第25課 現(xiàn)代科學(xué)革命

1 / 10 第 25 課 現(xiàn)代科學(xué)革命 第 25 課現(xiàn)代科學(xué)革命 課標(biāo)要求：知道相對論、量子論的主要內(nèi)容，認(rèn)識其意義。 教學(xué)目標(biāo)： 知識與能力：通過本課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解在經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的基礎(chǔ)上現(xiàn)代科學(xué)革命產(chǎn)生的必然性，明白現(xiàn)代科學(xué)的兩大支柱 相對論和量子理論的基本觀點(diǎn)，并認(rèn)識到愛因斯坦在相對論、普朗克在量子理論的形成和創(chuàng)立過程中的重大作用。 過程與方法：結(jié)合相對論和量子論各自的理論基礎(chǔ)和研究方向，闡明兩者對人類歷史和現(xiàn)代生活的重大意義。 情感態(tài)度與價值觀：結(jié)合辯證法原理，正確對待科學(xué)的發(fā)展。 教學(xué)重點(diǎn)：相對 論、量子論的主要內(nèi)容及意義。 教學(xué)難點(diǎn)：相對論、量子論的主要內(nèi)容。 課時：本節(jié)教材用一課時。 板書設(shè)計： 第六單元現(xiàn)代世界的科技與文化 第 25 課現(xiàn)代科學(xué)革命 一、經(jīng)典物理的危機(jī) 絕對權(quán)威 危機(jī) 二、愛因斯坦與相對論 1最偉大 2 / 10 2相對論 三、量子理論中的微觀世界 1普朗克，愛因斯坦，玻爾 2相對論和量子理論的評價： 教學(xué)過程： 導(dǎo)入新課：同學(xué)們還記得 1687 年出版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理是哪位科學(xué)家的巨著嗎？牛頓。這部巨著的意義是什么？建立起一個完整的力學(xué)理論體系，實現(xiàn)了 物理學(xué)史上的第一次大飛躍。 下面請同學(xué)們來閱讀本課的引言： 19 世紀(jì)，以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)日趨完善，達(dá)到了高峰。但是一些新的研究發(fā)現(xiàn)對它提出了挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)。正是在這種情況下，相對論和量子理論出現(xiàn)，它們掀起了物理學(xué)革命，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，并對其他學(xué)科產(chǎn)生了歷史性的影響。人類對自然世界的科學(xué)探索又躍上了一個新的高度。 今天，我們學(xué)習(xí)第 25 課現(xiàn)代科學(xué)革命。 一、經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī) 先請同學(xué)們聽一段小故事，當(dāng)?shù)聡锢碇奈锢韺W(xué)家普朗克年輕時向他的老師求教，是選擇音樂還是物 理學(xué)作為自己的終身的職業(yè)時，得到的答復(fù)是： “ 物理學(xué)基本上是一門已經(jīng)完成了的科學(xué)，因此，對于物理學(xué)的研究實際上是不會有3 / 10 多大成果的。 ” 這個小故事說明了什么道理？請同學(xué)們閱讀本目內(nèi)容，從教材中找到這個問題的答案。 教材 P106 本目內(nèi)容第三自然段：當(dāng)時，人們把以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)看做絕對權(quán)威的理論，認(rèn)為一切自然現(xiàn)象都可以用經(jīng)典物理學(xué)加以說明，而且物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了完整、系統(tǒng)和成熟的階段，以后的工作只不過是在細(xì)節(jié)上做些修正和補(bǔ)充，在計算上更細(xì)致一點(diǎn)，使理論更加完善。 板書：絕對權(quán)威 那么，經(jīng)典物理學(xué) 的危機(jī)又來自哪里呢？仍然請同學(xué)們在教材的本目中找到答案。 教材 P106 本目內(nèi)容倒數(shù)第三自然段：然而，正是在這個時候，物理學(xué)上出現(xiàn)了一系列新的發(fā)現(xiàn)，無法用經(jīng)典物理學(xué)來解釋，這使得經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機(jī)，面臨著挑戰(zhàn)。 板書：絕對權(quán)威 危機(jī) 而經(jīng)典物理學(xué)陷入危機(jī)的具體難題是 “ 晴空是漂浮著的兩朵烏云 ” ，而為了驅(qū)散這兩朵烏云，物理學(xué)掀起了一場革命，誕生了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱 相對論和量子論。我們先來看第一大支柱。 二、愛因斯坦與相對論 直至今天，愛因斯坦都被視為科學(xué)界最偉大的科學(xué)家之一。 板書： 1最偉大 4 / 10 請同學(xué)們看教材 P107 第一自然段，了解愛因斯坦的生平。 相對論是愛因斯坦最重要的成就，也是 20 世紀(jì)最重要的科學(xué)成就之一。 板書： 2相對論 相對論由狹義相對論和廣義相對論組成。狹義相對論首先就瓦解了牛頓經(jīng)典力學(xué)中的絕對時空觀，指出經(jīng)典力學(xué)僅僅在低速運(yùn)動狀態(tài)下合理，從而化解了以太之謎，直接驅(qū)散了漂浮在物理學(xué)晴空上的第一朵烏云。在廣義相對論中，愛因斯坦將相對性原理由慣參考系進(jìn)一步擴(kuò)大到任意參考系，并把牛頓的引力理論作為其中的一部分內(nèi)容。 教材 P107 第二、三自然段對相對論作了簡單地介紹，文字閱讀框 穿越時空的夢想也對相對論的相對性原理作了直觀的說明，請同學(xué)們閱讀。 關(guān)于相對性原理，有一個時間與空間相對性的例證。一個觀察者看來是同時發(fā)生的事件，另一個向他作相對運(yùn)動的觀察者看來便不是同時發(fā)生的。兩個這樣的觀察者對兩個事件之間的時間間隔的估計將會不一致，同時他們對距離的衡量也會不一致。假定兩個作相對勻速運(yùn)動的觀察者所得到的光速相同，那么，只要他們對時間與空間運(yùn)用不同的量度，就能對于現(xiàn)象得到相同的自然規(guī)律，并能精確地說明這種差距有多少，換句話說，每個觀察者都有自己的一套時間 空間的框架，對于一切觀察者全 都相同的絕對空間時間是不存在5 / 10 的。 關(guān)于光速不變原理，也有例證，就是尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。假定一個觀察者 B 帶著一只座鐘和一把碼尺，并把碼尺指向他運(yùn)動的方向。當(dāng)他向觀察者 A 旁邊走過時，在 A 起來他的尺子不足一碼長，他的鐘也變慢了。 B 相對于 A 的速度愈大，這差額也就愈大。假如 B 用光速在 A 的旁邊通過，我們得到的結(jié)果是驚人的，這時 B 的碼尺長度將等于 0，他的鐘也完全不足了。這就是說光速的速度的極限，宇宙間沒有任何東西能以大于光速的速度運(yùn)動。運(yùn)動尺子的縮短和運(yùn)動時鐘的變慢效應(yīng)，都是相對時空的基本屬性，與物體內(nèi)容結(jié)構(gòu)無關(guān)。如果 物體的速度比光速小得多，相對論力學(xué)就可以解釋牛頓力學(xué)。 相對論與我們的生活常識有著巨大的差距，但卻被科學(xué)實驗所證實，這就給我們提出了一個問題：常識總是正確的嗎？常識和正確的理論起沖突的時候，應(yīng)當(dāng)怎樣分辨呢？ 常識是我們在生活的經(jīng)驗和過程中所具備的，甚至可以說，是構(gòu)成我們正常生活的基礎(chǔ)，所以常識是根深蒂固的。這種根深蒂固、雷打不動的認(rèn)識，往往構(gòu)成了我們尋找真理和本質(zhì)，在探詢?nèi)粘Ｉ钪獾氖挛锏囊?guī)律時，我們認(rèn)識的障礙。日常生活中，常識是必要的，但是科學(xué)發(fā)展和人類進(jìn)步不是只靠常識和直覺就可以的。因此，從這個角 度來理解，科學(xué)家們通過精確、巧妙的物理學(xué)實驗得出的理論，也是經(jīng)過了6 / 10 同常識的反復(fù)斗爭而做出的，這更加體現(xiàn)出科學(xué)探索之路的艱難。 相對論是人類精神寶庫中璀璨的明珠，而相對論的發(fā)明者愛因斯坦也因此名垂青史。關(guān)于相對論的評價，是教材 P107本目內(nèi)容的最后一個自然段。 找學(xué)生閱讀教材 P107 本目內(nèi)容的最后一個自然段：相對論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域最偉大的革命。它在很大程度上解決了19 世紀(jì)末出現(xiàn)的經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)，可以廣泛地解釋不同運(yùn)動狀態(tài)的物質(zhì)，創(chuàng)立了一個全新的物理學(xué)世界，極大地擴(kuò)展了物理學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域。同時，相對論也打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對化的思維模式，為人們提供了辯證地看待世界的途徑。 自相對論橫空出世以后，人類的認(rèn)識有了極大的擴(kuò)展：由低速領(lǐng)域跨入高速領(lǐng)域，由宏觀領(lǐng)域延伸到宇宙觀領(lǐng)域，由我們生存的三維空間到時間、空間共同構(gòu)成的四維空間。對地整個人類來說，由相對論引發(fā)了史無前例的改變，不僅僅局限于一個時代：人們認(rèn)識到時間和空間的相互依賴關(guān)系、時間和空間的相對意義，認(rèn)識到時間、空間與物質(zhì)運(yùn) 動相互依賴關(guān)系。對于人類意識來說，這的確是一場深刻的革命。 相對論驅(qū)散了漂浮在物理學(xué)晴空上的第一朵烏云，那么，另一朵烏云是怎樣被驅(qū)散的呢？ 三、量子理論中的微觀世界 量子理論的提出，同樣是源于實驗和公式之間的不合。 7 / 10 教材 P107 本目內(nèi)容的第一、二自然段，教材 P108 第一、二、三、四、五自然段介紹了量子理論的創(chuàng)立過程，請同學(xué)們閱讀。 量子理論的創(chuàng)始人是誰？德國科學(xué)家普朗克。 板書： 1普朗克 量子理論的創(chuàng)立過程是一個不斷懷疑和不斷假設(shè)的過程，普朗克于 1900 年提出量子假說是 “ 不得不 ” 的結(jié)果。因為 作為一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，其最基本的態(tài)度就必須是尊重事實，歷史上因為墨守成規(guī)和不尊重事實而失去重大發(fā)現(xiàn)的實例舉不勝舉。但是量子理論本身和物理學(xué)中早已流行了很久的思維方式相差甚遠(yuǎn)，與一般人的常識更是有天壤之別，所以即便是在物理學(xué)界反應(yīng)也十分冷淡。普朗克本人也曾經(jīng)出現(xiàn)過反復(fù)和動搖，并最終導(dǎo)致他沒有做出更加偉大的理論創(chuàng)新。這也反映了人類認(rèn)識事物本質(zhì)的反復(fù)性和曲折性。 量子理論的發(fā)展過程和相對論不同，相對論基本是愛因斯坦憑著一己之力創(chuàng)立的，而量子理論的發(fā)展則凝聚了很多科學(xué)家的聰明才智。教材還提到了哪些科學(xué)家的哪些貢獻(xiàn) 呢？ 愛因斯坦的光量子理論，玻爾的原子的量子理論。 板書： 1普朗克，愛因斯坦，玻爾 在人類對微觀世界的認(rèn)識上，量子理論是一座里程碑，從當(dāng)前的實踐來看，量子理論對人類物質(zhì)生活的改變作用更大一些，請同學(xué)們看教材 P108 倒數(shù)第二、四自然段，這是量子8 / 10 理論的現(xiàn)實意義。 找學(xué)生閱讀教材 P108 倒數(shù)第四自然段：量子理論是 20 世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一，使人類對微觀世界的基本認(rèn)識有了革命性的進(jìn)步。 找學(xué)生閱讀教材 P108 倒數(shù)第二自然段：量子力學(xué)對化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大影響，帶來了許多劃時代的技術(shù)創(chuàng)新，如半導(dǎo)體和激光器的發(fā)明等。這直接推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，從根本上改變了人類的物質(zhì)生活。 相對論和量子理論的出現(xiàn)，掀起了物理學(xué)革命，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，并對其他學(xué)科產(chǎn)生了歷史性的影響。請看教材 P108 最后一個自然段，這是對相對論和量子理論的總體評價。 板書： 2相對論和量子理論的評價： 找學(xué)生閱讀教材 P108 最后一個自然段：量子理論和相對論一起，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了經(jīng)典物理學(xué)的不足，描繪了一個嶄新的宏觀宇宙世界和微觀粒子世界，大大開闊了人們的視 野，改變了人們看世界的角度和方式。它們不僅對物理科學(xué)本身，對自然科學(xué)，而且對整個人類的思維都產(chǎn)生了不可磨滅的影響。 量子理論和相對論突破了經(jīng)典物理學(xué)理論，對傳統(tǒng)科學(xué)的錯誤觀念和狹隘觀念也進(jìn)行了否定，豐富了人類的知識寶庫；9 / 10 其探索和創(chuàng)新精神，也是人類認(rèn)識世界、了解世界的歷程在曲折中前進(jìn)的規(guī)律的生動說明。 小結(jié)：量子理論和相對論發(fā)展了經(jīng)典物理學(xué)，彌補(bǔ)了經(jīng)典物理學(xué)在宏觀宇宙世界和微觀的粒子世界面前的空缺，為人類描繪了一個嶄新的世界，對整個人類的思維都產(chǎn)生了不可磨滅的影響。但是理論的發(fā)展是無限的，人類的認(rèn)識過程也 是沒有止境的。 作業(yè)： 閱讀下列材料： 19 世紀(jì)末，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，放射線和原子被發(fā)現(xiàn)，另一方面擴(kuò)展到整個宇宙。隨著光學(xué)等學(xué)科的深入發(fā)展，人們對在光速或接近光速運(yùn)動狀態(tài)下的物質(zhì)的研究，也超出了經(jīng)典物理學(xué)的范圍。物理學(xué)被稱為 “ 晴空上漂浮著兩朵烏云 ” 的兩個無法解釋的難題，其一就是以太的不存在。這使得經(jīng)典物理學(xué)賴以建立的絕對時空觀受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 （ 1）經(jīng)典物理學(xué)形成的基礎(chǔ)是什么？這一基礎(chǔ)建立的理論是什么？ 提示： 17 世紀(jì)牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)。它是建立在絕對時空觀的理論之上的 。 （ 2）到 19 世紀(jì)時，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到何種程度？他所適用的范圍主要是什么？ 10 / 10 提示：到 19 世紀(jì)，在經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上，光學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、天體物理學(xué)等新興學(xué)科取得了長足的進(jìn)步，把人類對自然界的認(rèn)識推進(jìn)到前所未有的深度和廣度。它所適用的范圍主要是我們?nèi)粘Ｉ钪械奈锢憩F(xiàn)象。 （ 3） 19 世紀(jì)末，物理學(xué)的