高中歷史必修3物理學的重大進展教案 教學準備 教學目標 1.知識與能力 閱讀教材，識記伽利略、牛頓在力學方面所取得的主要科學成就和經典力學創立的標志;愛因斯坦創立相對論;普朗克、愛因斯坦、玻爾等人對量子論誕生與發展所作出的主要貢獻。 2.過程與方法 在識記上述基本史實的基礎上，通過生生共議、師生互議、學生質疑，通過對經典力學創立的歷史背景和主要內容綜合分析，認識其在近代自然科學理論發展中的歷史地位;對比分析經典力學與相對論、量子論的差異，認識相對論、量子論與經典力學之間的聯系 3.一步認識近代以來物理學對自然運動變化規律的探索及取得的輝煌成就，帶來了人類生產力的巨大進步。 教學重難點 重點:經典力學、相對論、量子論的主要內容 難點：不同階段物理學之間的關系，對科學發展創新性的理解。 教學工具 多媒體設備 教學過程 導入新課： 展示：蘋果落地和“神八”升空圖 引入：蘋果落地和“神八”升空兩幅圖片，涉及到物理學中的傳統經典力學和現代物理學中的相對論和量子力學原理。 物理學發展的過程 一、經典力學 1.經典力學的重要奠基者伽利略 (1)背景：文藝復興運動的影響，即解放了人們的思想，推動了科學研究。 16世紀末17世紀初，隨著文藝復興運動的擴展和人的思想的解放，意大利科學家伽利略認為研究自然界必須進行系統地觀察和實驗。他將科學實驗與數學相結合，進行科學研究，并強調追究事物之間的數學關系。 (2)成就：利用自制望遠鏡發現許多星體，證明了哥白尼“日心說”的正確性。 A.外力并不是維持運動狀態的原因，只是改變運動狀態的原因; B.發現自由落體定律等定律; C.利用望遠鏡觀察天體并取得大量成果第一人; D.證明了哥白尼“日心說”的正確性; (3)意義：開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學, 為經典力學的創立和發展奠定了基礎 2.牛頓創立經典力學 (1)標志：1687年牛頓發表自然哲學的數學原理，提出物體運動三大定律和萬有引力定律。 牛頓(16421727)是著名的英國科學家，在物理學、數學、天文學等許多方面作出了卓越的貢獻。牛頓出生于英國的林肯郡，牛頓是一個早產兒，出生時只有三磅重，接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人，并且竟活到了85歲的高齡。1665年畢業于著名的劍橋大學三一學院，獲得學士學位。 1687年，他出版了自然哲學的數學原理，在該書中他首先給力學的基本要領如質量、動量、慣性、力及向心力下了定義，對大至宇宙天體，小至光的微粒的一切物體在真空中或在有阻力的介質中的運動，全部應用運動三定律和萬有引力定律給予了說明，把自然界中的一切力學現象都囊括在他的力學體系之中。自然哲學的數學原理一書的出版標志著經典力學的成熟。牛頓力學在科學史上的意義表現在它把天上和地上的運動統一起來，把萬有引力定律和運動三定律視為宇宙間一切力學運動有普遍規律，從力學的角度證明了自然界的統一性，實現了人類自然界認識的第一次綜合。 牛頓力學方面的貢獻之一是確立了萬有引力定律。這個定律說明，任何兩個物體之間都有引力存在。這個引力與彼此吸引的物體的質量體積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比。萬有引力定律總結了此前一個半世紀的科學發明并用精確的數學術語把它們聯結起來了。此外，牛頓還確立了著名的運動三定律，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。運動三定律是經典物理學的基礎。牛頓確立的萬有引力定律和運動三大定律成為經典力學建立的標志。 經典力學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象和過程之間內在的邏輯聯系，并由此得出重要的結論。另一個顯著特征是它的數學化，這種數學化的根源是自然內在的數學關系。自然的數學結構是近代科學的先驅們深信不疑的真理。 (2)意義： 經典力學體系的建立標志著近代科學的形成。 促進了天文學發展：根據牛頓力學體系，人們發現了海王星和冥王星。 二、愛恩斯坦創立相對論： 1.歷史背景： (1)19世紀科學得到了飛速發展; (2)經典力學無法解釋高速運動的微觀粒子發生的現象。 2.相對論的提出及主要內容： (1)提出：1905年剛剛得到博士學位的愛因斯坦發表的一篇題為論動體的電動力學的文章，提出了著名的相對論，引發了二十世紀物理學的另一場革命。 (2)內容：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，即會發生尺縮效應和鐘慢效應。 廣義相對論認為，空間和時間的性質不僅取決于物質的運動情況，也取決于物質本身的分布狀態。 3、意義： (1)相對論的提出是物理學思想的一次重大革命，它否定了經典力學的絕對時空論，從本質上修正了由狹隘經驗建立起來的時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性。即：揭示了時空的可變性、時空變化的聯系性，樹立了新的時空觀、運動觀、物質觀。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展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，推動物理學發展到一個新的高度。 【合作探究】相對論和經典力學的關系 相對論打破了牛頓以來傳統的絕對時空觀，但并非全盤否定牛頓力學。 牛頓力學反映的是宏觀物體低速運動的客觀規律，而狹義相對論反映的是物體高速運動的客觀規律，是對牛頓力學的繼承和發展。 牛頓力學是相對論的一種特例(物體低速運動狀態)，包括在相對論體系中。 三、量子論的誕生與發展： 學生看書總結： 1.誕生的背景： (1)19世紀末20世紀初，電子和放射性的發現，打開了原子的大門，使人們對物質的認識深入到了原子內部。 (2)大量的實驗表明，微觀粒子的運動不能用通常的宏觀物體的運動規律進行描述。量子論在這種背景下誕生。 2.量子論的誕生、發展和量子力學： (1)誕生：1900年，德國物理學家普朗克提出量子假說，宣告了量子論的誕生。 立了量子理論而獲得了諾貝爾物理學獎。 (2)發展： 愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應出現的現象及光的本質，進一步推動了量子論的發展。 丹麥物理學家玻爾把量子論用于原子結構的研究，創立了原子結構的理論。 經過這些科學家的共同努力，到1925年左右量子力學最終建立。量子力學是研究微觀世界粒子運動規律的科學。 3.量子論和量子力學的影響： (1)量子論使人類對微觀世界的基本認識取得革命性的進步，成為20世紀最深刻、最有成就的科學理論之一。 (2)量子論與相對論一起構成現代物理學的基礎，并彌補了經典力學在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足。 (3)推動了物理學自身的進步，開闊了人們的視野，改變了人們認識世界的角度和方式。 量子論和相對論的關系： 量子論和相對論是現代物理學的兩大支柱，量子論的形成標志著人類對于客觀規律的認識，開始從宏觀世界深入到微觀世界。 量子力學和狹義相對論結合形成原子核物理學，指導制造原子彈、氫彈和建立核電站。量子力學還為電子技術、半導體技術、晶體技術和激光技術等奠定了理論基礎。 教學準備 教學目標 1.閱讀教材，識記伽利略、牛頓在力學方面所取得的主要科學成就和經典力學創立的標志;愛因斯坦創立相對論;普朗克、愛因斯坦、玻爾等人對量子論誕生與發展所作出的主要貢獻。 2.在識記上述基本史實的基礎上，通過生生共議、師生互議、學生質疑，通過對經典力學創立的歷史背景和主要內容綜合分析，認識其在近代自然科學理論發展中的歷史地位;對比分析經典力學與相對論、量子論的差異，認識相對論、量子論與經典力學之間的聯系;并進一步認識近代以來物理學對自然運動變化規律的探索及取得的輝煌成就，帶來了人類生產力的巨大進步。 教學重難點 1.重點：經典力學、相對論、量子論的主要內容 2.難點：不同階段物理學之間的關系，對科學發展創新性的理解。 教學工具 課件 教學過程 1.閱讀教材第一目“經典力學” A(1)：伽利略為近代科學的興起做出了哪些貢獻(請注意閱讀“前言”、“歷史縱橫”、圖片資料及解讀綜合思考)? 【3組學生板演預測】創立科學的研究方法：實驗和觀察; 發現：物理學：實驗證明力與運動狀態的關系，發現自由落體定律等; 天文學：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;伽利略的努力為近代自然科學的興起奠定了基礎。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 特別提示： 伽利略、開普勒與潮汐理論。 紅衣主教貝拉明1615年發表聲明，稱哥白尼學說不成立，除非“有物理證據證明太陽不是圍繞地球，而是地球圍繞著太陽運行”。伽利略認為他的潮汐理論足可證明地球運動。這個理論十分重要，以至于他最開始將著作命名為關于海洋潮汐與流動的兩大世界體系的對話。關于潮汐的字眼最終因為宗教法庭的指令而被刪除。 伽利略認為，由于地球圍繞軸心自轉并圍繞太陽公轉，導致地球表面運動的加速減速引發海水潮汐式前后涌動。1616年，他將第一份有關潮汐的文獻出來，交給了紅衣主教奧斯尼。他的理論第一次涉及了海底大陸架的形狀尺度，以及潮汐的時刻等。例如，他正確地推算出亞德里亞海中途的波浪相對于到達海岸的最后一波來說可以忽略不計。但是，從潮汐形成的總體角度來看，伽利略的理論并不成立。 如果理論成立了，那么每天只能出現一次漲潮。伽利略與他的同事們注意到該理論的不足之處，因為在威尼斯每天會漲潮兩次，時間間隔為12小時。伽利略認為這種反常現象不過是因為海洋形狀，深度及其它的問題導致的，不值得一提。對于他這種觀點是不靠譜的論斷，愛因斯坦則表示伽利略只是急于給出地球運動的物理證明，構造出了這種“引人入勝的觀點”并自己全盤接受了。伽利略否定了當時開普勒的觀點，即月球導致潮汐運動，而后者的觀點襲承了托勒密法之書中占星傳統。他也拒接接受開普勒關于行星沿橢圓軌道運行的觀點，認為圓形軌道才是“完美”的。 A(2)：經典力學出現的標志是什么?其創立具備了那些社會條件? 【2組學生板演預測】1687年，牛頓出版了自然哲學的數學原理; 社會條件：文藝復興、宗教改革等思想解放運動的影響; 資本主義的發展提供了物質基礎; 資產階級民主革命運動的推動; 科學家勇于的探索精神。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 A(3)：經典力學的基本特征是什么?其的創立對人類社會產生了哪些影響(請注意閱讀“資料回放”、“歷史縱橫”、圖片資料及解讀綜合思考)? 【1組學生板演預測】基本特征：三大定律與萬有引力定律等集中解釋自然界宏觀運動;以實驗為基礎，以數學為表達形式。 影響：建立了經典力學體系，標志著近代科學的形成，推動了物理學的發展;實踐上，根據萬有引力定律，發現了海王星;但僅確認了物體宏觀運動的規律，不可能解決所有的物理學問題。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 特別提示： 經典力學發展史： 古希臘的哲學家，包括亞里士多德在內，可能是最早提出“萬有之本，必涵其因”論點，以及用抽象的哲理嘗試敲解大自然奧秘的思想家。當然，對于現代讀者而言，許多仍舊存留下來的思想是蠻有道理的，但并沒有無懈可擊的數學理論與對照實驗來闡明和證實。而這些方法乃現代科學，如經典力學，能形成的最基本因素。 開普勒是第一位要求用因果關系來詮釋星體運動的科學家。他從第谷o布拉赫對火星的天文觀測資料里發現了火星公轉的軌道是橢圓形的。這與中世紀思維的切割大約發生在西元1600年。差不多于同時，伽利略用抽象的數學定律來解釋質點運動。傳說他曾經做過一個著名的實驗：從比薩斜塔扔下兩個不同質量的球來試驗它們是否同時落地。雖然這傳說很可能不實，但他確實做過斜面上滾球的數量實驗;他的加速運動論顯然是由這些結果推導出的，而且成為了經典力學上的基石。 牛頓和大多數那個年代的同仁，除了惠更斯著名的例外，都認為經典力學應可以詮釋所有大自然顯示的現象，包括用其分支，幾何光學，來解釋光波。甚至于當他發現了牛頓環(一個光波干涉現象)，牛頓仍然使用自己的光微粒學說來解釋。 十九世紀后期，尖端的理論與實驗挖掘出許多撲朔迷離的難題。經典力學與熱力學的連結導至出經典統計力學的吉布斯佯謬(熵混合不連續特性)。在原子物理的領域，原子輻射呈現線狀光譜，而不是連續光譜。眾位大師盡心竭力研究這些難題，引導發展出現代的量子力學。同樣的，因為經典電磁學和經典力學在坐標變換時的互相矛盾，終就創發出驚世的相對論。 自二十世紀末后，不再能虎山獨行的經典力學，已與經典電磁學被牢牢的嵌入相對論和量子力學里面，成為在非相對論性和非量子力學性的極限，研究質點的學問。 2.閱讀教材第二目“相對論的創立” A(1)：20世紀初，德國物理學家愛因斯坦為什么要創立相對論(請注意閱讀圖片資料及解讀綜合思考)? 【6組學生板演預測】19世紀末20世紀初，科學技術進一步發展;經典力學遭遇困境與挑戰：無法解釋高速運動的微觀粒子發生的現象等。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 A(2)：相對論的主要內容是什么?它的創立有何歷史影響(請注意閱讀“學思之窗”綜合思考)? 【5組學生板演預測】相對論包括狹義相對論和廣義相對論： 狹義相對論是建立在相對性原理和光速不變原理上的，認為物體運動時，質量會隨著物體運動速度增大而增加，同時，時間和空間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即會發生尺縮效應和鐘慢效應。 廣義相對論認為，空間和時間的性質不僅取決于物質的運動狀況，也取決于物質本身的分布狀態。 影響：物理學領域的一次重大革命;否定了經典力學的絕對時空觀，揭示了時間和空間的本質屬性;發展了牛頓力學，推動物理學發展到一個新的高度; 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 特別提示： 相對論的影響： 聯合國大會已把xx年確定為“國際物理年”，這是聯合國首次為一個學科確定的全球規模的紀念活動。 運動中的尺子會縮短：相對論的研究對象是超越人們日常經驗的高速運動世界和廣闊的宇宙。狹義相對論認為，運動中的尺子會縮短。人們平時處在低速運動中當然不可能覺察，但如果以每秒26萬公里的速度運動時，一米的尺子就會縮成半米。狹義相對論表明，高速旅行會使時間變慢。假定將來人們能制造一艘接近光速飛行的宇宙飛船，從地球出發飛向遙遠的星系，來回的旅程僅僅幾年(按飛船上的時間)，但在此期間地球上已過去了幾千年。 1915年，愛因斯坦把狹義相對論發展成廣義相對論。廣義相對論認為，沒有物質的時空是平坦的，有物質存在的時空就變得彎曲了，兩點之間的距離因物質的存在而被拉伸或擠壓。一個直觀的比喻是，水平抻開的一塊布應該是平坦的，當你在布上放置一個鉛球后，布面就變得彎曲了，這時再放置一個小玻璃球在布上，它就會滾向中央的鉛球。同理，星球的質量使周圍的時空彎曲，星球上的“引力”實際上是一個時空被彎曲的現象。根據廣義相對論，1939年美國物理學家奧本海默證明，假如星體質量聚集到一個足夠小的球狀區域里，引力的強烈擠壓會使那個天體的密度無限增大，然后產生災難性的坍塌，使那里的時空變得無限彎曲，這就是人們常聽說的黑洞。 理論催生原子彈：作為相對論的一個推論，愛因斯坦提出了著名的質能關系式：能量等于質量乘以光速的平方。在這一理論的指導下，1939年，科學家找到了通過裂變把質量轉化為能量，釋放巨大原子能的中子鏈式反應，進而制造了原子彈，后來又利用核聚變發明了氫彈。而可以控制反應劇烈程度的核反應堆的和平利用，比如核電站、可控核反應堆供暖系統等極大地改善了人們的生活。 全球衛星定位系統也依賴于愛因斯坦的相對論。愛因斯坦指出：傳統的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯系起來的時候，傳統的計時方法就失去作用。全球定位衛星發出的信號，由于處在不同的參照系上，時空無法和地面同步，只有根據衛星和地面的原子鐘不斷調整時間，才能保證定位系統的精確。 1976年，物理學家維索特和列文向太空發射了一枚載有時鐘的火箭。他們觀察到，這個時鐘與放置在地球上的時鐘相比，多獲得了1/10微秒。他們認為，為了在未來時光中旅行，就需要利用那些強度遠高于地球重力的引力場，比如中子星引力場。如果讓飛船到達一顆中子星上，就會在未來的時光中邁出一大步。 3.閱讀教材第三目“量子論的誕生與發展” A(1)：請簡述量子論提出的歷史背景與發展過程(請注意閱讀圖片資料及解讀綜合思考)。 【4組學生板演預測】歷史背景：19世紀末20世紀初，科學技術進一步發展;經典力學遭遇困境與挑戰：無法解釋高速運動的微觀粒子發生的現象等。 發展過程：愛因斯坦利用量子理論成功解釋了光電效應;玻爾提出了有關原子的量子理論;20世紀30年代，量子力學建立。(量子力學：研究微觀世界粒子運動規律的科學) 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 A(2)：量子論的提出對人類社會發展有何影響? 【1組學生板演預測】影響：使人類對微觀世界的認識取得重大進步，是20世紀最深刻、最有成就的科學理論之一;量子論與相對論共同構成現代物理學的基礎，彌補了經典力學在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足;改變了人們認識世界的角度和方式; 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 【合作探究】結合材料和所學知識思考，通過對近代自然科學的發展與進步的學習，你有何認識? 材料：有高度社會責任感的人，通常是具有良心的智識者。1939年8月2日，愛因斯坦出于對人類命運的極大關注，寫信給羅斯福總統建議美國務必搶在法西斯德國之前制造出原子彈;后來，當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，我寧可當個修表匠!”愛因斯坦就核武器問題的懊悔，代表了人類良知的高度，是人類良心發出的最強音。 【2組學生板演預測】A科技是第一生產力;B科技的發展是經濟發展的要求，反之也推動了經濟的發展;C科學技術能夠改變人類、社會及世界的發展;D科學是一把雙刃劍要正確對待合理把握，為人類造福。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 【知識梳理】【師生互動小結】 一、經典力學 1.伽利略奠基：創立實驗和觀察科研方法;實驗證明力與運動狀態的關系，發現自由落體定律等;自制望遠鏡觀察天體，證明了哥白尼“日心說”的正確性。伽利略的發現以及他開始的科學研究方法，是人類思想史上偉大成就之一，標志著物理學的真正開端。 2.牛頓建立：標志是1687年自然哲學的數學原理出版;主要內容是物體機械運動三大定律、萬有引力定律等;特點：以實驗為基礎，以數學為表達形式。標志著近代科學的形成。海王星的發現證明了牛頓理論的科學性和預見性。 3.經典力學產生的歷史條件：文藝復興、宗教改革等思想解放運動的影響;資本主義的發展提供了物質基礎;資產階級民主革命運動的推動;科學家勇于的探索精神。 二、相對論的創立 1.創立條件：過去的物理學以牛頓理論為基礎，認為時間和空間是絕對的，兩者是沒有任何直接聯系的;19世紀隨著科學的飛速發展，科學家發現高速運動的微觀粒子發生的現象，經典力學無法解釋。 2.主要內容：狹義相對論打破經典力學的絕對時空觀。廣義相對論進一步深化對時間空間和引力現象的認識。 3.歷史意義：相對論的提出是物理學領域的一次重大革命;否定了經典力學絕對時空觀，發展了牛頓力學;推動物理學發展到了新的高度。 三、量子力學的誕生與發展 1.歷史背景：19c末20c初，電子和放射性的發現使人們對物質的認識深入到原子內部;實驗表明，微觀粒子的運動不能用通常的宏觀物體的運動規律進行描述。 2.誕生標志：1900年，德國物理學家普朗克提出量子假說，宣告量子論誕生; 3.發展狀況：愛因斯坦利用量子理論成功解釋了光電效應;玻爾提出了有關原子的量子理論;20世紀30年代，量子力學建立。 4.歷史意義：使人類對微觀世界的認識取得重大進步，是20世紀最深刻、最有成就的科學理論之一。量子論與相對論共同構成現代物理學的基礎，彌補了經典力學在認識宏觀世界和微觀世界方面的不足。改變了人們認識世界的角度和方式。 【檢測反饋】 1.閱讀材料，回答問題。 拉爾夫、伯恩斯等人合著的世界文明史這樣寫道：“17和18世紀的文化進步并不特別神秘這一時代的思想進步的淵源是中世紀末期以來歐洲歷史上主要的經濟和文化運動所產生的一些因素。” (1)列舉1718世紀重大的科學技術成果(至少三項)。 【3組學生板演預測】伽利略發現自由落體定律，牛頓創立經典力學、胡克等創立細胞學說，瓦特新型蒸汽機改良成功。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 (2)1718世紀的歐洲還發生了哪些影響世界的重大事件? 【4組學生板演預測】啟蒙運動，英國資產階級革命，法國大革命，第一次科技革命(工業革命)。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 (3)結合材料分析這一時代的思想進步的原因。 【5組學生板演預測】思想進步根源于資本主義因素的產生發展;此外，文藝復興以后理性精神得到弘揚，宗教改革沖破了神學的禁錮，科學的迅速發展拓展了人們的視野，工業革命改善和豐富人們的生活，這些都有力地推動了進步思想的出現。 點評：視學生回答情況進行知識講解與思維方法指導。 課后小結 強調兩點：第一，經典力學與相對論最