第25課現(xiàn)代科學(xué)革命岳麓第25課現(xiàn)代科學(xué)革命《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》三大定律和萬有引力定律標(biāo)志著形成了一經(jīng)典力學(xué)體系。

牛頓（1643—1727）

“牛頓的發(fā)現(xiàn)，給人類帶來從未有過的自信。曾經(jīng)匍匐在上帝腳下的人類，終于大膽地抬起頭來，開始用自己理性的眼光打量世界。”——《大國崛起》

牛頓力學(xué)體系是人類認(rèn)識(shí)史上對(duì)自然規(guī)律的第一次理論概括和綜合，把神從無生命領(lǐng)域驅(qū)逐出去，使科學(xué)擺脫神學(xué)的束縛，引起人類認(rèn)識(shí)史上的飛躍。1900年著名物理學(xué)家開爾文說:“19世紀(jì)已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學(xué)家只是修飾和完美這所大廈。”19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”19世紀(jì)末三大物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)：X射線的發(fā)現(xiàn)，放射性的發(fā)現(xiàn)，電子的發(fā)現(xiàn)。經(jīng)典力學(xué)無法解釋研究中遇到的一些新問題，面臨著挑戰(zhàn)。19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”開爾文在1900年的演講中說道：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……(Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds)”

第一朵烏云：“以太”說的破滅水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)—“以太”（Ether）。他們假定整個(gè)宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。1887年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。M是光源，A與B是反射鏡，讓光線在MA，MB方向往返運(yùn)動(dòng)。邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)第二朵烏云：紫外災(zāi)難19世紀(jì)末關(guān)于黑體輻射研究中所遇到的嚴(yán)重困難。為了解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，物理學(xué)家瑞利和金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個(gè)公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。

19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”19世紀(jì)“物理學(xué)危機(jī)”邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)：光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此確定了光速不變?cè)?/p>

紫外災(zāi)難”黑體輻射實(shí)驗(yàn)和理論的不一致經(jīng)典力學(xué)的適用范圍

1.只適用于宏觀物體（macroworld宏觀世界）的運(yùn)動(dòng);2.只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，是絕對(duì)的時(shí)空論。一、愛因斯坦與相對(duì)論相對(duì)論的創(chuàng)立——愛因斯坦艾伯特·愛因斯坦（1879—1955），1879年3月14日誕生在德國烏爾姆的一個(gè)猶太人家中。1894年舉家遷居意大利米蘭。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)。

愛因斯坦被認(rèn)為是最富于創(chuàng)造力的科學(xué)家，他不但創(chuàng)立了相對(duì)論，還提出了光量子的概念，得出了光電效應(yīng)的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本質(zhì)，為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。為此榮獲1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí)，他還證明了熱的分子運(yùn)動(dòng)論，提出了測(cè)定分子大小的新方法。1905神奇的一年1905神奇的一年1905年，愛因斯坦26歲，接連寫下4篇改變整個(gè)20世紀(jì)物理學(xué)面貌的論文：1、光的量子說（解釋光電效應(yīng)）2、布朗運(yùn)動(dòng)（證明分子的存在）3、狹義相對(duì)論（修正了牛頓力學(xué)）4、質(zhì)能互換律（E=mc2）1916年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論基礎(chǔ)，最具創(chuàng)見也是最偉大的貢獻(xiàn)：5、廣義相對(duì)論（取代了牛頓的萬有引力理論）狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論相對(duì)論打破經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀進(jìn)一步深化對(duì)時(shí)間空間和引力現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)相對(duì)論的內(nèi)容相對(duì)論顛覆了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“時(shí)間和空間的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。（1）相對(duì)論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一次重大革命。它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)空間觀，深刻地揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)屬性。（2）相對(duì)論發(fā)展了牛頓力學(xué)，將其概括在相對(duì)論力學(xué)之中，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。

相對(duì)論創(chuàng)立的意義有一次卓別林和愛因斯坦共同出席一次宴會(huì)都受到了熱鬧歡迎，卓別林說：大家歡迎我是因?yàn)樗麄兌寄芾斫馕遥蠹覛g迎你是因?yàn)樗麄兌疾焕斫饽恪Ｕf明了相對(duì)論深?yuàn)W難懂，而且有悖于人們的日常生活。狹義相對(duì)論發(fā)表100多年了，也許全世界只有幾十個(gè)人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對(duì)論對(duì)人類生活的巨大改變。牛頓的光輝不可抹殺愛因斯坦說，在牛頓時(shí)代，牛頓的道路是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路；牛頓所創(chuàng)造的概念，至今仍然指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想。誰企圖在真理的認(rèn)識(shí)的領(lǐng)域內(nèi)要人們認(rèn)為他是不可動(dòng)搖的權(quán)威，那他就要在上帝的哈哈大笑中垮臺(tái)。愛因斯坦的相對(duì)論是對(duì)牛頓力學(xué)的概括而不是否定，只否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。牛頓力學(xué)是相對(duì)論力學(xué)在低速狀態(tài)下的一個(gè)特例，相對(duì)論發(fā)展了牛頓力學(xué)。

二、量子理論中的微觀世界二、量子論的誕生與發(fā)展（1）19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電子和放射線的發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)深入到了原子內(nèi)部。（2）大量的實(shí)驗(yàn)表明，微觀的粒子運(yùn)動(dòng)不能用經(jīng)典力學(xué)的理論來說明。1.量子論誕生的背景：量子論的誕生與發(fā)展1.量子論誕生的背景：2.量子論的誕生

——普朗克普朗克（1858—1947）生于德國基爾。1879年普朗克在慕尼黑大學(xué)獲得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。由于量子論創(chuàng)立，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他的父親是一位杰出的法律教授。普朗克家是德國人所具有的最好品質(zhì)的范例：誠懇，忠于職守。任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。對(duì)話19世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到巔峰狀態(tài)，在人們心目中，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到近乎完美的程度。這時(shí)，年輕的普朗克和他的老師發(fā)生了一段對(duì)話：普朗克：“老師，我準(zhǔn)備把我的一生都獻(xiàn)給物理理論學(xué)！”老師：“年輕人，物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的學(xué)科，不會(huì)再有多大的發(fā)展，把一生都獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了。”

1900年普朗克提出量子假說，他認(rèn)為，輻射像物質(zhì)一樣，是由具有能量的基本單位量子來實(shí)現(xiàn)的。這一假說宣告了量子論的誕生。

量子論的誕生3.量子論的發(fā)展（1）愛因斯坦利用量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)，進(jìn)一步推動(dòng)了量子論的發(fā)展。（2）丹麥物理學(xué)家玻爾在此基礎(chǔ)上提出了有關(guān)原子的量子理論。（3）20世紀(jì)30年代量子力學(xué)建立起來。量子論的誕生與發(fā)展1.量子論誕生的背景2.量子論的誕生——普朗克4.量子論和相對(duì)論出現(xiàn)的意義：（3）量子論和相對(duì)論的提出，不僅推動(dòng)了物理學(xué)的進(jìn)步，而且開闊了人們的視野，改變了人們認(rèn)識(shí)世界的角度和方式。（1）量子論使人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)開始從宏觀世界深入到微觀世界，成為20世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。（2）量子論和相對(duì)論構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的不足。量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合形成原子核物理學(xué)，愛因斯坦于20世紀(jì)初提出質(zhì)量能量公式E=MC2。解釋了核能威力數(shù)學(xué)工具。有高度社會(huì)責(zé)任感的人

1939年8月2日，愛因斯坦寫信給羅斯福總統(tǒng)，建議美國務(wù)必?fù)屧诘聡爸圃斐鲈訌棧缓髞恚?dāng)原子彈真的從潘多拉魔盒里跳出來后，愛因斯坦陷入了巨大的后悔與痛苦之中，自認(rèn)一生最大錯(cuò)誤就是建議研制原子彈。他痛心地說，“早知如此，我寧可當(dāng)個(gè)修表匠！”廣島核爆大亞灣核電站嫦娥二號(hào)太陽能薄膜電池

“要使科學(xué)造福人類，而不成為禍害”

—愛因斯坦小結(jié)：物理學(xué)發(fā)展的過程經(jīng)典力學(xué)奠基者（17世紀(jì)初）經(jīng)典力學(xué)建立者（17世紀(jì)晚期）從經(jīng)典力學(xué)發(fā)展到相對(duì)論、量子論（19世紀(jì)末～20世紀(jì)初）伽利略（意）牛頓（英）愛因斯坦（德）普朗克（德）懷疑（背景）16-19世紀(jì)近代物理學(xué)探索（成就）進(jìn)步（影響）19-20世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)典力學(xué)體系自然科學(xué)思想認(rèn)識(shí)社會(huì)發(fā)展相對(duì)論和量子論對(duì)經(jīng)典力學(xué)體系的懷疑自然科學(xué)思想認(rèn)識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)中世紀(jì)世界觀的懷疑敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，實(shí)踐出真知超光速中微子“現(xiàn)身”愛因斯坦錯(cuò)了？歐洲核子研究中心2011年9月23日宣布，他們發(fā)現(xiàn)一些粒子可能以快于光速的速度飛行，一旦這一發(fā)現(xiàn)被驗(yàn)證為真，將顛覆支撐現(xiàn)代物理學(xué)的愛因斯坦相對(duì)論。

“沒有能獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的有創(chuàng)造性的個(gè)人，社會(huì)的向上發(fā)展是不可想象的。”

——愛因斯坦課堂練習(xí)：1、愛因斯坦相對(duì)論的提出是物理學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)重大革命，主要是因?yàn)棰俜穸私?jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀②揭示了時(shí)間、空間并非絕對(duì)不變的本質(zhì)屬性③打破了經(jīng)典力學(xué)體系的局限性④使人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)開始從宏觀世界深入到微觀世界

A、①②③B、②③④C、①③④D、①②④

2、現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)是

A、牛頓力學(xué)B、相對(duì)論

C、量子假說D、量子論、相對(duì)論

3、海王星的發(fā)現(xiàn)是根據(jù)

A、哥白尼日心說的推算

B、牛頓理論的推測(cè)

C、法拉第演說計(jì)算

D、愛因斯坦對(duì)時(shí)間、空間屬性的揭示

4、經(jīng)典力學(xué)與中世紀(jì)的自然觀和方法論相比，最顯著的特征是①注重實(shí)驗(yàn)②數(shù)學(xué)化③體現(xiàn)微觀世界④經(jīng)驗(yàn)法

A.①②B.①③C.②③D.①②④A

5.下列物理學(xué)成就取得的先后順序排列正確的是①落體定律②萬有引力定律③狹義相對(duì)論④量子論

A.①②③④B.①③②④C.②①④③D.①②④③

D

6.牛頓在科學(xué)上貢獻(xiàn)是多方面的，最重要的是在力學(xué)方面，下面關(guān)于牛頓的表述不正確的是(）

A.除了在力學(xué)方面的重大貢獻(xiàn)外，還是微積分的發(fā)明人之一