高中歷史 第11課 物理學的重大進展教案（1） 新人教版必修

1、第11課物理學的重大進展教學目標：1、知識與能力：（1）識記：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；（2）理解：理解經(jīng)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；（3）探究經(jīng)典力學體系的特點，比較相對論、量子論與牛頓力學的關系。（4）思考“日心說”與“地心說”相比的進步性，探究經(jīng)典力學體系的特點、影響。2、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。3、情感態(tài)度與價值觀：（1）科學真理需要勇于探索、執(zhí)

2、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。教學重點和難點：重點：伽利略對物理學發(fā)展的重大貢獻；經(jīng)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。教材分析：本課教材主要分三個目從四個方面向學生介紹物理學從16世紀末17世紀初到19世紀末20世紀初的重大成就：經(jīng)典力學的重要奠基者伽利略、經(jīng)典力學的建立、從經(jīng)典力學到相對論、量子論的誕生與發(fā)展。這一時期物理學方面的文字、圖片、人物介紹等資料比較豐富，教師可以適當補充一些資料，提高學生學習的興趣。教學過程及要點：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

3、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？由此導入新課。一、經(jīng)典力學：1、經(jīng)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

4、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(shù)學相結合，進行科學研究，并強調追究事物之間的數(shù)學關系。（2）物理學成就和意義：成就：發(fā)現(xiàn)自由落體定律等物理學定律希臘學者亞里士多德認為地球上的物體運動有天然運動和受迫運動。他認為物體的受迫運動是推動者加于被推動者的，推動者一旦停止推動，運動就會立即停止。伽利略首先運用理想實驗的方式進行邏輯推理，從推理中發(fā)現(xiàn)物體下落的快慢和它的重量無關。伽利略設想，如果亞里士多德的觀點是正確的，那么，讓輕重不同的兩個物體下落時，重的物體下落快，輕的物體下落慢?？墒?，把它們綁在一起讓其下落會出現(xiàn)什么情形呢？

5、按照亞里士多德的觀點，綁在一起后的物體會比原來重的物體更重，所以它們就比重的物體下落得快。可是，從另一方面分析，綁在一起后，由于重的物體要帶動輕的物體運動，它們應該比重的物體下降得慢一些。這顯然是兩個互相矛盾的結論。無論如何，綁在一起的兩個物體只能以一個速度下落，而推理的過程又是完全正確的，因此推理的前提必然是錯誤的。伽利略由這個推理得出結論：物體下落的快慢與重量無關，所有物體下落快慢都是相同的。據(jù)說1590年的一天，26歲的伽利略為了證實自己論斷的正確，他來到比薩斜塔的七層陽臺上，將一個約4.5千克重的石塊和約0.45千克重的小石塊同時放下，結果兩石塊同時落地。在場的數(shù)以百計的學者和觀眾，親

6、眼目睹了這一精彩的場面，伽利略用活生生的事實向人們展示了輕重相差懸殊的兩個物體同時落地的現(xiàn)象。從而推翻了亞里士多德的錯誤理論，發(fā)現(xiàn)了物體下落的真正運動規(guī)律自由落體定律?，F(xiàn)在的科學史研究表明，伽利略實際上沒有在比薩斜塔做落體實驗。無論是當時的文獻資料記錄，還是伽利略的著作，在任何地方都沒有這個實驗的記載。況且在伽利略時代，連一般的記時鐘都沒有，更談不上有準確的記時裝置，這個實驗當時根本就沒有辦法做出來，從所有的證據(jù)材料考察，這僅僅是一個傳說而已。伽利略雖然沒有在比薩斜塔做實驗。但是，他發(fā)現(xiàn)了自由落體定律確是千真萬確的事實。伽利略并不滿足于得到的定性結論，他又繼續(xù)研究物體下落運動的定量規(guī)律，探索下

7、落距離和所用時間的關系。為了測量時間，伽利略在一個大的盛水桶底部鉆一個小孔，并安上龍頭，在龍頭下面放上接水容器。打開龍頭水就會流入接水容器，稱量容器中所接水的質量就可以確定經(jīng)歷的時間。伽利略又想出了一個“沖淡重力”的方法。他仔細觀察小球在斜面上的運動時發(fā)現(xiàn)，斜面越陡，小球運動得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那么它的運動就是小球的下落運動。因此，小球下落運動可以看作是小球斜面運動的一種特殊情況。因此用斜面做實驗就可以研究物體下落的規(guī)律。做斜面實驗時，斜面的傾斜度可以任意調節(jié)，調節(jié)到較小的傾斜度時，小球在斜面上運動就比較緩慢，此時用他的計時裝置就可以進行較為精確的研究。伽利略反復進行斜面實驗，

8、測量出小球在斜面上運動的距離和所用時間，通過推導距離、時間、速率和加速度之間的關系，伽利略得到小球沿斜面滾下或自由下落的運動都是勻加速運動的結論，又進一步發(fā)現(xiàn)了物體下落運動的規(guī)律自由落體定律。即物體從靜止狀態(tài)開始下落運動，物體運動的距離同下落的時間的平方成正比。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(jīng)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。意義：開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴密邏輯體系

9、的近代科學，為后來經(jīng)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。（3）天文學成就和意義成就：利用自制望遠鏡發(fā)現(xiàn)許多星體，證明了哥白尼“日心說”的正確性。公元前4世紀，亞里士多德創(chuàng)立了“地心說”。亞里士多德認為，宇宙是一個有限的球體，分為天地兩層，地球位于宇宙中心，所以日月圍繞地球運行，物體總是落向地面。地球之外有9個等距離天層，各個天層自己都不會運動，是上帝推動了

10、恒星天層，才帶動了所有的天層。人類居住的地球，巍然不動地居于宇宙中心。作為古希臘的最后一位大天文學家，托勒密全面承襲了亞里士多德的“地心說”，把亞里士多德的9層天擴大為11層。托勒密設想，各行星都繞著一個較小的圓周運動，而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動。他把繞地球的那個圓叫“均輪”，每個小圓叫“本輪”，同時假設地球并不恰好在均輪的中心，而是偏開一定的距離，均輪都是一些偏心圓；日、月、行星除了作上述軌道運行外，還與眾恒星一起，每天繞地球轉動一周，從而使計算結果達到了與實測的一致，取得了航海上的實用價值。托勒密的“地心說”恰好迎合了基督教義，便被基督教用來維護圣經(jīng)學說。圣經(jīng)宣揚，宇宙和地

11、球都是上帝耶和華創(chuàng)造的，地球不動位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人類是神的驕子，宇宙間的萬物都是神為了滿足人的需要創(chuàng)造出來的于是，托勒密的“地心說”成了圣經(jīng)，天文學成了宗教的奴婢，這種狀況一直延續(xù)到哥白尼時代。哥白尼，1473年出生在波蘭托倫小城的一個商人家庭里。他10歲那年，瘟疫奪去了他的父親。從那時起，哥白尼開始跟舅父務卡施生活在一起。18歲的時候，舅父把他送進了克拉科夫大學，在那里，思想敏銳的哥白尼對天文學和數(shù)學發(fā)生了極大的興趣。他鉆研了數(shù)學，廣泛涉獵古代天文學書籍，潛心研究過“地心說”，做了許多筆記和計算，并開始用儀器觀測天象，頭腦里開始孕育新的天文體系。在1543年出版的天體

12、運動論中，哥白尼向人們描述了他的宇宙圖景：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。天體運行論發(fā)表后，遭到了馬丁路德的反對和責難，他把哥白尼叫做“想要把天文學這門學科弄顛倒”的蠢人。但并未引起羅馬教廷的注意。70年后的1616年被羅馬教廷列為禁書，300年后才解除禁令。天體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

13、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(shù)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。意義：伽利略的這些發(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。2、牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學（1）標志：1687年牛頓發(fā)表自然哲學的數(shù)學原理，提出物體運動三大定律和萬有引力定律。牛頓（16421727）是著名的英國科學家，在物理學、數(shù)學、天文學等許多方面作出了卓越的貢獻。牛頓出生于英國的林肯郡，牛頓是一個早產(chǎn)兒，出生時只有三磅重，接生婆和他的親人

14、都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人，并且竟活到了85歲的高齡。1665年畢業(yè)于著名的劍橋大學三一學院，獲得學士學位。1687年，他出版了自然哲學的數(shù)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(xiàn)象都囊括在他的力學體系之中。自然哲學的數(shù)學原理一書的出版標志著經(jīng)典力學的成熟。牛頓力學在科學史上的意義表現(xiàn)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

15、運動有普遍規(guī)律，從力學的角度證明了自然界的統(tǒng)一性，實現(xiàn)了人類自然界認識的第一次綜合。牛頓力學方面的貢獻之一是確立了萬有引力定律。這個定律說明，任何兩個物體之間都有引力存在。這個引力與彼此吸引的物體的質量體積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比。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(shù)學術語把它們聯(lián)結起來了。此外，牛頓還確立了著名的運動三定律，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(jīng)典物理學的基礎。牛頓確立的萬有引力定律和運動三大定律成為經(jīng)典力學建立的標志。經(jīng)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)

16、系，并由此得出重要的結論。另一個顯著特征是它的數(shù)學化，這種數(shù)學化的根源是自然內在的數(shù)學關系。自然的數(shù)學結構是近代科學的先驅們深信不疑的真理。（2）意義：經(jīng)典力學體系的建立標志著近代科學的形成。促進了天文學發(fā)展：根據(jù)牛頓力學體系，人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星?！緜湔n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

17、、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(shù)值存在著明顯的差別，根據(jù)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(jù)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(jīng)過自己的計算，公布了這顆未知行星的軌道參數(shù)。三個多星期后，德國天文學家加勒根據(jù)勒維烈計算的數(shù)據(jù)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

18、文學運用上的偉大勝利，它標志著天體力學已趨于成熟。促進了光學、電磁學等與力學的統(tǒng)一，推動了物理學的發(fā)展。促進了資本主義的兩次科技革命的出現(xiàn)和發(fā)展。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；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(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)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(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學體系，從根本上出現(xiàn)了動搖，這就是所謂的“物理學危機”。經(jīng)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(xiàn)所揭示的卻是人們沒有直接經(jīng)驗的微觀現(xiàn)象，這表明人們對物質世界的認識已經(jīng)深入

19、了一個層次。物理學的“危機”沒有嚇倒大多數(shù)物理學家，他們繼續(xù)向前探索，于是產(chǎn)生了以量子論和相對論的建立為標志的物理學革命，物理學從此開辟了新的天地。（2）經(jīng)典力學無法解釋高速運動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象。經(jīng)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(jīng)典力學無法解釋研究中遇到的一些新問題，面臨著挑戰(zhàn)。英國著名物理學家開爾文在一篇瞻望20世紀物理學的文章中，就曾談到:“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！比欢?，正當物理學界沉浸在滿足的歡樂之中的時候，從實驗上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)。如固體比熱、黑體

20、輻射、光電效應、原子結構cdots cdots這些新現(xiàn)象都涉及物質內部的微觀過程，用已經(jīng)建立起來的經(jīng)典理論進行解釋顯得無能為力。特別是關于黑體輻射的實驗規(guī)律，運用經(jīng)典理論得出的瑞利金斯公式，雖然在低頻部分與實驗結果符合得比較好，但是，隨著頻率的增加，輻射能量單調地增加，在高頻部分趨于無限大，即在紫色一端發(fā)散。這一情況被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”；對邁克爾遜莫雷實驗所得出的“零結果”更是令人費解。實驗結果表明，根本不存在“以太漂移”。這引起了物理學家的震驚，反映出經(jīng)典物理學面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。這兩件事被當時物理學界的權威稱為“在物理學晴朗的天空的遠處還有兩朵小小的，令人不安的烏云”。然而就是這兩朵

21、小小的烏云，給物理學帶來了一場深刻的革命。2、相對論的提出及主要內容：（1）提出：1905年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。愛恩斯坦(18791955)） 生于德國烏爾姆鎮(zhèn)。1900年畢業(yè)于蘇黎世理工學院。畢業(yè)后靠臨時教書維持生活。1902年 6月開始任職于伯爾尼瑞士專利局。1905年在蘇黎世大學完成學位論文分子大小的新測定方法，獲博士學位。在隨后的幾個月中又相繼在德國物理學雜志上發(fā)表了四篇重要論文。1909年任蘇黎世大學理論物理學副教授，1911年任布拉格德國大學理論物理教授。1912年回母校蘇黎世理工學院

22、執(zhí)教。1914年任德國威廉皇家物理研究所所長兼柏林大學教授。1933年因遭德國法西斯迫害前往美國，應聘為普林斯頓高級研究院教授，后入美國籍。1955年4月18日在普林斯頓逝世。19051907年，愛因斯坦在物理學的三個不同領域取得了開創(chuàng)性的成果。第一項工作是在分子運動理論方面（1905）。他用力學和統(tǒng)計學相結合的方法研究懸浮粒子在流體中的運動，在理論上說明了布朗運動產(chǎn)生的原因，并從懸浮粒子位移的平均值推算出單位體積中流體的分子數(shù)目。這一理論上的預見于1908年被法國物理學家J.-B.佩蘭的實驗所證實。愛因斯坦的第二項工作對發(fā)展量子論起了推動作用。他認為光束的能量在輻射、傳播和吸收過程中都具有量

23、子性，從而完滿地解釋了光電效應經(jīng)驗規(guī)律。同時，他還把量子說同波動說并列起來，第一次揭示了光具有“波粒二象性”,為后來L.-V.德布羅意提出物質波理論和E.薛定諤發(fā)現(xiàn)波動方程以及隨后的量子力學的建立開辟了道路。為此，愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學獎。1906年，他用量子論假設說明了固體比熱對溫度的依賴關系。1916年，他從N.玻爾的量子躍遷概念導出黑體輻射譜，提出了受激輻射概念。作為他終生事業(yè)標志的相對論。1905年，他發(fā)表了題為論動體的電動力學的論文，建立了狹義相對論。這一理論把經(jīng)典力學作為低速時的特殊情況包括在內，揭示了作為物質存在形式的空間和時間在本質上的統(tǒng)一性，力學運動和電磁運動在運

24、動學上的統(tǒng)一性。他還導出相對論最重要的結果之一質能的相當性。1915年，愛因斯坦從引力質量和慣性質量的等效性出發(fā)，建立了廣義相對論。1917年，他發(fā)表宇宙學的開創(chuàng)性文獻根據(jù)廣義相對論對宇宙學所作的考察，提出了宇宙有限無邊的假說。愛因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場論的研究。（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。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)。狹義相對論：1905年6月，愛因斯坦完成題為論運動媒質的電動力學的論文

25、，提出了狹義相對論。此后，愛因斯坦又連續(xù)發(fā)表幾篇論文，建立起狹義相對論的全部框架。愛因斯坦的狹義相對論是建立在兩個基本假設基礎之上的。第一個假設是相對性原理，即物體運動狀態(tài)的改變與選擇任何一個參照系無關；第二個假設是光速不變原理，即對任何一個參照系而言，光速都是相同的。從兩個基本假設出發(fā)，愛因斯坦得出如下新的結論：（1）運動物體在運動方向上長度縮短。（2）運動著的時鐘要變慢。（3）任何物體的運動速度都不可能超過光速。（4）同時性是相對的，在一個慣性系中同時發(fā)生的事情，在另一個運動著的慣性系中測量便不是同時發(fā)生的。（5）如果物質速度比光速小得多，相對論力學就變?yōu)榕ｎD力學，比起牛頓力學來，相對論力

26、學具有更普遍的意義。（6）物體的能量等于物體的慣性質量乘以光速的平方。愛因斯坦的狹義相對論，在我們的日常生活中是很難理解的，因為我們日常接觸的都是遠遠小于光速的運動，根本無法察覺到愛因斯坦相對論所描述的相對論效應：長度變短、時鐘變慢。但如果接近光速的運動能變成現(xiàn)實的話，一個以這樣速度運動的人，在另一個靜止的觀察者看來就可能只是一條線。另外還會出現(xiàn)這樣的景象：一個人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去作星際航行。一年后他回來了，發(fā)現(xiàn)兒子已經(jīng)是白發(fā)蒼蒼的老人，而自己還是那樣年輕。中國古代傳說中的“天上方一日，人間已一年”就可用相對論得到解釋。廣義相對論：1915年，愛因斯坦完成了創(chuàng)立廣義相對論的工作

27、，并于1916年寫成總結性論文廣義相對論的基礎。這篇論文的發(fā)表宣告了廣義相對論的誕生。廣義相對論實際上是關于空間、時間與萬有引力關系的理論，它指出空間、時間不可能離開物質而獨立存在，空間的結構和性質取決于物質的分布。狹義相對論已指出時間、空間是一個整體，即四維時空。廣義相對論進一步指出，物質的存在會使四維時空發(fā)生彎曲，萬有引力并不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)。如果物質消失，時空就回到平直狀態(tài)。廣義相對論認為，質點在萬有引力作用下的運動，如地球上的自由落體、行星圍繞太陽的運動等，是彎曲時空中的自由運動慣性運動。它們在時空中描出的曲線，雖然不是直線，卻是直線在彎曲時空中的推廣短程線，即兩點之間的

28、最短線。當時空恢復平直時，短程線就成為通常的直線。可以打這樣一個比方來說明時空彎曲。假如四個人各拉緊床單的一個角，床單這個二維空間就是平的。放一個小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變（假設床單是足夠光滑的，微小的摩擦力忽略不計）。如果在床單中央放一個鉛球，床單就會凹下去，這個二維空間就彎曲了。這時，如果再放置一個小玻璃球，它就會滾向中央的大球。按照牛頓的觀點，這是由于大球用“萬有引力”吸引小球。按照愛因斯坦的觀點，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是彎曲空間中的自由（慣性）運動。當然，上面這個比喻，說的只是“空間”彎曲，而廣義相對

29、論說的則是四維“時空”的彎曲。太陽的存在使四維時空彎曲了。行星繞日運動，就是在彎曲時空中的慣性運動，行星軌道是四維時空中的短程線，根本就不存在什么萬有引力。廣義相對論指出，在引力場的區(qū)域，空間的性質不再服從歐幾里德幾何，而是遵循非歐幾何，并得出結論：現(xiàn)實的物質空間不是平直的歐幾里德空間，而是彎曲的黎曼空間（即三角形三個內角之和大于180度、曲率為正的空間），它的彎曲度取決于物質在空間的分布情況。物質密度大的地方，引力場的強度也大，空間彎得也厲害，時間也要相應地變慢。愛因斯坦為了證明廣義相對論思想的正確性，他作出了三個預言：第一，水星近日點的運動。自1859年發(fā)現(xiàn)水星近日點的運動以來，有每百年4

30、3秒的變動是用牛頓力學無法解釋的。曾有人懷疑這是由一顆未發(fā)現(xiàn)的星引起的，但天文觀測一直沒有發(fā)現(xiàn)這顆星。愛因斯坦廣義相對論，通過理論計算說明，太陽引力使空間彎曲，水星近日點的進動每百年就應有43秒的剩余值。第二，光譜線的引力紅移，即在強引力場中，光譜應向紅端移動。這一結論后來被天文觀測所證實。第三，引力場使光線偏轉。愛因斯坦預言，光線經(jīng)過太陽表面，將會發(fā)生1.75秒的偏轉。1919年5月29日發(fā)生日全食，在英國天文學家愛丁頓的建議下，英國皇家學會組織了兩路觀測人馬，分赴巴西北部的索布拉爾和西非的普林西比島，拍攝了日全食時在太陽周圍看到的恒星照片。愛丁頓把這些照片和半年后的夜晚拍攝的天空同一位置的

31、照片進行細致的對照，最終結論是，星光在太陽附近的確發(fā)生了偏轉，并且數(shù)值與愛因斯坦的預言極為接近。這結果一公布，立即轟動了世界。人們開始把愛因斯坦與牛頓相提并論?！竞献魈骄俊开M義相對論和廣義相對論的區(qū)別提示：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(jīng)典物理學基礎的經(jīng)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

32、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(jīng)典力學的絕對時空論，從本質上修正了由狹隘經(jīng)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

33、新的高度。三、量子論的誕生與發(fā)展：1、誕生的背景：（1）19世紀末20世紀初，電子和放射性的發(fā)現(xiàn)，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。（2）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。2、量子論的誕生、發(fā)展和量子力學：（1）誕生：1900年，德國物理學家普朗克提出量子假說，宣告了量子論的誕生。普朗克（1858.4.23.1947.10.3）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。普朗克在慕尼黑度過了少年時期，1874年入慕尼黑大學。1879年普朗克在慕尼黑大學得博士學位后，先后在慕尼黑大學和

34、基爾大學任教。1888年基爾霍夫逝世后，柏林大學任命他為基爾霍夫的繼任人（先任副教授，1892年后任教授）和理論物理學研究所主任。他一生發(fā)表了215篇研究論文和7部著作，其中包括1959年所著的物理學中的哲學一書。在普朗克誕辰80周年的慶祝會上，人們“贈給”他一個小行星，并命名為“普朗克行星”。普朗克的偉大成就，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(jīng)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(jīng)典物理觀念，導出了與實驗完全符合的黑體輻射經(jīng)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(shù)倍。普朗克把這一最小能量

35、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(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實驗的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。（2）發(fā)展：愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質，進一步推動了量子論的發(fā)展。丹麥物理學家玻爾把量子論用于原子結構的研究，創(chuàng)立了原子結構的理論。經(jīng)過這些科學家的共同努力，到1925年左右量子力學最終建立。量子力學是研究微觀世界粒子運動規(guī)律的科學。量子力學(Quantum Mechanics)是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現(xiàn)代物理學的理論基礎。量子力學與經(jīng)典力學的差別首先表現(xiàn)在對粒子的狀態(tài)和力學量的描述及其變化規(guī)律上。在量子力學中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標和時間的復函數(shù)。為了描寫微觀粒子