《物理學(xué)的重大進(jìn)展》設(shè)計(jì) 名師獲獎(jiǎng)

《物理學(xué)的重大進(jìn)展》教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與能力1.識(shí)記伽利略、牛頓、愛因斯坦、普朗克等物理學(xué)家對(duì)物理學(xué)發(fā)展所作出的重大成就。2.理解經(jīng)典力學(xué)在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位。3.探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點(diǎn)，比較相對(duì)論、量子論與牛頓力學(xué)的關(guān)系。過(guò)程與方法1.引導(dǎo)學(xué)生回憶初中物理知識(shí)來(lái)促進(jìn)本課的學(xué)習(xí)2.通過(guò)學(xué)生預(yù)習(xí)（圍繞4個(gè)物理學(xué)家，自制小課件）課堂展示本課主要內(nèi)容，促進(jìn)同學(xué)的互相學(xué)習(xí)。教師給予必要的補(bǔ)充。情感態(tài)度價(jià)值觀科學(xué)真理需要勇于探索、執(zhí)著追求的精神，科學(xué)理論在不斷完善、創(chuàng)新，人類對(duì)客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深入。二、教材分析與建議重點(diǎn)伽利略對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；經(jīng)典力學(xué)的建立；相對(duì)論的提出；量子論的誕生。難點(diǎn)物理學(xué)各階段發(fā)展的原因；對(duì)科學(xué)發(fā)展創(chuàng)新性的理解。教學(xué)內(nèi)容分析與建議本課教材主要分三個(gè)目從四個(gè)方面向?qū)W生介紹物理學(xué)從16世紀(jì)末17世紀(jì)初到19世紀(jì)末20世紀(jì)初的重大成就：經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者——伽利略、經(jīng)典力學(xué)的建立、從經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論、量子論的誕生與發(fā)展。這一時(shí)期物理學(xué)方面的文字、圖片、人物介紹等資料比較豐富，教師可以適當(dāng)補(bǔ)充一些資料，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。本課引言文字以比薩斜塔上發(fā)生的著名故事介紹了意大利物理學(xué)家伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)落體定律，這件事掀開了近代物理學(xué)的序幕。第一目“經(jīng)典力學(xué)”教材主要介紹了16世紀(jì)末到18世紀(jì)初物理學(xué)的發(fā)展情況。教材主要寫了兩方面內(nèi)容：（1）伽利略對(duì)經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的奠基作用由于伽利略和文藝復(fù)興時(shí)期近代科學(xué)的產(chǎn)生有著直接的聯(lián)系，建議教師在本目教學(xué)時(shí)首先讓學(xué)生回顧文藝復(fù)興時(shí)期近代科學(xué)產(chǎn)生的背景，把本目?jī)?nèi)容放在這種背景下，有助于學(xué)生深入理解伽利略進(jìn)行科學(xué)研究的手段和取得的成就。16世紀(jì)末17世紀(jì)初，隨著文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)展和人的思想解放，意大利科學(xué)家伽利略認(rèn)為研究自然界必須進(jìn)行系統(tǒng)的觀察和實(shí)驗(yàn)。他將科學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)相結(jié)合，進(jìn)行科學(xué)研究，并強(qiáng)調(diào)追究事物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。希臘學(xué)者亞里士多德認(rèn)為地球上的物體運(yùn)動(dòng)有天然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為物體的受迫運(yùn)動(dòng)是推動(dòng)者加于被推動(dòng)者的，推動(dòng)者一旦停止推動(dòng)，運(yùn)動(dòng)就會(huì)立即停止。1604年，意大利物理學(xué)家伽利略在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：物體下落時(shí)的距離與所用時(shí)間的平方成正比，而物體下落的速度與物體的重量無(wú)關(guān)，這就是著名的落體定律。他還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了勻速運(yùn)動(dòng)定律和勻加速運(yùn)動(dòng)定律。伽利略的研究表明，外力并不是維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而只是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。這是對(duì)古希臘哲學(xué)家亞里士多德以來(lái)有關(guān)運(yùn)動(dòng)觀念的重大變革，為經(jīng)典力學(xué)的建立奠定基礎(chǔ)。他的發(fā)現(xiàn)以及他開始的科學(xué)研究方法，是人類思想史上偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。關(guān)于伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn)及影響，建議教師在教學(xué)本目時(shí)利用教材中有關(guān)哥白尼“日心說(shuō)”的【歷史縱橫】中的文字，讓學(xué)生進(jìn)行閱讀。中世紀(jì)流行的天文學(xué)觀點(diǎn)是托勒密的“地球中心說(shuō)”，它認(rèn)為地球是宇宙的中央，日月星辰都圍繞地球運(yùn)行。文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)時(shí)期波蘭科學(xué)家哥白尼提出“太陽(yáng)中心說(shuō)”，并寫成《天體運(yùn)行論》。他提出太陽(yáng)是宇宙的中心，地球不過(guò)是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行并能自轉(zhuǎn)的一顆普通行星而已。這就揭穿了所謂“上帝賦予地球特殊地位”的說(shuō)法，摧毀了上帝創(chuàng)造世界的謬論。意大利科學(xué)家伽利略對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的傳播和天文學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。1569年他自創(chuàng)了用以觀察天體的第一架望遠(yuǎn)鏡，從望遠(yuǎn)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(shuō)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(yáng)轉(zhuǎn)，他看到銀河是由無(wú)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(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》。他的這些發(fā)現(xiàn)和觀點(diǎn)，摧毀了教會(huì)的信條而證明了哥白尼學(xué)說(shuō)的正確。（2）牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)17~18世紀(jì)，近代自然科學(xué)中突出發(fā)展起來(lái)的是經(jīng)典力學(xué)（又稱牛頓力學(xué)）。這除了由于工場(chǎng)手工業(yè)時(shí)期經(jīng)濟(jì)上的需要之外，也是因?yàn)榱W(xué)研究的對(duì)象最簡(jiǎn)單，它拋開物體的物理、化學(xué)性質(zhì)只把它作為一個(gè)質(zhì)量的實(shí)體來(lái)看待。在經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域中，最重要的成就是萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)，這些成就構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的基本內(nèi)容。在經(jīng)典力學(xué)的建立中，曾有許多科學(xué)家為之付出心血，牛頓則是其中的集大成者，故經(jīng)典力學(xué)又稱牛頓力學(xué)。牛頓是英國(guó)著名的物理學(xué)家。他在數(shù)學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域均有重大貢獻(xiàn)，最重要的是在力學(xué)方面。他在力學(xué)方面的貢獻(xiàn)之一是確立了萬(wàn)有引力定律。這個(gè)定律說(shuō)明，任何兩個(gè)物體之間都有引力存在。這個(gè)引力與彼此吸引的物體的質(zhì)量體積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比。萬(wàn)有引力定律總結(jié)了此前一個(gè)半世紀(jì)的科學(xué)發(fā)明并用精確的數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)把它們聯(lián)結(jié)起來(lái)了。此外，牛頓還確立了著名的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)三定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓確立的萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三大定律成為經(jīng)典力學(xué)建立的標(biāo)志。1687年，他出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，在該書中他首先給力學(xué)的基本要領(lǐng)如質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力及向心力下了定義，對(duì)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(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，全部應(yīng)用運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律給予了說(shuō)明，把自然界中的一切力學(xué)現(xiàn)象都囊括在他的力學(xué)體系之中。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書的出版標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的成熟。牛頓力學(xué)在科學(xué)史上的意義表現(xiàn)在它把天上和地上的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，把萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律視為宇宙間一切力學(xué)運(yùn)動(dòng)有普遍規(guī)律，從力學(xué)的角度證明了自然界的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)了人類自然界認(rèn)識(shí)的第一次綜合。經(jīng)典力學(xué)最顯著的特征之一就是注重實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步揭示客觀現(xiàn)象和過(guò)程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，并由此得出重要的結(jié)論。另一個(gè)顯著特征是它的數(shù)學(xué)化，這種數(shù)學(xué)化的根源是自然內(nèi)在的數(shù)學(xué)關(guān)系。自然的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是近代科學(xué)的先驅(qū)們深信不疑的真理。經(jīng)典力學(xué)誕生后，產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，此后，光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)的進(jìn)一步統(tǒng)一，大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。經(jīng)典力學(xué)體系的建立標(biāo)志著近代科學(xué)的形成。第二目“相對(duì)論的創(chuàng)立”本目教材介紹了19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)發(fā)展的新階段即物理學(xué)界出現(xiàn)了一種嶄新的革命性的理論——相對(duì)論。建議教師在教學(xué)中從三方面把握教材。（1）相對(duì)論提出的歷史背景19世紀(jì)末，物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個(gè)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(shí)驗(yàn)事實(shí)使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動(dòng)搖。物理學(xué)家們?cè)J(rèn)為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學(xué)體系，從根本上出現(xiàn)了動(dòng)搖，這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是人們?nèi)粘Ｉ钪幸子诶斫獾暮暧^世界，三大發(fā)現(xiàn)所揭示的卻是人們沒有直接經(jīng)驗(yàn)的微觀現(xiàn)象，這表明人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)已經(jīng)深入了一個(gè)層次。物理學(xué)的“危機(jī)”沒有嚇倒大多數(shù)物理學(xué)家，他們繼續(xù)向前探索，于是產(chǎn)生了以量子論和相對(duì)論的建立為標(biāo)志的物理學(xué)革命，物理學(xué)從此開辟了新的天地。（2）相對(duì)論的提出及主要內(nèi)容過(guò)去的物理學(xué)都以牛頓的理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，兩者是沒有任何直接聯(lián)系的。似乎宇宙間存在著一個(gè)永遠(yuǎn)走動(dòng)著的大鐘，在任何情況下，它的速率永遠(yuǎn)都是相同的，世界上的一切運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上都以它為度量標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦經(jīng)過(guò)多年的研究，打破了傳統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空觀，于1905年提出了狹義相對(duì)論和光速不變?cè)?。指出了時(shí)間、空間和物體的質(zhì)量不是絕對(duì)不變的，而是隨著物體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。狹義相對(duì)論認(rèn)為：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增加，同時(shí)，空間和時(shí)間也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，即還會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。1916年，愛因斯坦完成了廣義相對(duì)論的最終形式。在廣義相對(duì)論中，引力是被考慮的主要問題。廣義相對(duì)論指出：空間和時(shí)間不可能離開物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，使人類進(jìn)一步深化了對(duì)時(shí)間、空間和引力現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。廣義相對(duì)論又被認(rèn)為是一種引力理論。（3）相對(duì)論提出的歷史意義相對(duì)論的提出是物理學(xué)思想的一次重大革命，它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空論，從本質(zhì)上修正了由狹隘經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的時(shí)空觀，深刻地揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)屬性，即：揭示了時(shí)空的可變性、時(shí)空變化的聯(lián)系性，樹立了新的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、物質(zhì)觀。這一理論被后人譽(yù)為20世紀(jì)人類思想史上最偉大的成就之一。愛因斯坦的相對(duì)論也發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)概括在相對(duì)論力學(xué)之中，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。第三目“量子論的誕生與發(fā)展”本目教材主要介紹了19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的另一個(gè)重大成就——量子論的誕生與發(fā)展。建議教師在教學(xué)中從三方面把握教材。（1）量子論誕生的背景教師在教學(xué)過(guò)程中可結(jié)合第三目“相對(duì)論的創(chuàng)立”的背景及本目教材第一段內(nèi)容來(lái)分析量子論誕生的背景。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電子和放射性的發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，使人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)深入到了原子內(nèi)部。但大量的實(shí)驗(yàn)表明，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不能用通常的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)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(xué)為量子論的誕生作出重大貢獻(xiàn)的是德國(guó)物理學(xué)家普朗克。1900年，他提出了物質(zhì)的輻射能不是連續(xù)的，而是以最小的、不可再分的能量單位即能量量子的整數(shù)位跳躍式地變化的量子假說(shuō)。這個(gè)假說(shuō)宣告了量子論的誕生。在普朗克之后，英國(guó)的物理學(xué)家盧瑟福和丹麥物理學(xué)家玻爾把量子論用于原子結(jié)構(gòu)的研究，證實(shí)原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。電子在不同軌道上圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子從外層軌道跳到內(nèi)層軌道時(shí)就放出相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波。玻爾在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了原子結(jié)構(gòu)的理論。愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應(yīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質(zhì)，進(jìn)一步推動(dòng)了量子論的發(fā)展。20世紀(jì)20年代，德國(guó)物理學(xué)家海森伯和奧地利物理學(xué)家薛定諤等創(chuàng)立了物理波理論，指出電子和一切物質(zhì)粒子都像光一樣，既具有連續(xù)的波動(dòng)性質(zhì)，又具有不連續(xù)的粒子性質(zhì)。經(jīng)過(guò)這些科學(xué)家的共同努力，到1925年左右量子力學(xué)最終建立。量子力學(xué)是研究微觀世界粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。（3）量子論和量子力學(xué)的影響在量子論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué)，極大地促進(jìn)了原子物理、固體物理和原子核物理等科學(xué)的發(fā)展。同時(shí)，也標(biāo)志著人類對(duì)客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)，開始從宏觀世界深入到了微觀世界。相對(duì)論和量子力學(xué)的確立是物理學(xué)革命的高潮，以物理學(xué)革命為先導(dǎo)，帶動(dòng)了化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科的理論也都發(fā)生了革命性的突破。量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合形成原子核物理學(xué)，指導(dǎo)制造原子彈、氫彈和建立核電站。量子力學(xué)還為電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和激光技術(shù)等奠定了理論基礎(chǔ)。三、教學(xué)設(shè)計(jì)與案例1.教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)本課內(nèi)容時(shí)，教師可先讓學(xué)生閱讀本單元的引言文字，教師講解后，直接導(dǎo)入本課內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容比較多，在教學(xué)過(guò)程中要注意詳略得當(dāng)、突出階段成就。在學(xué)習(xí)物理學(xué)的重大成就時(shí)，要充分利用學(xué)生了解的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的興趣。對(duì)教材中科學(xué)家的重要成就，不要重點(diǎn)放在展開史實(shí)講過(guò)程，而應(yīng)把重點(diǎn)放在這些成就及其歷史地位和作用。關(guān)于“經(jīng)典力學(xué)”一目的教學(xué)。建議教師以本課引言文字為素材，通過(guò)提問方式引導(dǎo)學(xué)生閱讀理解這段文字。設(shè)問題一：試舉例說(shuō)明以前學(xué)習(xí)過(guò)的有關(guān)伽利略的成就或貢獻(xiàn)？設(shè)問題二：你認(rèn)為伽利略能夠確定自由落體定律的關(guān)鍵是什么？對(duì)你有何啟示？在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入本目?jī)?nèi)容的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)本目?jī)?nèi)容時(shí)，可以利用教材中的兩幅插圖《伽利略望遠(yuǎn)鏡及伽利略觀察到的月亮》《伽利略面對(duì)教會(huì)的審判》。講完本目后可以讓學(xué)生討論回答下列問題來(lái)進(jìn)行總結(jié)：伽利略在物理學(xué)、天文學(xué)方面突出的貢獻(xiàn)是什么？他為什么會(huì)取得這些貢獻(xiàn)？他的這些貢獻(xiàn)有什么意義？在接下來(lái)有牛頓確立經(jīng)典力學(xué)的教學(xué)。教師可以通過(guò)教材提供的有關(guān)牛頓的圖片資料設(shè)問：牛頓有哪些重要貢獻(xiàn)？其中最重要的是什么？在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)本目，注意讓學(xué)生總結(jié)歸納經(jīng)典力學(xué)的顯著特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合。同時(shí)，結(jié)合【資料回放】，對(duì)學(xué)生進(jìn)行情感與態(tài)度價(jià)值觀教育，使學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)家求實(shí)謙虛的品德。同時(shí)，結(jié)合【歷史縱橫】，使學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)對(duì)事物發(fā)展的預(yù)見性。關(guān)于“相對(duì)論的創(chuàng)立”一目的教學(xué)。教師可以通過(guò)設(shè)置問題導(dǎo)入本目，如：19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)發(fā)展的重大成果是什么？為什么會(huì)出現(xiàn)？在講述相對(duì)論的內(nèi)容和意義時(shí)，教師可以讓學(xué)生進(jìn)行歸納，然后結(jié)合【學(xué)思之窗】提供的資料和插圖，理解相對(duì)論的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。學(xué)完本目以后，教師可以讓學(xué)生思考討論：相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)有何區(qū)別與聯(lián)系？有何啟示？以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力和理論創(chuàng)新的觀念。關(guān)于“量子論的誕生與發(fā)展”一目的教學(xué)。本目的重點(diǎn)應(yīng)放在量子論的誕生、發(fā)展以及量子力學(xué)的意義。在師生對(duì)這些內(nèi)容歸納的基礎(chǔ)上可以讓學(xué)生討論：量子論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)有何區(qū)別？在學(xué)完本節(jié)內(nèi)容之后，建議學(xué)生設(shè)計(jì)表格來(lái)歸納這一時(shí)期所涉及的物理學(xué)的重大成就。2.教學(xué)案例案例一在學(xué)習(xí)伽利略的天文學(xué)成就時(shí)，用實(shí)物投影或幻燈片介紹教材中的圖片《伽利略面對(duì)教會(huì)的審判》。伽利略在科學(xué)領(lǐng)域里的重大成就，激怒了羅馬教皇及其信徒們，當(dāng)伽利略寫了《關(guān)于兩種世界體系對(duì)話》這篇科學(xué)巨著后，教會(huì)終于露出了猙獰面目，把伽利略投入了監(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(duì)伽利略的判決：“我們判決你在宗教法庭監(jiān)獄內(nèi)服刑，刑期由我們掌握，為了有益于補(bǔ)贖，命令你在今后3年內(nèi)，每周背誦7篇贖罪詩(shī)篇……”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，至死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準(zhǔn)葬入圣太克羅斯墓地。案例二在學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)時(shí)，可讓學(xué)生們了解牛頓的生平。四、問題解答【學(xué)思之窗】資料略你認(rèn)為應(yīng)該怎樣評(píng)價(jià)牛頓和愛因斯坦的貢獻(xiàn)？解題關(guān)鍵：適應(yīng)時(shí)代的需要，推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。思路引領(lǐng)：牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)；愛因斯坦提出相對(duì)論。答案提示：牛頓確立了萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律，之后光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)進(jìn)一步統(tǒng)一，大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)研究的是宏觀世界。愛因斯坦打破了牛頓以來(lái)傳統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空觀，于1905年提出了狹義相對(duì)論和光速不變?cè)恚?916年愛因斯坦完成了廣義相對(duì)論的最終形式。愛因斯坦的相對(duì)論發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)概括在相對(duì)論力學(xué)之中，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。【探究學(xué)習(xí)總結(jié)】一、本課測(cè)評(píng)相對(duì)論和量子論的出現(xiàn)有什么意義？解題關(guān)鍵：相對(duì)論和量子論。思路引領(lǐng)：相對(duì)論和量子論與經(jīng)典力學(xué)的不同處。答案提示：相對(duì)論和量子論發(fā)現(xiàn)人們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)之外的宏觀世界和微觀世界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅推動(dòng)了物理學(xué)的進(jìn)步，還大大開闊了人們視野，改變了人們認(rèn)識(shí)世界的角度和方式。二、學(xué)習(xí)延伸20世紀(jì)初，愛因斯坦提出相對(duì)論后，核能研究得到迅速發(fā)展。請(qǐng)查找資料，了解20世紀(jì)核能研究發(fā)展的基本情況，談一談這一研究的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了哪些影響？解題關(guān)鍵：核能的發(fā)展。思路引領(lǐng)：通過(guò)上網(wǎng)或圖書館等途徑查閱相關(guān)資料。答案提示：略。（本題的核心是培養(yǎng)學(xué)生查閱資料和組織材料的能力，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)不同方式組織材料，鼓勵(lì)他們積極發(fā)表意見）五、資料與注釋1.原始資料關(guān)于科學(xué)的論述只要科學(xué)家擔(dān)負(fù)起交流的責(zé)任——對(duì)于自己干的那一行盡可能簡(jiǎn)明并盡可能多地加以解釋，而非科學(xué)家也樂于洗耳恭聽，那么兩者之間的鴻溝便有可能消除。能更滿意地欣賞一門科學(xué)的進(jìn)展，并不一定非得對(duì)科學(xué)有透徹的了解。歸根到底，沒有人認(rèn)為，要欣賞莎士比亞，自己就必須能寫出一部偉大的文學(xué)作品。要欣賞貝多芬的交響樂，也并不要求聽者能作出一部同等的交響樂。同樣地，要欣賞或享受科學(xué)的成就，也不一定非得躬身于創(chuàng)造性的科學(xué)活動(dòng)?！獅美國(guó)}艾薩克·阿西莫夫，轉(zhuǎn)引自《科學(xué)大師佳作系列》中文版序言胡錦濤關(guān)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的論述載人航天工程是當(dāng)今世界高新技術(shù)發(fā)展水平的集中展示，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。我國(guó)載人航天工程取得的成就，是改革開放20多年來(lái)綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)、科技水平不斷提高的重要體現(xiàn)。這再一次說(shuō)明，只要我們堅(jiān)定不移地堅(jiān)持黨的基本理論、基本路線、基本綱領(lǐng)和基本經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)定不移地堅(jiān)持以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心，堅(jiān)定不移地走改革開放的強(qiáng)國(guó)之路，堅(jiān)定不移地推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，我們就能不斷奪取社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的更大勝利?！谝?，必須堅(jiān)持以科技進(jìn)步和創(chuàng)新為先導(dǎo)，努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的跨越。載人航天是當(dāng)今世界高新科技中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，是難度高、規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性和安全性要求極強(qiáng)的工程。實(shí)施載人航天工程，同當(dāng)年搞“兩彈一星”并取得成功一樣，有力地推動(dòng)了我國(guó)科技的跨越式發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)學(xué)科技術(shù)的整體躍升，形成了一批新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重大的意義。實(shí)踐告訴我們，高度重視和充分發(fā)揮科學(xué)技術(shù)的重要作用，努力以科技發(fā)展的局部躍升帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，是加快發(fā)展的一個(gè)重要途徑。當(dāng)今時(shí)代，人類正在經(jīng)歷一場(chǎng)全球性的科技革命，知識(shí)創(chuàng)新迅速發(fā)展，科技進(jìn)步日新月異，科學(xué)技術(shù)越來(lái)越成為綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的核心，我們比以往任何時(shí)候都更需要加快科技進(jìn)步和創(chuàng)新的步伐。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的諸多方面特別是科技發(fā)展方面同發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。我們要趕超世界先進(jìn)水平，就必須堅(jiān)定不移地實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，抓住機(jī)遇，用好機(jī)遇，集聚尖端人才，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，選準(zhǔn)一些對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、維護(hù)國(guó)家安全具有重大帶動(dòng)作用的領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)，加速推進(jìn)全社會(huì)的科技進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的跨越，帶動(dòng)我國(guó)綜合國(guó)力的全面提升?！逗\濤在慶祝我國(guó)首次載人航天飛行圓滿成功大會(huì)上的講話》（2022年11月7日）2.課文注釋近代科學(xué)誕生的歷史背景近代自然科學(xué)革命發(fā)生的歷史背景主要包括：首先，新興的資產(chǎn)階級(jí)在經(jīng)濟(jì)上和政治上對(duì)自然科學(xué)的迫切需要。14世紀(jì)以后，手工工場(chǎng)發(fā)展迅速，生產(chǎn)中的技術(shù)改造與機(jī)器的逐步采用，向人們提出很多新的問題，需要自然科學(xué)予以解決，以促進(jìn)生產(chǎn)力的更大發(fā)展。同時(shí)，新興資產(chǎn)階級(jí)要求掌握政治權(quán)力，他們需要把自然科學(xué)作為反對(duì)宗教統(tǒng)治爭(zhēng)取思想自由的理論武器。其次，自然科學(xué)自身發(fā)展的需要。經(jīng)過(guò)中世紀(jì)前期的漫長(zhǎng)黑夜，自然科學(xué)逐漸復(fù)興。資本主義生產(chǎn)方式的產(chǎn)生和發(fā)展，不僅向自然科學(xué)提出大量的研究課題，還提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)材料以及新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。最后，文藝復(fù)興、地理大發(fā)現(xiàn)和宗教改革的推動(dòng)。文藝復(fù)興反對(duì)盲從和迷信，提倡獨(dú)立的學(xué)術(shù)研究，為資產(chǎn)階級(jí)在政治上取代封建統(tǒng)治作輿論準(zhǔn)備，它打破了教會(huì)的精神統(tǒng)治，動(dòng)搖了封建制度的政治思想基礎(chǔ)，為把自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái)創(chuàng)造了必要的條件。近代自然科學(xué)革命就是在文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的高潮中拉開序幕的，首先向宗教神學(xué)發(fā)起沖擊的是天文學(xué)。隨后的宗教改革摧毀了天主教會(huì)的精神獨(dú)裁，對(duì)科學(xué)革命也產(chǎn)生了巨大的影響。在此期間，地理大發(fā)現(xiàn)也有重要意義，它以實(shí)踐證實(shí)了地圓學(xué)說(shuō)，為建立新的天文學(xué)和地理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有不可估量的意義。更重要的是它所引起的思想觀念的革命，它用實(shí)踐突破了所謂經(jīng)典知識(shí)界限，使人的思維方式從權(quán)威的盲目崇拜中解放出來(lái)。伽利略伽利略（1564—1642），意大利知識(shí)淵博的科學(xué)家、近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的奠基者之一，出生于比薩一個(gè)沒落貴族家庭。17歲進(jìn)比薩大學(xué)學(xué)醫(yī)，但他對(duì)物理和數(shù)學(xué)很有興趣。他做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究工作，首次用自制的天文望遠(yuǎn)鏡細(xì)心地觀察了天體，得出了和哥白尼學(xué)說(shuō)完全相符的結(jié)論。伽利略把他在望遠(yuǎn)鏡中所觀察到的壯麗景象，到處宣傳，并用觀察到的事實(shí)和力學(xué)原理作了嚴(yán)密的論證，進(jìn)一步維護(hù)和發(fā)展了哥白尼的體系。教會(huì)向伽利略發(fā)出多次警告，但是他無(wú)視這一警告，發(fā)表了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》的巨著，從實(shí)踐和理論的高度批駁了地球中心說(shuō)。伽利略的“異端”活動(dòng)引起了教會(huì)的恐慌，羅馬教皇向宗教裁判所帶頭提出控訴，于是這位體弱抱病的科學(xué)家被送進(jìn)了監(jiān)牢，遭到審訊，以至被終身軟禁。軟禁期間，他繼續(xù)研究物理學(xué)，寫出《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》。伽利略對(duì)科學(xué)研究方法的貢獻(xiàn)近代科學(xué)雖然從古希臘科學(xué)發(fā)展而來(lái)，但在研究方法上與古希臘科學(xué)卻有很大的不同。古希臘偏重在直觀基礎(chǔ)上的思辨、演繹而輕視經(jīng)驗(yàn)，近代卻注重實(shí)驗(yàn)和歸納，同時(shí)也不排斥數(shù)學(xué)和演繹的作用，因而近代科學(xué)又被稱為實(shí)驗(yàn)科學(xué)。實(shí)驗(yàn)科學(xué)的倡導(dǎo)者是中世紀(jì)后期的羅吉爾·培根，他已充分認(rèn)識(shí)到只有實(shí)驗(yàn)方法才能給科學(xué)以確定性。文藝復(fù)興時(shí)期的意大利科學(xué)家和藝術(shù)家達(dá)·芬奇也領(lǐng)會(huì)到觀察和實(shí)驗(yàn)是科學(xué)認(rèn)識(shí)的重要方法。近代科學(xué)方法的真正形成是在17～18世紀(jì)，伽利略創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法是近代自然科學(xué)研究問題的一般程序和經(jīng)典方法。這種方法是在觀察實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)邏輯推理和數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)未知的自然現(xiàn)象提出假定性的說(shuō)明和定量的描寫，然后再用實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)的方法。伽利略雖然強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)和歸納，但又反對(duì)狹隘經(jīng)驗(yàn)論，強(qiáng)調(diào)理智的作用，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)和演繹方法的重要性，主張運(yùn)用理智把自然過(guò)程加以純化和簡(jiǎn)化，并且把尋找自然界的數(shù)學(xué)關(guān)系作為研究的重要目標(biāo)。正是從數(shù)學(xué)演繹的觀點(diǎn)出發(fā)，伽利略非常重視對(duì)觀察、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行定量的計(jì)算和分析，這比起古希臘和中世紀(jì)的學(xué)者只注重定性研究是一大進(jìn)步。伽利略的實(shí)驗(yàn)—數(shù)學(xué)方法開創(chuàng)了近代自然科學(xué)研究中經(jīng)驗(yàn)和理性相結(jié)合、定性和定量相結(jié)合的傳統(tǒng)，這對(duì)物理學(xué)乃至整個(gè)近代自然科學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，在科學(xué)方法的發(fā)展史上更具有重要的意義。落體定律對(duì)亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀念的重大變革亞里士多德有一個(gè)著名的“落體運(yùn)動(dòng)法則”：落體的速度與重量成正比。據(jù)此理論，一個(gè)重10千克的物體，其下落速度一定是重1千克物體的10倍。這種看法在經(jīng)驗(yàn)中確實(shí)可以找到證據(jù)，比如一根羽毛就比一塊石頭后落到地面，但是也不難找到反證，比如一個(gè)同樣大小的鐵球和木球從等高處下落，幾乎無(wú)法區(qū)分哪一個(gè)先到達(dá)地面。伽利略決定用實(shí)驗(yàn)來(lái)反駁亞里士多德的理論。有人記載伽利略曾在意大利比薩斜塔上做過(guò)自由落體的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果兩個(gè)重量相差10倍的球同時(shí)落地，證明了亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。不過(guò)經(jīng)后世史學(xué)家考證，伽利略并沒有在比薩斜塔上做過(guò)落體實(shí)驗(yàn)。盡管如此，伽利略還是根據(jù)小球沿斜面滾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自己的猜想。他發(fā)現(xiàn)小球滾動(dòng)的加速度與小球的重量無(wú)關(guān)，只與斜面的傾斜度有關(guān)。斜面的傾角達(dá)到90度時(shí)，物體就成了自由落體。從1602年開始，伽利略著手研究相關(guān)的運(yùn)動(dòng)問題。1604年，伽利略設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次努力，終于探清了在斜面上滾動(dòng)的小球的運(yùn)動(dòng)情況，他所面臨的困難主要是沒有準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)裝置，他先后用過(guò)脈搏、音樂節(jié)拍和水鐘。他先發(fā)現(xiàn)球滾過(guò)全程四分之一所花的時(shí)間，正是滾過(guò)全程所花時(shí)間的一半，最后更為精確地知道，在斜面上下落物體的下落距離同所用時(shí)間的平方成正比，這就是著名的落體定律。因此他的實(shí)驗(yàn)明確的表明自由落體運(yùn)動(dòng)的速度與重量無(wú)關(guān)。這是對(duì)古希臘哲學(xué)家亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀念的重大變革。勻速運(yùn)動(dòng)與勻加速運(yùn)動(dòng)伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先遇到了概念上的困難，因當(dāng)時(shí)還沒有人對(duì)速度進(jìn)行過(guò)定量和定義。伽利略雖然發(fā)現(xiàn)了落體定律，但卻錯(cuò)誤地認(rèn)為速度與距離成正比，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到速度與時(shí)間成正比。因此，對(duì)于伽利略來(lái)說(shuō)，重要的是先對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)和勻加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量和定義。在《兩門新科學(xué)》中，這樣的概念終于以公理的形式被創(chuàng)造出來(lái)。勻速運(yùn)動(dòng)是指運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在任何相等的時(shí)間間隔里經(jīng)過(guò)的距離皆相等，勻加速運(yùn)動(dòng)是指運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在相等的時(shí)間間隔里獲得相等的速率增量。有了這兩個(gè)新概念，人們就能從斜面實(shí)驗(yàn)中獲得更多的教益。小球從斜面上滾下后繼續(xù)沿著桌面滾動(dòng)，此時(shí)斜度為零，重力的作用為零，不再有加速度，因此，球就會(huì)永遠(yuǎn)保持勻速運(yùn)動(dòng)。這意味著，外力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而只是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，這是對(duì)亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀念的重大變革。后來(lái)牛頓將之概括為運(yùn)動(dòng)第一、第二定律。地心說(shuō)與日心說(shuō)（1）地心說(shuō)。中世紀(jì)時(shí)，基督教會(huì)宣揚(yáng)的宇宙觀是宇宙是一個(gè)封閉的大盒子或大帳篷，天是盒（篷）蓋，地是盒（篷）底，圣地耶路撒冷居盒（篷）底的中央，日月星辰懸掛在蓋上，此即所謂的“宇宙帳篷說(shuō)”。后來(lái)，亞里士多德和托勒密所提出的希臘宇宙體系逐漸深入人心，托馬斯·阿奎那將亞里士多德理論融入基督教神學(xué)之后，地心理論即獲得了正統(tǒng)地位。地球居宇宙中心的思想被賦予了宗教意義，人類及其居住的地球被置于上帝的懷抱之中，沐浴著上帝的光輝，并被圣恩所籠罩。上帝位處宇宙的最外層，推動(dòng)著宇宙的運(yùn)行，注視著人類的一舉一動(dòng)。托勒密的宇宙體系還被賦予一種人間的等級(jí)結(jié)構(gòu)，即天上高貴，地下卑賤，越往高處越進(jìn)入神圣美妙的境地。但丁的《神曲》對(duì)這一等級(jí)宇宙體系作了詩(shī)意的描述，在《天堂篇》中，但丁在少女貝亞德的引領(lǐng)下依次上升到了月球天、水星天、金星天、太陽(yáng)天、火星天、木星天、土星天、恒星天、水晶天（原動(dòng)天），并在原動(dòng)天那里窺見了上帝的景象，沉浸在至高無(wú)上的幸福之中。（2）日心說(shuō)。隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，地心說(shuō)體系已是破綻百出。文藝復(fù)興時(shí)期已有許多進(jìn)步思想家和天文學(xué)家對(duì)它表示懷疑。但真正打破該體系的是16世紀(jì)波蘭偉大的天文學(xué)家哥白尼。哥白尼發(fā)現(xiàn)托勒密的理論雖然可以給出同觀測(cè)資料相符合的數(shù)據(jù)，但他描述的天空?qǐng)D景顯得復(fù)雜凌亂，毫無(wú)統(tǒng)一性和規(guī)律性。經(jīng)過(guò)多年悉心研究，哥白尼得出了地球不是宇宙中心的結(jié)論。他在1510年指出：太陽(yáng)是宇宙的中心，地球和行星都圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，只有月亮才真正圍繞地球旋轉(zhuǎn)。以后哥白尼又根據(jù)親自獲得的20多項(xiàng)新的觀測(cè)事實(shí)和大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果，對(duì)上述結(jié)論作了許多修改和補(bǔ)充。1530年，終于圓滿地完成了日心說(shuō)的建立工作。在1543年出版的《天體運(yùn)動(dòng)論》中，哥白尼向人們描述了他的宇宙圖景：太陽(yáng)位于宇宙的中心，有五顆當(dāng)時(shí)已知的行星和地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)?！短祗w運(yùn)行論》發(fā)表后，遭到了馬丁·路德的反對(duì)和責(zé)難，他把哥白尼叫做“想要把天文學(xué)這門學(xué)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。牛頓牛頓（1642—1727）是著名的英國(guó)科學(xué)家，在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)等許多方面作出了卓越的貢獻(xiàn)。牛頓出生于英國(guó)的林肯郡，1665年畢業(yè)于著名的劍橋大學(xué)三一學(xué)院，獲得學(xué)士學(xué)位。三年后又獲得文學(xué)碩士學(xué)位。1669年，開始擔(dān)任三一學(xué)院的教授。牛頓最突出的貢獻(xiàn)是在力學(xué)方面，他在前人的研究基礎(chǔ)上，總結(jié)出了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本定律，還發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，把地球上物體的力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一到一個(gè)基本的力學(xué)體系之中，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)體系。這一力學(xué)體系正確地反映了宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了自然科學(xué)的一次大綜合，是人類認(rèn)識(shí)自然界的一次大飛躍。在光學(xué)方面，牛頓也作出了巨大貢獻(xiàn)。他在1666年用三棱鏡分析日光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了日光是由不同的顏色即不同波長(zhǎng)的光構(gòu)成的，奠定了光譜分析的基礎(chǔ)，制作了牛頓色盤。他在1704年出版了《光學(xué)》一書，創(chuàng)立了光的“微粒說(shuō)”。同時(shí)，他在熱學(xué)方面也有研究成果，確定了冷卻定律，這一定律表明：當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從單位面積上散失的熱量與這一溫度差成正比。在數(shù)學(xué)方面，他與萊布尼茲幾乎同時(shí)創(chuàng)立了微積分學(xué)，同時(shí)，他還在前人研究基礎(chǔ)上，建立了二項(xiàng)式定理。在天文學(xué)領(lǐng)域，他在1671年創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡，初步考察了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；他還解釋了潮汐現(xiàn)象，并預(yù)言地球不是正球體，并由此說(shuō)明了歲差現(xiàn)象。1687年，他發(fā)表了著名的《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》一書，用數(shù)學(xué)方式解釋了哥白尼的學(xué)說(shuō)和天體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，闡明了機(jī)械運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律等。在哲學(xué)思想上，牛頓認(rèn)為時(shí)間、空間是客觀存在的，但同時(shí)也認(rèn)為時(shí)間和空間同運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)是脫離的，相互之間沒有必然的聯(lián)系，進(jìn)而提出了所謂的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念。牛頓曾經(jīng)長(zhǎng)期擔(dān)任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，他還擔(dān)任過(guò)英國(guó)議會(huì)議員，被授予爵士稱號(hào)。1727年病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，這是一種極高的榮譽(yù)?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓的主要研究成果集中在其不朽的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中。這里所謂的“自然哲學(xué)”實(shí)際上就是指物理學(xué)。在古代，自然科學(xué)是以自然哲學(xué)的形式出現(xiàn)的?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》全書分為兩大部分。第一部分包括：“定義和注釋”和“運(yùn)動(dòng)的基本定理或定律”。這部分雖然篇幅不大，卻極為重要。第二部分是這些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究萬(wàn)有引力的；第二篇討論介質(zhì)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響；第三篇是“論宇宙系統(tǒng)”。在該書的第一部分中，牛頓首先給力學(xué)的基本概念如質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力及向心力下了定義，說(shuō)明了絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的含義。接著陳述了他總結(jié)和創(chuàng)立的運(yùn)動(dòng)三定律和矢量合成原理。牛頓對(duì)運(yùn)動(dòng)三定律的表述如下：運(yùn)動(dòng)第一定律（又稱慣性定律）：任何物體將保持它的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到外力作用迫使它改變這種狀態(tài)為止。運(yùn)動(dòng)第二定律：運(yùn)動(dòng)的變化與所施的力成正比，并沿力的作用方向發(fā)生。運(yùn)動(dòng)第三定律：每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它對(duì)抗；或者說(shuō)，兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等，并且各自指向?qū)Ψ健！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》以牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律為基礎(chǔ)，建立了完美的力學(xué)理論體系，說(shuō)明了當(dāng)時(shí)人們所能理解的一切力學(xué)現(xiàn)象，解決了行星運(yùn)動(dòng)、落體運(yùn)動(dòng)、微粒運(yùn)動(dòng)、聲音和波、潮汐以及地球的扁圓形狀等各種各樣的問題。在此后二百多年中，再也沒有人補(bǔ)充任何本質(zhì)上的東西。直到20世紀(jì)量子力學(xué)和相對(duì)論問世，才使力學(xué)擴(kuò)大了范圍。天王星和海王星的發(fā)現(xiàn)18世紀(jì)以前，人們都以為土星就是太陽(yáng)系的邊界。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)有了突破。1781年，英國(guó)天文學(xué)家赫舍爾在用望遠(yuǎn)鏡觀察天空時(shí)，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(lái)英國(guó)天文學(xué)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(lái)命名新行星，中文譯為天王星。其后人們按照當(dāng)時(shí)的觀測(cè)編制了天王星的運(yùn)行表。但到了1830年，人們發(fā)現(xiàn)它的實(shí)際運(yùn)行情況與運(yùn)行表所推算的數(shù)值存在著明顯的差別，根據(jù)萬(wàn)有引力理論，這種“越軌”現(xiàn)象使天文學(xué)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(yùn)動(dòng)，根據(jù)萬(wàn)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(guó)劍橋大學(xué)學(xué)生亞當(dāng)斯首先得出了計(jì)算結(jié)果，但未被引起重視。1846年8月，法國(guó)天文學(xué)家勒維烈經(jīng)過(guò)自己的計(jì)算，公布了這顆未知行星的軌道參數(shù)。三個(gè)多星期后，德國(guó)天文學(xué)家加勒根據(jù)勒維烈計(jì)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(xué)在天文學(xué)運(yùn)用上的偉大勝利，它標(biāo)志著天體力學(xué)已趨于成熟。經(jīng)典力學(xué)的歷史地位經(jīng)典力學(xué)作為近代力學(xué)革命的最終成果，它的建立在近代科學(xué)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。第一，為力學(xué)學(xué)科確定了基本概念和基本定律，使力學(xué)形成系統(tǒng)化和理論化的知識(shí)體系而達(dá)到成熟和完善，并帶動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展。第二，把天上和地上的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次大綜合。自古以來(lái)，天上和地上被看作各自遵從不同的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的兩個(gè)世界，經(jīng)典力學(xué)打破了二者之間的界限，把萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三定律視為宇宙間一切機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，從力學(xué)上證明了自然界的統(tǒng)一性，從而把人類對(duì)整個(gè)自然界的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到一個(gè)新階段。第三，把人們對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)從運(yùn)動(dòng)學(xué)的水平提高到動(dòng)力學(xué)的水平。經(jīng)典力學(xué)不僅描述了物體運(yùn)動(dòng)的圖景，而且揭示了運(yùn)動(dòng)的原因，使人們既了解物體怎樣運(yùn)動(dòng)，又能夠說(shuō)明為什么這樣運(yùn)動(dòng)，這標(biāo)志著人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更深化了一步。第四，把對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述從變化的結(jié)果提高到對(duì)變化過(guò)程的認(rèn)識(shí)。經(jīng)典力學(xué)的困境在經(jīng)典力學(xué)體系中，時(shí)間和空間的量度是絕對(duì)不變的。正如牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中寫的：“絕對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而且永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的?！彪S著生產(chǎn)實(shí)踐，特別是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，卻出現(xiàn)了一些由“絕對(duì)時(shí)空觀”解釋不了的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。比如，電磁波、光的傳播和快速的電子運(yùn)動(dòng)，等等，都不遵循牛頓的力學(xué)定律。為了檢驗(yàn)以太存在的假說(shuō)，1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜和莫雷，利用光的干涉效應(yīng)，觀察干涉條紋的移動(dòng)，試圖探測(cè)地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的速度，尋找以太絕對(duì)靜止坐標(biāo)系。雖然實(shí)驗(yàn)本身達(dá)到了很高的精確度，但是并未觀察到干涉條紋的移動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被許多人所重復(fù)，結(jié)果都相同。實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果否定了以太風(fēng)的存在，這就是以太的飄移實(shí)驗(yàn)。很顯然，新的發(fā)現(xiàn)與古典理論發(fā)生了矛盾，迫使人們重新考慮、大膽懷疑絕對(duì)時(shí)空觀的正確性。新的實(shí)驗(yàn)表明，牛頓力學(xué)的致命弱點(diǎn)，就是把時(shí)空和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)割裂開來(lái)，忽視了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，因而當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)接近光速時(shí)，牛頓理論的終極真理性被否定了。這種狀況表明，一種新的更為普遍性的理論的產(chǎn)生已不可避免了。愛因斯坦艾伯特·愛因斯坦（1879—1955），美籍德國(guó)物理學(xué)家。1879年3月14日誕生在德國(guó)烏爾姆的一個(gè)猶太人家中。1894年舉家遷居意大利米蘭。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)。1901年入瑞士國(guó)籍。1902年6月至1909年10月，在瑞士專利局任技術(shù)員。1909年10月，任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授；1911年3月，在布拉格任德意志大學(xué)理論物理學(xué)教授；1912年10月，任蘇黎世工業(yè)大學(xué)理論物理學(xué)教授；1914年4月，在柏林任德國(guó)威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。1933年，因受納粹迫害，移居美國(guó)。1940年入美國(guó)國(guó)籍。1955年4月18日逝世。愛因斯坦被認(rèn)為是最富于創(chuàng)造力的科學(xué)家，他不但創(chuàng)立了相對(duì)論，還提出了光量子的概念，得出了光電效應(yīng)的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本質(zhì)，為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。為此榮獲1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí)，他還證明了熱的分子運(yùn)動(dòng)論，提出了測(cè)定分子大小的新方法。狹義相對(duì)論1905年6月，愛因斯坦完成題為《論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)》的論文，提出了狹義相對(duì)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(duì)論的全部框架。愛因斯坦的狹義相對(duì)論是建立在兩個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)之上的。第一個(gè)假設(shè)是相對(duì)性原理，即物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與選擇任何一個(gè)參照系無(wú)關(guān)；第二個(gè)假設(shè)是光速不變?cè)?，即?duì)任何一個(gè)參照系而言，光速都是相同的。從兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，愛因斯坦得出如下新的結(jié)論：（1）運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度縮短。（2）運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘要變慢。（3）任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不可能超過(guò)光速。（4）同時(shí)性是相對(duì)的，在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的事情，在另一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的慣性系中測(cè)量便不是同時(shí)發(fā)生的。（5）如果物質(zhì)速度比光速小得多，相對(duì)論力學(xué)就變?yōu)榕ｎD力學(xué)，比起牛頓力學(xué)來(lái)，相對(duì)論力學(xué)具有更普遍的意義。（6）物體的能量等于物體的慣性質(zhì)量乘以光速的平方。愛因斯坦的狹義相對(duì)論，在我們的日常生活中是很難理解的，因?yàn)槲覀內(nèi)粘＝佑|的都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的運(yùn)動(dòng)，根本無(wú)法察覺到愛因斯坦相對(duì)論所描述的相對(duì)論效應(yīng)：長(zhǎng)度變短、時(shí)鐘變慢。但如果接近光速的運(yùn)動(dòng)能變成現(xiàn)實(shí)的話，一個(gè)以這樣速度運(yùn)動(dòng)的人，在另一個(gè)靜止的觀察者看來(lái)就可能只是一條線。另外還會(huì)出現(xiàn)這樣的景象：一個(gè)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(lái)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(guó)古代傳說(shuō)中的“天上方一日，人間已一年”就可用相對(duì)論得到解釋。廣義相對(duì)論1915年，愛因斯坦完成了創(chuàng)立廣義相對(duì)論的工作，并于1916年寫成總結(jié)性論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》。這篇論文的發(fā)表宣告了廣義相對(duì)論的誕生。廣義相對(duì)論實(shí)際上是關(guān)于空間、時(shí)間與萬(wàn)有引力關(guān)系的理論，它指出空間、時(shí)間不可能離開物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布。狹義相對(duì)論已指出時(shí)間、空間是一個(gè)整體，即四維時(shí)空。廣義相對(duì)論進(jìn)一步指出，物質(zhì)的存在會(huì)使四維時(shí)空發(fā)生彎曲，萬(wàn)有引力并不是真正的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。如果物質(zhì)消失，時(shí)空就回到平直狀態(tài)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)點(diǎn)在萬(wàn)有引力作用下的運(yùn)動(dòng)，如地球上的自由落體、行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)等，是彎曲時(shí)空中的自由運(yùn)動(dòng)——慣性運(yùn)動(dòng)。它們?cè)跁r(shí)空中描出的曲線，雖然不是直線，卻是直線在彎曲時(shí)空中的推廣——短程線，即兩點(diǎn)之間的最短線。當(dāng)時(shí)空恢復(fù)平直時(shí)，短程線就成為通常的直線。可以打這樣一個(gè)比方來(lái)說(shuō)明時(shí)空彎曲。假如四個(gè)人各拉緊床單的一個(gè)角，床單這個(gè)二維空間就是平的。放一個(gè)小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會(huì)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變（假設(shè)床單是足夠光滑的，微小的摩擦力忽略不計(jì)）。如果在床單中央放一個(gè)鉛球，床單就會(huì)凹下去，這個(gè)二維空間就彎曲了。這時(shí)，如果再放置一個(gè)小玻璃球，它就會(huì)滾向中央的大球。按照牛頓的觀點(diǎn)，這是由于大球用“萬(wàn)有引力”吸引小球。按照愛因斯坦的觀點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，上面這個(gè)比喻，說(shuō)的只是“空間”彎曲，而廣義相對(duì)論說(shuō)的則是四維“時(shí)空”的彎曲。太陽(yáng)的存在使四維時(shí)空彎曲了。行星繞日運(yùn)動(dòng)，就是在彎曲時(shí)空中的慣性運(yùn)動(dòng)，行星軌道是四維時(shí)空中的短程線，根本就不存在什么萬(wàn)有引力。廣義相對(duì)論指出，在引力場(chǎng)的區(qū)域，空間的性質(zhì)不再服從歐幾里德幾何，而是遵循非歐幾何，并得出結(jié)論：現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)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(gè)內(nèi)角之和大于180度、曲率為正的空間），它的彎曲度取決于物質(zhì)在空間的分布情況。物質(zhì)密度大的地方，引力場(chǎng)的強(qiáng)度也大，空間彎得也厲害，時(shí)間也要相應(yīng)地變慢。愛因斯坦為了證明廣義相對(duì)論思想的正確性，他作出了三個(gè)預(yù)言：第一，水星近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。自1859年發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以來(lái)，有每百年43秒的變動(dòng)是用牛頓力學(xué)無(wú)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(cè)一直沒有發(fā)現(xiàn)這顆星。愛因斯坦廣義相對(duì)論，通過(guò)理論計(jì)算說(shuō)明，太陽(yáng)引力使空間彎曲，水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)每百年就應(yīng)有43秒的剩余值。第二，光譜線的引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中，光譜應(yīng)向紅端移動(dòng)。這一結(jié)論后來(lái)被天文觀測(cè)所證實(shí)。第三，引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)。愛因斯坦預(yù)言，光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)表面，將會(huì)發(fā)生秒的偏轉(zhuǎn)。1919年5月29日發(fā)生日全食，在英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓的建議下，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)組織了兩路觀測(cè)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(shí)在太陽(yáng)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照片進(jìn)行細(xì)致的對(duì)照，最終結(jié)論是，星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并且數(shù)值與愛因斯坦的預(yù)言極為接近。這結(jié)果一公布，立即轟動(dòng)了世界。人們開始把愛因斯坦與牛頓相提并論。普朗克和量子論的發(fā)展普朗克（1858—1947）是近代偉大的德國(guó)物理學(xué)家、量子論的奠基人。1858年4月23日生于基爾。1879年普朗克在慕尼黑大學(xué)獲得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。1900年，他在黑體輻射研究中引入能量量子。12月14日，在德國(guó)物理學(xué)會(huì)的例會(huì)上，普朗克作了《論正常光譜中的能量分布》的報(bào)告。在這個(gè)報(bào)告中，他激動(dòng)地闡述了自己最驚人的發(fā)現(xiàn)。他說(shuō)，為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。其中h，普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)。由此，量子論創(chuàng)立。由于這一發(fā)現(xiàn)，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他一生發(fā)表了215篇研究論文和7部著作。在普朗克誕辰80周年的慶祝會(huì)上，人們“贈(zèng)給”他一個(gè)小行星，并命名為“普朗克行星”。量子論不僅給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，故通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。第一個(gè)意識(shí)到量子概念的普遍意義并將其運(yùn)用到其他問題上的科學(xué)家是愛因斯坦，他建立了光量子理論解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。此外，玻爾、德布羅意等許多科學(xué)家也對(duì)量子論的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。量子論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：古典量子論（普朗克、愛因斯坦、玻爾、索未菲、康普頓），量子力學(xué)（德布羅意、薛定諤、海森伯、約爾丹、玻恩）以及最新的相對(duì)論量子力學(xué)或量子場(chǎng)論。但是，否定量子論或?qū)λ幸蓡柕目茖W(xué)家也不少，即使是贊同量子論的科學(xué)家之間也有很大的爭(zhēng)論，如愛因斯坦和玻爾。盡管人們對(duì)量子理論的爭(zhēng)論一直沒有消除，但它在實(shí)踐中獲得的成就卻是令人吃驚的。用量子理論來(lái)研究金屬和寶石這些晶體，可以解釋很多現(xiàn)象，例如，為什么銀是電和熱的良導(dǎo)體卻不透光，金剛石不是電和熱的良導(dǎo)體卻透光？實(shí)際上，更為重要的是量子理論很好地解釋了處于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體的原理，為晶體管的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。而且量子論在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分美好?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子力學(xué)理論將對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生重大影響，是物理學(xué)一個(gè)尚未開發(fā)而又具有廣闊前景的新領(lǐng)域。相對(duì)論—量子力學(xué)革命相對(duì)論—量子力學(xué)革命發(fā)生于19世紀(jì)末20世紀(jì)上半期，是在物理學(xué)許多新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上爆發(fā)的一場(chǎng)現(xiàn)代物理學(xué)革命。1905～1916年，愛因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論。1905年他發(fā)表了具有劃時(shí)代意義的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，提出了不同于傳統(tǒng)觀念的時(shí)間、空間理論。他稱該理論為“相對(duì)性理論”，簡(jiǎn)稱“相對(duì)論”，后來(lái)他又稱它為“狹義相對(duì)論”，并把它的發(fā)展形式叫做“廣義相對(duì)論”。狹義相對(duì)論的核心是空間和時(shí)間的統(tǒng)一性。相對(duì)論不僅引起了時(shí)空觀的革命，也帶來(lái)了整個(gè)