经典力学与时空观

第五章经典力学与物理学的革命

第一节经典力学的成就与局限性

一．三维目标

知识与技能：

1、了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献．

2、了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响．

3、认识经典力学的局限性和适用范围．

过程与方法：

1、通过收集对经典力学建立作出重要贡献的物理学家的故事，把科学成果的发现过程展现为历史的过程，即科学家是如何在前人的基础上进行求索的，并将科学家的成果放在特定的历史背景下去评说，从而让学生认识到历史的发展有承接，科学的发展也一样．

2、通过收集和交流具体实例来分析说明经典力学所取得的伟大成就，培养学生就某一观点或结论收集例证的能力，培养学生获取和评价信息的能力．

情感、态度与价值观：

1、通过查阅、对比、举例、交流等学习活动，培养学生自主学习的习惯和善于合作的意识；培养学生懂得尊重他人的成果、与他人合作交流的能力与习惯，锻炼学生在讨论与交流活动中敢于发表自己的感想和看法，共同探讨交流与合作学习的途径．

2、使学生领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义，体会经典力学在人类认识自然以及物理学发展中的重要影响和作用．

二、教学重难点：1、经典力学的概念，研究范围。

2、经典力学渗透的研究方法。

三、教学过程：

1．经典力学的发展历程

对经典力学发展历程的了解建议以学生自主学习和合作学习为主，可以课前将学生分小组，布置学生收集、查阅相关资料和书籍，有条件的学校可以组织学生上网查找经典力学发展史，在学生自学及小组内相互交流的基础上引导学生理清经典力学理论形成和发展的线索，建议从以下几个角度进行提炼和分析：

(1)领会力学体系得以建立的原因．

一是生产需要的推动，由于生产实践为力学研究提出了许多问题，促使许多科学家投身于地上物体运动和天体运动规律的研究．

二是科学自身发展的要求．

三是因为力学研究的对象最简单，它抛开物体的物理、化学性质，只把它作为一个有质量的实体来看待，研究物体间的作用及在这一作用下物体运动状态的变化规律．四是有一系列科学家为牛顿力学的建立打下了重要的科学基础，特别是：(1)伽利略发现了惯性定律和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想．②“天空的立法者”——开普勒所发现的行星运动三定律，是牛顿万有引力定律产生的最重要的前提．

(2)明确力学发展的三个阶段．

第一阶段是在伽利略、牛顿时代之前，人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学．在这个阶段对力学作出突出贡献的是阿基米德，在本节“实践和拓展”第l题中要求收集、整理阿基米德在力学方面取得的成就以及有关他的故事(可参见课程资源《阿基米德》)，并在班上和同学交流或展示．合作、交流在科学探究中有助于对科学过程的理解，当今科学的发展都是人们合作探索的结果，教学中要利用这类交流活动培养学生善于合作的意识和沟通、交往的能力，懂得尊重他人的成果．

第二阶段是从伽利略到牛顿，是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础．要让学生知道伽利略、笛卡儿、惠更斯、开普勒、牛顿各自有怎样的发现，他们对科学的杰出贡献与意义所在，可查询《中国科普》网站“科学人物”网页．例如法国物理学家笛卡儿(1596—1650)补充和完善了伽利略的观点；强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性．他在《哲学原理》一书中这样描述：“所有的运动，其本身都是沿直线的．”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而且包括一切方向上的运动．又如荷兰物理学家惠更斯((~hristiaan Huygens 1629一1695)，全面细致地解决完全弹性碰撞问题，则为牛顿第三定律的表述奠定了基础．相关内容教材作了简要介绍，但最好能让学生查询和收集更多的这些科学家进行科学研究的故事，并相互交流，使学生在了解物理学史的过程中更深地体会科学家们忘我的献身精神和刻意追求的严谨作风，而了解科学家是如何在前人的基础上进行求索的，可以让学生更好地把握科学探究的本质．

第三个阶段是牛顿之后，经典力学又有新的发展，这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善(可参见课程资源《三大守恒原理的确立》)．2．经典力学的伟大成就

(1)把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性．这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合．它开辟了一个新时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响．这里可结合学生学习运动学与动力学的情况对经典力学的成就做简单补充介绍(参见课程资源《经典力学在科学史上的成就》)．

(2)经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范．牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法极其明晰地得出了完美的力学体系，被后人称为科学美的典范，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐与自洽的体系，追求最简洁、最理想的形式。

(3)经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响．这部分的教学思路应突出以下三个层面：一是经典力学形成的科学研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大．二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展．三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进社会文明的发展．

3．经典力学的局限性和适用范围

（五）小结

（六）作业：课本练习3

第二节经典时空观与相对论时空观

一，三维目标

知识与技能：

1、了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系．

2、了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因．

3、了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响．

4、知道经典时空观与相对论时空观的主要区别．

过程与方法：

1、通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理．

2、解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾．

3、通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”．

4、解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性．

5、对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别．

情感、态度与价值观：

1、通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神．

2、通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用．

二、教学重难点：

1知道狭义相对论的实验基础，基本原理和主要结论。

2、了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。

三、教学过程：

1．经典时空观

从参考系的概念引入经典时空观，是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发点，使学生领会经典时空观是经典力学的理论基础．

[讨论与交流]

(1)我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系，物体不受外力或者所受合外力为零时的惯性运动．

(2)一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说，速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的．

了解牛顿引入绝对时空观的缘由，教学中要注意理清以下思路：

(1)经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的，而所有的运动都是在一定的时间、空间中进行的，机械运动是物体的位置移动，位置涉及空间概念，移动涉及速度，涉及时间概念，所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系．

(2)机械运动的描述离不开参考系，然而牛顿定律并不适用于所有的参考系(后人把牛顿定律适用的参考系叫做惯性参考系)，但是经典力学的理论框架本身并不能能明确给出什

么是惯性参考系，牛顿的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体足处于静止、匀速运动还是加速运动状态．参见课程资源——《牛顿对绝对空间的设想》．对绝对时空观及其三个推论的教学建议采用举例和联想、比喻的方式，使学生结合生活经验了解和领会．

对经典时空观的几个具体结论，教材没有做更多的介绍，教学中可举例说明：

(1)同时的绝对性．绝对时空观中的同时是绝对的．就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的，例如，有一辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的，反过来说也如此．在这点上，经典时空观与人们的日常生活经验似乎是一致的．

(2)时间间隔的绝对性．例如一个人看到自己的手表走过一分钟，往往以为世界上所的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟．这就是时间间隔的绝对性．

(3)空间距离的绝对性．例如一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺．那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关．

显然以上结论与我们的日常生活经验相符，所以绝对时空观很容易被人们接受；而且绝对时空观与经典力学是一致的，所以在经典力学广泛应用的过程中，牛顿的绝对时空观也广为流传，在大约一个世纪的时间里，人们都以绝对时空观去认识和思考世界．2．相对论时空观

相对论时空观的教学可分三个层次：狭义相对论的提出、相对论时空观、相对论对人类认识世界的影响．

本节开篇直接指出：光在空间是如何传播的?对这一问题的研究和思考引发了物理学的革命，改变了人们的时空观；目的是交代理论变革的线索，教学时应使学生对19世纪末物理实验与理论的矛盾有所了解，可参见课程资源《以太危机》、《相对论“出世”》．教学中应结合教材图5—2—1、图5—2—2使学生理解光的传播与经典力学的矛盾，使学生体会科学强调和尊重经验事实对理论的检验，实验验证是物理学的生命线．视学生程度来把握对“同时的相对性”探讨的深度，可参见课程资源——《关于“同时”的概念》及《同时的相对性》．

“运动的时钟变慢、运动的尺子缩短、物体质量随速度的增加而增大”这三种相对论效应利用教材插图进行解释．

(1)运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了．时钟飞驰得越快，钟的时间走得越慢；在与光速相等的时候，钟将似乎完全停止，时间就会停顿了．这种效应得到了实验的验证．

(2)运动的尺子缩短．在对教材图5—2—6解释时，应注意指出左图中A尺相对于B 尺静止，右图中A尺相对于B尺运动，在B尺看来A尺长度缩短，尺缩和钟慢一样，是对称的．即如果A、B之间有相对运动，那么，A看B的尺缩短了，B看A的尺缩短了．这个结论表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的．

(3)物体质量随速度的增加而增大．爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对

论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大．他给出了著名的质能关系式：E=mc。，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用．[讨论与交流]

狭义相对论时空观对人类认识自然和社会的影响是教学中要着重引导学生体会的，其意义与影响应包含以下内容：

(1)相对论的创立对人们的思维方式产生了深刻的影响．人们从中领悟：对同一个事物，不同的人从不同的角度来观察，观察的结果会有一定的差异．所以我们不应当把自己的认识绝对化，尽管这种认识是合理的．相对论时空观使我们摒弃了一些习以为常但却并不正确的成见，也是人类突破牛顿绝对时空观的束缚，走向现代物理学真理的一场伟大科学革命．

(2)相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，揭示了空间——时间的辩证关系以及物质同时空的关系，给出了科学而系统的时空观和物质观，加深了人们对物质和运动的认识，反映了自然科学的辩证唯物主义倾向，从而使物理学在逻辑上成为更完美的科学体系．

(3)没有相对论，现代物理学不可能存在．狭义相对论在很大程度上解决了19世纪以来出现的古典物理学危机，推动了整个物理学理论的革命，并且为原子物理学的发展和应用提供了依据；可以说，相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一，对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响．

(4)经典力学与绝对时空观可以很好的对付运动较慢的诸如苹果、行星的问越，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效．实际上，经典力学是相对论在低速条件下的近似，主要区别，如下表所示：

(四) 小结

（五）作业

第三节量子化现象

三维目标

知识与技能：

1、初步了解微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要内容．

2、知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波粒二象性．

3、知道量子论的建立不仅是物理学的革命，也对人类认识世界和科技发展具有重要影响．

过程与方法：

1、通过了解经典物理学能量连续性观点在解释“黑体辐射”现象时的失败，体会普朗克提出量子假说的伟大意义．

2、通过了解“光电效应”实验与经典物理学理论的矛盾，体会爱因斯坦的光子说对光的本性的揭露．

情感、态度与价值观：

1、通过了解量子论的建立和发展过程，使学生体会科学家们探求真理的无限艰辛和他们非凡的创造性思维的光芒，使学生不仅从中获取科学知识，更受到科学思维的熏陶．引导学生善于逆向思维，培养思维的灵活性、发散性和创造性．

2、关注量子物理对我们生活所造成的影响，体会量子物理对20世纪科学技术领域和人类文明进步所造成的影响．

二、教学重难点：

1、黑体辐射：能量子的假说的提出。

2、光子说：对光电效应的解释。

三、教学过程：

1．黑体辐射：能量子假说的提出

“黑体辐射”的教学首先应指导学生了解人们对“黑体辐射”研究的社会背景(参见课程资源《黑体辐射》)，使学生理解科学的发展总是和社会、经济的需求密切联系的．教学中要突出用经典物理学理论来解释黑体辐射遇到的困难，使学生认识到黑体辐射是经典物理能量连续性概念不适用于微观世界的典型事例，在此基础上讲述普朗克的能量子假设，才能使学生切实地认识到量子概念的必然．

普朗克提出“能量子假说”宣告了物理学的一场革命．然而在当时由于经典物理中的能量连续性概念在人们的头脑中根深蒂固，几乎所有的科学家相信包括能量在内的一切自然过程都是连续的，普朗克提出这种与经典物理学截然不同的观点是需要极大的勇气的，普朗克在公开提出“能量子假说”时的“谨慎和大胆”。他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中，则仍是连续的．曾有记者问他“您说能量到底是连续的呢?还是不连续的呢?”普朗克回答说：“如果一个人用小碗从缸里舀水，倒在水池中，您说水是连续的呢?还是不连续的呢?”从普朗克的回答中，我们可以看出，他认为辐射本质上还是连续的，只是在原子发射或吸收辐射时，才是一份一份的．把量子化思想贯彻到底的是爱因斯坦．

[讨论与交流]

2．光子说：对光电效应的解释

光电效应是经典物理能量连续性概念不适用于微观世界的另一典型现象．经典物理以“光是电磁波，它的能量是连续的”这种观点对光电效应现象作出解释时与实验事实的矛盾，与光子说对这些矛盾的圆满解释相对照，从而领悟光具有粒子性．出于降低难度考虑，教材中仅介绍了“光电效应的产生与光的频率有关而与强度无关”这一现象特征。

3．光的波粒二象性：光的本性揭示

由于学生没有学过关于“光的波动性”以及“干涉、衍射”的知识，对于认识“光的

波粒二象性”显然难度较大．这里最好能做光的双缝干涉实验，结合实验现象来解释何为“概率波”，也可以借助语言，通过比喻或类比，进一步丰富学生的表象，如光的波粒二象性，我们可以想象：光似乎是一群“光子雨”，光的颜色反映出“雨点”的力量，雾霭茫茫，多像烟波；点点滴滴，又多像颗粒这里注意引导学生以全面的、辩证的观点认识事物．实际上光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点，就像我们常常用瞎子摸象来比喻同一个事物的不同侧面的反映，在微观世界中：大量光子运动产生的效果显示出波动性，个别光子运动产生的效果显示出粒子性，光在传播时显示波动性；与物质发生作用时往往显示粒子性．

4．原子光谱：原子能量的不连续

原子光谱是微观粒子能量不连续的典型现象，这里重在通过这一形象实例使学生更深地领会微观世界能量量子化的特征．

普朗克的能量量子化思想、爱因斯坦的光量子假说以及之后的玻尔原子轨道量子化理论统称为旧量子论，具有一定的局限性，很难应用到更复杂的情况．1924年开始，为了摆脱旧量子论的局限性，物理学家们建立了全新的、描述微观世界运动的理论——量子力学，新的量子理论不仅能胜任旧量子理论的全部任务，而且能够准确地描述更复杂的现象，并方便地应用到更广泛的领域(参见课程资源《量子力学的建立和意义》)。

(四) 小结

（五）作业

第四节物理学—人类文明进步的阶梯

三维目标

知识与技能：

1、了解物理学与自然科学其他领域的关系，知道物理学的研究成果和研究方法对自然科学的影响和促进作用。

2、了解物理学对现代科学技术发展的推动，体会物理学的巨大影响和作用。

3、了解物理学对人类社会文明发展的推动，体验物理学对人类社会生活的影响．

过程与方法：

1、举例说明物理学的研究成果和方法对自然科学其他领域的影响和作用，体会物理学对自然科学发展所起的重要作用．

2、列举物理学理论转化为高新技术成果的具体实例，体会物理学对科学技术的推动．

情感、态度与价值观：

1、通过了解人类借助自然科学认识世界，改造世界，创造美好生活的“事迹”，激发学生对前人的敬仰，对科学的兴趣和对理想的憧憬．

2、通过呈现物理学对推动人类社会文明的进步，使学生更深刻感犟物理学的价值．促进学生情感的迁移和人性的完善，进而无限地热爱“物理世界”．

二、教学重难点：

1、物理学的进展是人类思维进步的阶梯。

2、展示物理学成果和方法对其它学科的影响，体现物理学的博大精深。

三、教学过程：

1．物理学与自然科学一人类文明进步的基石

19世纪末、20世纪初，相对论和量子论的确立是物理学革命的高潮，以物理学革命为先导，带动了化学、生物学、天文学、地质学等学科的理论也都发生了革命性的突破，并形成了一些交叉学科，如物理化学、生物物理、地球物理等等．当前科学中最活跃、最引人注目的课题，如生命科学、宇宙起源、材料科学等等，都与物理学的研究成果和研究方法密切相关．现代物理知识对其他学科的渗透比上个世纪要广泛得多。

物理学对自然科学各个领域都有相当重要的影响和作用，限于篇幅，教材不能过多地介绍，只是列举了物理学的研究方法和成果对化学、生物学、天文学的影响，教学中应鼓励学生结合本节“实践与拓展”第1题了解更多物理学与其他自然科学的关系．[实践与拓展]

1．数学对物理学的发展起了重要的作用，反过来物理学也促进数学的发展．例如力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进．一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生，如运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等，因此有人甚至认为力学应该也是一门应用数学．但是力学和其他物理学分支一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系，两者有各自不同的研究对象．2．物理学与现代技术——人类文明进步的推动力

本节最后一段总结了科学技术发展推动人类社会不断进步，概括了人类社会随科技发展而进入的四个时代，目的是使学生更深地体会科学技术是认识自然和改造自然的强大武器，在历史上始终是一种起推动作用的进步的革命力量．20世纪以来，科学、技术、经济、社会的关系日益密切，并且相互制约、相互影响．科学技术的迅猛发展已使社会生活的各个方面发生了深刻的变化。

[讨论与交流]

(1)科学技术的发展对我们的生活水平、生活方式、文化教育等方面的影响是极为深刻的．从日常的衣食住行中，处处可以感受到科学技术给我们生活带来的变化．各种合成纤维大大丰富了人们的衣着面料；农业的增产提供了丰富的食品，改善了人民的食品结构；至于汽车、飞机的发明和普及带给人们交通的方便、快捷；医学的进步提高了人民的健康水平，延长了平均寿命；教育的普及提高了人民的文化水平；电灯、电话、家用电器的普及大大方便了我们的生活……

(2)当前我们面临的许多问题，如温室效应、物种的灭绝、臭氧层的破坏、核战争、大气污染、能源危机等．这些问题都是与科技相互关联的，需要我们给予足够的重视．总之，科学技术的飞速发展一方面为创造人类的幸福提供了空前未有的能力，另一方面也使人类掌握了可以毁灭地球上一切生命的能力．如果人类能把科学技术进步的成果全部应用于和平与发展的事业，那么，未来世界的前景将是十分美好的．

（四）小结

（五）作业