【2022教學參考】歷史材料與解析：人教版歷史必修3-第11課物理學的重大進展-

第11課物理學的重大進展

經(jīng)典力學

1．伽利略對物理學的貢獻

〔材料一〕外力是轉(zhuǎn)變物體運動狀態(tài)的緣由：

一個運動的物體假如有了某種速度以后，只要沒有增加或減小速度的外部緣由，便會始終保持這種速度──這個條件只有在水平的平面上才有可能，由于假如在沿斜面運動的狀況里，朝下運動則已經(jīng)有了減速的起因。由此可知，只有水平的平面上的運動才是不變的，運動既不會減小或減弱，更不會毀滅。

──伽利略《關(guān)于兩門新科學的對話》

〔材料二〕加速度概念的確定：

正如勻速運動被解釋為相等時間中保持相等的速度，所以我們也可以用類似的方法，設(shè)想在一段相等的時間中，速度的增加并不會簡潔，這樣我們可以認為速度是平衡的、連續(xù)的變化著，在任意相等的時間間隔中，速度的增加總是確定的。

──伽利略《關(guān)于兩門新科學的對話》

【解讀】《關(guān)于兩門新科學的對話》是伽利略關(guān)于自然運動科學和材料強度科學的一部重要著作，為物理學的進展作出卓越的貢獻。

伽利略對于力學的爭辯，在他的科學活動中占有極為重要的地位，他所建立的擺的定律、慣性定律、落體運動定律，以及對拋體運動的爭辯和他提出的相對性原理，奠定了動力學的重要基礎(chǔ)。以后經(jīng)牛頓的進展完善，建立了現(xiàn)代經(jīng)典力學的系統(tǒng)理論。

2．伽利略捍衛(wèi)進展哥白尼的日心說

〔材料〕薩：假如世界的中心確是全部天層以及星體（即行星）環(huán)繞運行的中心點，那就完全可以確定，處于宇宙中心的是太陽，而不是地球。因此，作為第一個普遍概念而言，中心的地點就是太陽的地點，而地球離開中心的距離就是它離開太陽的距離。

辛：你是怎樣引申出行星環(huán)繞的中心是太陽而不是地球呢？

薩：這是依據(jù)最明顯，因而也是最具有說服力的很多觀看而引申出來的。在這些把地球從中心排解出去，而把太陽放在中心的觀看中，一個最的確牢靠的觀看是，我們發(fā)覺全部的行星在某一個時候靠近地球，而在另一個時候又距地球較遠。

──《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》

【解讀】《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》一書，是伽利略天文學爭辯成果總集。在天文學方面，伽利略的貢獻是極其巨大的。他的宇宙觀的核心是維護和堅持、進展了哥白尼學說。他的日心說觀點是完全建立在對天文的長期觀測所獲得的大量新發(fā)覺的牢靠事實基礎(chǔ)之上的。

3．伽利略的科學爭辯方法

〔材料一〕哲學被寫在宇宙這本大書中，正一頁一頁的為我們開放。但我們只有先學懂它的語言，生疏組成語言的字母，才能讀懂這本書。這本書是用數(shù)學的語言寫成的，它的字母就是三角形、圓和其他幾何圖形，沒有這些字母，人類就不能懂得書里的任何一個單詞：沒有這些字母，人類只能迷失在黑暗的迷宮中。

──《伽利略的發(fā)覺與見解》轉(zhuǎn)引自S．德雷克著唐云江譯《伽利略》

〔材料二〕拋射體45度時射程最遠

僅用數(shù)學便得到如此嚴格的證明，這使我心中布滿又驚又喜的感覺。……大炮和破擊炮轟擊時，最大射程（即炮彈放射的最遠距離），是在仰角45度時獲得的……但是要理解為什么發(fā)生這種狀況，這比從別人那里得到證據(jù)甚至反復(fù)試驗得到的證據(jù)重要的多……通過探究緣由而達到對某一效應(yīng)的理解會使人頓開茅塞，從而使理解和確證其他事實無須再借助試驗，目前的例子恰好證明白這一點……

──伽利略《關(guān)于兩門新科學的對話》

〔材料三〕伽利略的發(fā)覺以及他所應(yīng)用的科學的推理方法是人類思想史上最宏大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。

──英費爾德《物理學的進化》

〔材料四〕意大利始終是古典學術(shù)復(fù)興的舞臺。也是在意大利，伽利略和他的追隨者為近代科學奠定了基礎(chǔ)。

──沃爾夫《16、17世紀科學、技術(shù)和哲學史》

【解讀】伽利略是近代科學史上劃時代的人物。他對近代科學的主要貢獻表現(xiàn)在三個方面：一是奠定了經(jīng)典力學的基礎(chǔ)；二是捍衛(wèi)和進展了哥白尼的日心說；三是創(chuàng)立了試驗與數(shù)學相結(jié)合的科學爭辯方法。

在觀看試驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過推理和計算對現(xiàn)象提出假定性的說明和描述，并用數(shù)學公式表示出來，然后再用試驗方法去考核推理的結(jié)果是否正確。這是近代科學爭辯的一般程序和經(jīng)典方法。伽利略是這種科學爭辯方法和傳統(tǒng)的奠基人。這種爭辯方法既推動了經(jīng)典力學的進展，也推動了數(shù)學的進展。人們稱伽利略是近代試驗科學之父，近代科學方法的奠基人。

4．牛頓對物理學基本概念的定義

〔材料〕定義1物質(zhì)的量是物質(zhì)的度量，可由其密度和體積共同求出。

定義2運動的量是運動的度量，可由速度和物質(zhì)的量共同求出。

定義3物質(zhì)固有的力，是一種起抵制作用的力，它存在于每一物體當中，大小與該物體相當，并使其保持現(xiàn)有的狀態(tài)，或是靜止，或是勻速直線運動。

定義4外力是一種對物體的推動作用，使其轉(zhuǎn)變靜止的或勻速直線運動的狀態(tài)。

定義5向心力使物體受到指向一個中心點的吸引，或推斥任何傾向于該點的作用。

定義6以向心力的確定度量量度向心力，它正比于中心導(dǎo)致向心力產(chǎn)生并通過四周空間傳遞的作用源的性能。

定義7以向心力的加速度度量量度向心力，它正比于向心力在給定時間里所產(chǎn)生的速度部分。

定義8以向心力的運動度量量度向心力，它正比于向心力在給定時間里所產(chǎn)生的運動部分。

──牛頓《自然哲學之數(shù)學原理》

【解讀】《自然哲學之數(shù)學原理》一書，是牛頓經(jīng)典力學爭辯成果匯編。這部重要著作被稱為17世紀物理科學的百科全書。

《自然哲學之數(shù)學原理》由四部分組成：

前言：說明白爭辯理論物理的目的和方法。他指出：從物理的全部任務(wù)看來就在于從各種運動的現(xiàn)象來爭辯各種自然力，然后再用這些力去論證其他現(xiàn)象。

第一、二編定義并分析了質(zhì)量、動量、慣性、力、向心力、時間、空間等一系列奠定力學基礎(chǔ)的概念，提出了嚴謹?shù)奶祗w力學理論，爭辯了物體在有阻力的介質(zhì)中的運動問題，敘述了牛頓力學三條基本運動定律和萬有引力定律，以及流體動力學的有關(guān)定律。第三編運用前兩編推導(dǎo)出的運動定律來解釋自然界的實際問題，如月球的運動、潮汐、二分點的歲差和彗星的運動等。

5．經(jīng)典力學理論

〔材料一〕牛頓物體運動三大定律

定律1每個物體都保持其靜止，或勻速直線運動的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它轉(zhuǎn)變那種狀態(tài)。

定律2運動的變化正比于外力，變化的方向沿外力作用的直線方向。

定律3每一種作用都有一個相等的反作用，或者，兩個物體間的相互作用總是相等的，而且指向相反。

──牛頓《自然哲學之數(shù)學原理》

〔材料二〕萬有引力定律

命題76假如若干球體（就其物質(zhì)密度和吸引力而言）相互間由其中心到表面的同類比值完全不相像，但各球在其到中心給定距離處是相像的，而且各點的吸引力隨其到被吸引物體的距離的平方而減??；則這些球體中的一個吸引其他球體的全部的力反比于球心距離的平方。

推論3一個球相對于另一個球的運動吸引，或二者見的相對重量，在相同的球心距離處，共同正比于吸引的與被吸引的球，即正比于這兩個球的乘積。

推理4在不同的距離處，正比于該乘積，反比于二球心距離的平方。

──牛頓《自然哲學之數(shù)學原理》

【解讀】經(jīng)典力學理論體系由牛頓力學三大運動定律和萬有引力定律組成。

牛頓第確定律即慣性定律，是繼承和進展了伽利略的成果。伽利略依據(jù)斜面試驗發(fā)覺了水平方向的慣性運動。牛頓把它擴大到任意方向。任何物體沒有外力作用，將永久保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。

牛頓其次定律也是繼承和進展了伽利略的工作。伽利略訂正了亞里士多德力與速度有關(guān)的傳統(tǒng)觀念，指出力不是同速度有關(guān)而是與加速度有關(guān)。牛頓進一步指出，力與加速度和質(zhì)量的乘積有關(guān)。牛頓在爭辯碰撞與動量問題的基礎(chǔ)上，又總結(jié)出運動第三運動定律，即作用與反作用定律。

牛頓力學三大定律深刻揭示了機械運動的普遍規(guī)律，萬有引力定律則把天體的運動和地球上物體的運動聯(lián)系起來了，最終完成經(jīng)典力學理論體系。

6．牛頓提出哲學中的推理規(guī)章

〔材料〕規(guī)章1尋求自然事物的緣由，不得超出真實和足以解釋其現(xiàn)象者。

因此對于相同的自然現(xiàn)象，必需盡可能地尋求相同的緣由。

物體的特征，若其程度既不能增加也不能削減，且在試驗所及范圍內(nèi)為全部物體所共有；則應(yīng)視為一切物體的普遍屬性。

在試驗哲學中，我們必需將由現(xiàn)象所歸納出的命題視為完全正確的或基本正確的，而不管想象所可能得到的與之相反的種種假說，直到毀滅了其他的或可排解這些命題，或可使之變得更加精確的現(xiàn)象之時。

──牛頓《自然哲學之數(shù)學原理》

【解讀】牛頓的《自然哲學之數(shù)學原理》不僅是一本劃時代的科學著作，它在科學方法上也有重要意義。

牛頓進展了從閱歷事實概括為自然科學原理的方法。

牛頓指出，在自然科學里，應(yīng)當像在數(shù)學里一樣，在爭辯困難的時候，總是應(yīng)當先用分析的方法，然后接受綜合的方法。這種分析包括做試驗和觀看，用歸納法從中做出普遍結(jié)論，并且不使這些結(jié)論遭到異議，除非這些異議來自試驗或其他牢靠的真理方面。用這樣的分析方法，我們就可以從復(fù)合物論證到它們的成分，從運動到產(chǎn)生運動的力，一般地說，從結(jié)果到緣由，從特殊緣由到普遍緣由，始終論證到最普遍的緣由為止，這就是分析的方法；而綜合的方法則假定緣由已經(jīng)找到，并且把它們立為原理，再由這些原理去解釋由它們發(fā)生的現(xiàn)象，并證明這些解釋的正確性。

相對論的創(chuàng)立

1．愛因斯坦提出狹義相對論

〔材料一〕確定靜止這概念，不僅在力學中，而且在電動力學中也不符合現(xiàn)象的特性，倒是應(yīng)當認為，凡是對力學方程適用的一切坐標系，對于上述電動力學和光學的定律也一樣適用，對于第一級微量來說，這是已經(jīng)證明白的。我們要把這個猜想（它的內(nèi)容以后就稱之為“相對性原理”）提升為公設(shè)，并且還要引進另一條在表面上看來和它不相容的公設(shè)：光在空虛空間里總是以一確定的速度V傳播著，這速度與放射體的運動狀態(tài)無關(guān)。由這兩條公設(shè)，依據(jù)靜體的麥克斯韋理論，就可以得到一個簡潔而又不自相沖突的動體電動力學。

──愛因斯坦《論動體的電動力學》

〔材料二〕狹義相對論是以下面的公設(shè)為基礎(chǔ)的（而伽利略──牛頓的力學也滿足這個公設(shè)）：假如這樣來選取一個坐標系K，使物理定律參照于這個坐標系得以最簡潔的形式成立，那么對于任何另一個相對于K做勻速平移運動的坐標系K′，這些定律也同樣成立。這條公設(shè)我們叫它“狹義相對性原理”?！蔼M義”這個詞表示這條原理限制在K′對K做勻速運動的狀況，但K′同K的等效性并沒有擴充到K′對K做非勻速運動的狀況。

──愛因斯坦《論動體的電動力學》

【解讀】愛因斯坦在物理學的很多領(lǐng)域中都有重大的貢獻，其中最重要的是創(chuàng)立了相對論和進展了量子論。

愛因斯坦在1905年6月完成的《論動體的電動力學》一文中，提出了狹義相對論。這一理論告知我們，假如我們承認光在真空中的速度傳播速度是恒定的，而且在一切慣性參照系中自然定律都是相同的，那么就可以確定，時間和物質(zhì)運動的生疏，發(fā)生了革命性的變化，具有劃時代的意義。2．廣義相對論的兩條公設(shè)

〔材料〕（等效原理）物理學的定律必需具有這樣的性質(zhì)，它們對于以無論哪種方式運動著的參照系都是成立的。

（廣義協(xié)變原理）普遍的自然規(guī)律是由那些對一切坐標系都有效的方程來表示的，也就是說，它們對于無論哪種變換都是協(xié)變的（廣義協(xié)變）。

──《廣義相對論的基礎(chǔ)》

【解讀】1916年，愛因斯坦《廣義相對論的基礎(chǔ)》的論文，建立了廣義相對論。狹義相對論主要論述電磁現(xiàn)象及其在時間和空間中的傳播；廣義相對論主要爭辯引力理論。這個理論的中心思想是引力的實質(zhì)是由于質(zhì)量的存在而引起的時空連續(xù)場的彎曲。他依據(jù)廣義相對論，作出光線在引力場作用下會發(fā)生彎曲、水星近日發(fā)生運動和引力場中的光譜線向紅端移動的三大預(yù)言，以后都被試驗觀看所證明。1919年，英國物理學家湯姆生曾感動地說，愛因斯坦創(chuàng)立的相對論是“人類思想史上最宏大的成就之一”。

3．科學應(yīng)造福于人類

〔材料〕假如你們想使你們一生的工作有益于人類，那么，你們只懂得應(yīng)用科學是不夠的。關(guān)懷人的本身，應(yīng)當始終成為一切技術(shù)上奮斗的主要目標；關(guān)懷怎樣組織人的勞動和產(chǎn)品支配這樣一些尚未解決的重大問題，用以保證我們科學思想的成果會造福于人類，而不致成為禍害。

──《紀念愛因斯坦譯文集》

【解讀】愛因斯坦的歷史地位，不僅僅由于他的科學貢獻，還有他對世界的人文關(guān)懷。他不僅是一位宏大的科學家，還是一位和平主義者。他目睹了兩次世界大戰(zhàn)對人類的摧殘，認為和平是人類的首要問題。1955年4月，彌留之際的愛因斯坦簽署了《羅素—愛因斯坦宣言》，呼吁人們團結(jié)起來，防止新型的世界大戰(zhàn)的爆發(fā)。

愛因斯坦要求科學要造福于人類，而人類也從愛因斯坦的爭辯成果中獲益匪淺。

后世得益于愛因斯坦理論的重大制造。

太陽能電池、防盜報警器和照相機的測光表都是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。

核能利用了這樣一個物理現(xiàn)象：當鈾原子發(fā)生裂變時，總質(zhì)量的微量損失可以轉(zhuǎn)變成能量，其依據(jù)正是愛因斯坦的出名等式E=MC2。如今，核能為英國供應(yīng)了25%的電力。

狹義相對論與量子理論相結(jié)合，指出了反物質(zhì)的存在。科學家們利用正電子，即反物質(zhì)“電子”，通過X射線層析照相術(shù)爭辯大腦活動。

愛因斯坦1916年至1917年對光子的爭辯為人類40年后發(fā)覺激光奠定了基礎(chǔ)。

量子論的誕生與進展

1．愛因斯坦對普朗克發(fā)覺的評價

〔材料〕這一發(fā)覺成為二十世紀物理學爭辯的基礎(chǔ)，從那個時候起幾乎完全打算了物理學的進展。要是沒有這一發(fā)覺，那就不行能建立起分子、原子以及支配它們變化的能量過程的有用理論。

──《諾貝爾物理獎金獲得者》

【解讀】普朗克在物理學上最主要的成就是提出出名的普朗克輻射公式，創(chuàng)立能量子概念。普朗克從1896年開頭對熱輻射進行了系統(tǒng)的爭辯。他經(jīng)過幾年艱苦努力，最終導(dǎo)出了一個和試驗相符的公式。他于1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發(fā)表一篇只有三頁紙的論文，題目是《論維恩光譜方程的完善》，第一次提出了