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第25课 现代科学革命


第 25 课 现代科学革命 课标要求:知道相对论、量子论的主要内容,认识其意义。 教学目标: 知识与能力: 通过本课的学习, 使学生了解在经典物理学危机的基础上现代科学革命产生的 必然性, 明白现代科学的两大支柱——相对论和量子理论的基本观点, 并认识到爱因斯坦在 相对论、普朗克在量子理论的形成和创立过程中的重大作用。 过程与方法: 结合相对论和量子论各自的理论基础和研究方向, 阐明两者对人类历史和现代 生活的重大意义。 情感态度与价值观:结合辩证法原理,正确对待科学的发展。 教学重点:相对论、量子论的主要内容及意义。 教学难点:相对论、量子论的主要内容。 课时:本节教材用一课时。 板书设计: 第六单元 现代世界的科技与文化 第 25 课 现代科学革命 一、经典物理的危机 绝对权威→危机 二、爱因斯坦与相对论 1.最伟大 2.相对论 三、量子理论中的微观世界 1.普朗克,爱因斯坦,玻尔 2.相对论和量子理论的评价: 教学过程: 导入新课:同学们还记得 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》是哪位科学家的巨著吗? 牛顿。 这部巨著的意义是什么?建立起一个完整的力学理论体系, 实现了物理学史上的第一 次大飞跃。 下面请同学们来阅读本课的引言:19 世纪,以牛顿力学为代表的经典物理学已经日趋完善, 达到了高峰。但是一些新的研究发现对它提出了挑战,导致了经典物理学的危机。正是在这 种情况下, 相对论和量子理论出现, 它们掀起了物理学革命, 构成了现代物理学的两大支柱, 并对其他学科产生了历史性的影响。人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度。 今天,我们学习第 25 课现代科学革命。 一、经典物理学的危机 先请同学们听一段小故事, 当德国物理著名的物理学家普朗克年轻时向他的老师求教, 是选 择音乐还是物理学作为自己的终身的职业时,得到的答复是: “物理学基本上是一门已经完 成了的科学,因此,对于物理学的研究实际上是不会有多大成果的。 ” 这个小故事说明了什么道理?请同学们阅读本目内容,从教材中找到这个问题的答案。 教材 P106 本目内容第三自然段:当时,人们把以牛顿力学为代表的经典物理学看做绝对权 威的理论, 认为一切自然现象都可以用经典物理学加以说明, 而且物理学已经发展到了完整、 系统和成熟的阶段,以后的工作只不过是在细节上做些修正和补充,在计算上更细致一点, 使理论更加完善。 板书:绝对权威 那么,经典物理学的危机又来自哪里呢?仍然请同学们在教材的本目中找到答案。 教材 P106 本目内容倒数第三自然段:然而,正是在这个时候,物理学上出现了一系列新的

发现,无法用经典物理学来解释,这使得经典物理学陷入了危机,面临着挑战。 板书:绝对权威→危机 而经典物理学陷入危机的具体难题是 “晴空是漂浮着的两朵乌云” 而为了驱散这两朵乌云, , 物理学掀起了一场革命, 诞生了现代物理学的两大支柱——相对论和量子论。 我们先来看第 一大支柱。 二、爱因斯坦与相对论 直至今天,爱因斯坦都被视为科学界最伟大的科学家之一。 板书:1.最伟大 请同学们看教材 P107 第一自然段,了解爱因斯坦的生平。 相对论是爱因斯坦最重要的成就,也是 20 世纪最重要的科学成就之一。 板书:2.相对论 相对论由狭义相对论和广义相对论组成。 狭义相对论首先就瓦解了牛顿经典力学中的绝对时 空观,指出经典力学仅仅在低速运动状态下合理,从而化解了以太之谜,直接驱散了漂浮在 物理学晴空上的第一朵乌云。 在广义相对论中, 爱因斯坦将相对性原理由惯参考系进一步扩 大到任意参考系,并把牛顿的引力理论作为其中的一部分内容。 教材 P107 第二、三自然段对相对论作了简单地介绍,文字阅读框《穿越时空的梦想》也对 相对论的相对性原理作了直观的说明,请同学们阅读。 关于相对性原理,有一个时间与空间相对性的例证。一个观察者看来是同时发生的事件,另 一个向他作相对运动的观察者看来便不是同时发生的。 两个这样的观察者对两个事件之间的 时间间隔的估计将会不一致, 同时他们对距离的衡量也会不一致。 假定两个作相对匀速运动 的观察者所得到的光速相同,那么,只要他们对时间与空间运用不同的量度,就能对于现象 得到相同的自然规律,并能精确地说明这种差距有多少,换句话说,每个观察者都有自己的 一套时间——空间的框架,对于一切观察者全都相同的绝对空间时间是不存在的。 关于光速不变原理,也有例证,就是尺缩效应和钟慢效应。假定一个观察者 B 带着一只座 钟和一把码尺,并把码尺指向他运动的方向。当他向观察者 A 旁边走过时,在 A 起来他的 尺子不足一码长,他的钟也变慢了。B 相对于 A 的速度愈大,这差额也就愈大。假如 B 用 光速在 A 的旁边通过,我们得到的结果是惊人的,这时 B 的码尺长度将等于 0,他的钟也 完全不足了。这就是说光速的速度的极限,宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。 运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应,都是相对时空的基本属性,与物体内容结构无关。 如果物体的速度比光速小得多,相对论力学就可以解释牛顿力学。 相对论与我们的生活常识有着巨大的差距, 但却被科学实验所证实, 这就给我们提出了一个 问题:常识总是正确的吗?常识和正确的理论起冲突的时候,应当怎样分辨呢? 常识是我们在生活的经验和过程中所具备的,甚至可以说,是构成我们正常生活的基础,所 以常识是根深蒂固的。这种根深蒂固、雷打不动的认识,往往构成了我们寻找真理和本质, 在探询日常生活之外的事物的规律时,我们认识的障碍。日常生活中,常识是必要的,但是 科学发展和人类进步不是只靠常识和直觉就可以的。因此,从这个角度来理解,科学家们通 过精确、巧妙的物理学实验得出的理论,也是经过了同常识的反复斗争而做出的,这更加体 现出科学探索之路的艰难。 相对论是人类精神宝库中璀璨的明珠, 而相对论的发明者爱因斯坦也因此名垂青史。 关于相 对论的评价,是教材 P107 本目内容的最后一个自然段。 找学生阅读教材 P107 本目内容的最后一个自然段:相对论的提出是物理学领域最伟大的革 命。它在很大程度上解决了 19 世纪末出现的经典物理学的危机,可以广泛地解释不同运动 状态的物质,创立了一个全新的物理学世界,极大地扩展了物理学应用的领域。同时,相对 论也打破了经典物理学绝对化的思维模式,为人们提供了辩证地看待世界的途径。

自相对论横空出世以后,人类的认识有了极大的扩展:由低速领域跨入高速领域,由宏观领 域延伸到宇宙观领域,由我们生存的三维空间到时间、空间共同构成的四维空间。对地整个 人类来说,由相对论引发了史无前例的改变,不仅仅局限于一个时代:人们认识到时间和空 间的相互依赖关系、时间和空间的相对意义,认识到时间、空间与物质运动相互依赖关系。 对于人类意识来说,这的确是一场深刻的革命。 相对论驱散了漂浮在物理学晴空上的第一朵乌云,那么,另一朵乌云是怎样被驱散的呢? 三、量子理论中的微观世界 量子理论的提出,同样是源于实验和公式之间的不合。 教材 P107 本目内容的第一、二自然段,教材 P108 第一、二、三、四、五自然段介绍了量 子理论的创立过程,请同学们阅读。 量子理论的创始人是谁?德国科学家普朗克。 板书:1.普朗克 量子理论的创立过程是一个不断怀疑和不断假设的过程,普朗克于 1900 年提出量子假说是 “不得不”的结果。因为作为一位严谨的科学家,其最基本的态度就必须是尊重事实,历史 上因为墨守成规和不尊重事实而失去重大发现的实例举不胜举。 但是量子理论本身和物理学 中早已流行了很久的思维方式相差甚远, 与一般人的常识更是有天壤之别, 所以即便是在物 理学界反应也十分冷淡。 普朗克本人也曾经出现过反复和动摇, 并最终导致他没有做出更加 伟大的理论创新。这也反映了人类认识事物本质的反复性和曲折性。 量子理论的发展过程和相对论不同, 相对论基本是爱因斯坦凭着一己之力创立的, 而量子理 论的发展则凝聚了很多科学家的聪明才智。教材还提到了哪些科学家的哪些贡献呢? 爱因斯坦的光量子理论,玻尔的原子的量子理论。 板书:1.普朗克,爱因斯坦,玻尔 在人类对微观世界的认识上,量子理论是一座里程碑,从当前的实践来看,量子理论对人类 物质生活的改变作用更大一些,请同学们看教材 P108 倒数第二、四自然段,这是量子理论 的现实意义。 找学生阅读教材 P108 倒数第四自然段:量子理论是 20 世纪最深刻、最有成就的科学理论 之一,使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步。 找学生阅读教材 P108 倒数第二自然段:量子力学对化学、生物学、医学、考古学、古生物 学和地质学等科学领域都产生了重大影响, 带来了许多划时代的技术创新, 如半导体和激光 器的发明等。这直接推动了社会生产力的发展,从根本上改变了人类的物质生活。 相对论和量子理论的出现,掀起了物理学革命,构成了现代物理学的两大支柱,并对其他学 科产生了历史性的影响。请看教材 P108 最后一个自然段,这是对相对论和量子理论的总体 评价。 板书:2.相对论和量子理论的评价: 找学生阅读教材 P108 最后一个自然段: 量子理论和相对论一起, 构成了现代物理学的基础, 弥补了经典物理学的不足, 描绘了一个崭新的宏观宇宙世界和微观粒子世界, 大大开阔了人 们的视野,改变了人们看世界的角度和方式。它们不仅对物理科学本身,对自然科学,而且 对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。 量子理论和相对论突破了经典物理学理论,对传统科学的错误观念和狭隘观念也进行了否 定,丰富了人类的知识宝库;其探索和创新精神,也是人类认识世界、了解世界的历程在曲 折中前进的规律的生动说明。 小结: 量子理论和相对论发展了经典物理学, 弥补了经典物理学在宏观宇宙世界和微观的粒 子世界面前的空缺, 为人类描绘了一个崭新的世界, 对整个人类的思维都产生了不可磨灭的 影响。但是理论的发展是无限的,人类的认识过程也是没有止境的。

作业: 阅读下列材料: 19 世纪末,物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界,放射线和原子被发现,另一 方面扩展到整个宇宙。 随着光学等学科的深入发展, 人们对在光速或接近光速运动状态下的 物质的研究,也超出了经典物理学的范围。物理学被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个 无法解释的难题, 其一就是以太的不存在。 这使得经典物理学赖以建立的绝对时空观受到了 严峻的挑战。 (1)经典物理学形成的基础是什么?这一基础建立的理论是什么? 提示:17 世纪牛顿创立的经典力学。它是建立在绝对时空观的理论之上的。 (2)到 19 世纪时,经典物理学发展到何种程度?他所适用的范围主要是什么? 提示:到 19 世纪,在经典力学的 基础上,光学、热力学、电磁学、天体物理学等新兴学科 取得了长足的进步, 把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。 它所适用的范围 主要是我们日常生活中的物理现象。 (3)19 世纪末,物理学的发展对经典物理学提出了怎样的挑战? 提示:19 世纪末,物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界,另一方面扩展到整个 宇宙,超出了经典物理学的范围,经典物理学赖以建立的绝对时空观受到严峻挑战。 (4)20 世纪物理学的发展取得的两项最重大的成就是什么?它们与经典物理学的关系是什 么? 提示:量子理论和相对论。它们发展了经典物理学,弥补了经典物理学在宏观宇宙世界和微 观的粒子世界面前的空缺, 为人类描绘了一个崭新的世界, 对整个人类的思维都产生了不可 磨灭的影响。 课堂反馈:


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