現(xiàn)代科學(xué)革命課件

1、第25課 現(xiàn)代科學(xué)革命 課標課標: :了解了解牛頓力學(xué)體系牛頓力學(xué)體系的創(chuàng)建，的創(chuàng)建，愛因斯坦的愛因斯坦的相對論相對論和普朗克的和普朗克的量子論量子論的的提出，認識物理學(xué)的發(fā)展及對近代科學(xué)提出，認識物理學(xué)的發(fā)展及對近代科學(xué)發(fā)展的推動。發(fā)展的推動。牛頓力學(xué)的創(chuàng)立牛頓力學(xué)的創(chuàng)立 人類科學(xué)時代開始的人類科學(xué)時代開始的標志是什么？標志是什么？ 事情還要從事情還要從1919世紀下半葉說起，世紀下半葉說起，18701870年在年在“鐵血宰相鐵血宰相”俾斯麥的領(lǐng)導(dǎo)下，德國俾斯麥的領(lǐng)導(dǎo)下，德國( (普魯士普魯士) ) 贏得了普法戰(zhàn)爭，從法國得到大量戰(zhàn)爭賠贏得了普法戰(zhàn)爭，從法國得到大量戰(zhàn)爭賠款，同時迫使法國割讓

2、了阿爾薩斯和洛林兩款，同時迫使法國割讓了阿爾薩斯和洛林兩個省。當時的德國，急于從一個以農(nóng)業(yè)為主個省。當時的德國，急于從一個以農(nóng)業(yè)為主的的“土豆王國土豆王國”，變成一個工業(yè)化的，變成一個工業(yè)化的“鋼鐵鋼鐵王國王國”。德國的魯爾區(qū)產(chǎn)煤，而緊靠魯爾區(qū)。德國的魯爾區(qū)產(chǎn)煤，而緊靠魯爾區(qū)的阿爾薩斯和洛林有豐富的鐵礦，再加上大的阿爾薩斯和洛林有豐富的鐵礦，再加上大量的賠款，德國發(fā)展鋼鐵工業(yè)萬事具備，就量的賠款，德國發(fā)展鋼鐵工業(yè)萬事具備，就只欠提高冶煉技術(shù)這個東風了。煉鋼的關(guān)鍵只欠提高冶煉技術(shù)這個東風了。煉鋼的關(guān)鍵是控制爐溫，數(shù)千度的爐溫，任何溫度計都是控制爐溫，數(shù)千度的爐溫，任何溫度計都會熔化。會熔化。第二

3、朵烏云：黑體輻射第二朵烏云：黑體輻射( (熱輻射熱輻射) ) 困難。困難。危機與機遇：危機與機遇：“晴空上漂浮著兩朵烏云晴空上漂浮著兩朵烏云”第一朵烏云：第一朵烏云： “以太以太”說破滅說破滅 水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽光穿過真做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個傳播

4、播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個傳播介質(zhì)介質(zhì)“以太以太”。 他們假定整個宇宙空間都充滿了他們假定整個宇宙空間都充滿了“以太以太”，“以以太太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。到的媒介?！耙蕴蕴笔枪狻㈦?、磁的共同載體的概念是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)以太學(xué)”。 按照牛頓的經(jīng)典時空觀，宇宙中應(yīng)當存在一種絕按照牛頓的經(jīng)典時空觀，宇宙中應(yīng)當存在一種絕對靜止的媒質(zhì)對靜止的媒質(zhì)“以太以太”，人無法感受它，但它能傳遞人無法感受它，但它能傳遞電、磁、力，光亦借助于它才能傳

5、播。電、磁、力，光亦借助于它才能傳播。 事情還要從事情還要從1919世紀下半葉說起，世紀下半葉說起，18701870年在年在“鐵血宰相鐵血宰相”俾斯麥的領(lǐng)導(dǎo)下，德國俾斯麥的領(lǐng)導(dǎo)下，德國( (普魯士普魯士) ) 贏得了普法戰(zhàn)爭，從法國得到大量戰(zhàn)爭賠贏得了普法戰(zhàn)爭，從法國得到大量戰(zhàn)爭賠款，同時迫使法國割讓了阿爾薩斯和洛林兩款，同時迫使法國割讓了阿爾薩斯和洛林兩個省。當時的德國，急于從一個以農(nóng)業(yè)為主個省。當時的德國，急于從一個以農(nóng)業(yè)為主的的“土豆王國土豆王國”，變成一個工業(yè)化的，變成一個工業(yè)化的“鋼鐵鋼鐵王國王國”。德國的魯爾區(qū)產(chǎn)煤，而緊靠魯爾區(qū)。德國的魯爾區(qū)產(chǎn)煤，而緊靠魯爾區(qū)的阿爾薩斯和洛林有豐富

6、的鐵礦，再加上大的阿爾薩斯和洛林有豐富的鐵礦，再加上大量的賠款，德國發(fā)展鋼鐵工業(yè)萬事具備，就量的賠款，德國發(fā)展鋼鐵工業(yè)萬事具備，就只欠提高冶煉技術(shù)這個東風了。煉鋼的關(guān)鍵只欠提高冶煉技術(shù)這個東風了。煉鋼的關(guān)鍵是控制爐溫，數(shù)千度的爐溫，任何溫度計都是控制爐溫，數(shù)千度的爐溫，任何溫度計都會熔化。會熔化。第二朵烏云：黑體輻射第二朵烏云：黑體輻射( (熱輻射熱輻射) ) 困難。困難。 于是人們希望從鋼水的顏色來辨認溫度，于是人們希望從鋼水的顏色來辨認溫度，這就大大促進了對這就大大促進了對黑體輻射黑體輻射( (熱輻射熱輻射) )的研究。的研究。早已完成工業(yè)革命的英國，當然也在改進煉早已完成工業(yè)革命的英國，

7、當然也在改進煉鋼技術(shù)，因此許多英國科學(xué)家和德國同行一鋼技術(shù)，因此許多英國科學(xué)家和德國同行一樣，也致力于黑體輻射的研究。樣，也致力于黑體輻射的研究。奇怪的是，奇怪的是，無論怎么努力，構(gòu)造什么樣的輻射模型，理無論怎么努力，構(gòu)造什么樣的輻射模型，理論算出的黑體輻射曲線都不能與實驗曲線一論算出的黑體輻射曲線都不能與實驗曲線一致。不是在長波波段符合不好，就是在短波致。不是在長波波段符合不好，就是在短波波段出現(xiàn)發(fā)散，即所謂波段出現(xiàn)發(fā)散，即所謂“紫外光災(zāi)難紫外光災(zāi)難”。這這就是就是黑體輻射困難黑體輻射困難。一、現(xiàn)代科學(xué)革命的背景經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)的危機的危機（P106）1、1719世紀牛頓經(jīng)典力學(xué)日趨完善

8、、成熟。世紀牛頓經(jīng)典力學(xué)日趨完善、成熟。2、19世紀末以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)無法用經(jīng)世紀末以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)無法用經(jīng)典物理學(xué)來解釋，而陷入危機典物理學(xué)來解釋，而陷入危機(相對論和量子理論出現(xiàn)的背景相對論和量子理論出現(xiàn)的背景 ) 愛因斯坦（愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），）， 18791879年生于德國，是年生于德國，是舉世聞名的德裔美國科學(xué)家，舉世聞名的德裔美國科學(xué)家，。愛因斯愛因斯坦坦1900年畢業(yè)于蘇黎士工業(yè)大學(xué)，年畢業(yè)于蘇黎士工業(yè)大學(xué)，1909年開始在大學(xué)任教，年開始在大學(xué)任教，1914年任年任威廉皇家物理研究所所長兼柏林大威廉皇家物理研究

9、所所長兼柏林大學(xué)教授。學(xué)教授。 1933年受希特勒迫害離開年受希特勒迫害離開德國移居美國德國移居美國, 愛因斯坦在物理學(xué)的愛因斯坦在物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有貢獻，比如建立狹義相對論并推廣為廣義相許多領(lǐng)域都有貢獻，比如建立狹義相對論并推廣為廣義相對論、提出光的量子概念，并以量子理論解釋光電效應(yīng)、對論、提出光的量子概念，并以量子理論解釋光電效應(yīng)、輻射過程、固體比熱等。輻射過程、固體比熱等。1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎。年獲諾貝爾物理學(xué)獎。思考中的晚年愛因斯坦思考中的晚年愛因斯坦青年時期的愛因斯坦青年時期的愛因斯坦愛因斯坦相對論著作書影二、現(xiàn)代科學(xué)革命的主要內(nèi)容（一）愛因斯坦與相對論（一）愛因斯坦與相對論

10、 1. 1. 相對論的提出相對論的提出2.2.兩個基本原理兩個基本原理相對性原理和光速不變原理相對性原理和光速不變原理1905年狹義相對論年狹義相對論論動體的電動力學(xué)論動體的電動力學(xué)1916年廣義相對論年廣義相對論n如何理解相對性和光速不變原理第第2525課課 現(xiàn)代科學(xué)革命現(xiàn)代科學(xué)革命如何理解相對性和光速不變原理如何理解相對性和光速不變原理相對性原理：時間、運動、質(zhì)量不是絕對的，而是相對的。相對性原理：時間、運動、質(zhì)量不是絕對的，而是相對的。較典型的現(xiàn)象是運動的物體長度變短（尺縮效應(yīng)）、運動的鐘較典型的現(xiàn)象是運動的物體長度變短（尺縮效應(yīng)）、運動的鐘比靜止的鐘走得慢（鐘慢效應(yīng)）、運動的物體重量變

11、大。比靜止的鐘走得慢（鐘慢效應(yīng)）、運動的物體重量變大。 光速不變原理：光的傳播速度在任何條件下都是不變的。光速不變原理：光的傳播速度在任何條件下都是不變的。北極：北極：赤道：赤道：“相對論相對論”妙解妙解3.3.意義意義（1 1）物理學(xué)領(lǐng)域）物理學(xué)領(lǐng)域最偉大最偉大的革命的革命 （2 2）解決經(jīng)典物理學(xué)危機，）解決經(jīng)典物理學(xué)危機，擴展了物理學(xué)擴展了物理學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域（3 3）打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對化的思維，為）打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對化的思維，為人們提供了人們提供了辯證地看待世界辯證地看待世界的途徑的途徑很抱歉推翻了您的理論很抱歉推翻了您的理論 愛因斯坦曾說道：愛因斯坦曾說道：“牛頓先生，牛頓先生

12、，很抱歉推翻了您的理論，不過您的很抱歉推翻了您的理論，不過您的成就是您那個時代一個人的智力和成就是您那個時代一個人的智力和創(chuàng)造力所能達到的顛峰，您所創(chuàng)造創(chuàng)造力所能達到的顛峰，您所創(chuàng)造的許多觀念直到今日都仍在引導(dǎo)我的許多觀念直到今日都仍在引導(dǎo)我們的物理思維。雖然我們知道，當們的物理思維。雖然我們知道，當我們對宇宙萬物有了更深入的了解我們對宇宙萬物有了更深入的了解以后，這些觀念將會被一些更抽象以后，這些觀念將會被一些更抽象的新觀念所取代。的新觀念所取代?！?能力提升愛因斯坦相對論與牛頓經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系：愛因斯坦相對論與牛頓經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系：部分否定：部分否定：否定了牛頓絕對時空觀，提出時間和空間不是絕

13、否定了牛頓絕對時空觀，提出時間和空間不是絕對不變的，是相對的。對不變的，是相對的。繼承發(fā)展：繼承發(fā)展：牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)低速狀態(tài)時的一個特例。牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)低速狀態(tài)時的一個特例。 2004 2004年年6 6月月, ,聯(lián)合國第聯(lián)合國第5858次大會通過決次大會通過決議議, ,確定確定20052005年為年為“世界物理年世界物理年” 右圖是右圖是20052005年年“世界物理年世界物理年”的徽標。的徽標。上海高考題上海高考題例例: :為什么把為什么把20052005年年確定為確定為世界物理年？世界物理年？ 愛因斯坦能夠取得偉大成就有哪些條件愛因斯坦能夠取得偉大成就有哪些條件? ?（1 1

14、）科學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)；）科學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)；（2 2）科學(xué)發(fā)展的需要提供了動力；）科學(xué)發(fā)展的需要提供了動力；（3 3）個人堅持不懈勤奮追求真理的優(yōu)秀品）個人堅持不懈勤奮追求真理的優(yōu)秀品質(zhì)；質(zhì)；（4 4）科學(xué)的工作和研究方法。）科學(xué)的工作和研究方法。解析與探究解析與探究 愛因斯坦根據(jù)相對論的觀點提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換理論愛因斯坦根據(jù)相對論的觀點提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換理論后，曾致信美國總統(tǒng)羅斯福，建議美國研制原子后，曾致信美國總統(tǒng)羅斯福，建議美國研制原子彈，以便在二戰(zhàn)中盡快戰(zhàn)勝法西斯國家。彈，以便在二戰(zhàn)中盡快戰(zhàn)勝法西斯國家。1945年年8月，美國先后在日本的廣島、長畸投下兩顆原子月，美國先后在日本的廣島、長畸投下

15、兩顆原子彈，加速了日本法西斯的投降，但對無辜平民的彈，加速了日本法西斯的投降，但對無辜平民的傷害也同樣令全世界震驚。愛因斯坦為此非常懊傷害也同樣令全世界震驚。愛因斯坦為此非常懊悔。從這件事中，悔。從這件事中，愛好音樂的人 愛因斯坦還是一位音樂愛好者，是一位優(yōu)秀的小提琴手。他從小就學(xué)習(xí)小提琴，古典音樂一直是他生活中的一大伴侶。 拉小提琴的愛因斯坦 愛因斯坦曾在卡內(nèi)基大廳舉辦了數(shù)次音樂會，目的是為一個人道組織募款，這是他贊助的無數(shù)人道組織中的一個。圖為愛因斯坦與人合奏室內(nèi)樂。和平捍衛(wèi)者 1923年在柏林進行反戰(zhàn)示威的愛因斯坦。陪同他的是另外兩位著名科學(xué)家，法國的朗之萬教授和英國的史密斯教授。 有鑒

16、于在未來的世界大戰(zhàn)核子武器肯定會被運用，而這類武器肯定會對人類的生存產(chǎn)生威脅，我們號召世界各政府體會并公開宣布它們的目的不能發(fā)展成世界大戰(zhàn)，而我們號召它們，因此在解決它們之間的任何爭執(zhí)應(yīng)該用和平手段。我們將結(jié)束人類的生存呢？還是人類將結(jié)束戰(zhàn)爭？羅素愛因斯坦宣言愛因斯坦向電視觀眾介紹核武器對人類的巨大危害 二、現(xiàn)代科學(xué)革命的主要內(nèi)容 （一）愛因斯坦與相對論（一）愛因斯坦與相對論（二）量子理論中的微觀世界（二）量子理論中的微觀世界1 1、誕生：、誕生：19001900年普朗克量子假說年普朗克量子假說2 2、發(fā)展：、發(fā)展： (1(1）愛因斯坦）愛因斯坦, ,光的量子理論光的量子理論(2(2）玻爾）玻

17、爾, ,原子的量子理論原子的量子理論(3(3）一門新的物理學(xué)分支量子力學(xué)建立起來）一門新的物理學(xué)分支量子力學(xué)建立起來3 3、意義：、意義：P108P108（1 1）2020世紀最深刻、最有成就科學(xué)理論之一，人類世紀最深刻、最有成就科學(xué)理論之一，人類對對微觀世界微觀世界的基本認識有了革命性的進步的基本認識有了革命性的進步（2 2）量子力學(xué)對化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、古）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)域產(chǎn)生重大影響，帶來劃時生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，帶來劃時代的技術(shù)創(chuàng)新。代的技術(shù)創(chuàng)新。這直接推動社會生產(chǎn)力發(fā)展，根本上這直接推動社會生產(chǎn)力發(fā)展，根本上改變

18、人類物質(zhì)生活。改變?nèi)祟愇镔|(zhì)生活。普朗克量子假說普朗克量子假說普朗克普朗克普朗克是近代偉大的德普朗克是近代偉大的德國物理學(xué)家，量子論的國物理學(xué)家，量子論的奠基人，奠基人，18581858年年4 4月月2323日生于基爾。日生于基爾。18791879年普年普朗克在慕尼黑大學(xué)獲得朗克在慕尼黑大學(xué)獲得博士學(xué)位后，先后在慕博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。教。19001900年他在黑體輻年他在黑體輻射研究中引入能量量子。射研究中引入能量量子。三、現(xiàn)代物理學(xué)興起的意義1.1.量子理論和相對論構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的基量子理論和相對論構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。（兩大支柱）礎(chǔ)。（兩大支柱）2

19、.2.量子理論和相對論量子理論和相對論彌補了經(jīng)典物理學(xué)在彌補了經(jīng)典物理學(xué)在宏觀世界和微觀的粒子世界面前的空缺宏觀世界和微觀的粒子世界面前的空缺，開闊了人們的視野，改變了人們看世界的開闊了人們的視野，改變了人們看世界的角度和方式。角度和方式。3.3.量子理論和相對論不僅對量子理論和相對論不僅對物理科學(xué)物理科學(xué)本身，本身，對自然科學(xué)，而且對整個人類的對自然科學(xué)，而且對整個人類的思維思維都產(chǎn)都產(chǎn)生了不可磨滅的影響。生了不可磨滅的影響。加熱到不同溫度的物體發(fā)出不同顏色的光加熱到不同溫度的物體發(fā)出不同顏色的光 相對論和量子理論出現(xiàn)，它們掀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)起了物

20、理學(xué)革命，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱的兩大支柱課中思考：課中思考：量子力學(xué)量子力學(xué)的產(chǎn)生和相對論的產(chǎn)的產(chǎn)生和相對論的產(chǎn)生有什么共同點？這生有什么共同點？這說明了什么？說明了什么？共同點：共同點：從背景上看，從背景上看，1919世紀末，物理學(xué)得到了極大的發(fā)世紀末，物理學(xué)得到了極大的發(fā)展，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，另展，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，另一方面擴展到整個宇宙。但是，一系列新的發(fā)現(xiàn)無法用經(jīng)一方面擴展到整個宇宙。但是，一系列新的發(fā)現(xiàn)無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋，這使得經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機，面臨著挑典物理學(xué)解釋，這使得經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機，面臨著挑戰(zhàn)。戰(zhàn)。從產(chǎn)生過程

21、看，從產(chǎn)生過程看，第一，都是科學(xué)大師們敢于向權(quán)威挑第一，都是科學(xué)大師們敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，追求真理的結(jié)果。第二，都經(jīng)歷了一個產(chǎn)生發(fā)展完善戰(zhàn)，追求真理的結(jié)果。第二，都經(jīng)歷了一個產(chǎn)生發(fā)展完善的過程。的過程。說明：說明：社會意識是一定的社會存在的反映；任何事物的產(chǎn)社會意識是一定的社會存在的反映；任何事物的產(chǎn)生和發(fā)展都要經(jīng)歷一個曲折的過程。生和發(fā)展都要經(jīng)歷一個曲折的過程?，F(xiàn)現(xiàn) 代代 科科 學(xué)學(xué) 革革 命命背景：經(jīng)典物理學(xué)的危機背景：經(jīng)典物理學(xué)的危機 內(nèi)容內(nèi)容（兩大支柱）（兩大支柱）相對論相對論量子論量子論內(nèi)容：狹義相對論與廣義相內(nèi)容：狹義相對論與廣義相對論；相對性原理與光速不對論；相對性原理與光速不變原理變原理 意義：意義：歷程：普朗克的量子假說，歷程：普朗克的量子假說，愛因斯坦的光的量子理論；愛因斯坦的光的量子理論；玻爾的原子玻爾的原子 意義：意義：影響：構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，影響：構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)， 改變了人們看世界的