物理學(xué)的重大進展教案

A教學(xué)目標

一、知識與能力：

識記伽利略、牛頓、愛因斯坦、普朗克等物理學(xué)家對物理學(xué)發(fā)展所作出的重大成就；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；相對論和量子論誕生的原因、意義；探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點，比較相對論、量子論與牛頓力學(xué)的關(guān)系。思考“日心說”與“地心說”相比的進步性，探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點、影響。

二、過程與方法：

1、引導(dǎo)學(xué)生回憶初中物理知識來促進本課的學(xué)習(xí)。

2、通過學(xué)生預(yù)習(xí)（圍繞4個物理學(xué)家，自制小課件）、課堂展示本課主要內(nèi)容，促進同學(xué)的互相學(xué)習(xí)。教師給予必要的補充。

三、情感態(tài)度與價值觀：

1、科學(xué)真理需要勇于探索、執(zhí)著追求的精神；

2、科學(xué)理論在不斷完善、創(chuàng)新，人類對客觀規(guī)律的認識不斷深入。

B重點與難點

重點：伽利略對物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻；經(jīng)典力學(xué)的建立；相對論的提出；量子論的誕生。

難點：物理學(xué)各階段發(fā)展的原因；對科學(xué)發(fā)展創(chuàng)新性的理解。

D教學(xué)過程

【導(dǎo)入新課】

1632年，伽利略撰寫的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》科學(xué)巨著出版后，立刻引起教會的恐慌，把伽利略投入監(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，為了有益于補贖，命令你在今后3年內(nèi)，每周背誦7篇贖罪詩篇……”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準葬入圣太克羅斯墓地。

那么，是什么原因?qū)е伦诮滩门兴鶎だ宰髁巳绱伺袥Q？我們應(yīng)如何看待伽利略在科學(xué)領(lǐng)域的貢獻？

【講述新課】

近代科學(xué)誕生的歷史背景是什么？

(1)資本主義工業(yè)和商品經(jīng)濟的發(fā)展為近代自然科學(xué)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)并成為主要動力。

(2)新興的資產(chǎn)階級在經(jīng)濟上和政治上對自然科學(xué)的迫切需要。

(3)自然科學(xué)自身發(fā)展的需要。

(4)文藝復(fù)興、地理大發(fā)現(xiàn)和宗教改革的推動。

(5)優(yōu)秀科學(xué)家實踐和刻苦鉆研，也促進了科學(xué)的發(fā)展。

一、經(jīng)典力學(xué)：

1、經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者──伽利略

（1）背景：文藝復(fù)興運動的影響，即解放了人們的思想，推動了科學(xué)研究。

16世紀末17世紀初，隨著文藝復(fù)興運動的擴展和人的思想的解放，意大利科學(xué)家伽利略認為研究自然界必須進行系統(tǒng)地觀察和實驗。他將科學(xué)實驗與數(shù)學(xué)相結(jié)合，進行科學(xué)研究，并強調(diào)追究事物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

（2）成就：

A成就：

①創(chuàng)立科學(xué)的研究方法：實驗和觀察。

②物理學(xué)：實驗證明力與運動狀態(tài)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)自由落體定律等。

伽利略的研究表明，外力并不是維持運動狀態(tài)的原因，而只是改變運動狀態(tài)的原因。這是對古希臘哲學(xué)家亞里士多德以來有關(guān)運動觀念的重大變革，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，標志著物理學(xué)的真正開端。

③天文學(xué)：自制望遠鏡觀察天體并取得大量成果的第一人，證明了哥白尼“日心說”的正確性。

哥白尼在1543年出版的《天體運動論》中，提出：太陽位于宇宙的中心，有五顆當時已知的行星和地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)?！短祗w運行論》雖然也存在缺點，但它在人類歷史上第一次描繪出了太陽系結(jié)構(gòu)的真實圖景，揭示了地球圍繞太陽轉(zhuǎn)的本質(zhì)，把顛倒了1000多年的日地關(guān)系重新顛倒過來，引起了中世紀宇宙觀的徹底革命，沉重打擊了封建教會的神權(quán)統(tǒng)治。

意大利科學(xué)家伽利略對哥白尼學(xué)說的傳播和天文學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻。1569年他自創(chuàng)了用以觀察天體的第一架望遠鏡，從望遠鏡里他發(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轉(zhuǎn)，他看到銀河是由無數(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話》。

【合作探究】1：你認為伽利略能夠確定自由落體定律的關(guān)鍵途徑是什么？你有何啟示？

途徑：實驗、計算。

啟示：實踐是檢驗真理的唯一標準。

B意義：①大大改變了古希臘哲學(xué)家亞里士多德以來有關(guān)運動的觀念，開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴密邏輯體系的近代科學(xué)，為后來經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

自由落體定律的發(fā)現(xiàn)是伽利略把科學(xué)實驗和理性思維相結(jié)合解決物理學(xué)問題的典范。它不僅發(fā)現(xiàn)了物體下落運動的客觀規(guī)律，而且為人類認識自然找到了一條正確的途徑和方法，因此，現(xiàn)在人們稱伽利略為物理學(xué)之父。正是由于伽利略創(chuàng)立的科學(xué)方法，物理學(xué)研究才走上正確道路。

②伽利略在天文學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和觀點，摧毀了教會的信條而證明了哥白尼學(xué)說的正確。

過渡：伽利略是力學(xué)的奠基者，他在世時曾預(yù)言“一門廣博精深的科學(xué)已經(jīng)啟蒙。我在這方面的工作只是它的開始，那些比我更敏銳的人所用的方法與手段將會探索到各個遙遠的角落。”那個比他更敏銳的人就是牛頓。在伽利略研究的基礎(chǔ)上，英國科學(xué)家牛頓進一步研究，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)體系。

2、牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)

（1）標志：1687年牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出物體運動三大定律和萬有引力定律。

慣性定律、比例定律、作用與反作用相等定律。

（2）特點：以實驗為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)為表達形式。

經(jīng)典力學(xué)最顯著的特征之一就是注重實驗，實驗可以進一步揭示客觀現(xiàn)象和過程之間內(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。

（2）意義：

①經(jīng)典力學(xué)體系的建立標志著近代科學(xué)的形成。

②經(jīng)典力學(xué)體系具有科學(xué)性和預(yù)見性：牛頓力學(xué)體系對解釋和預(yù)見物理現(xiàn)象具有決定性意義，根據(jù)牛頓力學(xué)體系，人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星。

【備課資料】天王星和海王星的發(fā)現(xiàn)

18世紀以前，人們都以為土星就是太陽系的邊界。隨著觀測技術(shù)的進步，人類對太陽系的認識有了突破。1781年，英國天文學(xué)家赫舍爾在用望遠鏡觀察天空時，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，后來英國天文學(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、天神烏蘭納斯來命名新行星，中文譯為天王星。其后人們按照當時的觀測編制了天王星的運行表。但到了1830年，人們發(fā)現(xiàn)它的實際運行情況與運行表所推算的數(shù)值存在著明顯的差別，根據(jù)萬有引力理論，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動，根據(jù)萬有引力定律，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，英國劍橋大學(xué)學(xué)生亞當斯首先得出了計算結(jié)果，但未被引起重視。1846年8月，法國天文學(xué)家勒維烈經(jīng)過自己的計算，公布了這顆未知行星的軌道參數(shù)。三個多星期后，德國天文學(xué)家加勒根據(jù)勒維烈計算的數(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)運用上的偉大勝利，它標志著天體力學(xué)已趨于成熟。

經(jīng)典力學(xué)體系的形成對近代科學(xué)的發(fā)展有和影響？（導(dǎo)與練思維啟迪1）

【質(zhì)疑與思考】：以牛頓的理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)理論是不是就絕對正確、無所不能的呢？

牛頓力學(xué)體系的建立既有巨大的意義，也有其局限之處。經(jīng)典力學(xué)體系建立在日常生活中常見的低速運動的物質(zhì)之上，認為存在絕對靜止和絕對時間，然而，隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，物理學(xué)出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象，無法用經(jīng)典力學(xué)來解釋高速運動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，這使其陷入危機，面臨著挑戰(zhàn)。愛因斯坦的相對論正是在次背景下產(chǎn)生的。

狹義相對論發(fā)表100周年，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。

二、愛恩斯坦創(chuàng)立相對論：

1、歷史背景：

（1）19世紀科學(xué)得到了飛速發(fā)展；

（2）經(jīng)典力學(xué)無法解釋研究中遇到的一些問題，如高速運動的微觀粒子等。

經(jīng)典力學(xué)認為，時間和空間與物質(zhì)運動無關(guān)，存在著絕對的靜止和絕對的時間。這與人們的一般看法一致。但到了19世紀，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)。

2、相對論的提出及主要內(nèi)容：

（1）提出：20世紀初，剛剛得到博士學(xué)位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動體的電動力學(xué)》的文章，提出了著名的相對論，引發(fā)了二十世紀物理學(xué)的另一場革命。

（2）內(nèi)容：相對論包含狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論認為，物體運動時，質(zhì)量會隨著物體運動速度增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。

狹義相對論認為，物體運動時，質(zhì)量會隨著物體運動速度增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。

廣義相對論認為，空間和時間的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運動情況，也取決于物質(zhì)本身的分布狀態(tài)。

【合作探究】2：狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別

狹義相對論討論的是勻速直線運動的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，廣義相對論則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場中。

相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運動的物體和微觀領(lǐng)域。相對論解決了高速運動問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題。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。

狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，它可以用來計算核反應(yīng)過程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。而廣義相對論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測所證實。

3、意義：

（1）相對論的提出是物理學(xué)思想的一次重大革命，它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對時空論，從本質(zhì)上修正了由狹隘經(jīng)驗建立起來的時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質(zhì)屬性。即：揭示了時空的可變性、時空變化的聯(lián)系性，樹立了新的時空觀、運動觀、物質(zhì)觀。這一理論被后人譽為20世紀人類思想史上最偉大的成就之一。

（2）愛因斯坦的相對論也發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)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。

相對論與牛頓力學(xué)的關(guān)系

相對論打破了牛頓以來傳統(tǒng)的絕對時空觀，但并非全盤否定牛頓力學(xué)。牛頓力學(xué)反映的是宏觀物體低速運動的客觀規(guī)律，而狹義相對論反映的是物體高速運動的客觀規(guī)律，是對牛頓力學(xué)的繼承和發(fā)展。牛頓力學(xué)是相對論的一種特例（物體低速運動狀態(tài)），包括在相對論體系中。

【合作探究】3：閱讀P56【學(xué)思之窗】，你認為應(yīng)該怎樣評價牛頓和愛因斯坦的貢獻？

牛頓確立了萬有引力定律和運動三定律，之后光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)進一步統(tǒng)一，大大推動了物理學(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傳統(tǒng)的絕對時空觀，于1905年提出了狹義相對論和光速不變原理，1916年愛因斯坦完成了廣義相對論的最終形式。愛因斯坦的相對論發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)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。