現實世界和世俗生活的關注、對古典文化資源的挖掘，提倡注重科學實驗、注重實踐的人文主義精神為近代自然科學的誕生創(chuàng)造了非常有利的文化氛圍，同樣它也為伽利略進行科學研究提供了重要的社會前提。 （板書）（1）背景：伽利略進行科學研究的背景 物質條件——中世紀農業(yè)、手工業(yè)的發(fā)展； 社會前提——文藝復興運動的興起。 自主學習：從材料可以看出伽利略一生的科學成就主要表現在兩個方面： （板書）（2）主要成就 物理學方面：突出成果——創(chuàng)立自由落體定律。 天文學方面：制造天文望遠鏡、證明哥白尼“日心說”的正確性。 問題情境2：比較一下伽利略和亞里士多德關于運動觀念的不同之處，并說明伽利略創(chuàng)立的自由落體定律與他制造望遠鏡證明“日心說”的正確性在當時的積極意義。 師生互動：亞里士多德（約前384～前322年）是古希臘著名的哲學家、科學家和教育家。他首次將哲學和其他科學區(qū)分開來，開創(chuàng)了邏輯學、倫理學、政治學和生物學等學科的獨立研究。他的學術思想對西方文化、科學的發(fā)展產生巨大的影響。 亞里士多德認為，外力是維持運動狀態(tài)的原因。伽利略則認為，外力并不是維持運動狀態(tài)的原因，而是改變運動狀態(tài)的原因。 過程評價：1604年，伽利略在實驗中發(fā)現：物體下落時的距離與所用時間的平方成正比，而物體下落的速度與物體的重量無關，這就是著名的落體定律。他還通過實驗證實了勻速運動定律和勻加速運動定律。伽利略的研究明確表明，外力并不是維持運動狀態(tài)的原因，而只是改變運動狀態(tài)的原因。這是對古希臘哲學家亞里士多德以來有關運動觀念的重大變革，為經典力學的建立奠定了基礎。 過渡：中世紀流行的天文學觀點是托勒密的“地球中心說”，它認為地球是宇宙的中央，日月星辰都圍繞地球運行。文藝復興運動時期波蘭科學家哥白尼提出“太陽中心說”，并寫成《天體運行論》。他提出太陽是宇宙的中心，地球不過是圍繞太陽運行并能自轉的一顆普通行星而已。這就揭穿了所謂“上帝賦予地球特殊地位”的說法，摧毀了上帝創(chuàng)造世界的謬論。 學習探究：伽利略是利用望遠鏡觀察天體并取得大量成果的第一人。他用這個望遠鏡來觀測天體，發(fā)現了月球表面的凹凸不平，并不是以前人們所說的月球表面是光滑的，并親手繪制了第一幅月面圖。1610年1月7日，伽利略發(fā)現了木星的四顆衛(wèi)星，很相似于行星繞著太陽轉，為哥白尼學說找到了確鑿的證據，標志著哥白尼學說開始走向勝利。借助于望遠鏡，伽利略還先后發(fā)現了土星光環(huán)、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動，以及銀河是由無數恒星組成，等等。這些發(fā)現開辟了天文學的新時代。1632年伽利略出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。他的這些發(fā)現和觀點，摧毀了教會的信條而證明了哥白尼學說的正確。由于伽利略的發(fā)現和觀點，摧毀了教會的信條而證明了哥白尼學說的正確，所以他遭到了教會的審判。 多媒體展示材料： 伽利略（1564～1642）面對教會的審判 伽利略在科學領域里的重大成就，激怒了羅馬教皇及其信徒們，當伽利略寫了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》這篇科學巨著后，教會終于露出了猙獰面目，把伽利略投入了監(jiān)獄。教皇烏爾班八世的御用工具——宗教裁判所在1633年6月21日宣布對伽利略的判決說：“我們判決你在宗教法庭監(jiān)獄內服刑，刑期由我們掌握，為了有益于補贖，命令你在今后3年內，每周背誦7篇贖罪詩篇……”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤三百多年，至死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行葬禮，不準葬入圣太克羅斯墓地。當然正如伽利略所說的：“真理就是具備這樣的力量，你越是想要攻擊它，你的攻擊就愈加充實了和證明了它?！辈贿^，由此可見伽利略的科學研究并不是非常順利，而是要面對各種困難的威脅，但他仍然為天文學、為物理學作出了巨大的貢獻。 問題情境3：我們能從中學習到什么東西呢？ 自主學習：要學習伽利略那種勇于探索、執(zhí)著追求和捍衛(wèi)真理的優(yōu)良品質，以及為理想獻身的精神，培養(yǎng)和樹立正確的世界觀和人生觀。 問題情境4：伽利略科學研究的主要意義有哪些？ （板書）（3）意義 ①他的發(fā)現和他開始的科學研究方法，標志著物理學的真正開端。 ②為經典力學的創(chuàng)立奠定了基礎。 ③開創(chuàng)了近代科學。 過渡：剛才我們介紹的經典力學的奠基者伽利略在物理學和天文學方面的巨大貢獻，主要涉及的是16世紀末17世紀初物理學的發(fā)展情況，17～18世紀時物理學經過牛頓的發(fā)展最終建立起經典力學。 （板書）2.經典力學的建立 （1）牛頓 多媒體展示材料： 牛頓是英國偉大的數學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓對人類的貢獻是巨大的，正如恩格斯所說：“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學的天文學；由于進行了光的分解，而創(chuàng)立了科學的光學；由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學的數學；由于認識了力的本質，而創(chuàng)立了科學的力學。”為紀念牛頓的貢獻，國際天文學聯合會決定把662號小行星命名為牛頓小行星。 問題情境5：牛頓在科學上的貢獻是多方面的，他最主要的貢獻是什么呢？ (板書)（2）貢獻 師生互動：牛頓在數學、光學等領域均有重大貢獻，最重要的是在力學方面。 過程評價：17～18世紀，近代自然科學中突出發(fā)展起來的是經典力學，在經典力學的建立中，曾有許多科學家為之付出心血，牛頓是其中的集大成者，故經典力學又稱牛頓力學。 問題情境6：經典力學建立的標志是什么？ (板書)（3）建立標志 師生互動：經典力學建立的標志是牛頓確立的萬有引力定律和運動三大定律。 過程評價：萬有引力定律總結了此前一個半世紀的科學發(fā)明并用精確的數學術語把它們聯結起來了。 運動三大定律即慣性定律、比例定律（即加速度與力成正比）、作用和反作用相等定律。運動三定律是經典物理學的基礎。1687年，牛頓出版了《自然哲學的數學原理》，在該書中他首先給力學的基本要領如質量、動量、慣性、力及向心力下了定義，對大至宇宙天體，小至光的微粒的一切物體在真空中或在有阻力的介質中的運動，全部應用運動三定律和萬有引力定律給予了說明，把自然界中的一切力學現象都囊括在他的力學體系之中。 （板書）《自然哲學的數學原理》的出版標志著經典力學的成熟。 過程評價：《自然哲學的數學原理》一書的出版標志著經典力學的成熟。牛頓力學在科學史上的意義表現在它把天上和地上的運動統(tǒng)一起來，把萬有引力定律和運動三定律視為宇宙間一切力學運動的普遍規(guī)律，從力學的角度證明了自然界的統(tǒng)一性，實現了人類對自然界認識的第一次綜合。 問題情境7：閱讀教材P55相關內容思考：牛頓力學體系有何顯著特征？它的建立有何意義？ 自主學習：經典力學建立了一套與古代和中世紀不同的自然觀和方法論，它有兩個顯著的特征，即注重實驗與數學化。 （板書）（4）經典力學體系特征 多媒體展示材料： 1781年，人們發(fā)現了太陽系的第七大行星——天王星，但它的理論位置與實際觀測不符。科學家們設想有一顆未知的行星對它產生了影響。后來，經過科學家的計算，1846年，人們終于發(fā)現了海王星。 自主學習：理論的威力在于其預見性，人們根據牛頓理論的推測先后發(fā)現了兩顆新的行星：海王星、冥王星，新的行星的發(fā)現證明了牛頓理論的預見性和科學性。 （板書）（5）意義：牛頓三大運動定律和萬有引力定律建立后，光學、電磁學等與力學的進一步統(tǒng)一，大大推動了物理學的發(fā)展。 過渡：牛頓力學體系雖然有著巨大的影響，但由于其本身還有不完善的地方，隨著科學研究的不斷深入，僅用經典力學理論已無法解決越來越復雜的物理問題。在這種情況下，19世紀末20世紀初物理學發(fā)展進入新階段即物理學界出現了一種嶄新的革命性的理論——相對論。 （板書）二、相對論的創(chuàng)立 問題情境8：愛因斯坦創(chuàng)立相對論的原因是什么？相對論的主要內容是什么？相對論的創(chuàng)立有何意義？ （板書）1.背景 多媒體展示材料： 到19世紀末，經典力學取得了前所未有的進步和成功。在物理學領域，牛頓的力學體系一度被看作是對科學根本問題的最終解答，以此為基礎，人們統(tǒng)一了聲學、熱學、光學和電磁學，描繪出了一幅小到原子、大到宇宙天體的似乎是最終和一勞永逸的世界圖景。 然而，正當人們認為物理學已經達到了頂峰，并陶醉于這種“完美的”境界時，出乎意料地爆發(fā)了物理學的危機。 19世紀末，物理學界連續(xù)發(fā)生了三個重大事件，這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現。這三大發(fā)現以實驗事實使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動搖。物理學家們曾認為的似乎已經基本上完成了的經典物理學體系，從根本上出現了動搖，這就是所謂的“物理學危機”。經典物理學所研究的是人們日常生活中易于理解的宏觀世界，三大發(fā)現所揭示的卻是人們沒有直接經驗的微觀現象，這表明人們對物質世界的認識已經深入了一個層次。 師生互動：19世紀科學得到飛速發(fā)展，而經典力學無法解釋高速運動微觀粒子發(fā)生的現象，所以物理學發(fā)展遇到了危機。愛因斯坦在此時刻提出了相對論，從而發(fā)展了牛頓力學，把物理學發(fā)展到一個新的高度。 (板書)2.相對論的內容 多媒體展示材料： 愛因斯坦是現代物理學的開創(chuàng)者和奠基人。1879年3月14日生于德國的烏爾姆，1955年4月18日卒于美國的普林斯頓。1905年，年僅26歲的愛因斯坦發(fā)表了三篇論文，在物理學三個不同領域取得了歷史性成就，特別是狹義相對論的提出，使人類對于空間、時間和物質運動的認識發(fā)生了革命性變化，標志著物理學新紀元的到來。1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，這是繼狹義相對論之后，近代科學的又一個重大成就。除在光電效應、相對論等方面作出舉世皆知的杰出貢獻外，他關于布朗運動的研究成果，由于對大量無序因子的規(guī)律性把握，成為當今最熱門的金融數學的基礎；他提出的激光受激輻射的概念，在幾十年后的今天得到了廣泛的應用；他與玻爾進行的論戰(zhàn)中提出的EPR佯謬，至今仍是理論物理學和科學哲學界不斷探討的話題……愛因斯坦不僅是一位偉大的科學家，還是一位和平主義者。他目睹了兩次世界大戰(zhàn)對人類文明的摧殘，認為和平是人類的首要問題。1955年4月，彌留之際的愛因斯坦簽署了《羅素─愛因斯坦宣言》，呼吁人們團結起來，防止新的世界大戰(zhàn)爆發(fā)。 師生互動：相對論包括狹義相對論和廣義相對論。1905年愛因斯坦提出了狹義相對論和光速不變原理，指出了時間、空間和物體的質量不是絕對不變的，而是隨著物體的運動而發(fā)生變化。 過程評價：過去的物理學都以牛頓的理論為基礎，認為時間和空間是絕對的，兩者是沒有任何直接聯系的。似乎宇宙間存在著一個永遠走動著的大鐘，在任何情況下，它的速率都是相同的，世界上的一切運動在時間上都以它為度量標準。而相對論建立的突破口就是對人們千百年來所習慣的盲目的“同時性”觀念的推翻。愛因斯坦經過研究，打破了傳統(tǒng)的絕對時空觀，指出了時間、空間和物體的質量不是絕對不變的，而是隨著物體的運動而發(fā)生變化。狹義相對論認為：物體運動時，質量會隨著物體運動速度的增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即還會發(fā)生尺縮效應和鐘慢效應。 當速度接近光速時，時間變慢而質量增加 自主學習：1916年，愛因斯坦完成了廣義相對論的最終形式。 在廣義相對論中，引力是被考慮的主要問題。廣義相對論認為，空間和時間的性質不僅取決于物質的運動情況，也取決于物質本身的分布狀態(tài)。 過程評價：在廣義相對論中，引力是被考慮的主要問題。廣義相對論指出：空間和時間不可能離開物質而獨立存在，空間結構和性質取決于物質的分布，使人類進一步深化了對時間、空間和引力現象的認識。廣義相對論又被認為是一種引力理論。 過渡：2005年被聯合國教科文組織確定為“世界物理年”，就是為了紀念愛因斯坦1905年先后發(fā)表5篇具有劃時代意義的論文，為相對論的建立奠定了基礎，為量子理論的發(fā)展作出了重要貢獻。 (板書)3.意義 自主學習：相對論的提出是物理學思想的一次重大革命，它否定了經典力學的絕對時空論，從本質上修正了由狹隘經驗建立起來的時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性，即揭示了時空的可變性、時空變化的聯系性，樹立了新的時空觀、運動觀、物質觀。這一理論被后人譽為20世紀人類思想史上最偉大的成就之一。 相對論的提出也發(fā)展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，作為人們探索自然奧秘的強有力的理論武器，為物理學的發(fā)展開辟了一個全新的方向，為現代科學技術的發(fā)展奠定了牢固的基礎。 過渡：相對論是物理學的一次重大革命，在19世紀末20世紀初物理學的另一個重大成就是量子論的誕生與發(fā)展。相對論與量子論共同構成了現代物理學的基礎。 問題情境9：量子論是在什么背景下產生的？又是如何發(fā)展的？在量子論研究方面作出杰出貢獻的科學家有哪些？量子論的建立有什么意義？ （板書）三、量子論的誕生與發(fā)展 1.背景 自主學習：19世紀末20世紀初，電子和放射性的發(fā)現，打開了原子的大門，使人們對物質的認識深入到了原子內部。但大量的實驗表明，微觀粒子的運動不能用通常的宏觀物體的運動規(guī)律進行描述。量子論在這種背景下誕生。 （板書）2.量子論的誕生 多媒體展示材料： 普朗克，德國物理學家，量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學獎的獲得者。 普朗克的偉大成就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學史上的一次巨大變革。從此結束了經典物理學一統(tǒng)天下的局面。 1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經典物理觀念，導出了與實驗完全符合的黑體輻射經驗公式。在理論上導出這個公式，必須假設物質輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個最小能量的整數倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。普朗克的假設解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進一步提出了能量子與頻率成正比的觀點，并引入了普朗克常數h。量子理論現已成為現代理論和實驗不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾物理學獎。 自主學習：1900年，德國物理學家普朗克在柏林德國物理學會上宣讀了他的劃時代論文《論正常光普能量分布定律》，在這篇論文中他提出了一個假說，而正是這個假說宣告了量子論的誕生。 (板書)3.量子論的發(fā)展 多媒體展示材料： 量子論與物理學的傳統(tǒng)原則是相違背的，所以它曾遭到很多人的懷疑，但是量子論的發(fā)展趨勢是不可逆轉的，此后又有眾多的科學家為它的發(fā)展作出了貢獻，愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應出現的現象及光的本質，丹麥物理學家玻爾提出了有關原子的量子理論，進一步推動了量子論的發(fā)展。經過眾多科學家的共同努力，到20世紀30年代量子力學最終建立。量子力學是研究微觀世界粒子運動規(guī)律的科學。 自主學習：在量子力學理論研究方面，普朗克、愛因斯坦、玻爾等物理學家都作出了自己的貢獻，經過眾多科學家不懈的努力，量子力學最終在20世紀30年代建立起來。 （板書）4.量子論建立的意義 多媒體展示材料： 江澤民在接受美國《科學》雜志獨家專訪時強調指出：“可以說，沒有量子理論，就不會有微電子技術。如果沒有相對論，就不會有原子彈，也不會有核電站?！毕鄬φ摵土孔恿W的確立是物理學革命的高潮，以物理學革命為先導，帶動了化學、生物學、天文學、地學等學科的理論也都發(fā)生了革命性的突破。量子力學和狹義相對論結合形成原子核物理學，指導制造原子彈、氫彈和建立核電站。量子力學還為電子技術、半導體技術和激光技術等奠定了理論基礎。 自主學習：量子論使人類對微觀世界的基本認識取得革命性的進步，成為20世紀最深刻、最有成效的科學理論之一。它與相對論一起，構成了現代物理學的基礎。相對論和量子論彌補了經典力學在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足。它們的提出，不僅推動了物理學自身的進步而且開闊了人們的視野，改變了人們認識世界的角度和方式。 課堂小結 19世紀以牛頓力學為代表的經典物理學的發(fā)展日趨成熟，并達到了高峰。但是隨著時代的發(fā)展和科技的進步，一些新的研究發(fā)現對它提出了挑戰(zhàn)，導致了經典物理學的危機。相對論和量子力學的確立掀起了一場物理學革命。量子力學和狹義相對論結合形成的原子核物理學，是物理學革命的高潮，對其他學科產生了歷史性影響，人類對自然界的探索又躍上了一個新的高度。物理學的發(fā)展給了我們這樣的啟示：要敢于質疑，勇于創(chuàng)新，實踐才能出真知。 板書設計 物理學的重大進展 活動設計 愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家。一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一?！?005年是愛因斯坦逝世50周年紀念。如果搞一個紀念活動，讓你用一句話來說說自己對愛因斯坦和他的理論的理解，你應該怎么說？看看誰說的最好！ 思路引領：只有對愛因斯坦的生平和他的理論有全面的理解才會有精辟的概括和評論。建議利用互聯網查找有關資料，然后根據自己的了解，說出一句精辟的評述。如“他是一個用理性而不是暴力成功地改變人類世界觀的人”；通過查找資料了解他目睹了兩次世界大戰(zhàn)對人類文明的摧殘，認為和平是人類的首要問題，指出“他不僅是一位偉大的科學家，還是一位和平主義者”，只要言之有理均可。 習題解答 學思之窗 你認為應該怎樣評價牛頓和愛因斯坦的貢獻？ 解題關鍵：適應時代的需要，推動科學的發(fā)展。 思路引領：牛頓創(chuàng)立經典力學；愛因斯坦提出相對論。 答案提示：牛頓確立了萬有引力定律和運動三定律，之后光學、電磁學等與力學進一步統(tǒng)一，大大推動了物理學的發(fā)展，牛頓力學研究的是宏觀世界。愛因斯坦打破了牛頓以來傳統(tǒng)的絕對時空觀，于1905年提出了狹義相對論和光速不變原理，1916年愛因斯坦完成了廣義相對論的最終形式。愛因斯坦的相對論發(fā)展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，推動物理學發(fā)展到一個新的高度。 探究學習總結 一、本課測評 相對論和量子論的出現，有什么意義？ 解題關鍵：考查物理學發(fā)展的意義。 思路引領：設問有兩點：相對論出現的意義、量子論出現的意義。依據教材內容回答即可。 答案提示：相對論的提出是物理學領域的一次重大革命。它否定了經典力學的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性。它也發(fā)展了牛頓力學，將其概括在相對論力學之中，推動物理學發(fā)展到一個新的高度。 量子論使人類對微觀世界的基本認識取得革命性的進步，成為20世紀最深刻、最有成效的科學理論之一。 相對論和量子論彌補了經典力學在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足。它們的提出，不僅推動了物理學自身的進步而且開闊了人們的視野，改變了人們認識世界的角度和方式。 二、學習延伸 20世紀初，愛因斯坦提出了著名的質量能量公式Ｅ＝mc2，這一理論為核能的開發(fā)提供了依據。第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后，核能研究得到迅速發(fā)展。請查找資料，了解20世紀核能研究發(fā)展的基本情況，談一談這一研究的發(fā)展對人類社會產生了哪些影響。 解題關鍵：核科學發(fā)展的重大影響。 思路引領：從正反兩方面正確評價其影響。 答案提示：核技術的發(fā)展給世界帶來緊張和不安，同時也可以維護世界和平；核武器曾經給人類帶來毀滅性的災難，我們也可以利用核技術為人類服務，造福社會。