1、一近代物理学的奠基人和革命者学习目标时空坐标1.了解经典力学的主要内容。2.认识经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位。3.知道相对论、量子论的主要内容,认识现代物理学发展的重大意义。必备知识自主学习 一、认识史上的飞跃1.背景:近代科学的诞生以及伽利略自由落体定律的创立,冲击了亚里士多德学说的统治地位。2.牛顿力学三定律:(1)时间:17世纪末。(2)内容:牛顿在研究伽利略自由落体定律的基础上,得出了惯性定律和加速度定律,又在笛卡尔等人对碰撞运动的研究基础上总结出作用力和反作用力定律。(3)地位:牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础,成为整个近代物理学的重要支柱。3.万有引力定律:从
2、研究地球对月球的引力入手,综合了开普勒等人有关天体力学方面的研究成果,并运用他自己创立的微积分做计算工具,成功地导出了万有引力定律。4.著作:自然哲学的数学原理,总结了他的力学体系以及在数学、天文学方面的研究成果。5.意义:(1)牛顿力学体系对自然界的力学现象做出了系统的、合理的说明,从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。(2)它的确立使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度,同时也在生产和科学实验中得到广泛的应用和验证。二、驱走乌云的太阳1.背景:19世纪的物理学领域,在牛顿力学的基础上,形成了完整的理论体系,19世纪末,物理学界的重大研究课题是黑体辐射问题。2.量子理论的诞生
3、:1900年,德国物理学家普朗克提出了量子概念,关于正常光谱能量分布定律的理论的发表,标志着量子理论的诞生。3.量子力学的建立:(1)1905年德国科学家爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应,得出光具有波粒二象性的结论。(2)1923年法国物理学家德布罗意提出物质波理论,将量子论发展到一个新的高度。(3)奥地利、德国的物理学家建立了量子力学。4.意义:(1)量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系,指导着人们向物质运动的各个层面进行深入探讨。(2)量子理论让人们从根本上改变了近代物理学中的传统观念,使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革。三、爱因斯坦的“时空”项目狭义相对论广义相对论
4、创立1905年,爱因斯坦发表论动体的电动力学1916年,把狭义相对论推广到加速运动的参考系中内容时间和空间都与物质的运动有关,随着物质运动速度的变化而变化物质存在的现实空间是弯曲的,空间的结构取决于物质的质量及其分布情况;空间、时间是物质存在的形式意义反映的是物体高速运动的客观规律,是对牛顿力学的继承与发展第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想是对近代物理学理论框架的重大突破,形成了全新的时空观、运动观和物质观是人类思想发展史中的一次根本性变革,对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响相对论同量子理论一起,构成了现代物理学的基本理论框架【核心概念】近代科学近代科学是在搜集材料的基础
5、上,从现象深入到本质,从经验定律上升为系统的科学理论。它是建立在观察、实验基础上的实验科学,并广泛应用数学方法使科学知识日益精确化;同时发展了以实验事实为根据和以归纳推理为主要手段的研究方法,确立了一系列定量的科学定律。【图解识记】【易错点拨】伽利略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,标志着近代物理学的真正开端。牛顿经典力学体系的建立则标志着近代科学的形成。【易错点拨】爱因斯坦的相对论仍然是对宏观世界的探究和认识,而量子论的提出使人类对世界的研究进入微观世界。【图解识记】 “物理学的重大发展”【易错点拨】1.相对论发展了牛顿的经典力学,而不是否定经典力学,相对论将经典力学概括在
6、相对论力学之中,推动了物理学发展到一个新的高度。2.爱因斯坦的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,牛顿所提出的很多概念,至今仍具有指导意义。【图解识记】近现代物理学的发展关键能力素养探究【史论阐释】 一、经典力学的历史地位(1)把自然界中一切力学现象囊括在力学体系中,成为人类认识自然的过程中对自然规律的第一次总结与概括。(2)形成以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系,即经典力学体系,标志着近代科学的形成和人类科学时代的开始。(3)牛顿力学和热学引发了第一次工业革命,使人类社会进入蒸汽时代。(4)牛顿
7、用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则,为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础,打击了神学,促使人类思想不断解放。二、经典力学、相对论与量子理论之间的关系(1)经典物理学所适用的主要是我们日常生活中的物理现象,但在宏观的宇宙世界和微观的粒子世界面前,就明显存在诸多不足之处。(2)量子理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,在量子理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的发展。(3)相对论的提出否定了经典力学的绝对时空观,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,推动物理学发展到一个新的高度。
8、(4)量子理论和相对论弥补了经典物理学的缺点,掀起了物理学的革命,构成了现代物理学的基本理论框架。【素养探究】史料一下面是两幅有关牛顿的图片。(1)史料一的两幅图中,图一反映了牛顿力学的什么成果?图二体现了这一成果的运用取得的什么成就?说明了什么?(唯物史观、历史解释)提示:图一反映的是万有引力定律;图二是指海王星的发现。说明了牛顿力学具有惊人的预见力和巨大的理论指导意义。史料二英国著名诗人亚历山大蒲伯曾写过一首赞美牛顿的诗:自然和自然界的规律,隐藏在黑暗里。上帝说:“让牛顿去吧!”于是一切成为光明。(2)为什么说牛顿以前“自然和自然界的规律,隐藏在黑暗里”?牛顿是怎样让“一切成为光明”的?(
9、历史解释)提示:牛顿以前的中世纪欧洲,基督教神学统治一切,实行愚民政策;人们普遍认为一切都是由上帝创造的,都是不可知的。牛顿的经典力学将天体的运动和地球上物体的运动概括在同一理论之中,能够完整地解释天体和地球上的一切现象,揭示了自然界的规律。从此,科学摆脱了神学的束缚向前发展,同时也打击了神学,促进了人们思想的进一步解放。史料三(英国)皇家学会会长汤姆逊致辞说:“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。”1921年爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖,但相对论始终没有获诺贝尔奖。吴国盛科学的历程(3)史料三为什么说相对论是“最伟大的成就之一”?“相对论始终没有获
10、诺贝尔奖”说明了什么问题?(历史解释)提示:原因:相对论否定了经典力学的绝对时空观,深刻揭示了时间和空间的本质属性,提出了全新的时空观、运动观和物质观;发展了牛顿力学,将其概括在相对论力学之中,将物理学发展到一个新的高度。问题:相对论超出了人们的日常思维、经验和感受,很难被人们理解和接受。课堂检测素养达标1.(2020浙江学业考)自然科学理论具有惊人的预见力和巨大的指导意义,近代万有引力定律的发现和确立,即是一种证明。若细析之,其作用体现在() 揭示了空间、时间的可变性准确地算出了地球的平均密度和扁平率正确地解释了潮汐的成因发现、算出并找到海王星的位置A.B.C.D.【解析】选B。牛顿经典力学
11、认为空间、时间的绝对性,故不符合题意;万有引力定律在生产和科学实验中得到广泛的应用与验证,准确地算出了地球的平均密度和扁平率,正确地解释了潮汐的成因,还发现、算出并找到海王星的位置,故符合题意。故选B。2.杰里本特利在新全球史中赞扬一位科学家将地球、天体联系在一起,将其放在宇宙中进行研究。他指的是()A.伽利略发现自由落体定律B.哥白尼提出“日心说”C.牛顿出版自然哲学的数学原理D.普朗克提出量子假说【解析】选C。伽利略的自由落体定律研究的是地球上物体运动的规律,不包括天体运动,A错误,排除;哥白尼的“日心说”研究的是天体运动的规律,不包括地球上的物体运动,B错误,排除;结合“将地球、天体联系
12、在一起,将其放在宇宙中进行研究”,可知其指的是牛顿的力学体系,C正确;普朗克的量子假说是关于微观物体运动规律,D错误。【补偿训练】 “1687年,他出版了著名的自然哲学的数学原理一书,用数学方式解释了哥白尼的学说和天体运动现象,提出了物体运动的三大定律和万有引力定律等。”这句话中的“他”是()A.伽利略B.牛顿C.爱因斯坦D.普朗克【解析】选B。根据关键信息“物体运动的三大定律和万有引力定律”,即可得出答案为B。3.(2020石家庄高二检测)通过伽利略的比萨斜塔实验和牛顿观察苹果落地的实验可以得出西方近代自然科学发展的主要特点是() A.生活实践经验的总结B.实用性技术应用性强C.科学观察、实
13、验的研究方法D.重视经验综合,轻视理论研究【解析】选C。西方近代自然科学发展的主要特点是通过科学观察和实验的方法得出结论。4.“组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸。”这一科学论述的意义在于()A.否定了绝对的时空观B.首次深入微观世界C.成功解释了光电效应D.标志着量子理论诞生【解析】选C。结合所学知识,否定绝对时空观的是爱因斯坦的相对论,与题意无关,故A错误;首次探入微观世界的成就是1900年普朗克量子理论的诞生,与题意无关,故B、D错误;根据题目中的关键信息“光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸”,故C
14、正确。5.科学巨人爱因斯坦被称为“20世纪的哥白尼”。阅读材料,回答问题。材料一19世纪30年代,法拉第的发现激起了一系列发明的浪潮并最终引发了电气技术革命,爱因斯坦的父亲和叔叔也投身其中。1882年,他们在国际电气技术展览会上推出了自己的发电机和新式电话。在家里,爱因斯坦每天都能听到父亲工厂里“汽笛鸣叫”奏响的劳动序曲,电枢和线圈成了这个正在成长的孩子手中的宠物。同时,他通过疯狂阅读掌握了物理学和哲学的概貌,并在父辈工厂和中学、大学实验室获得了实际认识。凡此,在他那个时代,有哪位物理学家曾在攀登顶峰之前将如此众多的必备前提集于一身?整理自德于尔根奈佛爱因斯坦传材料二1905年被称为爱因斯坦的
15、“奇迹年”。他在物理学纪事连续发表文章。此后,物理学再也不是原来的物理学。大多数情况下,前任的著作中冒出来的新问题总是要由下一代的年轻学者来解决。哥白尼之后是开普勒,伽利略之后是牛顿,法拉第之后是麦克斯韦。(而)爱因斯坦既是自己的前任又是自己的后继者。他就像一个马拉松运动员,到达目的地之后决定再跑一次。摘自德于尔根奈佛爱因斯坦传(1)阅读材料一,概述传记作者所认为的爱因斯坦成才的“必备前提”。(2)根据材料二及所学知识,指出1905年爱因斯坦创造的物理学理论“奇迹”,综合概括爱因斯坦的科学精神。【解析】第(1)题前提:题目要求“阅读材料一”概述。由材料一中的“19世纪30年代,法拉第的发现激起
16、了一系列发明的浪潮并最终引发了电气技术革命”可得出人类社会进入电气时代;由“他通过疯狂阅读掌握了物理学和哲学的概貌”可得出广泛阅读科学著作,打开研究视野;由“爱因斯坦的父亲和叔叔也投身其中”“他们在国际电气技术展览会上推出了自己的发电机和新式电话”等可以得出家庭影响;由“在父辈工厂和中学、大学实验室获得了实际认识”可得出父辈工厂与学校实验室的实际体验。第(2)题“奇迹”:需要结合爱因斯坦的成就回答,根据所学现代物理学的内容可知,1905年爱因斯坦创立了狭义相对论,并成功解释了光电效应。精神:根据爱因斯坦的成就超越前人可以得出其勇于创新的精神;另外,所有科学家在进行科学研究时都应该具有实事求是的
17、精神。答案:(1)前提:人类社会进入电气时代;广泛阅读科学著作,打开研究视野;家庭影响;父辈工厂与学校实验室的实际体验。(2)“奇迹”:创立狭义相对论;成功解释光电效应。科学精神:实事求是;勇于创新。【备选习题】 (2020盐城高二检测)“宇宙中所有物体都有扭曲空间和时间的能力。利用物体间的相互吸引,在重力作用下,时空变形会发生不同程度的变化,曲率半径与物体之间的重力直接相关。”材料所述的物理学“理论”() A.揭示了时间和空间的本质属性 B.阐明了微观世界的发展演变C.构建了近代物理学的理论体系D.概括了物体运动的基本规律【解析】选A。材料中“宇宙中所有物体都有扭曲空间和时间的能力”反映了相对论,故选A;微观世界与材料中“宇宙中所有物体”不符,排除B;C、D是经典力学,排除。