高中歷史 第11課 物理學(xué)的重大進(jìn)展教案（1） 新人教版必修

1、第11課物理學(xué)的重大進(jìn)展教學(xué)目標(biāo)：1、知識(shí)與能力：（1）識(shí)記：識(shí)記伽利略、牛頓、愛因斯坦、普朗克等物理學(xué)家對(duì)物理學(xué)發(fā)展所作出的重大成就；（2）理解：理解經(jīng)典力學(xué)在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位；相對(duì)論和量子論誕生的原因、意義；（3）探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點(diǎn)，比較相對(duì)論、量子論與牛頓力學(xué)的關(guān)系。（4）思考“日心說”與“地心說”相比的進(jìn)步性，探究經(jīng)典力學(xué)體系的特點(diǎn)、影響。2、過程與方法：（1）引導(dǎo)學(xué)生回憶初中物理知識(shí)來促進(jìn)本課的學(xué)習(xí)。（2）通過學(xué)生預(yù)習(xí)（圍繞4個(gè)物理學(xué)家，自制小課件）、課堂展示本課主要內(nèi)容，促進(jìn)同學(xué)的互相學(xué)習(xí)。教師給予必要的補(bǔ)充。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：（1）科學(xué)真理需要勇于探索、執(zhí)

2、著追求的精神；（2）科學(xué)理論在不斷完善、創(chuàng)新，人類對(duì)客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深入。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：伽利略對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；經(jīng)典力學(xué)的建立；相對(duì)論的提出；量子論的誕生。難點(diǎn)：物理學(xué)各階段發(fā)展的原因；對(duì)科學(xué)發(fā)展創(chuàng)新性的理解。教材分析：本課教材主要分三個(gè)目從四個(gè)方面向?qū)W生介紹物理學(xué)從16世紀(jì)末17世紀(jì)初到19世紀(jì)末20世紀(jì)初的重大成就：經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者伽利略、經(jīng)典力學(xué)的建立、從經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論、量子論的誕生與發(fā)展。這一時(shí)期物理學(xué)方面的文字、圖片、人物介紹等資料比較豐富，教師可以適當(dāng)補(bǔ)充一些資料，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。教學(xué)過程及要點(diǎn)：導(dǎo)入新課：1632年，伽利略撰寫的關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界

3、體系的對(duì)話科學(xué)巨著出版后，立刻引起教會(huì)的恐慌，把伽利略投入監(jiān)獄。教皇烏爾班八世的御用工具宗教裁判所在1633年6月21日宣布對(duì)伽利略的判決：“我們判決你在宗教法庭監(jiān)獄內(nèi)服刑，刑期由我們掌握，為了有益于補(bǔ)贖，命令你在今后3年內(nèi)，每周背誦7篇贖罪詩(shī)篇”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤300多年，致死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準(zhǔn)葬入圣太克羅斯墓地。那么，是什么原因?qū)е伦诮滩门兴鶎?duì)伽利略作了如此判決？我們應(yīng)如何看待伽利略在科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)？由此導(dǎo)入新課。一、經(jīng)典力學(xué)：1、經(jīng)典力學(xué)的重要奠基者伽利略（1）背景：文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的影響，即解放了人們的思想，推動(dòng)了科學(xué)研究。16世紀(jì)末17世紀(jì)初，隨著文

4、藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)展和人的思想的解放，意大利科學(xué)家伽利略認(rèn)為研究自然界必須進(jìn)行系統(tǒng)地觀察和實(shí)驗(yàn)。他將科學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)相結(jié)合，進(jìn)行科學(xué)研究，并強(qiáng)調(diào)追究事物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。（2）物理學(xué)成就和意義：成就：發(fā)現(xiàn)自由落體定律等物理學(xué)定律希臘學(xué)者亞里士多德認(rèn)為地球上的物體運(yùn)動(dòng)有天然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為物體的受迫運(yùn)動(dòng)是推動(dòng)者加于被推動(dòng)者的，推動(dòng)者一旦停止推動(dòng)，運(yùn)動(dòng)就會(huì)立即停止。伽利略首先運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行邏輯推理，從推理中發(fā)現(xiàn)物體下落的快慢和它的重量無關(guān)。伽利略設(shè)想，如果亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，那么，讓輕重不同的兩個(gè)物體下落時(shí)，重的物體下落快，輕的物體下落慢。可是，把它們綁在一起讓其下落會(huì)出現(xiàn)什么情形呢？

5、按照亞里士多德的觀點(diǎn)，綁在一起后的物體會(huì)比原來重的物體更重，所以它們就比重的物體下落得快。可是，從另一方面分析，綁在一起后，由于重的物體要帶動(dòng)輕的物體運(yùn)動(dòng)，它們應(yīng)該比重的物體下降得慢一些。這顯然是兩個(gè)互相矛盾的結(jié)論。無論如何，綁在一起的兩個(gè)物體只能以一個(gè)速度下落，而推理的過程又是完全正確的，因此推理的前提必然是錯(cuò)誤的。伽利略由這個(gè)推理得出結(jié)論：物體下落的快慢與重量無關(guān)，所有物體下落快慢都是相同的。據(jù)說1590年的一天，26歲的伽利略為了證實(shí)自己論斷的正確，他來到比薩斜塔的七層陽臺(tái)上，將一個(gè)約4.5千克重的石塊和約0.45千克重的小石塊同時(shí)放下，結(jié)果兩石塊同時(shí)落地。在場(chǎng)的數(shù)以百計(jì)的學(xué)者和觀眾，親

6、眼目睹了這一精彩的場(chǎng)面，伽利略用活生生的事實(shí)向人們展示了輕重相差懸殊的兩個(gè)物體同時(shí)落地的現(xiàn)象。從而推翻了亞里士多德的錯(cuò)誤理論，發(fā)現(xiàn)了物體下落的真正運(yùn)動(dòng)規(guī)律自由落體定律?，F(xiàn)在的科學(xué)史研究表明，伽利略實(shí)際上沒有在比薩斜塔做落體實(shí)驗(yàn)。無論是當(dāng)時(shí)的文獻(xiàn)資料記錄，還是伽利略的著作，在任何地方都沒有這個(gè)實(shí)驗(yàn)的記載。況且在伽利略時(shí)代，連一般的記時(shí)鐘都沒有，更談不上有準(zhǔn)確的記時(shí)裝置，這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)根本就沒有辦法做出來，從所有的證據(jù)材料考察，這僅僅是一個(gè)傳說而已。伽利略雖然沒有在比薩斜塔做實(shí)驗(yàn)。但是，他發(fā)現(xiàn)了自由落體定律確是千真萬確的事實(shí)。伽利略并不滿足于得到的定性結(jié)論，他又繼續(xù)研究物體下落運(yùn)動(dòng)的定量規(guī)律，探索下

7、落距離和所用時(shí)間的關(guān)系。為了測(cè)量時(shí)間，伽利略在一個(gè)大的盛水桶底部鉆一個(gè)小孔，并安上龍頭，在龍頭下面放上接水容器。打開龍頭水就會(huì)流入接水容器，稱量容器中所接水的質(zhì)量就可以確定經(jīng)歷的時(shí)間。伽利略又想出了一個(gè)“沖淡重力”的方法。他仔細(xì)觀察小球在斜面上的運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，斜面越陡，小球運(yùn)動(dòng)得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那么它的運(yùn)動(dòng)就是小球的下落運(yùn)動(dòng)。因此，小球下落運(yùn)動(dòng)可以看作是小球斜面運(yùn)動(dòng)的一種特殊情況。因此用斜面做實(shí)驗(yàn)就可以研究物體下落的規(guī)律。做斜面實(shí)驗(yàn)時(shí)，斜面的傾斜度可以任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到較小的傾斜度時(shí)，小球在斜面上運(yùn)動(dòng)就比較緩慢，此時(shí)用他的計(jì)時(shí)裝置就可以進(jìn)行較為精確的研究。伽利略反復(fù)進(jìn)行斜面實(shí)驗(yàn)，

8、測(cè)量出小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的距離和所用時(shí)間，通過推導(dǎo)距離、時(shí)間、速率和加速度之間的關(guān)系，伽利略得到小球沿斜面滾下或自由下落的運(yùn)動(dòng)都是勻加速運(yùn)動(dòng)的結(jié)論，又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了物體下落運(yùn)動(dòng)的規(guī)律自由落體定律。即物體從靜止?fàn)顟B(tài)開始下落運(yùn)動(dòng)，物體運(yùn)動(dòng)的距離同下落的時(shí)間的平方成正比。他還通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了勻速運(yùn)動(dòng)定律和勻加速運(yùn)動(dòng)定律。伽利略的研究表明，外力并不是維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而只是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。這是對(duì)古希臘哲學(xué)家亞里士多德以來有關(guān)運(yùn)動(dòng)觀念的重大變革，為經(jīng)典力學(xué)的建立奠定基礎(chǔ)。他的發(fā)現(xiàn)以及他開始的科學(xué)研究方法，是人類思想史上偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。意義：開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系

9、的近代科學(xué)，為后來經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自由落體定律的發(fā)現(xiàn)是伽利略把科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理性思維相結(jié)合解決物理學(xué)問題的典范。它不僅發(fā)現(xiàn)了物體下落運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，而且為人類認(rèn)識(shí)自然找到了一條正確的途徑和方法，因此，現(xiàn)在人們稱伽利略為物理學(xué)之父。正是由于伽利略創(chuàng)立的科學(xué)方法，物理學(xué)研究才走上正確道路。（3）天文學(xué)成就和意義成就：利用自制望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)許多星體，證明了哥白尼“日心說”的正確性。公元前4世紀(jì)，亞里士多德創(chuàng)立了“地心說”。亞里士多德認(rèn)為，宇宙是一個(gè)有限的球體，分為天地兩層，地球位于宇宙中心，所以日月圍繞地球運(yùn)行，物體總是落向地面。地球之外有9個(gè)等距離天層，各個(gè)天層自己都不會(huì)運(yùn)動(dòng)，是上帝推動(dòng)了

10、恒星天層，才帶動(dòng)了所有的天層。人類居住的地球，巍然不動(dòng)地居于宇宙中心。作為古希臘的最后一位大天文學(xué)家，托勒密全面承襲了亞里士多德的“地心說”，把亞里士多德的9層天擴(kuò)大為11層。托勒密設(shè)想，各行星都繞著一個(gè)較小的圓周運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)圓的圓心則在以地球?yàn)橹行牡膱A周上運(yùn)動(dòng)。他把繞地球的那個(gè)圓叫“均輪”，每個(gè)小圓叫“本輪”，同時(shí)假設(shè)地球并不恰好在均輪的中心，而是偏開一定的距離，均輪都是一些偏心圓；日、月、行星除了作上述軌道運(yùn)行外，還與眾恒星一起，每天繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)一周，從而使計(jì)算結(jié)果達(dá)到了與實(shí)測(cè)的一致，取得了航海上的實(shí)用價(jià)值。托勒密的“地心說”恰好迎合了基督教義，便被基督教用來維護(hù)圣經(jīng)學(xué)說。圣經(jīng)宣揚(yáng)，宇宙和地

11、球都是上帝耶和華創(chuàng)造的，地球不動(dòng)位居宇宙中心，圣地耶路撒冷位居大地中央，人類是神的驕子，宇宙間的萬物都是神為了滿足人的需要?jiǎng)?chuàng)造出來的于是，托勒密的“地心說”成了圣經(jīng)，天文學(xué)成了宗教的奴婢，這種狀況一直延續(xù)到哥白尼時(shí)代。哥白尼，1473年出生在波蘭托倫小城的一個(gè)商人家庭里。他10歲那年，瘟疫奪去了他的父親。從那時(shí)起，哥白尼開始跟舅父務(wù)卡施生活在一起。18歲的時(shí)候，舅父把他送進(jìn)了克拉科夫大學(xué)，在那里，思想敏銳的哥白尼對(duì)天文學(xué)和數(shù)學(xué)發(fā)生了極大的興趣。他鉆研了數(shù)學(xué)，廣泛涉獵古代天文學(xué)書籍，潛心研究過“地心說”，做了許多筆記和計(jì)算，并開始用儀器觀測(cè)天象，頭腦里開始孕育新的天文體系。在1543年出版的天體

12、運(yùn)動(dòng)論中，哥白尼向人們描述了他的宇宙圖景：太陽位于宇宙的中心，有五顆當(dāng)時(shí)已知的行星和地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。天體運(yùn)行論發(fā)表后，遭到了馬丁路德的反對(duì)和責(zé)難，他把哥白尼叫做“想要把天文學(xué)這門學(xué)科弄顛倒”的蠢人。但并未引起羅馬教廷的注意。70年后的1616年被羅馬教廷列為禁書，300年后才解除禁令。天體運(yùn)行論雖然也存在缺點(diǎn)，但它在人類歷史上第一次描繪出了太陽系結(jié)構(gòu)的真實(shí)圖景，揭示了地球圍繞太陽轉(zhuǎn)的本質(zhì)，把顛倒了1000多年的日地關(guān)系重新顛倒過來，引起了中世紀(jì)宇宙觀的徹底革命，沉重打擊了封建教會(huì)的神權(quán)統(tǒng)治。意大利科學(xué)家伽利略對(duì)哥白尼學(xué)說的傳播和天文學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。1569年他自創(chuàng)了用以觀察天體的第一

13、架望遠(yuǎn)鏡，從望遠(yuǎn)鏡里他發(fā)現(xiàn)月球表面有高山深谷，并不是以前人們所說的月球表面是光滑的；木星有四顆衛(wèi)星，很相似于行星繞著太陽轉(zhuǎn)，他看到銀河是由無數(shù)恒星組成的，還觀察到哥白尼曾推論的金星有盈虧現(xiàn)象。1632年伽利略出版了關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話。意義：伽利略的這些發(fā)現(xiàn)和觀點(diǎn)，摧毀了教會(huì)的信條而證明了哥白尼學(xué)說的正確。2、牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)（1）標(biāo)志：1687年牛頓發(fā)表自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，提出物體運(yùn)動(dòng)三大定律和萬有引力定律。牛頓（16421727）是著名的英國(guó)科學(xué)家，在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)等許多方面作出了卓越的貢獻(xiàn)。牛頓出生于英國(guó)的林肯郡，牛頓是一個(gè)早產(chǎn)兒，出生時(shí)只有三磅重，接生婆和他的親人

14、都擔(dān)心他能否活下來。誰也沒有料到這個(gè)看起來微不足道的小東西會(huì)成為了一位震古爍今的科學(xué)巨人，并且竟活到了85歲的高齡。1665年畢業(yè)于著名的劍橋大學(xué)三一學(xué)院，獲得學(xué)士學(xué)位。1687年，他出版了自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，在該書中他首先給力學(xué)的基本要領(lǐng)如質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力及向心力下了定義，對(duì)大至宇宙天體，小至光的微粒的一切物體在真空中或在有阻力的介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，全部應(yīng)用運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律給予了說明，把自然界中的一切力學(xué)現(xiàn)象都囊括在他的力學(xué)體系之中。自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書的出版標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的成熟。牛頓力學(xué)在科學(xué)史上的意義表現(xiàn)在它把天上和地上的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，把萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律視為宇宙間一切力學(xué)

15、運(yùn)動(dòng)有普遍規(guī)律，從力學(xué)的角度證明了自然界的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)了人類自然界認(rèn)識(shí)的第一次綜合。牛頓力學(xué)方面的貢獻(xiàn)之一是確立了萬有引力定律。這個(gè)定律說明，任何兩個(gè)物體之間都有引力存在。這個(gè)引力與彼此吸引的物體的質(zhì)量體積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比。萬有引力定律總結(jié)了此前一個(gè)半世紀(jì)的科學(xué)發(fā)明并用精確的數(shù)學(xué)術(shù)語把它們聯(lián)結(jié)起來了。此外，牛頓還確立了著名的運(yùn)動(dòng)三定律，即慣性定律、比例定律（即加速度與力成正比）、作用和反作用相等定律。運(yùn)動(dòng)三定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓確立的萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)三大定律成為經(jīng)典力學(xué)建立的標(biāo)志。經(jīng)典力學(xué)最顯著的特征之一就是注重實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步揭示客觀現(xiàn)象和過程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)

16、系，并由此得出重要的結(jié)論。另一個(gè)顯著特征是它的數(shù)學(xué)化，這種數(shù)學(xué)化的根源是自然內(nèi)在的數(shù)學(xué)關(guān)系。自然的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是近代科學(xué)的先驅(qū)們深信不疑的真理。（2）意義：經(jīng)典力學(xué)體系的建立標(biāo)志著近代科學(xué)的形成。促進(jìn)了天文學(xué)發(fā)展：根據(jù)牛頓力學(xué)體系，人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星?！緜湔n資料】天王星和海王星的發(fā)現(xiàn)18世紀(jì)以前，人們都以為土星就是太陽系的邊界。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)太陽系的認(rèn)識(shí)有了突破。1781年，英國(guó)天文學(xué)家赫舍爾在用望遠(yuǎn)鏡觀察天空時(shí)，發(fā)現(xiàn)在土星之外的金牛座群星中有一顆既不像恒星又不是彗星的星星，后來英國(guó)天文學(xué)家麥斯克雷弄清楚了它是一顆前所未知的行星，新行星以希臘神話中的薩都恩神（土星以此命名）的父親

17、、天神烏蘭納斯來命名新行星，中文譯為天王星。其后人們按照當(dāng)時(shí)的觀測(cè)編制了天王星的運(yùn)行表。但到了1830年，人們發(fā)現(xiàn)它的實(shí)際運(yùn)行情況與運(yùn)行表所推算的數(shù)值存在著明顯的差別，根據(jù)萬有引力理論，這種“越軌”現(xiàn)象使天文學(xué)家們考慮到在它的附近可能有一顆未知的行星干擾著它的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)萬有引力定律，人們可以從天王星的行為中推算出這顆未知行星的位置。1845年10月，英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)生亞當(dāng)斯首先得出了計(jì)算結(jié)果，但未被引起重視。1846年8月，法國(guó)天文學(xué)家勒維烈經(jīng)過自己的計(jì)算，公布了這顆未知行星的軌道參數(shù)。三個(gè)多星期后，德國(guó)天文學(xué)家加勒根據(jù)勒維烈計(jì)算的數(shù)據(jù)果真找到了這顆行星，這就是海王星。海王星的發(fā)現(xiàn)是牛頓力學(xué)在天

18、文學(xué)運(yùn)用上的偉大勝利，它標(biāo)志著天體力學(xué)已趨于成熟。促進(jìn)了光學(xué)、電磁學(xué)等與力學(xué)的統(tǒng)一，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。促進(jìn)了資本主義的兩次科技革命的出現(xiàn)和發(fā)展。二、愛恩斯坦創(chuàng)立相對(duì)論：1、歷史背景：（1）19世紀(jì)科學(xué)得到了飛速發(fā)展；19世紀(jì)末，物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個(gè)重大事件，這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動(dòng)搖。物理學(xué)家們?cè)J(rèn)為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學(xué)體系，從根本上出現(xiàn)了動(dòng)搖，這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是人們?nèi)粘Ｉ钪幸子诶斫獾暮暧^世界，三大發(fā)現(xiàn)所揭示的卻是人們沒有直接經(jīng)驗(yàn)的微觀現(xiàn)象，這表明人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)已經(jīng)深入

19、了一個(gè)層次。物理學(xué)的“危機(jī)”沒有嚇倒大多數(shù)物理學(xué)家，他們繼續(xù)向前探索，于是產(chǎn)生了以量子論和相對(duì)論的建立為標(biāo)志的物理學(xué)革命，物理學(xué)從此開辟了新的天地。（2）經(jīng)典力學(xué)無法解釋高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)，存在著絕對(duì)的靜止和絕對(duì)的時(shí)間。這與人們的一般看法一致。但到了19世紀(jì)，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)。英國(guó)著名物理學(xué)家開爾文在一篇瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的文章中，就曾談到:“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！比欢?，正當(dāng)物理學(xué)界沉浸在滿足的歡樂之中的時(shí)候，從實(shí)驗(yàn)上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)。如固體比熱、黑體

20、輻射、光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)cdots cdots這些新現(xiàn)象都涉及物質(zhì)內(nèi)部的微觀過程，用已經(jīng)建立起來的經(jīng)典理論進(jìn)行解釋顯得無能為力。特別是關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，運(yùn)用經(jīng)典理論得出的瑞利金斯公式，雖然在低頻部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好，但是，隨著頻率的增加，輻射能量單調(diào)地增加，在高頻部分趨于無限大，即在紫色一端發(fā)散。這一情況被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”；對(duì)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)所得出的“零結(jié)果”更是令人費(fèi)解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根本不存在“以太漂移”。這引起了物理學(xué)家的震驚，反映出經(jīng)典物理學(xué)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這兩件事被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的權(quán)威稱為“在物理學(xué)晴朗的天空的遠(yuǎn)處還有兩朵小小的，令人不安的烏云”。然而就是這兩朵

21、小小的烏云，給物理學(xué)帶來了一場(chǎng)深刻的革命。2、相對(duì)論的提出及主要內(nèi)容：（1）提出：1905年剛剛得到博士學(xué)位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)的文章，提出了著名的相對(duì)論，引發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)的另一場(chǎng)革命。愛恩斯坦(18791955)） 生于德國(guó)烏爾姆鎮(zhèn)。1900年畢業(yè)于蘇黎世理工學(xué)院。畢業(yè)后靠臨時(shí)教書維持生活。1902年 6月開始任職于伯爾尼瑞士專利局。1905年在蘇黎世大學(xué)完成學(xué)位論文分子大小的新測(cè)定方法，獲博士學(xué)位。在隨后的幾個(gè)月中又相繼在德國(guó)物理學(xué)雜志上發(fā)表了四篇重要論文。1909年任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授，1911年任布拉格德國(guó)大學(xué)理論物理教授。1912年回母校蘇黎世理工學(xué)院

22、執(zhí)教。1914年任德國(guó)威廉皇家物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。1933年因遭德國(guó)法西斯迫害前往美國(guó)，應(yīng)聘為普林斯頓高級(jí)研究院教授，后入美國(guó)籍。1955年4月18日在普林斯頓逝世。19051907年，愛因斯坦在物理學(xué)的三個(gè)不同領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性的成果。第一項(xiàng)工作是在分子運(yùn)動(dòng)理論方面（1905）。他用力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究懸浮粒子在流體中的運(yùn)動(dòng)，在理論上說明了布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，并從懸浮粒子位移的平均值推算出單位體積中流體的分子數(shù)目。這一理論上的預(yù)見于1908年被法國(guó)物理學(xué)家J.-B.佩蘭的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。愛因斯坦的第二項(xiàng)工作對(duì)發(fā)展量子論起了推動(dòng)作用。他認(rèn)為光束的能量在輻射、傳播和吸收過程中都具有量

23、子性，從而完滿地解釋了光電效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。同時(shí)，他還把量子說同波動(dòng)說并列起來，第一次揭示了光具有“波粒二象性”,為后來L.-V.德布羅意提出物質(zhì)波理論和E.薛定諤發(fā)現(xiàn)波動(dòng)方程以及隨后的量子力學(xué)的建立開辟了道路。為此，愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1906年，他用量子論假設(shè)說明了固體比熱對(duì)溫度的依賴關(guān)系。1916年，他從N.玻爾的量子躍遷概念導(dǎo)出黑體輻射譜，提出了受激輻射概念。作為他終生事業(yè)標(biāo)志的相對(duì)論。1905年，他發(fā)表了題為論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)的論文，建立了狹義相對(duì)論。這一理論把經(jīng)典力學(xué)作為低速時(shí)的特殊情況包括在內(nèi)，揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時(shí)間在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，力學(xué)運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)在運(yùn)

24、動(dòng)學(xué)上的統(tǒng)一性。他還導(dǎo)出相對(duì)論最重要的結(jié)果之一質(zhì)能的相當(dāng)性。1915年，愛因斯坦從引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的等效性出發(fā)，建立了廣義相對(duì)論。1917年，他發(fā)表宇宙學(xué)的開創(chuàng)性文獻(xiàn)根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考察，提出了宇宙有限無邊的假說。愛因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。（2）內(nèi)容：相對(duì)論包含狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論認(rèn)為，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度增大而增加，同時(shí)，空間和時(shí)間也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)的變化而變化，即會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間和時(shí)間的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況，也取決于物質(zhì)本身的分布狀態(tài)。狹義相對(duì)論：1905年6月，愛因斯坦完成題為論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)的論文

25、，提出了狹義相對(duì)論。此后，愛因斯坦又連續(xù)發(fā)表幾篇論文，建立起狹義相對(duì)論的全部框架。愛因斯坦的狹義相對(duì)論是建立在兩個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)之上的。第一個(gè)假設(shè)是相對(duì)性原理，即物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與選擇任何一個(gè)參照系無關(guān)；第二個(gè)假設(shè)是光速不變?cè)?，即?duì)任何一個(gè)參照系而言，光速都是相同的。從兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，愛因斯坦得出如下新的結(jié)論：（1）運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度縮短。（2）運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘要變慢。（3）任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不可能超過光速。（4）同時(shí)性是相對(duì)的，在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的事情，在另一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的慣性系中測(cè)量便不是同時(shí)發(fā)生的。（5）如果物質(zhì)速度比光速小得多，相對(duì)論力學(xué)就變?yōu)榕ｎD力學(xué)，比起牛頓力學(xué)來，相對(duì)論力

26、學(xué)具有更普遍的意義。（6）物體的能量等于物體的慣性質(zhì)量乘以光速的平方。愛因斯坦的狹義相對(duì)論，在我們的日常生活中是很難理解的，因?yàn)槲覀內(nèi)粘＝佑|的都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的運(yùn)動(dòng)，根本無法察覺到愛因斯坦相對(duì)論所描述的相對(duì)論效應(yīng)：長(zhǎng)度變短、時(shí)鐘變慢。但如果接近光速的運(yùn)動(dòng)能變成現(xiàn)實(shí)的話，一個(gè)以這樣速度運(yùn)動(dòng)的人，在另一個(gè)靜止的觀察者看來就可能只是一條線。另外還會(huì)出現(xiàn)這樣的景象：一個(gè)人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去作星際航行。一年后他回來了，發(fā)現(xiàn)兒子已經(jīng)是白發(fā)蒼蒼的老人，而自己還是那樣年輕。中國(guó)古代傳說中的“天上方一日，人間已一年”就可用相對(duì)論得到解釋。廣義相對(duì)論：1915年，愛因斯坦完成了創(chuàng)立廣義相對(duì)論的工作

27、，并于1916年寫成總結(jié)性論文廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。這篇論文的發(fā)表宣告了廣義相對(duì)論的誕生。廣義相對(duì)論實(shí)際上是關(guān)于空間、時(shí)間與萬有引力關(guān)系的理論，它指出空間、時(shí)間不可能離開物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布。狹義相對(duì)論已指出時(shí)間、空間是一個(gè)整體，即四維時(shí)空。廣義相對(duì)論進(jìn)一步指出，物質(zhì)的存在會(huì)使四維時(shí)空發(fā)生彎曲，萬有引力并不是真正的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。如果物質(zhì)消失，時(shí)空就回到平直狀態(tài)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)點(diǎn)在萬有引力作用下的運(yùn)動(dòng)，如地球上的自由落體、行星圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)等，是彎曲時(shí)空中的自由運(yùn)動(dòng)慣性運(yùn)動(dòng)。它們?cè)跁r(shí)空中描出的曲線，雖然不是直線，卻是直線在彎曲時(shí)空中的推廣短程線，即兩點(diǎn)之間的

28、最短線。當(dāng)時(shí)空恢復(fù)平直時(shí)，短程線就成為通常的直線。可以打這樣一個(gè)比方來說明時(shí)空彎曲。假如四個(gè)人各拉緊床單的一個(gè)角，床單這個(gè)二維空間就是平的。放一個(gè)小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會(huì)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變（假設(shè)床單是足夠光滑的，微小的摩擦力忽略不計(jì)）。如果在床單中央放一個(gè)鉛球，床單就會(huì)凹下去，這個(gè)二維空間就彎曲了。這時(shí)，如果再放置一個(gè)小玻璃球，它就會(huì)滾向中央的大球。按照牛頓的觀點(diǎn)，這是由于大球用“萬有引力”吸引小球。按照愛因斯坦的觀點(diǎn)，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是彎曲空間中的自由（慣性）運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，上面這個(gè)比喻，說的只是“空間”彎曲，而廣義相對(duì)

29、論說的則是四維“時(shí)空”的彎曲。太陽的存在使四維時(shí)空彎曲了。行星繞日運(yùn)動(dòng)，就是在彎曲時(shí)空中的慣性運(yùn)動(dòng)，行星軌道是四維時(shí)空中的短程線，根本就不存在什么萬有引力。廣義相對(duì)論指出，在引力場(chǎng)的區(qū)域，空間的性質(zhì)不再服從歐幾里德幾何，而是遵循非歐幾何，并得出結(jié)論：現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)空間不是平直的歐幾里德空間，而是彎曲的黎曼空間（即三角形三個(gè)內(nèi)角之和大于180度、曲率為正的空間），它的彎曲度取決于物質(zhì)在空間的分布情況。物質(zhì)密度大的地方，引力場(chǎng)的強(qiáng)度也大，空間彎得也厲害，時(shí)間也要相應(yīng)地變慢。愛因斯坦為了證明廣義相對(duì)論思想的正確性，他作出了三個(gè)預(yù)言：第一，水星近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。自1859年發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以來，有每百年4

30、3秒的變動(dòng)是用牛頓力學(xué)無法解釋的。曾有人懷疑這是由一顆未發(fā)現(xiàn)的星引起的，但天文觀測(cè)一直沒有發(fā)現(xiàn)這顆星。愛因斯坦廣義相對(duì)論，通過理論計(jì)算說明，太陽引力使空間彎曲，水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)每百年就應(yīng)有43秒的剩余值。第二，光譜線的引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中，光譜應(yīng)向紅端移動(dòng)。這一結(jié)論后來被天文觀測(cè)所證實(shí)。第三，引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)。愛因斯坦預(yù)言，光線經(jīng)過太陽表面，將會(huì)發(fā)生1.75秒的偏轉(zhuǎn)。1919年5月29日發(fā)生日全食，在英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓的建議下，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)組織了兩路觀測(cè)人馬，分赴巴西北部的索布拉爾和西非的普林西比島，拍攝了日全食時(shí)在太陽周圍看到的恒星照片。愛丁頓把這些照片和半年后的夜晚拍攝的天空同一位置的

31、照片進(jìn)行細(xì)致的對(duì)照，最終結(jié)論是，星光在太陽附近的確發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并且數(shù)值與愛因斯坦的預(yù)言極為接近。這結(jié)果一公布，立即轟動(dòng)了世界。人們開始把愛因斯坦與牛頓相提并論?！竞献魈骄俊开M義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的區(qū)別提示：狹義相對(duì)論討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，廣義相對(duì)論則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體和微觀領(lǐng)域。相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題。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

32、和空間的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式，它可以用來計(jì)算核反應(yīng)過程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。而廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測(cè)所證實(shí)。3、意義：（1）相對(duì)論的提出是物理學(xué)思想的一次重大革命，它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空論，從本質(zhì)上修正了由狹隘經(jīng)驗(yàn)建立起來的時(shí)空觀，深刻地揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)屬性。即：揭示了時(shí)空的可變性、時(shí)空變化的聯(lián)系性，樹立了新的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、物質(zhì)觀。這一理論被后人譽(yù)為20世紀(jì)人類思想史上最偉大的成就之一。（2）愛因斯坦的相對(duì)論也發(fā)展了牛頓力學(xué)，將牛頓力學(xué)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)

33、新的高度。三、量子論的誕生與發(fā)展：1、誕生的背景：（1）19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電子和放射性的發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，使人們對(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，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不能用通常的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述。量子論在這種背景下誕生。2、量子論的誕生、發(fā)展和量子力學(xué)：（1）誕生：1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出量子假說，宣告了量子論的誕生。普朗克（1858.4.23.1947.10.3）德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。普朗克在慕尼黑度過了少年時(shí)期，1874年入慕尼黑大學(xué)。1879年普朗克在慕尼黑大學(xué)得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和

34、基爾大學(xué)任教。1888年基爾霍夫逝世后，柏林大學(xué)任命他為基爾霍夫的繼任人（先任副教授，1892年后任教授）和理論物理學(xué)研究所主任。他一生發(fā)表了215篇研究論文和7部著作，其中包括1959年所著的物理學(xué)中的哲學(xué)一書。在普朗克誕辰80周年的慶祝會(huì)上，人們“贈(zèng)給”他一個(gè)小行星，并命名為“普朗克行星”。普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量

35、單位稱為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（2）發(fā)展：愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應(yīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質(zhì)，進(jìn)一步推動(dòng)了量子論的發(fā)展。丹麥物理學(xué)家玻爾把量子論用于原子結(jié)構(gòu)的研究，創(chuàng)立了原子結(jié)構(gòu)的理論。經(jīng)過這些科學(xué)家的共同努力，到1925年左右量子力學(xué)最終建立。量子力學(xué)是研究微觀世界粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。量子力學(xué)(Quantum Mechanics)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對(duì)粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時(shí)間的復(fù)函數(shù)。為了描寫微觀粒子