物理學與人類文明16講課程計劃

1、17/17物理學與人類文明16講課程計劃課程名稱：文科物理；物理學發(fā)展史；物理學與人類文明課程代碼：待填寫主講教材：物理學與人類文明十六講學時： ，或 （教師可選講本書部分內(nèi)容，授課時間可選擇在3248學時之間，未講部分讓學生自由選讀）學分：2學分任課教師：待填寫預修課程：高中物理和高中數(shù)學課程性質(zhì)：選修，本課可作為文科學生的物理教材，或作為文、理科各專業(yè)學生的素質(zhì)教育教材，也可作為物理專業(yè)學生和研究生的物理學史教材。教學目的：使學生定性掌握物理學的一些主要知識和研究問題的方法，了解物理學發(fā)展中一些重大的事件和當前的科研前沿；了解物理學與人類文明之間的關系。基本內(nèi)容：（1）較系統(tǒng)地介紹物理學的

2、一些基本知識，研究問題的方法，使學生了解自然科學的思維方法。（2）講授“活的物理學史”，重點介紹歷史上一些重大物理發(fā)現(xiàn)的曲折過程，若干最重要的物理學家的成長和科研經(jīng)歷，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，創(chuàng)新思維和研究方法。（3）把物理學放進人類文明的發(fā)展中去講授，文理交融，使學生能得到較為全面的文化知識，提高學生的學習興趣。同時，學習偉大物理學家的正直、勤奮精神。（4）介紹當代物理學的研究前沿，以及對一些基本問題的哲學思考和科學探索?；疽螅毫私馕锢韺W的一些最基本知識，前沿課題。了解物理學的思考方式和研究方法。從“活的物理學史”中體會創(chuàng)新精神、創(chuàng)新方法。引導學生把自己的自然科學知識和社會科學知識進行交融

3、，作全面發(fā)展的新人。使學生進一步認識歷史上中華民族對人類文明的貢獻，看清當代中國青年的歷史使命。教學方式：（1）課堂講授（配合多媒體教學）為主，學生自學閱讀為輔。 （2）可只選講本書的部分內(nèi)容，其余讓學生自由閱讀不作要求。 （3）可不按書的順序講，先講一些當代科學前沿、易于吸引學生興趣的內(nèi)容。例如，可按第七，第九，第十，第三，第四，第八，第十二，第十三，第十四，第十五，第一，第二講的順序講授，其余第五、第六、第十一、第十六講可讓學生選讀。 （4）本課應給教師較大的自由教學空間，每個教師知識背景不同，教學時數(shù)也不同，教師可結合自己的實際情況選講本書部分章節(jié)。逐漸摸索適合自己的教學方式?？己朔绞剑?/p>

4、開卷考或撰寫學習體會，或二者結合。教學內(nèi)容教學基本要求授課注意第一講 文明的曙光1.1文明的起源1.2海洋文明1.3大河文明1.4美洲文明1.5文明的演進1.6交流與繁榮簡述宇宙的誕生、演化；地球的誕生；生命的起源和進化；人類的起源；人類文明的誕生（1.1）介紹西方的海洋文明，環(huán)地中海地區(qū)文明（包括古代印度）的發(fā)展，著名的古代遺跡和考古發(fā)現(xiàn)（1.2）介紹東方的大河文明，黃河、長江、遼河流域的文明發(fā)展，考古發(fā)現(xiàn)（1.3）介紹美洲文明（1.4）東西方文明的交流和進一步發(fā)展（1.5，1.6）（1）把人類歷史放到宇宙的演化過程中去講，使學生了解人類在自然界的位置。（2）通常的歷史教學，講中國史時不涉及

5、世界史（特別是不講以歐洲為代表的西方），講世界史時又忽略中國史。把東西方歷史割裂開來。本課程希望把東、西方歷史作為一個整體介紹給學生，把“中國”的發(fā)展放進“世界”的發(fā)展中去介紹，幫助學生樹立全面、完整的歷史觀，認識中華民族偉大的過去，曾經(jīng)對人類文明作出過的偉大貢獻，看清當代中國青年的歷史使命。（3）介紹歷史研究、考古發(fā)現(xiàn)的過程使學生了解人類如何逐步認識自己的“童年”。通過這些“過程”的介紹，也通過有趣而真實的歷史過程激發(fā)學生的學習興趣，讓他們在潛移默化中樹立“創(chuàng)新”思想，提高“創(chuàng)新”能力。第二講 遠古的輝煌2.1地球與中心火2.2蘇格拉底、柏拉圖與亞歷士多德2.3亞歷山大科學院2.4歐幾里得與

6、幾何學2.5阿基米德、杠桿原理與浮力定律2.6希臘文明的衰落與東移第三講 科學的誕生3.1地心說3.2地理大發(fā)現(xiàn)3.3文藝復興與宗教改革3.4哥白尼與日心說3.5布魯諾與無限的宇宙3.6望遠鏡與土星的光環(huán)3.7伽利略的“認罪”聲明3.8第谷的精密觀測3.9開普勒與正多面體宇宙3.10行星運動定律介紹古希臘的輝煌思想和文明。畢達哥拉斯，蘇格拉底，柏拉圖，亞里士多德。（2.1，2.2）.介紹古希臘繁榮的自然科學。亞歷山大科學院，歐幾里德與幾何學，阿基米德與物理學（2.3，2.4，2.5）。介紹在封建專制和宗教迫害下古希臘文明的衰落和東移（2.6）古人的宇宙觀，地心說的建立與發(fā)展（3.1）。日心說建

7、立之前的思想解放：地理大發(fā)現(xiàn)，文藝復興，宗教改革（3.2，3.3）.日心說的建立，哥白尼與布魯諾的貢獻（3.4，3.5）.伽利略與開普勒對天文學的貢獻（3.6，3.73.8，3.9，3.10）.（1）使學生了解在專制的封建社會（黑暗的中世紀）之前，人類曾經(jīng)有過一個思想活躍科學輝煌的時期（2）以有趣而符合史實的故事介紹古希臘的偉大思想家及其成就，介紹亞歷山大科學院與圖書館對人類文明的貢獻，培養(yǎng)學生求知的興趣和“創(chuàng)新”思想。（3）通過“科學院”等學術機構的覆滅和古希臘文明的衰落，了解封建社會和宗教對思想和科學的壓制。（4）了解古代阿拉伯世界也曾有過一個科學繁榮、文明輝煌的時期，使學生更好理解今天的

8、世界格局，特別是中東問題。（1）把日心說的建立放在人類思想大解放的潮流中去介紹，注意介紹有趣的地理大發(fā)現(xiàn)過程，文藝復興與宗教改革運動。（2）注意介紹中國的四大發(fā)明對歐洲啟蒙運動的重大貢獻。印刷術與造紙術使得新思想、新科學、新發(fā)現(xiàn)得以廣泛而迅速地傳播，從而促成了文藝復興、宗教改革以及日心說的創(chuàng)立與傳播。 指南針促進了航海業(yè)的發(fā)展，為新大陸的發(fā)現(xiàn)和環(huán)球航行做了重要的技術準備，同時大大促進了東西方的文化、技術交流。 火藥促進了化學的發(fā)展和軍事技術、軍事思想的大改革。（3）可以反思的問題是，鄭和下西洋為何未能促進中國社會的變革，而幾十年后規(guī)模小得多的西方船隊卻完成了地理大發(fā)現(xiàn)和社會大改革？（4）從哥白

9、尼、布魯諾、伽利略所受的迫害，進一步認識歷史上宗教對自由思想和自然科學的壓制與束縛。（5）通過伽利略與開普勒的科學生涯，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意志。第四講 物理的初創(chuàng)4.1自由落體定律4.2慣性定律4.3相對性原理4.4上帝說：“讓牛頓去吧”4.5經(jīng)典物理學的“圣經(jīng)”4.6牛頓與蘋果落地的故事4.7萬有引力定律4.8伏爾泰與思想啟蒙4.9這片空間會荒廢嗎？4.10走下神壇的牛頓介紹物理學中帶有根本重要性的三條公理：慣性定律；相對性原理；自由落體定律（4.1，4.2，4.3）。.牛頓建立經(jīng)典物理學的大廈：絕對時空觀，力學三定律（4.4，4.5）。.萬有引力定律的建立（4.6，4.7，

10、4.8）.簡介玻特定則（4.9）.牛頓的成長，成就與缺點（4.10）.（1）介紹伽利略對物理學的重大貢獻。 A.使物理學成為一門實驗與測量的科學。這是人類文明史中第一門真正的“科學”?？茖W的最大特點就是建立在“實驗”與“測量”的基礎之上。凡是不能“測量”,不能用“實驗”檢驗的“學問”，都不算是科學。 B.正確闡述了三條帶有根本性的重要公理：自由落體定律，慣性定律和相對性原理。在一般物理課程中，承認慣性定律與相對性原理屬于基本公理，但“落體定律”只是作為勻加速直線運動的一個例子。在建立廣義相對論時，愛因斯坦認識到它的意義遠不止于此，它是廣義相對論的基礎，對人類時空觀的改變有重大影響（詳見第八講）

11、。（2）全面介紹牛頓對物理學、天文學和數(shù)學的重大貢獻：絕對時空觀，力學三定律，萬有引力定律，微積分，光的微粒說等。（3）通過牛頓的成長過程和科學發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與能力。（4）全面認識牛頓，他非常偉大，但他是人不是神。（5）通過玻特定則啟發(fā)學生對科學的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。（6）通過伏爾泰對人文科學和自然科學進行交叉介紹，激發(fā)學生的學習興趣。第五講 熱學與統(tǒng)計5.1歷史的火車頭5.2熱的本質(zhì)是運動5.3第一定律：能量守恒5.4第二定律：不可逆性與時間箭頭5.5第三定律：絕對零度不可抵達5.6第零定律：熱平衡的傳遞性5.7玻爾茲曼與統(tǒng)計力學5.8麥克斯韋妖與信息熵5.9普里高津與耗散結構

12、介紹法國大革命對科學的促進和消極影響（5.1）. 介紹熱力學的四條基本定律（5.2，5.3，5.4，5.5，5.6）.介紹統(tǒng)計物理的基本思想（5.7）.簡介信息熵（5.8）.簡介非平衡統(tǒng)計（5.9）.介紹革命對科學和文明的促進，以及革命過熱時產(chǎn)生的消極影響（拉瓦希的遭遇）如何戰(zhàn)勝“熱質(zhì)說”，怎樣認識到熱是一種“運動”。從熱力學四條基本定律建立的曲折過程，使學生認識科學發(fā)展的曲折過程。熱力學定律的內(nèi)容，“永動機”之不可能。第一定律能量守恒第一類永動機被否定。第二定律時間箭頭（熵增加）第二類永動機被否定。第三定律絕對零度不可抵達。第零定律熱平衡具有傳遞性。（5）介紹一般人不了解的“負溫度”概念。（

13、6）簡介信息熵，信息熵建立起熱力學與信息論之間的橋梁。（7）介紹對非平衡統(tǒng)計的探索。普里高津與耗散結構。第六講 認識電與光6.1光的微粒說壓倒波動說6.2光的波動說戰(zhàn)勝微粒說6.3光速的測量與約定6.4法拉第與電磁感應6.5麥克斯韋與電磁理論6.6波粒二象性6.7激光介紹光的微粒說與波動說的建立與斗爭（6.1，6.2）。介紹光速的測量與“約定論”（6.3）。簡介電磁學實驗規(guī)律與理論的建立（6.4，6.5）。簡介波粒二象性（6.6）。簡介激光（6.7）。（1）通過光的微粒說與波動說的爭論，認識科學發(fā)展的曲折經(jīng)歷，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。（2）讓學生知道在現(xiàn)代物理學中光速是一個“約定”，也就是說，“光

14、速均勻各向同性而且是一個常數(shù)”是一條公理。（3）從法拉第和麥克斯韋對電磁學的貢獻，使學生認識到“卑賤者最聰明”的道理，激發(fā)學生的奮斗精神。（4）簡介英國皇家學會的建立過程（見6.1）。（5）初步介紹光的波粒二象性這一有趣結論，引發(fā)學生對科學的興趣。（6）簡單介紹激光的特點及愛因斯坦的貢獻。第七講 走近相對論7.1兩朵烏云7.2愛因斯坦的學校生涯7.3愛因斯坦的豐收年7.4光行差現(xiàn)象7.5邁克耳孫實驗7.6洛倫茲收縮與洛侖茲變換7.7突破絕對時空觀7.8同時的相對性7.9動尺收縮與動鐘變慢7.10雙生子佯謬7.11質(zhì)能關系與質(zhì)量公式7.12四維時空7.13相對性原理與光速的絕對性7.14相對論的

15、困難介紹物理學革命的前夜與量子論的誕生（7.1）。愛因斯坦的成長與科學成就（7.2，7.3）。相對論誕生前夜的科學探索（7.4，7.5，7.6）。相對論創(chuàng)立的關鍵點（7.7，7.8，7.13）。相對論的主要結論（7.9，7.10，7.11，7.12）相對論的困難（7.14）。（1）從愛因斯坦的成長過程可以看出，教師不應過分強調(diào)學生考第一，不應過分偏愛優(yōu)等生，而應平等關愛、鼓勵所有的學生。（2）相對論建立在“相對性原理”和“光速絕對性”（即“光速不變原理”）的基礎之上。認識到“光速絕對性”遠比堅持“相對性原理”困難，所以建立相對論過程中，最關鍵的思想突破在于認識到光速的絕對性。如果既要堅持光速的

16、絕對性，又要堅持相對性原理，就必須放棄“同時”的絕對性，即必須認為“同時”是一個相對的概念，相互作勻速直線運動的兩個參考系中的觀測者，對兩個事件是否同時發(fā)生，有不同的認識。（3）抓住“同時的相對性”就可以容易地解釋動尺收縮、動鐘變慢等各種相對論效應。（4）在講解“同時相對性”、“動鐘變慢”、“動尺收縮”等效應時，最好使用書上的公式，這些公式只涉及人人皆知的初等數(shù)學，最難不超過開根號，中學生都知道。用公式比不用公式更容易講清楚。（5）是所有學生都會產(chǎn)生興趣的公式。教師應正確解釋它。這個公式不是說“能量可以轉化為質(zhì)量，質(zhì)量可以轉化為能量”，而是說“能量”與“質(zhì)量”是同一個東西，是同一事物的兩種表現(xiàn)

17、形式。凡是有質(zhì)量的東西均蘊藏著能量，反之，任何一種能量均具有質(zhì)量。(6)雙生子佯謬是真實的物理效應，但比較容易產(chǎn)生混亂。最好用書上的講解方法（圖7-11所示的幾何方法）解釋。第八章 彎曲的時空8.1平行線只有一條嗎？8.2慣性的起源與等效原理8.3萬有引力是時空彎曲的表現(xiàn)8.4廣義相對論的實驗驗證8.5引力波與引力透鏡8.6偉人與凡人簡介黎曼幾何（8.1）。介紹馬赫原理與等效原理（8.2）。介紹引力是時空彎曲效應（8.3）。介紹廣義相對論的三個主要實驗驗證（8.4）。簡介引力波和引力透鏡（8.5）。介紹愛因斯坦的后半生（8.6）。（1）用球面簡介黎曼幾何。通過黎曼幾何建立的曲折過程，培養(yǎng)學生的

18、創(chuàng)新精神與能力，激發(fā)學生的學習興趣。（2）弄清楚等效原理是“局域”的原理，只在四維時空中一點的鄰域成立。在實驗上，只要有兩個點，就可以區(qū)分引力與慣性力。（3）從馬赫思想對愛因斯坦建立相對論的啟發(fā)，了解科研的曲折性、多樣性。（4）廣義相對論的基礎是等效原理。馬赫的思想對狹義與廣義相對論的建立都有過啟發(fā)作用，但它不是一條成熟的科學原理。（5）用形象的方法（例如床單）介紹時空的彎曲。（6）引力波尚未發(fā)現(xiàn)，是當前廣義相對論研究的熱點。（7）全面評價愛因斯坦一生的成就。他是人不是神。他主要從正面，有時也從反面促進科學的發(fā)展。第九講 原子與核能9.1周期律9.2放射性9.3原子模型9.4電子自旋與泡利不相

19、容原理9.5中子的發(fā)現(xiàn)9.6裂變與鏈式反應9.7原子彈與反應堆9.8聚變與熱核反應9.9中國打破核壟斷9.10核能的和平利用介紹元素周期律與放射性的發(fā)現(xiàn)（9.1，9.2）。介紹原子模型（9.3，9.4）。介紹原子核反應（9.5，9.6）。介紹核武器的研制（9.7，9.8，9.9）。介紹原子能的和平利用（9.10）。（1）第九講在介紹原子與核能知識的同時大力介紹了科學家的刻苦鉆 研精神，創(chuàng)新精神，正義感和愛國精神。（2）通過周期律與放射性的發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與能力。（3）居里一家對科學的貢獻，創(chuàng)新精神與能力，對正義事業(yè)和被壓迫民族的同情與支持，為青年人樹立了光輝的榜樣。（4）

20、介紹原子能研究的幾個重大發(fā)展：放射性的發(fā)現(xiàn)，中子的發(fā)現(xiàn)，裂變的發(fā)現(xiàn)，鏈式反應的發(fā)現(xiàn)，聚變理論的發(fā)現(xiàn)。（5）通過我國核武器的研究介紹中國科學家的愛國精神和奮斗精神，他們是中國青年的榜樣。（6）展望原子能應用的未來。第十講 量子的世界10.1海森堡與矩陣力學10.2薛定諤與波動力學10.3最初的論戰(zhàn)10.4測不準關系10.5能量量子化、勢壘貫穿10.6態(tài)迭加原理與測量10.7薛定諤貓10.8 EPR佯謬、隱變量與貝爾不等式介紹海森堡的成長與矩陣力學的建立（10.1）。介紹薛定諤與波動力學的建立（10.2）。介紹哥本哈根學派對量子力學的幾率解釋（10.4，10.5，10.6）。介紹量子力學在論戰(zhàn)中發(fā)

21、展（10.3，10.7，10.8）。（1）介紹有趣的幾率解釋，干涉條紋，迭加原理，勢壘貫穿。解釋波粒二象性。（2）介紹“薛定諤貓”疑難。（3）通過量子力學本質(zhì)的論戰(zhàn)，認識科學發(fā)展的曲折性，培養(yǎng)學生的學習興趣和不迷信權威的創(chuàng)新精神。（4）通過海森堡的成長看青年人應如何進入科研。（5）通過薛定諤的成就看一個科學家的治學精神與方法。（6）從玻爾的作風看科學家的品質(zhì)與科研方法。第十一講 粒子與對稱11.1強作用與弱作用11.2真空不空11.3反物質(zhì)的預言與發(fā)現(xiàn)11.4費曼圖與路徑積分11.5李、楊動搖宇稱守恒11.6對稱性與守恒律11.7補償效應與規(guī)范場11.8基本粒子與夸克模型11.9弱電統(tǒng)一與色動

22、力學11.10標準模型與基本規(guī)律簡介對強、弱相互作用的初期認識，湯川模型。（11.1）。介紹狄拉克真空，反物質(zhì)。（11.2，11.3）。選講費曼圖與路徑積分（11.4）。介紹李、楊推翻宇稱守恒定律（11.5）。從對稱性探索相互作用規(guī)律，魏耳、楊振寧的規(guī)范場論（11.611.7）。簡介基本粒子模型（11.8）。簡介弱電統(tǒng)一與色動力學（11.9）。簡介標準模型（11.10）。（1）重點介紹以下幾個模型和規(guī)律 A湯川的交換力模型。 B狄拉克真空與正電子的發(fā)現(xiàn)。 C物理學中的一個重要規(guī)律：對稱性與守恒率的關系。 D物理學中的另一個重要規(guī)律：局域對稱性與規(guī)范場。（2）介紹楊振寧與李政道對物理學的重大貢獻

23、 A規(guī)范場論。 B推翻宇稱守恒。（3）介紹粒子物理研究的現(xiàn)狀， A夸克模型 B弱電統(tǒng)一模型，色動力學，大統(tǒng)一的標準模型。（4）介紹費曼的為人和成就。第十二講 恒星的演化 12.1赫羅圖12.2恒星的演化12.3白矮星12.4脈沖星和超新星爆發(fā)12.5中子星12.6黑洞的形成1. 介紹恒星演化的歷程（12.1，12.2）。2. 介紹白矮星（12.3）。3. 介紹超新星與中子星（12.4，12.5）。4.介紹黑洞的形成（12.6）。（1）介紹恒星的形成和演化途徑，解釋赫羅圖。（2）介紹白矮星的結構，錢德拉塞卡極限。通過錢德拉賽卡的經(jīng)歷認識科學探索的曲折性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。可介紹蘇東坡的詩詞和家

24、庭。（3）介紹超新星爆發(fā)的物理實質(zhì)，歷史上的超新星記錄，中國古代的貢獻。我們的太陽會否發(fā)生“超新星爆發(fā)”？（4）介紹脈沖星發(fā)現(xiàn)的過程。從脈沖星發(fā)現(xiàn)過程看一個科學家應有的科研道德。（5）介紹中子星的結構和奧本海默極限。（6）介紹黑洞的形成過程。第十三講黑洞的啟示13.1歷史上的黑洞13.2球對稱黑洞13.3轉動的黑洞13.4激發(fā)的黑洞13.5黑洞熱力學13.6霍金輻射13.7不等價的真空13.8信息疑難13.9堅強的天才簡介相對論建立之前對黑洞的預言（13.1）。介紹黑洞的幾何結構和經(jīng)典性質(zhì)（13.2，13.3）。介紹黑洞的量子性質(zhì)，霍金輻射與黑洞熱力學（13.4，13.5，13.6）。介紹安魯

25、效應（13.7）。簡介黑洞的信息疑難（13.8）。介紹霍金的成長與成就（13.9）。（1）重點介紹黑洞的幾何結構，視界，奇點，無毛定理。（2）重點介紹霍金輻射和黑洞熱力學四定律。（3）介紹平直時空的安魯效應，各慣性系的真空相互等價，但非慣性系（如勻加速系）與慣性系真空不等價。（4）關于信息是否守恒的爭論。（5）通過霍金、貝肯斯坦、安魯?shù)某删团囵B(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與能力。第十四講 遼闊的星空14.1太陽、地球與月球14.2八顆行星14.3小行星與彗星14.4銀河系14.5星空巡禮14.6河外星系，紅移與哈勃定律14.7類星體14.8活動星系核與噴流介紹太陽系（14.1，14.2，14.3）。2.簡介

26、四季的星空（14.5）。介紹銀河系，河外星系（14.4，14.6）。介紹宇宙學紅移，哈勃定律（14.6）。簡介類星體、活動星系核與噴流（14.7，14.8）。(1)本講目的是讓學生學到一點天文學知識，這是我國基礎教育所欠缺的。（2）讓學生對八顆行星有一定了解。特別是表面類似月球的水星，可能存在生命的火星與金星，土星及其光環(huán)，木星的大紅斑。（3）小行星的發(fā)現(xiàn)，提丟斯玻特定則。彗星的形成。小行星與彗星對地球的撞擊。（4）認識幾顆著名的恒星和幾個著名的星座，例如天狼星，獵戶星座，北極星，大熊星座。知道雙星與聚星。（5）了解銀河系與河外星系。（6）知道哈勃定律。（7）知道類星體與星系噴流。第十五講 演化的宇宙15.1均勻的宇宙15.2有限無邊的宇宙15.3膨脹的宇宙15.4火球模型15.5早期宇宙15.6宇宙有限還是無限15.7暗物質(zhì)與暗能量15.8連接宇宙的蟲洞15.9對時空隧道的物理要求15.10穿越時間的可行性均勻的宇宙，宇宙學原理（15.1）。愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型(15.2).膨脹的宇宙（15.3，15.4）。宇宙的極早期（15.5）。宇宙的三種可能演化（15.6）。暗物質(zhì)與暗能量（15.7）。時空隧道與時