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近代物理学的奠基人和革命者学案(人民版必修3)

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近代物理学的奠基人和革命者学案(人民版必修3)

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一 近代物理学的奠基人和革命者
 
 
 
一、认识史上的飞跃
1.背景
(1)在中世纪的欧洲,亚里士多德的学说长期被教会奉为教条。
(2)伽利略在观察、实验和推理的基础上,创立了自由落体定律,推翻了亚里士多德的学说。
2.内容
(1)牛顿的运动三定律,即惯性定律、加速度定律、作用力和反作用力定律。
(2)牛顿从研究地球对月球的引力入手,成功地得出了万有引力定律。
(3)著作:1687年,《自然哲学的数学原理》出版,标志着牛顿力学体系的形成。
3.意义
(1)牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础,成为整个近代物理学的重要支柱。
(2)牛顿的力学体系对自然界的力学现象做出了系统的、合理的说明,完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
(3)万有引力定律的确立,使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度,并在生产和科学实验中得到广泛的应用和验证。
二、驱走乌云的太阳
1.背景
(1)19世纪的物理学领域,以牛顿力学为基础,形成了完整的理论体系。
(2)19世纪末,黑体辐射问题成为物理学界的重大研究课题。
2.发展过程
(1)奥地利斯蒂芬:1879年发现黑体辐射的总能量与其温度之间的定量关系。
(2)德国普朗克:发现了热辐射过程中的能量分布规律。1900年提出量子概念,标志着量子理论诞生。
(3)德国爱因斯坦:1905年利用量子理论解释光电效应,得出光具有波粒二象性的结论。
(4)法国德布罗意:1923年提出物质波理论,将量子论发展到一个新的高度。
(5)奥地利、德国物理学家:建立量子力学。
3.意义
(1)量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系,指导着人们向物质运动的各个层面进行深入探讨。
(2)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。
三、爱因斯坦的“时空”
1.相对论的创立
 狭义相对论 广义相对论
创立 1905年,爱因斯坦发表《论动体的电动力学》 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
内容 时间和空间随着物质运动速度的变化而变化 空间、时间不是独立的实在,是物质存在的形式
意义 反映了物体高速运动的客观规律,是对牛顿力学的继承和发展 第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想
 
2.影响
(1)是对近代物理学理论框架的重大突破,揭示了空间、时间的可变性,说明了时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分。
(2)形成全新的时空观、运动观和物质观,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。
 
[轻巧识记] 经典力学
 
[概念阐释] 近代科学
近代科学是在搜集材料的基础上,从现象深入到本质,从经验定律上升为系统的科学理论。它是建立在观察、试验基础上的实验科学,并广泛应用数学方法使科学知识日益精确化;同时发展了以实验事实为根据和以归纳推理为主要手段的研究方法,确立了一系列定量的科学定律。
[易错提醒]
1.伽利略开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,标志着近代物理学的真正开端。伽利略因而被誉为“近代科学之父”。牛顿经典力学体系的建立则标志着近代科学的形成。
2.爱因斯坦的相对论只是否定了牛顿的绝对时空观,没有否定整个牛顿力学。牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。牛顿力学是整个力学的基础,牛顿所创造的概念,至今仍指导着我们的物理学思想。相对论发展了牛顿力学,打破了传统的绝对时空观。
[名师点拨]
1.经典力学的历史地位与影响
(1)地位:
①把自然界中一切力学现象囊括在力学体系中,成为人类认识自然的过程中对自然规律的第一次总结与概括。
②形成以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系,即经典力学体系,标志着近代科学的形成和人类科学时代的开始。
(2)影响:
①牛顿力学和热力学引发了第一次工业革命,使人类社会进入蒸汽时代。
②牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则,为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础,打击了神学,促使人类思想不断解放。
 
1.伽利略通过实验,发现了自由落体定律等物理学定律,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,为经典力学体系的创立和发展奠定了基础。
2.牛顿《自然哲学的数学原理》的发表,标志着经典力学体系的初步建立,经典力学是近代自然科学理论体系中最先成熟和完善的核心理论体系。
3.20世纪初,普朗克提出了量子假说,爱因斯坦提出了相对论,改变了人们认识世界的角度和方式,标志着人类迈入现代科学技术时代。量子论和相对论一起,构成了现代物理学的基础。
 
 
 
  牛顿经典力学体系
 
[材料] 爱因斯坦说:“牛顿第一个成功地找到了一个用公式清楚表达的基础。从这基础出发,他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合。”
据材料及所学知识,牛顿最突出的贡献是什么?其理论体系有何特点?
[教你读史]
材料以图文的形式展现了牛顿的贡献,注意关键词:“用公式”表达,“用数学的思维”等。
[提示] 贡献:牛顿运动三定律及万有引力定律,完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
特点:以实验为基础,以数学为表达形式,具有严密逻辑体系。
 
牛顿力学体系的贡献及其局限性
(1)贡献:
①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牛顿力学体系以严格的数学方法和逻辑体系把宇宙间的运动统一起来,对人类解释与预见物理现象具有决定性的意义。
③到19世纪,在经典力学的基础上,光学、热力学、电磁学、天体物理学等新兴学科取得了长足发展,把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。
(2)局限性:
①牛顿力学体系建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上,时间和空间被视为与物质运动无关而独立存在,是绝对的。
②无法解释高速运动的物体运动的规律和微观世界中的粒子。
 
  量子论和相对论
 
[材料一] (英国)皇家学会会长汤姆逊致辞说:“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一,也许就是最伟大的成就。”……1921年……爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖,但相对论始终没有获诺贝尔奖。
——吴国盛《科学的历程》
(1)材料一为什么说相对论是“最伟大的成就之一”?“相对论始终没有获诺贝尔奖”说明了什么问题?
[教你读史]
注意相对论的两个评价,一是“最伟大”,二是“始终没有获诺贝尔奖”。
[提示] 原因:相对论否定了经典力学的绝对时空观,深刻揭示了时间和空间的本质属性,提出了全新的时空观、运动观和物质观;发展了牛顿力学,将其概括在相对论力学之中,将物理学发展到一个新的高度。
问题:相对论超出了人们的日常思维、经验和感受,很难被人们理解和接受。
[材料二] 能量子钻进物体的表面层……把它的全部能量给予了单个电子……一个在物体内部具有动能的电子当它到达物体表面时已经失去了它的一部分能量。
——《爱因斯坦文集》
(2)据材料二回答,爱因斯坦这一研究的理论基础是什么?他在这一方面有何贡献?
(3)为什么说相对论和量子论使人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度?
[教你读史]
关键词:“能量”“电子”;同时注意材料的出处。
[提示] (2)理论基础:普朗克于1900年提出的量子假说,量子论宣告诞生。贡献:用量子理论成功解释了光电效应。
(3)相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足,开阔了人们的视野,改变了人们认识世界的角度和方式。
 
量子论和相对论是现代物理学的两大支柱
(1)量子理论和相对论一起,构成了现代物理学的基础。经典物理学所适用的主要是我们日常生活中的物理现象,但在宏观的宇宙世界和微观的粒子世界面前,就显得不太够用了。
(2)量子理论的形成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;同时,在量子理论基础上发展起来的量子力学,极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等科学的发展。
(3)相对论的提出否定了经典力学的绝对时空论,从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观,深刻地揭示了时间和空间的本质属性,推动物理学发展到一个新的高度。
(4)量子理论和相对论弥补了经典物理学的缺点,掀起了物理学的革命,构成了现代物理学的基本理论框架。
 
 
一、促进近代科学发展的因素
项目 原因
社会原因 资本主义的发展需要科技知识,又为科技发展奠定了物质基础,这是近代自然科学创立发展的社会基础
思想基础 文艺复兴、宗教改革和启蒙运动,为近代自然科学的诞生和发展奠定了思想基础
制度基础 欧洲资本主义国家保护奖励科技发明,改革教育制度和专利制度,组织科研机构,推动了近代科学的创立和发展
外在因素 中国的四大发明、阿拉伯文化和希腊自然哲学传入西欧,开阔了人们的眼界,并为科学研究提供了丰富的素材
主观原因 科学家的努力探索,促进了科学的发展
 
二、牛顿经典力学、相对论和量子论三者之间的关系
1.牛顿力学的创立为相对论的提出奠定了基础。
2.相对论是对牛顿力学的继承和发展,否定了牛顿力学的绝对时空观,将牛顿力学概括在相对论力学之中,推动物理学发展到一个新的高度。
3.量子论和相对论的提出,使人们对物质世界的认识深入到微观领域和宏观宇宙世界,弥补了经典物理学的缺点。量子论和相对论一起,构成了现代物理学的基本理论框架,开阔了人们的视野,改变了人们认识世界的角度和方式。
4.三者是继承与发展的关系,一起推动了物理学的发展。
 
 
 
题组一 经典力学
1.牛顿被称为“近代科学之父”,他创立的某一科学理论是近代最先成熟和完善的自然科学核心理论体系。这一科学理论是(  )
A.经典力学       B.自由落体定律
C.量子论   D.相对论
解析:选A 根据材料“牛顿”和这一科学理论的地位,可以判断是牛顿的经典力学体系。
2.通过伽利略的比萨斜塔实验和牛顿观察苹果落地的实验可以得出西方近代自然科学发展的主要特点是(  )
A.生活实践经验的总结
B.实用性技术应用性强
C.科学观察、实验的研究方法
D.重视经验综合,轻视理论研究
解析:选C 西方近代自然科学发展的主要特点是通过科学观察和实验的方法得出结论。
3.古语云:“潮者,据朝来也;汐者,言夕至也。”能对这一自然现象作出科学解释的理论是(  )
A.伽利略的自由落体定律
B.牛顿的经典力学体系
C.普朗克的量子理论
D.爱因斯坦的相对论
解析:选B 潮汐的原因是由于地球引力,牛顿力学体系中的万有引力定律解释了这一现象,故B项正确。
题组二 量子论和相对论
4.“把能量的变化看成是跳跃式的进行,成功地解释了经典理论无法解释的某些现象,打破了经典物理学中一切过程都是连续变化的观念。”这一理论的诞生主要是由下列哪一问题引起的(  )
A.揭示时空本质属性   B.研究热辐射
C.解释光电效应   D.预测未知行星方位
解析:选B 从材料可以看出,“这一理论”指的是量子论,主要是由研究热辐射问题引起的。
5.19世纪末经典物理学所面临的危机,终于在20世纪初被物理学发展史上的两场伟大的革命所解决。这两场革命使人类(  )
A.放弃了经典物理学的思想方法和科学理论
B.否定了此前物理学取得的一系列成果
C.拥有了研究宏观世界和微观世界的理论体系
D.转变了人们的思维方式和社交方式
解析:选C 20世纪初物理学发展史上的两场伟大的革命是指相对论和量子论的提出,相对论和量子论是现代物理学的两大支柱,解决了经典物理学在宏观世界及微观领域方面所面临的问题。改变了人们看世界的方式和角度,它们不仅对物理学本身,对自然科学,而且对人类的思维都产生了重大影响。
6.提出空间和时间都是物质存在的形式的物理学家是(  )
A.爱因斯坦   B.牛顿
C.普朗克   D.伽利略
解析:选A 1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,相对论的两个基本原理是相对性原理与光速不变原理,即空间和时间都是物质存在的形式,随着物质运动速度变化而变化,A项符合题意。
7.1919年,英国科学家率领日全食观测队在巴西和非洲拍摄的恒星照片,证实了“遥远的星光如果掠过太阳表面,将会发生1.7秒的偏转”的科学预言。这一预言提出的依据是(  )
A.开普勒天体力学   B.牛顿经典力学
C.爱因斯坦广义相对论   D.普朗克量子理论
解析:选C “遥远的星光如果掠过太阳表面,将会发生1.7秒的偏转”体现了爱因斯坦的广义相对论。
8.爱因斯坦说自己是站在牛顿的肩上取得了科学成就。下列关于牛顿经典力学与爱因斯坦相对论关系的说法,不正确的是(  )
A.牛顿力学是相对论在低速状态下的一个特例
B.相对论出现后,牛顿力学体系失去了其存在的价值
C.相对论否定了牛顿力学体系的绝对时空观
D.相对论继承和发展了牛顿力学体系
解析:选B 本题材料“爱因斯坦说自己是站在牛顿的肩上取得了科学成就”反映了爱因斯坦对牛顿万有引力定律的理论的进一步发展和完善,并非对牛顿理论的抛弃和废除,因此B项错误,符合题意。
 
一、选择题(每小题4分,共32分)
1.下列对17世纪牛顿经典力学体系产生的背景和原因的表述,不正确的是(  )
A.资本主义经济的迅速发展
B.伽利略等人的研究为其奠定了坚实的基础
C.牛顿个人的巨大努力
D.同时代众多科学家的通力合作
解析:选D A项是当时科学研究的经济基础和条件;B项是该体系产生的基础;C项是该体系产生的主观条件;牛顿力学体系是牛顿在继承前人成果的基础上的创新而不是同时代众多科学家合作的结果,故D项符合题意。
2.某班同学在制作《近代物理学的成就》手抄报时,画了右面一幅漫画。他要表达的是(  )
A.伽利略通过对自然的观察发现了自由落体定律
B.牛顿在自然现象启发下开始研究万有引力定律
C.爱因斯坦相对论的提出是基于对自然规律的把握
D.任何科学规律及定律的发现都有其偶然的因素
解析:选B 由图片信息“星星、月亮”“树木”“人”,不难判断出图片描述的是牛顿发现万有引力定律,B项正确。
3.一位科学家的墓碑上镌刻着英国诗人亚历山大•蒲伯的名句:“自然界和自然规律隐藏在黑暗中,上帝说,让……(人名)出生吧,于是一切都成为光明。”这位科学家应该是(  )
A.伽利略   B.牛顿
C.爱因斯坦   D.普朗克
解析:选B 根据题干材料关键信息“自然界和自然规律隐藏在黑暗中”“于是一切都成为光明”等指的是世界近代自然科学诞生的标志。
4.“根据这一理论,将时间和空间说成是绝对的是没有意义的,因为对这两种范畴的测量通常随着观察者的运动而改变。……对于门外汉来说,这些观点——通常用不能理解的数学公式解释——表明科学已经达到了能被人类所知的界限。”上述“理论”的主要意义是(  )
A.开创了以实验为基础的近代科学
B.预见海王星存在的准确性
C.弥补经典力学对时空认识的不足
D.发现能量辐射的运动原则
解析:选C 材料指的是爱因斯坦提出的相对论,该理论否定了经典力学的绝对空间观,从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观,深刻地揭示了时间和空间的本质属性,发展了牛顿力学。
5.有一次,爱因斯坦与卓别林共同出席一个宴会,他们都受到了热烈的欢迎。卓别林对爱因斯坦开玩笑说:“大家欢迎我是因为他们都能理解我,大家欢迎你是因为他们都不理解你。”卓别林的意思是(  )
A.人们更热衷于观赏艺术表演
B.相对论有悖于人们所熟知的常理
C.经典力学理论通俗易懂而且较常见
D.科学家不如艺术家受欢迎
解析:选B 人们欢迎爱因斯坦是因为他创立了相对论;人们不理解爱因斯坦是因为相对论有悖于人们所熟知的常理,甚至与常理有着尖锐的冲突,但相对论在物理学上却非常合理并为实验所证明。
6.爱因斯坦曾经对某一发现作出过这样的评价:“这一发现成为20世纪物理学研究的基础,从那个时候起,几乎完全改变了物理学的发展。要是没有这一发现,那就不可能建立起分子、原子以及支配他们变化的能量过程的有用的理论。”这一评价称赞的是(  )
A.量子假说   B.光电效应
C.万有引力定律   D.经典力学
解析:选A 从“要是没有这一发现,那就不可能建立起分子、原子以及支配他们变化的能量过程的有用的理论”可以判断该理论是普朗克的量子假说。
7.杨振宁教授曾说,20世纪20年代物理学“遍地黄金”,“因为物理学几大原则问题正在等待破解”。属于爱因斯坦的“黄金”及其作用是(  )
A.相对论,改变了人们认识世界的角度
B.相对论,全盘否定了经典力学的绝对时空观
C.经典力学体系,改变了人们的认识论
D.量子论,对微观世界认识取得革命性变化
解析:选A 由题干中的“20世纪20年代”和“爱因斯坦”可知本题考查爱因斯坦的主要成就及作用。爱因斯坦的相对论并非全盘否定牛顿力学,故B项错误;经典力学体系是牛顿的主要成就,量子论是普朗克的主要成就,故C、D两项错误;A项符合爱因斯坦的成就。
8.《科学的旅程》一书认为:“在科学上,没有一个理论能够说得到了完全的‘证明’,当新事实或新的观察结果出现时,它必定有待于进一步的检验和审视。正是科学这一不断自我纠错的特性,使它成为人类理解自然机制最为严谨也最为有效的手段。”下列史实符合该论述的是(  )
①从亚里士多德学说到自由落体定律 ②从“地心说”到“日心说” ③从万有引力定律到电磁感应理论 ④从经典力学到相对论
A.①②③   B.③④
C.①②④   D.①②③④
解析:选C 自由落体定律否定了亚里士多德学说,提出物体下落的时间与质量无关,故①正确;哥白尼提出了“日心说”,伽利略证明了“日心说”的正确性,否定了之前的“地心说”,故②正确;万有引力定律研究宏观物体的运动,电磁感应理论研究微观电子运动,不存在后者否定前者,故③错误;相对论否定了经典力学的绝对时空观,故④正确。
二、非选择题(18分)
9.阅读材料,回答下列问题。
材料一 中世纪的人,力求达到知识的完全的合理的协调,把这当做是哲学及宗教的目标……伽利略与牛顿的物理学,推翻了这个自成系统知识体系;科学采取了建立在力学基础上的常识性实在论的。
材料二 近年来物理研究,进入了一种特殊的状态,或者说进入了17世纪以来前所未有的状态。一方面它的古典的背景,即牛顿的动力学与麦克斯韦的电磁学,依然在应用,依然在产生具有伟大价值的成果。但另一方面,今日最惊人的发现——原子结构的理论方面,古典的定律又已失其效用,而我们不得不接受相对论与原子论概念。
——以上材料皆选自丹皮尔《科学史及其与哲学和宗教的关系》
材料三 1842年,迈尔把自己的研究成果写成论文《论无极界的力》,终于在德国的《化学与药物杂志》上发表……但没有受到人们的青睐,反而受到不少嘲笑和攻击……焦耳把自己的实验成果写成论文《论伏打电池所产生的热》……焦耳的学术成果和迈尔的成果一样,没有受到应有的重视,遭到权威们的反对,使他的论文不能立即发表。
——《蒸汽机带来的革命》
(1)根据材料一并结合所学知识,分析“牛顿的物理学”的历史作用。(6分)
(2)结合所学,指出材料二中17世纪物理学的伟大贡献和近年来物理学研究的伟大贡献,并指出二者的关系。(10分)
(3)材料三中迈尔和焦耳的遭遇说明什么?(2分)
解析:第(1)问,结合材料一和所学知识回答即可。第(2)问,材料二反映了经典力学、相对论和量子论的科学成就,三者的关系结合所学回答即可。第(3)问,“焦耳的学术成果和迈尔的成果一样,没有受到应有的重视,遭到权威们的反对,使他的论文不能立即发表”反映了一个新的科学理论要冲破传统理论的束缚是十分艰难的,其道路是曲折而坎坷的。
答案:(1)作用:推翻把科学当作是哲学及宗教的目标的理论体系;是人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
(2)17世纪贡献:经典力学。“近年来”贡献:相对论和量子论。关系:相对论和量子论发展了经典力学。
(3)说明:一个新的科学理论要冲破传统理论的束缚是十分艰难的。(言之有理即可)


 

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