《物理学的重大进展》课后小记

《物理学的重大进展》课后小记  《物理学的重大进展》这节课主要由经典力学、相对论的创立、量子论的诞生与发展三目组成。从历史学的角度而言，这节课仍然很有难度。    经典力学这一目，需要学生明白自然科学在16世纪到19世纪发展的原因有哪些，因为这个问题在下一课《破解生命起源之谜》还要涉及到，有关伽利略的故事，学生很熟悉，所以介绍不多，为了增加趣味，告诉比萨试验是个伪故事，但观察和实验开创了近代科学研究的方法，他的自由落体运动，修改了亚里士多德看法，联系亚里士多德的思想及对生命起源的理解，简单提到。通过故事认识伽利略为科学献身的精神。   牛顿的三大定律和万有引力定律，学生有所了解，但对于他的理论对人类世界和物理学的影响需要简单介绍，1687年，他出版了《自然哲学的数学原理》，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合。《自然哲学的数学原理》以牛顿三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系，说明了当时人们所能理解的一切力学现象，解决了行星运动、落体运动、微粒运动、声音和波、潮汐以及地球的扁圆形状等各种各样的问题。在此后二百多年中，再也没有人补充任何本质上的东西。直到20世纪量子力学和相对论问世，才使力学扩大了范围。   但牛顿的理论仍然有缺陷，比如他的绝对时空观，新研究的现象，比如，电磁波、光的传播和快速的电子运动，等等，都不遵循牛顿的力学定律。也就出现了所谓的物理学危机。   爱因斯坦的相对论，学生较感兴趣的是尺缩效应和钟慢效应，通俗的解释，如何穿梭时空的问题。在解释牛顿的力学和相对论的关系时，举出例子，说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角，床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或匀速直线运动状态不变（假设床单是足够光滑的，微小的摩擦力忽略不计）。如果在床单中央放一个铅球，床单就会凹下去，这个二维空间就弯曲了。这时，如果再放置一个小玻璃球，它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点，这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球的存在使空间弯曲了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由（惯性）运动。 当然，上面这个比喻，说的只是“空间”弯曲，而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了。行星绕日运动，就是在弯曲时空中的惯性运动，行星轨道是四维时空中的短程线，根本就不存在什么万有引力。   由爱因斯坦获得第一个诺贝尔奖不是相对论，引出量子假说。