第一章 第三節(jié)站在巨人肩膀上

1、第三節(jié) 站在巨人的肩膀上 1. 1.知道物理學(xué)研究的內(nèi)容和物理知識的一些現(xiàn)代應(yīng)用。知道物理學(xué)研究的內(nèi)容和物理知識的一些現(xiàn)代應(yīng)用。 2. 2.掌握科學(xué)探究的環(huán)節(jié)。掌握科學(xué)探究的環(huán)節(jié)。 3. 3.體會物理學(xué)家的科學(xué)精神與偉大胸懷。體會物理學(xué)家的科學(xué)精神與偉大胸懷。復(fù)習(xí)回顧復(fù)習(xí)回顧1.1.物理學(xué)的發(fā)展可以劃分為哪幾個階段？物理學(xué)的發(fā)展可以劃分為哪幾個階段？2.2.各階段的代表人物？各階段的代表人物？3.3.各階段代表人物的主要貢獻(xiàn)？各階段代表人物的主要貢獻(xiàn)？如果說我比別人看得更遠(yuǎn)的話，那是因為我站在巨如果說我比別人看得更遠(yuǎn)的話，那是因為我站在巨人的肩膀上。人的肩膀上。 牛頓牛頓 要記住哦！要記住哦！

2、一、知識園地一、知識園地碩果累累碩果累累1 1. .物理學(xué)就是研究自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物體間的相物理學(xué)就是研究自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物體間的相互作用和物體運動最一般規(guī)律的自然科學(xué)?；プ饔煤臀矬w運動最一般規(guī)律的自然科學(xué)。2.2.物理學(xué)是研究力的、熱的、聲的、電的、光的現(xiàn)物理學(xué)是研究力的、熱的、聲的、電的、光的現(xiàn)象及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因的科學(xué)。象及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因的科學(xué)。由于航天技術(shù)的發(fā)展，人類不僅實現(xiàn)了飛翔之夢，而由于航天技術(shù)的發(fā)展，人類不僅實現(xiàn)了飛翔之夢，而且還能登上月球、遨游太空，繼續(xù)探索浩瀚宇宙的秘且還能登上月球、遨游太空，繼續(xù)探索浩瀚宇宙的秘密。密。物理學(xué)的知識和研究方法已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代通信

3、、物理學(xué)的知識和研究方法已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代通信、交通、航天、材料及能源等領(lǐng)域。交通、航天、材料及能源等領(lǐng)域。神舟飛船上空神舟飛船上空宇宙飛船上拍攝的土星照片宇宙飛船上拍攝的土星照片在探索宇宙的同時，人類也在探索微觀世界。在探索宇宙的同時，人類也在探索微觀世界。200200萬倍電子顯微鏡下拍攝的銥原子的排列情況。萬倍電子顯微鏡下拍攝的銥原子的排列情況。原子的直徑：原子的直徑：1010-10-10 m m信息技術(shù)的應(yīng)用給人類帶來了巨大的影響，集成了信息技術(shù)的應(yīng)用給人類帶來了巨大的影響，集成了成千上萬個電子元件的芯片，既小又輕，以致螞蟻成千上萬個電子元件的芯片，既小又輕，以致螞蟻都能搬動。都能搬動。

4、超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用 1911 1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯用液氦冷卻水銀，年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯用液氦冷卻水銀，當(dāng)溫度下降到當(dāng)溫度下降到. .K K時，發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失時，發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。19331933年，邁斯納和奧克年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：如果把超導(dǎo)體放在磁場森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：如果把超導(dǎo)體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感線將從超中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感線將從超導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。性。 超導(dǎo)電性和抗磁性是

5、超導(dǎo)體的兩個重要特性。使超導(dǎo)電性和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個重要特性。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。經(jīng)過科學(xué)超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。經(jīng)過科學(xué)家們數(shù)十年的努力，超導(dǎo)材料的磁電障礙已被跨越，家們數(shù)十年的努力，超導(dǎo)材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關(guān)是突破溫度障礙，即尋找高溫超導(dǎo)材料。下一個難關(guān)是突破溫度障礙，即尋找高溫超導(dǎo)材料。19731973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金鈮鍺合金，其鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為臨界超導(dǎo)溫度為23.2K23.2K，該記錄保持了，該記錄保持了1313年。年。19861986年年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國IBMIBM公司的

6、研究中心報道了公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有35K35K的高溫超導(dǎo)的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引的觀念，引起世界科學(xué)界的轟動。此后，科學(xué)家們爭分奪秒地攻起世界科學(xué)界的轟動。此后，科學(xué)家們爭分奪秒地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。關(guān)，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。奇異的超導(dǎo)陶瓷奇異的超導(dǎo)陶瓷19861986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導(dǎo)材年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K40K，液氫的，液氫的“溫度壁壘溫度壁壘”（40K4

7、0K）被跨越。）被跨越。19871987年年2 2月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K90K以上，液氮的禁區(qū)（以上，液氮的禁區(qū)（77K77K）也奇跡般地被突破了。也奇跡般地被突破了。19871987年底，鉈鋇鈣銅年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K125K。從。從1986198619871987年的短短一年多的時間里，臨界超導(dǎo)溫度年的短短一年多的時間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了竟然提高了100K100K

8、以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！展史上都堪稱是一大奇跡！高溫超導(dǎo)材料的不斷問世，為超導(dǎo)材料從實驗室高溫超導(dǎo)材料的不斷問世，為超導(dǎo)材料從實驗室走向應(yīng)用鋪平了道路。走向應(yīng)用鋪平了道路。 超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。 由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全抗由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得1010萬高萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體作磁體，要產(chǎn)生斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體作磁體，要產(chǎn)生這么大的

9、磁場，需要消耗這么大的磁場，需要消耗3.53.5兆瓦的電能及大量的冷兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。卻水，投資巨大。 超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機、磁流體發(fā)超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導(dǎo)輸電線路等。電機和超導(dǎo)輸電線路等。超群的超導(dǎo)磁體超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)發(fā)電機超導(dǎo)發(fā)電機在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到發(fā)電機的磁場強度提高到5 5萬萬6 6萬高斯，并且?guī)缀鯖]萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。超導(dǎo)有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。超導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高發(fā)電機的單

10、機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5 51010倍，倍，達(dá)達(dá)1 1萬兆瓦，而體積卻減少萬兆瓦，而體積卻減少 ，整機重量減輕，整機重量減輕 發(fā)電發(fā)電效率提高效率提高5050。1213，磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機同樣離不開超導(dǎo)強磁體磁流體發(fā)電機同樣離不開超導(dǎo)強磁體。磁流體發(fā)電機發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離。磁流體發(fā)電機發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強度為子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強度為5 5萬萬6 6萬高斯萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。于磁流體發(fā)電的高

11、溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%15%的電能損的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)10001000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。建數(shù)十個大型發(fā)電廠。二、科學(xué)探究二、科學(xué)探究其其 樂樂 無無 窮窮（1 1）提出問題（

12、）提出問題（2 2）猜想與假設(shè)（猜想與假設(shè)（3 3）制定計劃與設(shè)）制定計劃與設(shè)計實驗（計實驗（4 4）進(jìn)行實驗與收集證據(jù)（）進(jìn)行實驗與收集證據(jù)（5 5）分析與論證）分析與論證（6 6）評估（）評估（7 7）交流與合作）交流與合作 例如：例如：“打水漂打水漂”是人類最古老的游戲之一，如是人類最古老的游戲之一，如何將水漂打的既多又遠(yuǎn)，一直是人們感興趣的問題，何將水漂打的既多又遠(yuǎn)，一直是人們感興趣的問題，法國科學(xué)家經(jīng)過研究，揭開了打水漂的奧秘。法國科學(xué)家經(jīng)過研究，揭開了打水漂的奧秘?？茖W(xué)探究的主要要素科學(xué)探究的主要要素提出問題提出問題如何將水漂打得既多又遠(yuǎn)？如何將水漂打得既多又遠(yuǎn)？猜想與假設(shè)猜想與假

13、設(shè)制定計劃與設(shè)計實驗制定計劃與設(shè)計實驗 他們用飛碟代替石塊進(jìn)行實驗，制作了一個他們用飛碟代替石塊進(jìn)行實驗，制作了一個 “ “打打水漂機水漂機”，實際上是個機械化彈弓，用來發(fā)射不同大，實際上是個機械化彈弓，用來發(fā)射不同大小的鋁制飛碟，射向一個水池，同時用高速攝像機將小的鋁制飛碟，射向一個水池，同時用高速攝像機將飛碟在水面彈跳的過程拍下來。飛碟在水面彈跳的過程拍下來。打水漂的質(zhì)量可能與石塊的直徑、厚度、打水漂的質(zhì)量可能與石塊的直徑、厚度、速度、以及入水角度和旋轉(zhuǎn)等因素有關(guān)。速度、以及入水角度和旋轉(zhuǎn)等因素有關(guān)。 實驗時實驗時“打水漂機打水漂機”向一個水池發(fā)射飛碟，高向一個水池發(fā)射飛碟，高速攝像機拍攝

14、飛碟在水面彈跳的過程，在實驗中，速攝像機拍攝飛碟在水面彈跳的過程，在實驗中，研究人員改變了飛碟的直徑、厚度、速度及入水角研究人員改變了飛碟的直徑、厚度、速度及入水角度和旋轉(zhuǎn)等因素，并收集數(shù)據(jù)。度和旋轉(zhuǎn)等因素，并收集數(shù)據(jù)。進(jìn)行實驗收集證據(jù)進(jìn)行實驗收集證據(jù) 經(jīng)過反復(fù)嘗試，他們終于發(fā)現(xiàn)了打水漂的奧秘：經(jīng)過反復(fù)嘗試，他們終于發(fā)現(xiàn)了打水漂的奧秘：關(guān)鍵在于角度，如果石塊入水的角度大于關(guān)鍵在于角度，如果石塊入水的角度大于4545它根本它根本就彈不起來，會直接沉入水中，當(dāng)石塊與水面的夾角就彈不起來，會直接沉入水中，當(dāng)石塊與水面的夾角為為2020時，它在水面上彈跳的次數(shù)最多，這是打水漂時，它在水面上彈跳的次數(shù)最

15、多，這是打水漂的黃金角度；旋轉(zhuǎn)的石塊比不旋轉(zhuǎn)的次數(shù)多，還與石的黃金角度；旋轉(zhuǎn)的石塊比不旋轉(zhuǎn)的次數(shù)多，還與石塊的速度成正比，直徑塊的速度成正比，直徑5 cm5 cm的鋁片以的鋁片以2020角接觸水面角接觸水面時，速度必須達(dá)到時，速度必須達(dá)到2.5 m/s2.5 m/s以上，否則就會落水，另外以上，否則就會落水，另外扁而平的，圓形石塊是打水漂最理想的材料。扁而平的，圓形石塊是打水漂最理想的材料。分析與論證分析與論證 以前也有學(xué)者研究過打水漂，但他們的結(jié)論都是以前也有學(xué)者研究過打水漂，但他們的結(jié)論都是建立在推理而不是實驗的基礎(chǔ)上，科學(xué)家對收集數(shù)據(jù)建立在推理而不是實驗的基礎(chǔ)上，科學(xué)家對收集數(shù)據(jù)的可靠性

16、進(jìn)行了評估，最后認(rèn)為實驗結(jié)論是可靠的。的可靠性進(jìn)行了評估，最后認(rèn)為實驗結(jié)論是可靠的。評估評估 這項有趣的發(fā)現(xiàn)被發(fā)表在這項有趣的發(fā)現(xiàn)被發(fā)表在自然自然雜志上，打水雜志上，打水漂實驗有著十分重要的意義。當(dāng)航天器從空氣稀薄的漂實驗有著十分重要的意義。當(dāng)航天器從空氣稀薄的太空中重返地球進(jìn)入太空中重返地球進(jìn)入“濃密濃密”的大氣層時，它的運動的大氣層時，它的運動方式就與打水漂有幾分類似，也有一個在大氣中方式就與打水漂有幾分類似，也有一個在大氣中“彈彈跳跳”的過程，因此打水漂實驗將幫助物理學(xué)家更準(zhǔn)確的過程，因此打水漂實驗將幫助物理學(xué)家更準(zhǔn)確地模仿航天器的回收過程，提高回收的成功率。地模仿航天器的回收過程，提高

17、回收的成功率。合作與交流合作與交流三、科學(xué)精神三、科學(xué)精神永遠(yuǎn)高揚永遠(yuǎn)高揚科學(xué)家成功的訣竅在哪里？科學(xué)家成功的訣竅在哪里？要有創(chuàng)新精神要有創(chuàng)新精神要能獨立思考要能獨立思考勇于有根據(jù)地懷疑勇于有根據(jù)地懷疑養(yǎng)成尊重事實，大膽想象的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神養(yǎng)成尊重事實，大膽想象的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神哥白尼哥白尼居里夫人居里夫人中國雙彈之父中國雙彈之父鄧稼先鄧稼先導(dǎo)彈之父導(dǎo)彈之父錢學(xué)森錢學(xué)森 李政道李政道 楊振寧楊振寧1.1.對科學(xué)探究中對科學(xué)探究中“交流合作交流合作”這一環(huán)節(jié)你的看法是這一環(huán)節(jié)你的看法是 （ ）A.A.應(yīng)該回避，資料保密應(yīng)該回避，資料保密 B.B.應(yīng)該大力提倡，資源共享應(yīng)該大力提倡，資源共享

18、C.C.可有可無，不影響探究可有可無，不影響探究 D.D.有困難時才要交流有困難時才要交流B B2.2.在進(jìn)行實驗與收集證據(jù)（或數(shù)據(jù)）時，要把觀察在進(jìn)行實驗與收集證據(jù)（或數(shù)據(jù)）時，要把觀察到的重要現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄下來，在數(shù)據(jù)記錄時，要到的重要現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄下來，在數(shù)據(jù)記錄時，要尊重事實，不要拼湊，還要（尊重事實，不要拼湊，還要（ ）A.A.不可杜撰不可杜撰B.B.美化數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)符合實驗的分析美化數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)符合實驗的分析C.C.把不容易顯示出的數(shù)據(jù)，根據(jù)要求添加和制作把不容易顯示出的數(shù)據(jù)，根據(jù)要求添加和制作D.D.以上說法都不可能以上說法都不可能A A3.3.物理學(xué)就是研究物理學(xué)就是研究_、 和和_ 的自然科學(xué)。的自然科學(xué)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用相互作用運動規(guī)律運動規(guī)律4.4.科學(xué)家們不僅為后人留下了知識的宮殿，而且創(chuàng)建了科學(xué)家們不僅為后人留下了知識的宮殿，而且創(chuàng)建了科學(xué)的探究方法。填寫科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)：科學(xué)的探究方法。