现代科学革命n6]
第25课现代科学革命
内容：狭义相对论与广 义相对论；相对性原理 相对论 与光速不变原理
△巩固练习：
1、20世纪初，为物理学发展带来革命性变化的是 A 牛顿力学 B 经典物理学 C 相对论 D 电磁学 2、现代物理学的基础和两大支柱是 ①牛顿力学 ②相对论 ③量子论 ④分子论 A ①② B ③④ C ①④ D ②③ 3、下列表述不正确的是 （ ） A 牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础 B 经典物理学所适用的主要是日常生活中的物理 现象 C 相对论的提出证明经典物理学是完全错误的 D 量子论使人类对微观世界的基本认识有了革命 性进步
二、现代科学革命——物理学革命（20世纪）
1、相对论的创立 2、量子论的创立 （1）提出：
研究微观粒子运动
量 子 力 学 建 立
（2）发展： 爱因斯坦提出 （3）意义
光的量子理论 玻尔提出 原子的量子理论
影响了许多科学领域 带来许多技术创新 如：半导体、激光器等 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
伽利略 ——开创了以实验事实为根据 经典力学创立以后，人们把经典力学 并具有严密逻辑体系的近代科学，被 看作绝对权威的理论，认为一切自然现 誉为“近代科学之父”经典力学的奠基 象都可以用经典力学加以说明。事实果 者 牛顿——发现了著名的万有引力定律 真如此吗？ 和牛顿力学三定律，建立了经典力学 的基本体系，实现了物理学史上的第 一次大飞跃经典力学的建立者
请思考牛顿的主要贡献及牛顿力学的影响
第25课
现代科学革命
——从经典力学到相对论和量子论
课标: 知道相对论和量 子论的主要内容， 认识其意义
一、背景
1、科学研究突飞猛进，经典力学日 益完整、系统、成熟 2、经典物理学无法解释新发现 3、经典物理学存在局限性， 出现危机 ①绝对的时空观 ②适用于低速运动状态 ①高速运动中的物理现象 ②微观粒子的运动
现代科学革命
主导技术群落的结构
空间开发 技术 生物技术 海洋开发 技术
激 光 技 术
新能源 技术 信息技术 新材料 技术
新 制 造 技 术
新技术革命的主要内容 ——从20世纪40年代开始
信息技术——整个高新技术群体的先导
生物技术——21世纪高新技术的核心
能源新技术——高新技术的支柱 新材料技术——高新技术发展的物质基础 航天技术——高新技术的外向延伸 海洋技术——高新技术的内向拓展
——结构化学的发展(物质的微观结构与宏观性质间的关系)
——有机化学和高分子化学的发展(以研究碳氢化合物为主要内容;研究高分子化合物的合 成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科 )
化学的新发展
——分子设计及核素理论
第五节
大科学时代——现代生物学
生物进化论的进展
探索遗传的奥秘 分子生物学的创立和发展 生态学
第六节 大科学时代 ——现代地学
地球形成与演化理论 大地构造理论的新进展 ——宏观世界探索（地壳构造理论） 大陆漂移假说（魏格纳1912年） 地幔对流说（霍姆斯1928年） 海底扩张说（赫斯1960年） 板块学说
第七节
系统科学的创立和发展
——复杂科学的兴起
几个概念的辨析 系统科学的认识：系统科学即以系统思想为中心、综 合多门学科的内容而形成的一个新的综合性科学门 类。 新兴学科（时间维度） 边缘学科（或交叉学科——学科之间相互交叉渗透 ） 横断学科（研究对象，不只是某一领域或某种物质，而是横向贯穿
现代科技革命（第三次工主导技术是蒸汽动力技术； 第二次技术革命，主导技术是电力技术； 现代科技革命中，起主导作用的是以技术群落的 形式，有电子技术、信息技术、生物技术、新材 料技术、新能源技术、新加工（加工）技术、激 光技术、海洋开发技术、空间开发技术等等。
现代科学革命_课件
(2)材料二中的情况说明了什么问题？是如何得到解决的？ 答案 微观粒子的运动不能用经典物理学的原理说明，经典 物理学存在局限性，面临着危机和挑战。1900年，德国物理 学家普朗克提出量子假说，后来，爱因斯坦提出了光的量子 理论，丹麦物理学家玻尔提出原子的量子理论。使人类对微 观世界的基本认识取得了革命性的观世界为研究对象。②量子论以微 观粒子世界为研究对象。 (2)同：①背景：都是在经典物理学陷入危机，面临挑战 的情况下提出的。②过程：刚开始都是作为假说，后来 都得到精确的实验证明。③地位：相对论与量子论共同 构成现代物理学的基本理论框架。④都是科学大师敢于 向权威挑战，勇于追求真理的结果。
量子理论的建立是人类认识史上的又一次飞跃，它使人们的 认识深入到了微观世界的领域。量子理论在解决原子领域的 一系列重大问题中取得了很大成功。50多年来物理学在相对 论和量子力学这两大基石上迅速建立起了现代物理学的大厦。 从此，原子和分子物理学、核物理学、凝聚态物理学、低温 物理学等边缘学科纷纷建立，形成了许多新的独立的体系。
加热到不同温度的物体发出不同颜色的光
(1)材料一中，你同意哪一种观点？请说出你的理由。 答案 同意爱因斯坦的观点。因为牛顿力学体系的建立是近 代科学形成的标志，在欧洲启蒙思想宣扬科学、反对封建神 学的运动中发挥了极大的作用，以牛顿力学为代表的经典物 理学开创了一个崭新的科学时代。相对论是在经典物理学的 基础上发展起来的，两者之间是继承与发展而不是相互排斥 的关系。
二、爱因斯坦与相对论 1．提出：20世纪初，爱因斯坦提出的 相对论 为物理学的
发展带来了革命性的变化，爱因斯坦成为继牛顿之后最 伟大的科学家。 2．内容： 相对性原理 和 光速不变原理 ：时间、空间、运 动、质量是相对的，可以互相转化。
现代科学革命
当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经落成， 人类对自然界的认识已经到了尽头。可见，人们 对于牛顿力学的权威是多么的崇拜。
想一想：根据事物发展的规律和过程，会有终极的的理 论和真理吗？到了19世纪末期，经典物理学的发展又出 现了什么问题？请同学们结合课本内容思考作答。
显然不会。
到19世纪末，经典物理学对宏观和微观两个方 面出现的一系列新问题已无法作出解释，经典物 理学出现了危机，科学家们把经典物理学的危机 形象的比喻为“晴空上漂浮着两朵乌云”，一朵 乌云与宏观世界里光的速度有关，一朵与微观世 界里的热体辐射有关。
四、量子理论——散去微观世界的乌云
什么叫量子力学 ？ 量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科 学。它对多个科学领域都产生了重大影响。 提出： 1900年，普朗克提出了量子假说 量 子 理 论 发展： 爱因斯坦的光的量子理论 丹麦物理学家玻尔的原子的量子理论 影响： ①是20世纪、、、、 ②对化学、生物学等众多学科产生影响 ③推动生产力的发展 ④从根本上改变了人类的物质生活
牛顿
爱因斯坦
普朗克
一、牛顿经典力学的创立——近代科学形成的标志 1、牛顿的主要成就（数学和物理学） 3.1西学东渐和维新变法思想 （1）数学：微积分的创立。 （2）物理学：总结出万有引力定律和牛顿力学三定律 （包括在经典力学体系中） （3）代表作：1687年《自然哲学的数学原理》，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。 2、牛顿经典力学的影响 ①有助于人类解释与预见物理现象，是经典物理学和天文 学的基础，标志人类科学时代的开始。（自然科学角度， 实现了自然科学的第一次理论性大综合） ②牛顿力学和热学引发了第一次工业革命（生产力和社会 发展角度） ③为启蒙思想和唯物主义哲学奠定科学基础（哲学角度）
第26课现代科学革命
一、经典物理学的危机
（一）经典物理学的创立 （二）经典物理学的危机
二、现代物理学的兴起
（一）爱因斯坦与相对论
1. 相对论的提出： 2.相对论的两个基本原理： 相对性原理和光速不变原理 3.意义： （1）相对论的观点提醒人们，不要被常识和日常经验所蒙蔽，常识不一定是正 确的。 （2）相对论提出是物理学领域最伟大的革命。 （3）相对论打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辩证地看待世界的 途径。
经典力学的历史地位
1.为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论化 的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。
2.把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的大综合。
3.把人们对机械运动的认识从运动学的水平提高到动力学的水平。 4.把对物体运动状态的描述从变化的结果提高到对变化过程的认识。
“以太”是指被用来表示占据并充满整个宇宙的一种媒质。
影响：由于“以太”的不存在，使得经典物理学赖以建立绝对时空观
受到了严峻的挑战。引起物理学的一场革命，在革命中量子论和相对论
诞生了。
一、经典物理学的危机
（一）经典物理学的创立 （二）经典物理学的危机
二、现代物理学的兴起
（一）爱因斯坦与相对论
1. 相对论的提出：
19世纪末，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世 （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？ 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。 量子理论和相对论。它们发展了经典物理学，弥补了经典物 17世纪牛顿创立的经典力学。它是建立 （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？ 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 在绝对时空观的理论之上的。 到19世纪，在经典力学的 基础上，光学、热力学、电磁 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。 （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？ 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 （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 主要是我们日常生活中的物理现象。 关系是什么？
《现代科学革命》 讲义
《现代科学革命》讲义一、什么是现代科学革命现代科学革命是指在 20 世纪初以来，在物理学、天文学、生物学等多个领域发生的一系列重大变革和突破。
这些变革不仅改变了人们对自然界的认识，也深刻地影响了人类的思维方式和生活方式。
在物理学领域，相对论和量子力学的提出是现代科学革命的重要标志。
爱因斯坦的相对论打破了牛顿经典力学的绝对时空观，揭示了时间和空间的相对性以及物质和能量的等价性。
量子力学则揭示了微观世界的不确定性和粒子的波粒二象性，彻底改变了人们对微观世界的理解。
在天文学领域，哈勃定律的发现证明了宇宙的膨胀，大爆炸宇宙学模型的提出为宇宙的起源和演化提供了新的理论框架。
在生物学领域，DNA 双螺旋结构的发现开启了分子生物学的新时代，使人们对生命的本质和遗传机制有了更深入的认识。
二、现代科学革命的背景19 世纪末，经典物理学取得了巨大的成功，似乎已经能够解释自然界的一切现象。
然而，随着科学研究的深入，一些新的实验现象无法用经典物理学来解释。
例如，黑体辐射、光电效应等问题的出现，使经典物理学陷入了困境。
同时，科学技术的进步，如高精度实验仪器的发明和使用，也为新理论的诞生提供了条件。
此外，当时的社会背景也对科学革命产生了影响。
工业革命的推进使得社会对科学技术的需求日益增长，为科学研究提供了更多的资源和支持。
三、相对论的诞生爱因斯坦的相对论包括狭义相对论和广义相对论。
狭义相对论主要基于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出物理规律在所有惯性参考系中都是相同的，光速不变原理则表明真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定的。
狭义相对论的一些重要结论包括时间膨胀、长度收缩和质能方程等。
时间膨胀意味着运动的时钟会变慢，长度收缩则是指运动的物体在运动方向上的长度会缩短。
质能方程E=mc²揭示了质量和能量的等价性，这一方程对核能的开发和利用具有重要意义。
广义相对论则进一步探讨了引力问题，将引力描述为时空的弯曲。
关于现代科学革命教案
关于现代科学革命教案第一章：引言教学目标：1. 让学生了解现代科学革命的定义和背景。
2. 让学生了解本课程的学习目标和内容安排。
教学内容：1. 现代科学革命的定义和背景。
2. 学习目标和内容安排的介绍。
教学活动：1. 引入课程，介绍现代科学革命的定义和背景。
2. 阐述本课程的学习目标和内容安排。
教学评价：1. 学生对现代科学革命的定义和背景的理解程度。
2. 学生对学习目标和内容安排的明确程度。
第二章：现代科学革命的历史背景教学目标：1. 让学生了解现代科学革命的历史背景。
2. 让学生了解现代科学革命的重要事件和人物。
教学内容：1. 现代科学革命的历史背景。
2. 现代科学革命的重要事件和人物。
教学活动：1. 引导学生了解现代科学革命的历史背景。
2. 介绍现代科学革命的重要事件和人物。
教学评价：1. 学生对现代科学革命的历史背景的了解程度。
2. 学生对现代科学革命的重要事件和人物的认知程度。
第三章：现代科学革命的主要成就教学目标：1. 让学生了解现代科学革命的主要成就。
2. 让学生了解现代科学革命对人类社会的影响。
教学内容：1. 现代科学革命的主要成就。
2. 现代科学革命对人类社会的影响。
教学活动：1. 引导学生了解现代科学革命的主要成就。
2. 讨论现代科学革命对人类社会的影响。
教学评价：1. 学生对现代科学革命的主要成就的了解程度。
2. 学生对现代科学革命对人类社会的影响的认知程度。
第四章：现代科学革命的影响和挑战教学目标：1. 让学生了解现代科学革命对人类社会的影响。
2. 让学生了解现代科学革命所面临的挑战。
教学内容：1. 现代科学革命对人类社会的影响。
2. 现代科学革命所面临的挑战。
教学活动：1. 引导学生了解现代科学革命对人类社会的影响。
2. 讨论现代科学革命所面临的挑战。
教学评价：1. 学生对现代科学革命对人类社会的影响的了解程度。
2. 学生对现代科学革命所面临的挑战的认知程度。
教学目标：2. 让学生展望未来科学革命的发展趋势。
一、现代科学革命
（二）相对论与时空观念的革命性变革
1、狭义相对论
1905年6月爱因斯坦（1879－1955）
《 论运动物体的电动力学》发表，标志着狭义相 对论的诞生
［1］两条基本原理：
（1），狭义相对性原理 在所有惯性系，物 理学规律都是相同的，不 存在一个优于其它惯性系 的绝对惯性系。 （2），光速不变原理 在所有的惯性系， 真空中的光速不变，都是 常数C。 洛仑兹变换
4、强子的内部结构
1964年，美国物理学家默里· 盖尔曼和G.茨威格各 自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本 的单元——Quark组成的。 六味夸克： u 上夸克 、d 下夸克、 c 粲夸克、 s 奇夸克、 顶夸克 、b 底夸克 t
5、量子场论
6、统一场论
21世纪物理学的难题：
(1) 四个作用力场的统一问题，相对论和量子力 学的统一问题。
量子力学对机械决定论的冲击
经典物理学严格确定的因果决定论
法国科学家拉普拉斯曾写道：“智 慧，如果能在某一瞬间知道鼓动着自然 的一切力量，知道大自然所有组成部分 的相对位置；再者，如果它是如此浩瀚， 足以分析这些材料，并能把上至庞大的 天体，下至微小的原子的所有运动，统 统包括在一个公式中，那么，对于它来 说，就再也没有什么是不可靠的了。在 它的面前，无论是过去或是将来，一切 都将会昭然若揭。”
1900年12月14日
普朗克量子假说：
物体在发射辐射或吸收辐射 时，能量不是无限可分的，而是 以一定数值的整数倍跳跃式地变 化的，也就是说，物体吸收或发 射辐射时，能量并不是无限可分 的，而是有一个最小的单元，这 个最小的不可再分的单元，被称 为量子或能量子，数值ε＝hγ。
2，光量子论
1905年爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个启 发性观点》中提出 光量子假说：光是由分立的能量子组成的，每个 光量子的能量与光的频率成正比E＝ hγ，而与光 强度无关。 解释光电效应 密立根和康普顿的验证
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第六单元现代世界的科技与文化
第26课现代科学革命教学素材
◆阅读与思老
（1）人们过去积累起来的常识和日常经验并不一定总是正确的，要敢于打破思维定势，推进科学创新。
（2）正确的理论在刚刚诞生时往往难于被人们理解和接受，甚至还遭到攻击或嘲笑。
但随着时间的推移，以受住实践检验的科学和理论终究会被人们理解和接受。
（3）科学的发展是艰难的，科学真理需要勇于探索、执著追求的精神，要有足够的恒心和毅力去面对，坚持自己的正确立场和信念，坚持真理不动摇。
◆解析与探索
（1）从加速反法西斯战争胜利进程的角度讲，爱因斯坦建议制造原子弹以掌握对法西斯作战的优势，是应该的；从原子弹对无辜平民造成的严重摧残的角度讲，爱因斯坦建议制造原子弹是不应该的。
（2）先进的科学技术可以加快人类发展的进程，也可以毁灭人类自身。
（3）大力发展科学技术，加快人类自身发展。
但要正确使用先进的科学技术，避免给人害自身带来灾难。
◆自我测评
1．现代物理学的两大理论支柱是相对论和量子学。
相对论和量子学正确地反映了宏观的宇宙世界和微观的粒子世界的客观规律，打破了经典物理学绝对化的思维，描绘了一个崭新的世界，大大开阔了人们的视野，改变了人们看世界的角度和方式。
相对论和量子学的提出不仅对物理学本身，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。
◆重难点分析
⑴相对论、量子论出现的历史背景——19世纪经典物理学的危机是什么？
17世纪后期，牛顿发表了著名的力学三定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用与反作用定律）和万有引力定律，标志着经典力学体系的建立。
当时，以牛顿力学为代表的经典物理学被认为是绝对权威的理论，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，使理论更加完备。
一些科学家还根据万有引力定律计算出了海王星和冥王星的位置，证明了经典物理学的准确性、科学性和可预见性。
但是，经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素。
因此，一旦物理学研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。
这种状况随着20世纪以来科学研究的不断深入而日益显现，如神秘的“以太”一直不能被证明是存在的、高速运动的微观粒子发生的现象非经典力学所能解释等。
物理学只有来一番彻底的革命，才能适应科学研究的新形势。
在这种背景下，相对论与量子论应运而生。
⑵相对论的主要内容是什么？有何重大意义？
相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。
在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。
较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。
尺缩效应和钟慢效应：两者都是狭义相对论的结论。
一根在静止时长度为L′的细杆，
当沿长度方向以速度v 运动时，静止的观察者测得的长度为22
1c
v L L -'=，其中c 是光速。
由此可见L 总是小于L ′，这是尺缩效应。
钟慢效应可以简单理解为运动的钟总是比静止的钟走得慢，当然，这种变化只有在速度接近光速时才会明显。
光速不变原理则认为光的传播速度在任何条件下都是不变的。
相对论的提出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的物质，创立了一个全新的物理世界，极大地扩展了物理学应用的领域，也使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间。
由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。
1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。
但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。
这就提醒人们甚至要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律都有可能是不科学的。
⑶ 量子论及其与意义
量子论最先由德国物理学家普郎克于1900年提出。
他认为，物质的辐射能不是连续的，而是以最小的、不可再分的能量单位即能量量子的整数倍跳跃式地变化的。
随后英国物理学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。
电子在不同轨道上围绕着原子核运动，当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。
玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。
爱因斯坦利用原子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。
量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。
基于量子规律的新技术深深地改变了人类的生活，包括激光技术和电子计算机的出现；在量子论的基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子核物理等科学的发展，人类从此进入了核能时代。
（4） 物理学晴空的“两朵乌云”
19世纪末20世纪初，经典物理学的地位如日中天，但在一系列的物理实验中，经典物理学又显示出某些不科学性。
其中最有代表性的是英国人开尔文1900年在欧洲科学家报告会上提出的，“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。
但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”。
两朵乌云指的是
第一朵乌云——“以太”说的破灭。
以太概念的提出最早可以追溯到古希腊时代，被用来表示占据并充满整个宇宙的一种媒质。
19世纪的物理学家普遍接受了以太的概念，认为象水波传播是以水为载体一样，光、电等的传播是以以太为载体的。
如果以太真的存在，新的问题又出来了：地球以每秒30千米的速度绕太阳运动，就一定会有同样速度的“以太风”迎面向地球吹来，而且会对光的传播产生影响。
为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克尔逊与美国物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的“以太漂流”实验。
实验结果证明，不论地球运动的方向与光的射向是否一致，测出的光速都是相同的，在地球同设想的以太之间没有相对运动。
这就证明“以太”是不存在的。
这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验证明以太的不存在是完全不容置疑的。
第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”。
在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。
颜色深的物体吸收辐射
的本领比较强。
所谓“黑体”是指能够全部吸收外来辐射而毫无任何反射和透射、吸收率是100﹪的理想物体，真正的黑体是不存在的。
19世纪末，卢梅尔等人的著名实验——黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长分布的规律仅与黑体的温度有关。
从经典物理学的角度看，这个实验的结果是不可思议的。
为了解释这个不可思议的结果，很多物理学家试图从经典物理学去寻求答案，最后都失败了。
这也表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败。