专题七1 近代物理学的奠基人和革命者

“我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时 为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝 壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全 未探明的真理之海。” ——牛顿临终遗言
牛顿捡到了哪些“光滑的石子”和 “美丽的贝壳”？
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牛顿（1642-1727）
著作：《自然哲学 的数学原理》 （1687）
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哈雷慧星轨道的推算
长期以来，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星， 根本不能用科学来说明。牛顿的好友哈雷用牛顿力学算出了 1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年， 由此预言它将在1758年再次出现。53年以后的1758年（当时 哈雷已去世），这颗彗星果然如期出现。哈雷慧星的发现验 证了万有引力定律的科学性。 18 江苏省仪征中学王玉兵教学课件
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（2）经典力学体系的主要内容 牛顿 惯性定律 经 运动 典 加速度定律 三定 力 作用和反作用定律 律 学 体 系 • • 万有引力定律
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(3)经典力学体系的历史地 位
理论的综合：牛顿力学体系对自然界的力学现 象做出了系统、合理的说明，从而完成了人类对自 然界认识史上的第一次理论大综合。 经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。 实践的验证：根据万有引力定律，人们准确地算 出地球的平均密度和扁平率，正确地解释了潮汐的 成因。根据这一定律，人们还发现了海王星、冥王 星。
（3）认识： 它第一次阐述了四维时空和物质的分布 相联系的重要思想。
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爱因斯坦的“时空弯曲”概念
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3．相对论建立的意义
（1）爱因斯坦相对论的建立，是对近代物理学 理论框架的重大突破，它不仅揭示了空间、 时间的可变性，时空的变化和时空结构同物 质的运动和状态密不可分。 （2）这种全新的时空观、运动观和物质观的形 成，是人类思想发展史中的一次根本性变革， 对整个自然科学和哲学都产生了深远的影响。 （3）相对论同量子理论一起，构成了现代物理 学的基本理论框架。
这个故事形象地说明了时间和空间 的相对性。
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2．广义相对论
（1）提出： 1916年，爱因斯坦把狭义相对论推广到 加速运动的参考系中，建立了广义相对论。 （2）内容： ①物质存在的现实空间不是平坦的，而是 弯曲的；②空间弯曲的程度体现为引力场强度； ③时间、空间不是独立的实在，它们是物质存 在的形式。
（一）本专题主要涉及的问题
近代物理学中牛顿力学体系形成和爱因 斯坦在理论物理学方面的革命性成就；人类 探索生命起源的历程，重点涉及细胞学说、 进化论和物种起源；蒸汽机应用于生产给人 类文明发展带来的巨大变化；现代交通通信 技术的发展，改变了人类的时空概念，使人 类进入电子信息时代。 讲述了人类认识由低级向高级发展的历 程，从科学技术层面了解人类社会发展的基 本特征。
（1）伽利略对亚里士多德力学观的否定 （2）突出成就
2．牛顿对前人科学理论的发展
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伽利略（1564—1642），伟大的 意大利物理学家和天文学家，他 开创了以实验事实为根据并具有 严密逻辑体系和数学表述形式的 近代科学，被誉为“近代科学之 父”。他第一个把望远镜对准天 空进行观测，出版了《星空使者 》一书。1632年，他出版了《关 于托勒密和哥白尼两大世界体系 的对话》，把哥白尼的学说推到 了最终胜利的阶段。
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（2）突出成就
创立了自 由落体定 律，从而 推翻了亚 里士多德 的学说。
意大利的比萨斜塔
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2。牛顿对前人科学理论的发展
（1）科学巨著 牛顿出生于英国
《自然 哲学的数学 原理》总结 了牛顿力学 体系以及在 数学、天文 学方面的研 究成果。
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2．量子理论的发展
（1）德国爱因斯坦：将量子理论推广 到光学中，成功解释了光电效应， 得出光具有波粒二象性的结论。 （2）法国德布罗意：提出物质波理论。 （3）数年后，奥地利、德国的物理学 家建立了量子力学。
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3．量子论和量子力学的意义
的林肯郡，牛顿 曾经长期担任英 国皇家学会会长， 授予爵士称号。 1727年，他病逝， 被安葬于威斯敏 斯特教堂，这是 一种极高的荣誉。 牛顿（ 1642—1727）
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煮怀表
• 牛顿从事科学研究时非常专心，时常忘却生 活中的小事。有一次，给牛顿做饭的老太太有事 要出去，就把鸡蛋放在桌子上说：“先生！我出 去买东西，请您自己煮个鸡蛋吃吧，水已经在烧 了！”正在聚精会神地计算的牛顿，头也不抬地 “嗯”了一声。老保姆回来以后问牛顿煮了鸡蛋 没有，牛顿头也没抬地说：“煮了！”老太太掀 开锅盖一看，惊呆了：锅里居然煮了一块怀表， 鸡蛋却还在原地放着。原来牛顿忙于计算，胡乱 把怀表扔到了锅里。
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（二）涉及的主要理论问题
●科学技术创新与尊重权威的 关系; ●科学与哲学和宗教的关系; ●科学技术是生产力以及科学 改变人类的命运等。
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（三）学习思考
为什么15世纪下半叶以后西方的科学技 术取得了辉煌的成就？
（1）文艺复兴、宗教改革等思想 解放运动的影响； （2）资本主义的发展提供了物质 基础； （3）科学家勇于探索的精神。
（二）驱走乌云的太阳 （量子理论的诞生） 1．量子理论的诞生 2．量子理论的发展 3．量子论和量子力学的意义
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1．量子理论的诞生
（1）基础： 奥地利物理学家斯蒂芬对黑体的研 究成果。
（2）诞生：
1900年，德国物理学家普朗克提出了 量子概念。并在《关于正常光谱能量分布 定律的理论》中，阐述了这一思想(见 P122），标志着量子理论的诞生。
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相对论的现实意义举例——相对论能 修正GPS（全球定位系统）
全球定位系统———GPS的应用也已 普及化了，许多城市的公共汽车、出租车 上都安装了它。早期的GPS接收器确定物体 位置的误差是在15米范围内，这个误差可 以用爱因斯坦相对论来修正。
他提出了物体机械 运动的三大定律和 万有引力定律，创 建牛顿力学体系。
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牛顿的成就与前人研究成果的关系? “巨人肩上的思索”
牛顿曾谦逊地说：“如果我比 别人看得远些，那是因为我站在巨 人们的肩上。”
牛顿成功的条件： 前人基础（伽利略、 笛卡尔、开普勒）；注重实验。
关系： 近代科学在否定中发展，在继承中发展， 在综合中发展。
（1）量子力学标志着人类对客观规 律的认识，开始从宏观世界深入到 微观世界。 （2）量子理论让人们从根本上改变 了近代物理学中的传统观念，使物 理学乃至整个自然科学的观念都发 生了重大变革。
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（三）爱因斯坦的“时空” （相对论的建立）
• 1．狭义相对论 • 2．广义相对论 • 3．相对论建立的意义
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相对论与牛顿力学的关系怎样？
相对论打破了牛顿以来传统的绝对 时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛 顿力学反映的是宏观物体低速运动的客 观规律，而狭义相对论反映的是物体高 速运动的客观规律，是对牛顿力学的继 承和发展。牛顿力学是相对论的一种特 例（物体低速运动状态），包括在相对 论体系中。
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对地球认识的变化
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(1)伽利略对亚里士多德力学观的否定 亚里士多德的力学观：必须有 力作用在物体上，物体才能运动， 没有力的作用，物体就会静止。 伽利略通过观察、实验和推理， 得出结论： 如果运动物体不受阻碍，它将 速度保持不变地持续运动下去。
江苏省仪征中学王玉兵教学81年天王星被发现， 科学家用牛顿力学计算 它的轨道，可是计算结 果总是同观测纪录不大 相符。经反复核算，观 测无误。法国的勒维列 和英国的亚当斯坚信牛 顿力学的正确，大胆猜 想太阳系中还有一颗未 知的行星.
他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。1848年9月23 日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，用望远镜对准勒 维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星—海王星。勒 维列无需观测星空，就在笔尖上发现了新行星。
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•
作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅， 往往领带不结，袜带不系好，马裤也不纽 扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向 一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海 了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住 姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的通 条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他 而去。牛顿也因此终生未娶。
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质疑与思考：经典力学体系是最 完美的物理学理论吗？
19世纪末，面对经典物理学近乎完 美的发展，有的物理学家表示：“19世 纪已经将物理大厦全部建成，今后物理 学家只是修饰和完美这座大厦。” 高速运动的微观粒子发生的现 象，是经典力学无法解释的！
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乘坐“光子火箭”的星际旅行
乘坐“光子火箭”以光速作 星际旅行，回到地球时，我们会 发现什么变化？ “天上方一日，人间已一年”
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爱因斯坦关于相对论的比喻。
为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱 因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个 比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳 荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉 得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉 上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就 是我的相对论内容。”