第25課現(xiàn)代科學(xué)革命岳麓

第25課現(xiàn)代科學(xué)革命岳麓第25課現(xiàn)代科學(xué)革命《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》三大定律和萬有引力定律標(biāo)志著形成了一經(jīng)典力學(xué)體系。

牛頓（1643—1727）

“牛頓的發(fā)現(xiàn)，給人類帶來從未有過的自信。曾經(jīng)匍匐在上帝腳下的人類，終于大膽地抬起頭來，開始用自己理性的眼光打量世界。”——《大國崛起》

牛頓力學(xué)體系是人類認(rèn)識史上對自然規(guī)律的第一次理論概括和綜合，把神從無生命領(lǐng)域驅(qū)逐出去，使科學(xué)擺脫神學(xué)的束縛，引起人類認(rèn)識史上的飛躍。1900年著名物理學(xué)家開爾文說:“19世紀(jì)已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學(xué)家只是修飾和完美這所大廈?！?9世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”19世紀(jì)末三大物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)：X射線的發(fā)現(xiàn)，放射性的發(fā)現(xiàn)，電子的發(fā)現(xiàn)。經(jīng)典力學(xué)無法解釋研究中遇到的一些新問題，面臨著挑戰(zhàn)。19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”開爾文在1900年的演講中說道：“動力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……(Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds)”

第一朵烏云：“以太”說的破滅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)—“以太”（Ether）。他們假定整個宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。“以太”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“以太學(xué)”。19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。這個問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。1887年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對運(yùn)動。因而，根本找不到“以太”或“絕對靜止的空間”。M是光源，A與B是反射鏡，讓光線在MA，MB方向往返運(yùn)動。邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)第二朵烏云：紫外災(zāi)難19世紀(jì)末關(guān)于黑體輻射研究中所遇到的嚴(yán)重困難。為了解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，物理學(xué)家瑞利和金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。

19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)：光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此確定了光速不變原理

紫外災(zāi)難”黑體輻射實(shí)驗(yàn)和理論的不一致經(jīng)典力學(xué)的適用范圍

1.只適用于宏觀物體（macroworld宏觀世界）的運(yùn)動;2.只適用于低速運(yùn)動的物質(zhì)，是絕對的時空論。一、愛因斯坦與相對論相對論的創(chuàng)立——愛因斯坦艾伯特·愛因斯坦（1879—1955），1879年3月14日誕生在德國烏爾姆的一個猶太人家中。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)。

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。同時，他還證明了熱的分子運(yùn)動論，提出了測定分子大小的新方法。1905神奇的一年1905神奇的一年1905年，愛因斯坦26歲，接連寫下4篇改變整個20世紀(jì)物理學(xué)面貌的論文：1、光的量子說（解釋光電效應(yīng)）2、布朗運(yùn)動（證明分子的存在）3、狹義相對論（修正了牛頓力學(xué)）4、質(zhì)能互換律（E=mc2）1916年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論基礎(chǔ)，最具創(chuàng)見也是最偉大的貢獻(xiàn)：5、廣義相對論（取代了牛頓的萬有引力理論）狹義相對論廣義相對論相對論打破經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀進(jìn)一步深化對時間空間和引力現(xiàn)象的認(rèn)識相對論的內(nèi)容相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“四維時空”、“彎曲空間”等全新的概念。（1）相對論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一次重大革命。它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對空間觀，深刻地揭示了時間和空間的本質(zhì)屬性。（2）相對論發(fā)展了牛頓力學(xué)，將其概括在相對論力學(xué)之中，推動物理學(xué)發(fā)展到一個新的高度。

相對論創(chuàng)立的意義有一次卓別林和愛因斯坦共同出席一次宴會都受到了熱鬧歡迎，卓別林說：大家歡迎我是因?yàn)樗麄兌寄芾斫馕?，大家歡迎你是因?yàn)樗麄兌疾焕斫饽?。說明了相對論深奧難懂，而且有悖于人們的日常生活。狹義相對論發(fā)表100多年了，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。牛頓的光輝不可抹殺愛因斯坦說，在牛頓時代，牛頓的道路是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路；牛頓所創(chuàng)造的概念，至今仍然指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想。誰企圖在真理的認(rèn)識的領(lǐng)域內(nèi)要人們認(rèn)為他是不可動搖的權(quán)威，那他就要在上帝的哈哈大笑中垮臺。愛因斯坦的相對論是對牛頓力學(xué)的概括而不是否定，只否定了牛頓的絕對時空觀。牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)在低速狀態(tài)下的一個特例，相對論發(fā)展了牛頓力學(xué)。

二、量子理論中的微觀世界二、量子論的誕生與發(fā)展（1）19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電子和放射線的發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，人們對物質(zhì)的認(rèn)識深入到了原子內(nèi)部。（2）大量的實(shí)驗(yàn)表明，微觀的粒子運(yùn)動不能用經(jīng)典力學(xué)的理論來說明。1.量子論誕生的背景：量子論的誕生與發(fā)展1.量子論誕生的背景：2.量子論的誕生

——普朗克普朗克（1858—1947）生于德國基爾。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。由于量子論創(chuàng)立，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎。他的父親是一位杰出的法律教授。普朗克家是德國人所具有的最好品質(zhì)的范例：誠懇，忠于職守。任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。對話19世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到巔峰狀態(tài)，在人們心目中，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到近乎完美的程度。這時，年輕的普朗克和他的老師發(fā)生了一段對話：普朗克：“老師，我準(zhǔn)備把我的一生都獻(xiàn)給物理理論學(xué)！”老師：“年輕人，物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的學(xué)科，不會再有多大的發(fā)展，把一生都獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了?！?/p>

1900年普朗克提出量子假說，他認(rèn)為，輻射像物質(zhì)一樣，是由具有能量的基本單位量子來實(shí)現(xiàn)的。這一假說宣告了量子論的誕生。

量子論的誕生3.量子論的發(fā)展（1）愛因斯坦利用量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)，進(jìn)一步推動了量子論的發(fā)展。（2）丹麥物理學(xué)家玻爾在此基礎(chǔ)上提出了有關(guān)原子的量子理論。（3）20世紀(jì)30年代量子力學(xué)建立起來。量子論的誕生與發(fā)展1.量子論誕生的背景2.量子論的誕生——普朗克4.量子論和相對論出現(xiàn)的意義：（3）量子論和相對論的提出，不僅推動了物理學(xué)的進(jìn)步，而且開闊了人們的視野，改變了人們認(rèn)識世界的角度和方式。（1）量子論使人類對客觀世界的認(rèn)識開始從宏觀世界深入到微觀世界，成為20世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。（2）量子論和相對論構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的不足。量子力學(xué)和狹義相對論結(jié)合形成原子核物理學(xué)，愛因斯坦于20世紀(jì)初提出質(zhì)量能量公式E=MC2。解釋了核能威力數(shù)學(xué)工具。有高度社會責(zé)任感的人

1939年8月2日，愛因斯坦寫信給羅斯?？偨y(tǒng)，建議美國務(wù)必?fù)屧诘聡爸圃斐鲈訌?；后來，?dāng)原子彈真的從潘多拉魔盒里跳出來后，愛因斯坦陷入了巨大的后悔與痛苦之中，自認(rèn)一生最大錯誤就是建議研制原子彈。他痛心地說，“早知如此，我寧可當(dāng)個修表匠！”廣島核爆大亞灣核電站嫦娥二號太陽能薄膜電池

“要使科學(xué)造福人類，而不成為禍害”

—愛因斯坦小結(jié)：物理學(xué)發(fā)展的過程經(jīng)典力學(xué)奠基者（17世紀(jì)初）經(jīng)典力學(xué)建立者（17世紀(jì)晚期）從經(jīng)典力學(xué)發(fā)展到相對論、量子論（19世紀(jì)末～20世紀(jì)初）伽利略（意）牛頓（英）愛因斯坦（德）普朗克（德）懷疑（背景）16-19世紀(jì)近代物理學(xué)探索（成就）進(jìn)步（影響）19-20世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)典力學(xué)體系自然科學(xué)思想認(rèn)識社會發(fā)展相對論和量子論對經(jīng)典力學(xué)體系的懷疑自然科學(xué)思想認(rèn)識經(jīng)濟(jì)發(fā)展對中世紀(jì)世界觀的懷疑敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，實(shí)踐出真知超光速中微子“現(xiàn)身”愛因斯坦錯了？歐洲核子研究中心2011年9月23日宣布，他們發(fā)現(xiàn)一些粒子可能以快于光速的速度飛行，一旦這一發(fā)現(xiàn)被驗(yàn)證為真，將顛覆支撐現(xiàn)代物理學(xué)的愛因斯坦相對論。

“沒有能獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的有創(chuàng)造性的個人，社會的向上發(fā)展是不可想象的?！?/p>

——愛因斯坦課堂練習(xí)：1、愛因斯坦相對論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一場重大革命，主要是因?yàn)棰俜穸私?jīng)典力學(xué)的絕對時空觀②揭示了時間、空間并非絕對不變的本質(zhì)屬性③打破了經(jīng)典力學(xué)體系的局限性④使人類對客觀世界的認(rèn)識開始從宏觀世界深入到微觀世界

A、①②③B、②③④C、①③④D、①②④

2、現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)是

A、牛頓力學(xué)B、相對論

C、量子假說D、量子論、相對論

3、海王星的發(fā)現(xiàn)是根據(jù)

A、哥白尼日心說的推算

B、牛頓理論的推測

C、法拉第演說計算

D、愛因斯坦對時間、空間屬性的揭示

4、經(jīng)典力學(xué)與中世紀(jì)的自然觀和方法論相比，最顯著的特征是①注重實(shí)驗(yàn)②數(shù)學(xué)化③體現(xiàn)微觀世界④經(jīng)驗(yàn)法

A.①②B.①③C.②③D.①②④A

5.下列物理學(xué)成就取得的先后順序排列正確的是①落體定律②萬有引力定律③狹義相對論④量子論

A.①②③④B.①③②④C.②①④③D.①②④③

D

6.牛頓在科學(xué)上貢獻(xiàn)是多方面的，最重要的是在力學(xué)方面，下面關(guān)于牛頓的表述不正確的是(）

A.除了在力學(xué)方面的重大貢獻(xiàn)外，還是微積分的發(fā)明人之一