物理學的重大進展教案

A教學目標

一、知識與能力：

識記伽利略、牛頓、愛因斯坦、普朗克等物理學家對物理學發(fā)展所作出的重大成就；理解經典力學在近代自然科學理論發(fā)展中的歷史地位；相對論和量子論誕生的原因、意義；探究經典力學體系的特點，比較相對論、量子論與牛頓力學的關系。思考“日心說”與“地心說”相比的進步性，探究經典力學體系的特點、影響。

二、過程與方法：

1、引導學生回憶初中物理知識來促進本課的學習。

2、通過學生預習（圍繞4個物理學家，自制小課件）、課堂展示本課主要內容，促進同學的互相學習。教師給予必要的補充。

三、情感態(tài)度與價值觀：

1、科學真理需要勇于探索、執(zhí)著追求的精神；

2、科學理論在不斷完善、創(chuàng)新，人類對客觀規(guī)律的認識不斷深入。

B重點與難點

重點：伽利略對物理學發(fā)展的重大貢獻；經典力學的建立；相對論的提出；量子論的誕生。

難點：物理學各階段發(fā)展的原因；對科學發(fā)展創(chuàng)新性的理解。

D教學過程

【導入新課】

1632年，伽利略撰寫的《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》科學巨著出版后，立刻引起教會的恐慌，把伽利略投入監(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：“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300多年，致死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準葬入圣太克羅斯墓地。

那么，是什么原因導致宗教裁判所對伽利略作了如此判決？我們應如何看待伽利略在科學領域的貢獻？

【講述新課】

近代科學誕生的歷史背景是什么？

(1)資本主義工業(yè)和商品經濟的發(fā)展為近代自然科學的發(fā)展奠定了物質基礎并成為主要動力。

(2)新興的資產階級在經濟上和政治上對自然科學的迫切需要。

(3)自然科學自身發(fā)展的需要。

(4)文藝復興、地理大發(fā)現(xiàn)和宗教改革的推動。

(5)優(yōu)秀科學家實踐和刻苦鉆研，也促進了科學的發(fā)展。

一、經典力學：

1、經典力學的重要奠基者──伽利略

（1）背景：文藝復興運動的影響，即解放了人們的思想，推動了科學研究。

16世紀末17世紀初，隨著文藝復興運動的擴展和人的思想的解放，意大利科學家伽利略認為研究自然界必須進行系統(tǒng)地觀察和實驗。他將科學實驗與數學相結合，進行科學研究，并強調追究事物之間的數學關系。

（2）成就：

A成就：

①創(chuàng)立科學的研究方法：實驗和觀察。

②物理學：實驗證明力與運動狀態(tài)的關系，發(fā)現(xiàn)自由落體定律等。

伽利略的研究表明，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基礎。他的發(fā)現(xiàn)以及他開始的科學研究方法，是人類思想史上偉大的成就之一，標志著物理學的真正開端。

③天文學：自制望遠鏡觀察天體并取得大量成果的第一人，證明了哥白尼“日心說”的正確性。

哥白尼在1543年出版的《天體運動論》中，提出：太陽位于宇宙的中心，有五顆當時已知的行星和地球圍繞太陽旋轉?！短祗w運行論》雖然也存在缺點，但它在人類歷史上第一次描繪出了太陽系結構的真實圖景，揭示了地球圍繞太陽轉的本質，把顛倒了1000多年的日地關系重新顛倒過來，引起了中世紀宇宙觀的徹底革命，沉重打擊了封建教會的神權統(tǒng)治。

意大利科學家伽利略對哥白尼學說的傳播和天文學的發(fā)展作出了重要貢獻。1569年他自創(chuàng)了用以觀察天體的第一架望遠鏡，從望遠鏡里他發(fā)現(xiàn)月球表面有高山深谷，并不是以前人們所說的月球表面是光滑的；木星有四顆衛(wèi)星，很相似于行星繞著太陽轉，他看到銀河是由無數恒星組成的，還觀察到哥白尼曾推論的金星有盈虧現(xiàn)象。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》。

【合作探究】1：你認為伽利略能夠確定自由落體定律的關鍵途徑是什么？你有何啟示？

途徑：實驗、計算。

啟示：實踐是檢驗真理的唯一標準。

B意義：①大大改變了古希臘哲學家亞里士多德以來有關運動的觀念，開創(chuàng)了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學，為后來經典力學的創(chuàng)立和發(fā)展奠定了基礎。

自由落體定律的發(fā)現(xiàn)是伽利略把科學實驗和理性思維相結合解決物理學問題的典范。它不僅發(fā)現(xiàn)了物體下落運動的客觀規(guī)律，而且為人類認識自然找到了一條正確的途徑和方法，因此，現(xiàn)在人們稱伽利略為物理學之父。正是由于伽利略創(chuàng)立的科學方法，物理學研究才走上正確道路。

②伽利略在天文學上的發(fā)現(xiàn)和觀點，摧毀了教會的信條而證明了哥白尼學說的正確。

過渡：伽利略是力學的奠基者，他在世時曾預言“一門廣博精深的科學已經啟蒙。我在這方面的工作只是它的開始，那些比我更敏銳的人所用的方法與手段將會探索到各個遙遠的角落。”那個比他更敏銳的人就是牛頓。在伽利略研究的基礎上，英國科學家牛頓進一步研究，創(chuàng)立了經典力學體系。

2、牛頓創(chuàng)立經典力學

（1）標志：1687年牛頓發(fā)表《自然哲學的數學原理》，提出物體運動三大定律和萬有引力定律。

慣性定律、比例定律、作用與反作用相等定律。

（2）特點：以實驗為基礎，以數學為表達形式。

經典力學最顯著的特征之一就是注重實驗，實驗可以進一步揭示客觀現(xiàn)象和過程之間內在的邏輯聯(lián)系，并由此得出重要的結論。另一個顯著特征是它的數學化，這種數學化的根源是自然內在的數學關系。自然的數學結構是近代科學的先驅們深信不疑的真理。

（2）意義：

①經典力學體系的建立標志著近代科學的形成。

②經典力學體系具有科學性和預見性：牛頓力學體系對解釋和預見物理現(xiàn)象具有決定性意義，根據牛頓力學體系，人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星。

【備課資料】天王星和海王星的發(fā)現(xiàn)

18世紀以前，人們都以為土星就是太陽系的邊界。隨著觀測技術的進步，人類對太陽系的認識有了突破。1781年，英國天文學家赫舍爾在用望遠鏡觀察天空時，發(fā)現(xiàn)在土星之外的金牛座群星中有一顆既不像恒星又不是彗星的星星，后來英國天文學家麥斯克雷弄清楚了它是一顆前所未知的行星，新行星以希臘神話中的薩都恩神（土星以此命名）的父親、天神烏蘭納斯來命名新行星，中文譯為天王星。其后人們按照當時的觀測編制了天王星的運行表。但到了1830年，人們發(fā)現(xiàn)它的實際運行情況與運行表所推算的數值存在著明顯的差別，根據萬有引力理論，這種“越軌”現(xiàn)象使天文學家們考慮到在它的附近可能有一顆未知的行星干擾著它的運動，根據萬有引力定律，人們可以從天王星的行為中推算出這顆未知行星的位置。1845年10月，英國劍橋大學學生亞當斯首先得出了計算結果，但未被引起重視。1846年8月，法國天文學家勒維烈經過自己的計算，公布了這顆未知行星的軌道參數。三個多星期后，德國天文學家加勒根據勒維烈計算的數據果真找到了這顆行星，這就是海王星。海王星的發(fā)現(xiàn)是牛頓力學在天文學運用上的偉大勝利，它標志著天體力學已趨于成熟。

經典力學體系的形成對近代科學的發(fā)展有和影響？（導與練思維啟迪1）

【質疑與思考】：以牛頓的理論為代表的經典物理學理論是不是就絕對正確、無所不能的呢？

牛頓力學體系的建立既有巨大的意義，也有其局限之處。經典力學體系建立在日常生活中常見的低速運動的物質之上，認為存在絕對靜止和絕對時間，然而，隨著科學的飛速發(fā)展，物理學出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象，無法用經典力學來解釋高速運動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，這使其陷入危機，面臨著挑戰(zhàn)。愛因斯坦的相對論正是在次背景下產生的。

狹義相對論發(fā)表100周年，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。

二、愛恩斯坦創(chuàng)立相對論：

1、歷史背景：

（1）19世紀科學得到了飛速發(fā)展；

（2）經典力學無法解釋研究中遇到的一些問題，如高速運動的微觀粒子等。

經典力學認為，時間和空間與物質運動無關，存在著絕對的靜止和絕對的時間。這與人們的一般看法一致。但到了19世紀，經典力學無法解釋研究中遇到的一些新問題，面臨著挑戰(zhàn)。

2、相對論的提出及主要內容：

（1）提出：20世紀初，剛剛得到博士學位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動體的電動力學》的文章，提出了著名的相對論，引發(fā)了二十世紀物理學的另一場革命。

（2）內容：相對論包含狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論認為，物體運動時，質量會隨著物體運動速度增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應和鐘慢效應。

狹義相對論認為，物體運動時，質量會隨著物體運動速度增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應和鐘慢效應。

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)。

【合作探究】2：狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別

狹義相對論討論的是勻速直線運動的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，廣義相對論則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設下，廣泛應用于引力場中。

相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。奠定了經典物理學基礎的經典力學，不適用于高速運動的物體和微觀領域。相對論解決了高速運動問題；量子力學解決了微觀亞原子條件下的問題。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“四維時空”、“彎曲空間”等全新的概念。

狹義相對論最著名的推論是質能公式，它可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。而廣義相對論所預言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測所證實。

3、意義：

（1）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(lián)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。

（2）愛因斯坦的相對論也發(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。

相對論與牛頓力學的關系

相對論打破了牛頓以來傳統(tǒng)的絕對時空觀，但并非全盤否定牛頓力學。牛頓力學反映的是宏觀物體低速運動的客觀規(guī)律，而狹義相對論反映的是物體高速運動的客觀規(guī)律，是對牛頓力學的繼承和發(fā)展。牛頓力學是相對論的一種特例（物體低速運動狀態(tài)），包括在相對論體系中。

【合作探究】3：閱讀P56【學思之窗】，你認為應該怎樣評價牛頓和愛因斯坦的貢獻？

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。