1、第27课 科学的革命一、 学习目标：1 知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。2 通过对相对论、量子论出现过程的学习，培养学生敢于怀疑、勇于创新的精神。二、 知识导航：1 知识要点： 代物理学的两大支柱理论相对论、量子论出现的历史背景 相对论的主要内容：相对性原理和光速不变原理（对宏观世界领域的探索） 量子论的形成与内容（对微观世界领域的探索） 相对论与量子论出现的重大意义2 知识结构背景：经典物理学的危机。以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释19世纪末以来的物理学新发现内容：相对性原理与和光速不变原理。时间、空间、运动、质量是相对的。相对论科学的革命现代物理学的两大支柱意义：扩展了物理学
2、的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维过程：普朗克的量子假说；玻尔提出原子的量子理论；爱因斯坦提出光电效应。量子论意义：对化学、生物学、医学等多门学科产生重大影响，直接推动了生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活3 重难点分析 相对论、量子论出现的历史背景19世纪经典物理学的危机是什么？17世纪后期，牛顿发表了著名的力学三定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用与反作用定律）和万有引力定律，标志着经典力学体系的建立。当时，以牛顿力学为代表的经典物理学被认为是绝对权威的理论，认为一切自然现象都可以用经典物理学加以说明，而且物理学已经发展到了完整、系统和成熟阶段，以后
3、的工作只不过是在细节上做些修正和补充，在计算上更细致一点，使理论更加完备。一些科学家还根据万有引力定律计算出了海王星和冥王星的位置，证明了经典物理学的准确性、科学性和可预见性。但是，经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素。因此，一旦物理学研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。这种状况随着20世纪以来科学研究的不断深入而日益显现，如神秘的“以太”一直不能被证明是存在的、高速运动的微观粒子发生的现象非经典力学所能解释等。物理学只有来一番彻底的革命，才能适应科学研究
4、的新形势。在这种背景下，相对论与量子论应运而生。 相对论的主要内容是什么？有何重大意义？相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。尺缩效应和钟慢效应：两者都是狭义相对论的结论。一根在静止时长度为L的细杆，当沿长度方向以速度v运动时，静止的观察者测得的长度为，其中c是光速。由此可见L总是小于L，这是尺缩效应。钟慢效应可以简单理解为运动的钟总是比静止的钟走得慢，当然，这种变化只有在速度接近光速时才会明显。光速不变原理则认为
5、光的传播速度在任何条件下都是不变的。相对论的提出在很大程度上解决了19世纪末出现的经典物理学的危机，可以广泛地解释不同运动的物质，创立了一个全新的物理世界，极大地扩展了物理学应用的领域，也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。由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所
6、证实。这就提醒人们甚至要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律都有可能是不科学的。 量子论及其与意义量子论最先由德国物理学家普郎克于1900年提出。他认为，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能量量子的整数倍跳跃式地变化的。随后英国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。爱因斯坦利用原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。
7、量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。基于量子规律的新技术深深地改变了人类的生活，包括激光技术和电子计算机的出现；在量子论的基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子核物理等科学的发展，人类从此进入了核能时代。（4） 物理学晴空的“两朵乌云”19世纪末20世纪初，经典物理学的地位如日中天，但在一系列的物理实验中，经典物理学又显示出某些不科学性。其中最有代表性的是英国人开尔文1900年在欧洲科学家报告会上提出的，“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了”。两朵乌云
8、指的是第一朵乌云“以太”说的破灭。以太概念的提出最早可以追溯到古希腊时代，被用来表示占据并充满整个宇宙的一种媒质。19世纪的物理学家普遍接受了以太的概念，认为象水波传播是以水为载体一样，光、电等的传播是以以太为载体的。如果以太真的存在，新的问题又出来了：地球以每秒30千米的速度绕太阳运动，就一定会有同样速度的“以太风”迎面向地球吹来，而且会对光的传播产生影响。为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克尔逊与美国物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的“以太漂流”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向与光的射向是否一致，测出的光速都是相同的，在地球同设想的以太之间没有相对运动。这就证明“以
9、太”是不存在的。这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验证明以太的不存在是完全不容置疑的。第二朵乌云黑体辐射与“紫外灾难”。在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来辐射而毫无任何反射和透射、吸收率是100的理想物体，真正的黑体是不存在的。19世纪末，卢梅尔等人的著名实验黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长分布的规律仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看，这个实验的结果是不可思议的。为了解释这个不可思议的结果，很多物理学家试图从经典物理学去寻求答案，最后都失败了。这也表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败。