學(xué)案14　物理學(xué)的重大進展 [課標要求]　1.了解經(jīng)典力學(xué)的主要內(nèi)容，認識其在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位。2.知道相對論、量子論的主要內(nèi)容，認識其意義。 一、經(jīng)典力學(xué) 1．背景 (1)文藝復(fù)興運動不僅解放了人們的思想，也對科學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。 (2)16世紀末17世紀初，伽利略發(fā)現(xiàn)了自由落體定律等物理學(xué)定律，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)。 2．建立 (1)標志：1687年，牛頓出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書。 (2)內(nèi)容：物體運動三大定律和萬有引力定律等。 (3)特征：①以實驗為基礎(chǔ)。②以數(shù)學(xué)為表達形式。 [深度點撥] 經(jīng)典力學(xué)體現(xiàn)了近代科學(xué)的顯著特征：一是注重實驗；另一個是數(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。 3．意義 經(jīng)典力學(xué)體系對解釋和預(yù)見物理現(xiàn)象具有決定性意義。后來，根據(jù)萬有引力定律，人們發(fā)現(xiàn)了海王星等。 [關(guān)鍵點撥] 1．牛頓力學(xué)體系是人類對自然規(guī)律進行的第一次理論性概括和總結(jié)，它以實驗為基礎(chǔ)、以數(shù)學(xué)為表達形式，是近代自然科學(xué)理論體系中最先成熟和完善的核心理論體系。 2．伽利略的杰出成就為牛頓經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)，標志著物理學(xué)的真正開端；牛頓力學(xué)體系的建立標志著近代科學(xué)的形成，是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。 深化探究 材料　我好像是一個在海邊玩耍的孩子，不時為拾到比通常更好更光滑的石子或美麗的貝殼而歡欣鼓舞，而展現(xiàn)在我面前的是完全未探明的真理之海。——牛頓臨終遺言 思考 根據(jù)材料列舉出牛頓撿到的“光滑的石子”和“美麗的貝殼”。說說牛頓的發(fā)現(xiàn)有什么科學(xué)意義？ 答案　(1)創(chuàng)立微積分、提出物體運動三大定律和萬有引力定律(牛頓力學(xué)體系)。 (2)科學(xué)意義：①牛頓力學(xué)定律以嚴格的數(shù)學(xué)方法和邏輯體系把宇宙間的運動統(tǒng)一起來，對人類解釋和預(yù)見物理現(xiàn)象具有決定性意義。 ②牛頓力學(xué)體系把天上、地上的物體運動概括到一個理論之中，使人類認識到支配日月星辰運轉(zhuǎn)的不是上帝，而是自然規(guī)律。這樣就把上帝從無生命現(xiàn)象的研究領(lǐng)域趕走了。 二、相對論的創(chuàng)立 1．背景 19世紀，隨著物理學(xué)研究的進展，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．創(chuàng)立：20世紀初的德國物理學(xué)家愛因斯坦提出了相對論。 3．內(nèi)容 (1)狹義相對論：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速度的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。 (2)廣義相對論：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)。 4．意義 (1)相對論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一次重大革命。 (2)它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質(zhì)屬性。 (3)它也發(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。 [重點精講] 為什么說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)的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質(zhì)屬性。它也發(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。 深化探究 材料　 思考 (1)愛因斯坦是怎樣推翻牛頓的理論的？ (2)如何理解牛頓的一番話？ 答案　(1)愛因斯坦打破了牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀，提出了狹義相對論和廣義相對論，發(fā)展了牛頓力學(xué)，推動物理學(xué)發(fā)展到一個新的高度。 (2)相對論是在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者之間是繼承與發(fā)展而不是相互排斥的關(guān)系。相對論只否定了牛頓力學(xué)的絕對時空觀，并沒有否定整個牛頓力學(xué)。相對論發(fā)展了牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)在低速狀態(tài)下的一個特例。牛頓力學(xué)是整個力學(xué)的基礎(chǔ)，牛頓所創(chuàng)造的概念，至今仍指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想。 三、量子論的誕生與發(fā)展 1．背景 (1)19世紀末20世紀初，電子和放射線的發(fā)現(xiàn)，人們對物質(zhì)的認識深入到了原子內(nèi)部。 (2)大量的實驗表明，微觀的粒子運動不能用經(jīng)典力學(xué)的理論來說明。 2．誕生：1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出了量子假說，認為輻射像物質(zhì)一樣，是由具有能量的基本單位量子來實現(xiàn)的。 3．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)。 (2)丹麥物理學(xué)家玻爾提出了有關(guān)原子的量子理論。 (3)20世紀30年代，量子力學(xué)建立起來。 [歸納總結(jié)] 牛頓經(jīng)典力學(xué)反映的是宏觀物體低速運動的客觀規(guī)律，而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。量子論則是研究微觀世界粒子運動規(guī)律的科學(xué)。量子論與相對論一起，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。 4．意義 (1)使人類對微觀世界的基本認識取得革命性的進步。 (2)與相對論一起，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，彌補了經(jīng)典力學(xué)在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足。 (3)推動了物理學(xué)自身的進步，開闊了人們的視野，改變了人們認識世界的角度和方式。 [教材互補] 量子力學(xué)成為反映自然界基本規(guī)律的理論體系，指導(dǎo)著人們向物質(zhì)運動的各個層面進行深入探討。量子理論讓人們從根本上改變了近代物理學(xué)中的傳統(tǒng)觀念，使物理學(xué)乃至整個自然科學(xué)的觀念都發(fā)生了重大革命。(人民版) [歸納總結(jié)] 量子理論及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的量子力學(xué)，極大地促進了原子物理、固體物理、原子核物理等學(xué)科的發(fā)展，標志著人類對客觀世界的認識，開始從宏觀世界深入到微觀世界，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀元。 課堂小結(jié) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．“月亮既不會掉下來，也不會離去，那是因為它的運動正好抵消了地球的引力?！闭f這句話的科學(xué)家是(　　) A．牛頓 B．波義耳 C．拉瓦錫 D．哥白尼 答案　A 解析　據(jù)題干材料中的“引力”這一關(guān)鍵詞可知為“萬有引力定律”。 2．“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?！边@說明牛頓的發(fā)現(xiàn)(　　) A．推動了天文學(xué)的發(fā)展 B．使人類徹底擺脫了神學(xué)的影響 C．促進了人類思想的解放 D．使人類開始關(guān)注現(xiàn)實世界 答案　C 解析　“人類用理性的眼光打量世界”，說明人們的思想得以解放，B項說法過于絕對。 3．愛因斯坦的相對論揭示的核心問題是(　　) A．時間、空間、物體質(zhì)量隨物體運動而變化 B．時間、空間、物體的質(zhì)量是永遠不變的 C．時間、空間、光速隨物體運動而變化 D．時間、空間、光速是永遠不變的 答案　A 解析　愛因斯坦在相對論中提出，物體的質(zhì)量會隨著時間、空間的變化而變化，這給人們辯證地看待世界提供了新途徑。 4．電視連續(xù)劇《天仙配》中有這樣的情節(jié)：唐朝張百勝因孝道而升天成為玉皇大帝，而后他的年齡基本上是恒定的，七仙女亦然，永葆青春。假設(shè)此情景成立，其科學(xué)依據(jù)最有可能的是(　　) A．相對論 B．量子論 C．轉(zhuǎn)基因理論 D．進化論 答案　A 解析　根據(jù)愛因斯坦的相對論，時間、質(zhì)量、重量等都不是固定不變的，而是處在不斷的變化中。 5．它打開了人類認識微觀世界的大門，深刻地改變了人們的生活、生產(chǎn)和觀念……標志著一個新紀元的到來！這里的“它”是指(　　) A．經(jīng)典力學(xué) B．進化論 C．量子論 D．相對論 答案　C 解析　使人類的認識深入到微觀世界的是量子論的出現(xiàn)。 學(xué)思之窗 提示　牛頓確立了萬有引力定律和物體運動三大定律，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年愛因斯坦的廣義相對論發(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。 探究學(xué)習(xí)總結(jié) 一、本課測評 提示　(1)量子論和相對論彌補了經(jīng)典物理學(xué)的缺點，掀起了物理學(xué)的革命，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基本理論框架。 (2)量子論和相對論的創(chuàng)立使人們的認識深入到新的層 次和領(lǐng)域，特別是發(fā)現(xiàn)了微觀物質(zhì)的運動規(guī)律，為現(xiàn)代自然科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)革命提供了重要的理論基礎(chǔ)。 (3)它們的提出，不僅推動了物理學(xué)自身的進步，而且開闊了人們的視野，改變了人類認識世界的角度和方式，在人類思想史上占有極其重要的地位。 二、學(xué)習(xí)延伸 提示　發(fā)展狀況：二戰(zhàn)期間，德國法西斯與美國競相發(fā)展核武器，1945年，美國在日本投放原子彈，蘇聯(lián)也在1949年試驗成功原子彈，1957年蘇聯(lián)建成核電站，1964年中國制造出了原子彈。 影響：核能的研究，一方面使人類處在核戰(zhàn)爭的陰影之下，另一方面，核能的和平開發(fā)與利用，又給人們帶來了生活的便利。 [基礎(chǔ)達標] 1．下圖中的情景能夠說明的問題是(　　) 伽利略面對教會的審判 A．伽利略的思想理論為后來經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ) B．文藝復(fù)興解放了思想，對科學(xué)的研究產(chǎn)生了重要影響 C．伽利略時代人們的思想仍然受到教會的嚴厲禁錮 D．伽利略認識到要了解自然必須進行系統(tǒng)的觀察和實驗 答案　C 解析　本題圖中反映的情景是教會對伽利略的審判，由此可推斷出當(dāng)時教會對人們思想的禁錮，對新思想者的迫害。A、D兩項表述的是伽利略的貢獻，B項論述的角度正好與圖中情景相反。 2．史學(xué)家在評論某位科學(xué)家時說，他“已經(jīng)向人們展示了理性的強大力量，那么已獲啟蒙的人即可循此途徑依靠理性來發(fā)現(xiàn)所有的人類制度都應(yīng)遵循的自然規(guī)律”。這位科學(xué)家應(yīng)該是(　　) A．亞里士多德 B．伽利略 C．牛頓 D．愛因斯坦 答案　C 解析　材料反映了科學(xué)發(fā)展對思想解放運動的啟蒙作用。牛頓的經(jīng)典力學(xué)改變了自古代中世紀以來人們的認識論和方法論，啟發(fā)人們以理性來認識世界。牛頓的科學(xué)革命為啟蒙運動提供了理論基礎(chǔ)。 3．根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會大會投票5號決議，冥王星被排除在行星行列之外，正式從九大行星中除名，而將其列入“矮行星”之列。冥王星的發(fā)現(xiàn)當(dāng)時是根據(jù)(　　) A．哥白尼日心說的推算 B．牛頓力學(xué)的推算 C．法拉第定律的推算 D．愛因斯坦的相對論 答案　B 解析　根據(jù)牛頓天體力學(xué)，1930年2月18日美國天文學(xué)家湯博發(fā)現(xiàn)了太陽系第九大行星冥王星。冥王星的出現(xiàn)引起了人們的歡呼，被認為是牛頓力學(xué)的偉大成果。 4．他的墓志銘上寫著這樣的話：他以超乎尋常人的智力，用他所發(fā)明的數(shù)學(xué)方式，第一個證明了“行星的運動和圖像，彗星的軌道和大海的潮汐?！贝巳丝赡苁?　　) A．哥白尼 B．牛頓 C．達爾文 D．普朗克 答案　B 解析　牛頓力學(xué)定律以嚴格的數(shù)學(xué)方法和邏輯體系把宇宙間的運動統(tǒng)一起來，對人類解釋與預(yù)見物理現(xiàn)象具有決定性的意義，如解釋了彗星的軌道和大海的潮汐。海王星的發(fā)現(xiàn)是證明牛頓力學(xué)和萬有引力定律有效性的最成功范例。本題選B項。 5．菲利普·費爾南德茲·阿邁斯托在評價某科學(xué)家時指出：在他的宇宙里，“每一種現(xiàn)象都是帶有欺騙性。物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)換。雙胞胎以不同的速度衰老。平行線可以交叉。光線彎曲的徑跡其實纏繞宇宙?！边@位科學(xué)家是(　　) A．伽利略 B．達爾文 C．牛頓 D．愛因斯坦 答案　D 解析　本題考查學(xué)生對歷史事實的記憶和理解能力。根據(jù)題干中“物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)換”“光線彎曲的徑跡其實纏繞宇宙”分析，屬于愛因斯坦的相對論的內(nèi)容。 6．1919年11月9日美國《紐約時報》頭版文章有如下標題：“天之光歪斜”“科學(xué)家急切等待著日蝕觀測的結(jié)果”“恒星不是在它們似乎應(yīng)該所在的或被計算出來的位置上，但不必擔(dān)心。”這些文章介紹的科學(xué)理論應(yīng)該是(　　) A．經(jīng)典力學(xué) B．狹義相對論 C．廣義相對論 D．量子理論 答案　C 解析　經(jīng)典力學(xué)的發(fā)表是在1687年；狹義相對論發(fā)表于1905年；廣義相對論發(fā)表于1915年；量子理論發(fā)表于1900年。 7．史學(xué)家認為“17世紀后期科學(xué)革命的勝利為啟蒙運動提供了先決條件”。符合此“先決條件”的事件是(　　) A．哥白尼提出“日心說” B．經(jīng)典力學(xué)的形成 C．達爾文提出生物進化論學(xué)說 D．伽利略發(fā)現(xiàn)自由落體定律 答案　B 解析　可從時間上來判斷分析排除各錯誤選項，A項是在1543年，C項是在1859年，D項是在1590年。故選B。 8．經(jīng)典物理學(xué)所面臨的危機，終于在20世紀初被物理學(xué)發(fā)展史上的兩場偉大的革命所解決。這兩場革命使人類(　　) A．擁有了研究宏觀世界和微觀世界的理論體系 B．放棄了經(jīng)典物理學(xué)的思想方法和科學(xué)理論 C．否定了此前物理學(xué)取得的一系列成果 D．轉(zhuǎn)變了人們的思維方式和社交方式 答案　A 解析　注意時間“20世紀初”，這兩場革命分別是愛因斯坦的相對論和普朗克的量子理論，分別使人們對宏觀和微觀世界的認識有了革命性的進步。 [能力提升] 9．1970年英國發(fā)行的D系列1英鎊紙幣的正面圖案上，牛頓身后是一根開花的蘋果樹枝，身邊的桌上是他手制的第一架反射式望遠鏡。紙幣背面左半部分的主要圖案，是各種橢圓形的天體運行軌道。紙幣紀念的牛頓的貢獻除反射式望遠鏡外還有(　　) A．機械運動三大定律 B．萬有引力定律 C．微積分 D．發(fā)現(xiàn)冥王星 答案　B 解析　從材料中“開花的蘋果樹枝”、“各種橢圓形的天體運行軌道”可知反映的是萬有引力定律。 10．《宇宙探險》一書認為，由于科學(xué)家“揭示了時間、空間與物質(zhì)分布、運動之間的辯證關(guān)系，提出了新的宇宙觀，同時使得現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)如此結(jié)合而產(chǎn)生了天體物理學(xué)，為人類研究和探索宇宙提供了新的更廣泛的途徑?！蹦阏J為為此作出最重要貢獻的應(yīng)是(　　) A．創(chuàng)立萬有引力的牛頓 B．創(chuàng)立相對論的愛因斯坦 C．提出量子假說的普朗克 D．提出太陽中心說的哥白尼 答案　B 解析　從材料“揭示了時間、空間與物質(zhì)分布、運動之間的辯證關(guān)系”可以很容易地推斷出答案為B。 11．普朗克曾這樣評論愛因斯坦的科學(xué)成就：“這個原理在物理世界觀上所引起的革命，只有哥白尼世界體系的引入才能與之相提并論?！蔽闹械摹斑@個原理”是(　　) A．相對論 B．日心說 C．量子假說 D．萬有引力定律 答案　A 解析　相對論描繪了一個嶄新的宏觀宇宙世界，打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對化的思維模式，大大開闊了人們的視野，改變了人們看世界的角度和方式，為人們提供了辯證地看待世界的途徑。因此才有“這個原理在物理世界觀上所引起的革命，只有哥白尼世界體系的引入才能與之相提并論”的說法。據(jù)上述判斷可知正確答案為A。 12．愛因斯坦對19世紀末20世紀初誕生的某物理學(xué)理論評價說：“這一發(fā)現(xiàn)成為20世紀物理學(xué)研究的基礎(chǔ)……要是沒有這一發(fā)現(xiàn)，那就不可能建立起分子、原子以及支配它們變化的能量過程的有用理論。”材料中的“這一發(fā)現(xiàn)”(　　) A．說明了物體空間和時間會隨著物體運動速度的變化而變化 B．說明了空間和時間的性質(zhì)取決于物質(zhì)的運動和本身的分布狀態(tài) C．與物理學(xué)界長期信奉的“自然界無跳躍”的原則是一致的 D．開闊了人們的眼界并改變了人們認識世界的角度和方式 答案　D 解析　本題考查量子理論，根據(jù)題干內(nèi)容可以判斷是普朗克的量子論，故選D。 13．閱讀下列材料： 20世紀初，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)的兩大支柱，并對其他學(xué)科產(chǎn)生了歷史性的影響。人類對自然世界的科學(xué)探索又躍上了一個新的高度。 請回答： (1)結(jié)合所學(xué)知識，指出相對論和量子理論出現(xiàn)的歷史背景。 (2)為什么說這兩大支柱的形成使人類對自然世界的科學(xué)探索又躍上了一個新的高度？ 答案　(1)背景：19世紀，物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)對經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀提出了挑戰(zhàn)。 (2)原因：愛因斯坦揭示了時間和空間的本質(zhì)屬性，將牛頓力學(xué)概括在相對論之中；普朗克的量子理論發(fā)現(xiàn)了微觀物質(zhì)的運動規(guī)律，為現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)革命提供了理論基礎(chǔ)。 14．閱讀下列材料，完成問題。 材料一　伽利略發(fā)現(xiàn)運動中的物體若無一定的外力使它轉(zhuǎn)向，便作勻速直線運動。這一發(fā)現(xiàn)要求人們必須能解釋：為什么行星不以直線飛離，而趨于落向太陽，結(jié)果形成橢圓形的運動軌道；為什么月亮同樣地趨于落向地球。——斯塔夫里阿諾斯《全球通史》 材料二　 　　　　　 圖一　　　　 　圖二 材料三　“在失重狀態(tài)下點燃的蠟燭會熄滅”，這是愛因斯坦的結(jié)論。上海市向明中學(xué)的學(xué)生設(shè)計了“失重”狀態(tài)下觀察燭光的各種實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在完全失重狀態(tài)下點燃的蠟燭依然是不滅的，只不過火焰呈圓形，亮度比較暗一點?！?008年11月6日四川新聞網(wǎng) 請回答： (1)材料一中伽利略的發(fā)現(xiàn)是被誰的什么理論成功解釋的？ (2)材料二中兩人在科學(xué)理論上的成就分別是什么？ (3)許多科學(xué)理論都受到過人們的質(zhì)疑，聯(lián)系材料三說明科學(xué)研究的特點。 答案　(1)牛頓的萬有引力定律。 (2)圖一愛因斯坦提出了相對論；圖二普朗克提出了量子假說。 (3)科學(xué)研究總是在不斷修正前人錯誤的過程中，在質(zhì)疑、釋疑的過程中探索發(fā)展的。 10