1 / 10牡丹江师范学院教案牡丹江师范学院教案教研室：教育学教研室：教育学 教师姓名：姚雯雯教师姓名：姚雯雯 授课时间授课时间: :第四周第四周课程名称自然科学史授课专业和班级2011 级科学教育授课内容近代经典物理学大厦的建立授课学时2 学时教学目的通过学习力学、电磁学等内容等科学发展，了解 19 世纪物理学中 力学和电磁学的发展情况。教学重点牛顿的力学、电磁学中的几个人物教学难点19 世纪物理学发展的原因教具和媒体 使用多媒体教学教学方法讲授法、讨论法 讲解近代物理学、电磁学的发展情况，引入新课、重 点难点讲授、作业和习题布置、问题讨论、归纳总结 及课后辅导等内容时间分配 (90 分钟)教学过程一、复习上节课内容 二、讲授新课第五讲（上）近代经典物理学大厦的建立第五讲（上）近代经典物理学大厦的建立 一、牛顿和经典力学 1、牛顿生平 2、牛顿研究的领域 二、电磁学 1、佛兰克林、吉尔伯特与库仑 2、奥斯特和安培 3、法拉第 4、麦克斯韦和赫兹三、作业布置： 经典物理学发展的原因 四、本节课的归纳总结： 归纳本节课的主要内容、重点和难点。5 分 75 分30 分 10 分 20 分 45 分 15 分 10 分 10 分 10 分5 分10 分板书设计第五讲（上）第五讲（上）1919 世纪经典物理学大厦的建立世纪经典物理学大厦的建立 一、牛顿和经典力学 二、电磁学 1、牛顿生平 1、佛兰克林、吉尔伯特与库仑 2、牛顿研究的领域 2、奥斯特和安培 3、法拉第 4、麦克斯韦和赫兹讲授新拓展内容经典力学和电磁学中的重要人物课后总结教研室主任签字教研室主任签字 年 月 日2 / 10讲讲 稿稿讲 授 内 容请同学们讲讲牛顿三大定律。 第五讲（上） 近代经典物理学大厦的建立 一、牛顿和经典力学 1、牛顿生平 就在伽利略去世的 1642 年，牛顿诞生在伦敦北面的伍尔素普村。他出生前 3 个月父亲就病逝。牛顿出生时体重仅1.4 公斤，母亲都担心难以 养活，可是他却享年 85 岁。母亲怀念他父亲，给他起了同爸爸一样的名字 伊萨克牛顿。因生活贫困，牛顿 3 岁时母亲改嫁，由外婆抚养。他 从未得到父爱，母亲又不在身边，所以他性格忧郁、孤僻，不善言谈与交 际。唯有大自然与手工制作给童年的牛顿带来了几分乐趣，田园的小鸟、 蝴蝶是他的好友。 12 岁时在镇上中学读书，寄宿在母亲朋友克拉克夫人家 中。不久继父去世，他只能辍学回家，当了3 年小农民。 1660 年秋又回 到中学，毕业时校长称赞他是学校中最优秀 的学生。在这段时间，他同克 拉克夫人的女儿斯托瑞的纯洁情谊使他终生难忘。后来斯托瑞回忆说： “牛顿是个严肃、沉静、爱思索的少年，他从不和别的男孩子一起玩那些 愚蠢的游戏。他常常为我和小伙伴们制作一些小桌子、椅子，我们很高兴 将心爱的玩具放在上面 ”。牛顿终生未娶，曾经相亲，但他约会时总是精 神恍惚、心不在焉。据说他总是反复讲宇宙的奥秘，对方难免生厌。有时 为了核实一个计算数据，竟把人家晾在一边，一去不回。 1661 年，牛顿进入剑桥大学学习，替学校做些杂活以减免学费。在这 期间，牛顿读了亚里士多德、开普勒、伽利略、笛卡尔等人的著作，研究一些哲学问题。 1665 年 6 月，伦敦爆发淋巴腺鼠疫， 10 月剑桥大学的评 议会投票决定停课。牛顿回到家乡， 1667 年 4 月才重新返回剑桥。在这非 凡的 18 个月里，他完成了三项划时代的科学成就；提出万有引力理论，把 阳光分解为七种单色光和发明微积分。 24 岁的牛顿已经完成了一生的主要 科学业绩。 牛顿系统地论述动力学三定律和万有引力定律，构建了统一的力学理 论。他的力学研究经典著作是 自然哲学的数学原理 ，据说在热销中有 人出 4 倍的价格来买，买不到的人居然会手抄全书以解求知的愿望。 2、牛顿研究的领域 （1）动力学研究 力学是最先成熟的学科，是近代科学史上第一个带头学科与基础学 科，力学研究的对象是宏观物体缓慢的机械运动，是一种最简单也最容易 观察的运动。从经济原因上说，力学既是同人的体力发挥有关，更同机器3 / 10讲讲 稿稿讲 授 内 容的运转有关。人类要生存和发展就要劳动；要劳动就要有劳动力。体力是人体所具有的能改变物质位置与状态的劳动能力。力学的概念，来源于人 的体力。人的体力是不足的，人的体力绝对不是在动物界最强的，绝对体 力比不过大象，相对体力比不过蚂蚁。如何超越体力的局限性？利用机械 是明智的选择，所以杠杆、斜面、滑轮等机械 开始应用。阿基米德曾说过 “给我一个支点，我就能撬起整个地球 ”，但是实际上，这样的杠杆支点 是没有的，即使有，人也不可能举起地球。据计算，若利用杠杆使地球升 高 1 厘米，力臂终端就要向下移动 1018 米；如果以光速移动，也要 1000 万年时间。利用杠杆人类终究不能摆脱困境。于是，人类在选择了杠杆之 后，又进行了第二次选择 选择利用自然之力。 把自然之力当做力学研究对象的是牛顿 。牛顿在叙述简单机械时说： “在各种适当的机械中，我们所要解决的问题，就是用一定的功去移动一 定的重物，或者用一定的力去克服任何其他一定的阻力。”牛顿力学的精髓： 惯性或者惰性是物体的根本属性 ,唯有外力才能克服物 体的惯性.牛顿力学是崇拜外力的科学 。在牛顿的力学中，物体是消极的、 被动的，力是积极的主动的。有了惯性与力的概念，很容易得出牛顿第一 定律：“每个物体都保持其 静止，或均匀直线运动状态，除非有外力作用 于它迫使它改变整个状态。 ”第二定律说明外力克服了物体的惯性以后所 产生的效果， “运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方 向。”这两条定律是说，所有物体都有惰性， 只有外力才能迫使他们改变 原有状态，状态改变的方向和程度，取决于力的 作用方向和力度。 牛顿第 三定律：两个物体之间的 作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上， 大小相等，方向相反。 牛顿力学蕴含着一种价值观：自然界是被动的，而人是主动的，牛顿 力学是崇尚人的体力的科学。这种力学以及它所蕴含的这种价值观正是当 时社会发展的需要。 牛顿自然哲学的数学原理 出版于 1687 年，一个 世纪后瓦特蒸汽机率先在英国用于棉纺工业，都发生于英国。这并不是偶 然。 关于万有引力的研究，通过这一理论，他完成了地面物体力学与天体 力学的统一。 当时有三位科学家，胡克、哈雷和雷恩都已经意识到支持行 星运动的力同行星 与太阳的距离平方成反比。他们三个人在一家咖啡馆里 打赌，谁能在两个月内提出上述问题的数学证明，就能得到一本价值404 / 10讲讲 稿稿讲 授 内 容先令的书，半年过去了，谁也没解决问题，所以哈雷就到剑桥，建议牛顿抓紧研究。不久，牛顿寄给哈雷一篇手稿，推导出了万有引力公式，并指 出引力是自然界普遍存在的力。哥白尼 开普勒牛顿的认识，一个 比一个深刻。 （2）光学研究 牛顿的光学研究起因于望远镜的改进。伽利略制造的望远镜是折射式望远镜，可放大物体 30 倍。1688 年，牛顿发明了反射式望远镜，体积小 得多，奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。这件事告知了英国皇家学 会会员英王查理二世，并由英王在皇家学会宣布，引起了强烈反响。 1672，牛顿几乎全票当选皇家学会会员。 牛顿使光学研究进入了物理光学的阶段，以光的本性以及光在媒体中 传播的性质为主。牛顿通过色散实验，发现各种颜色的光通过棱镜不在形 成彩色光谱。他指出这七种光是不能再分解的单色光，而阳光是由这其中 单色光混合而成的复合光。牛顿是第一个发现太阳光谱的人。关于光的本 质是什么的问题，牛顿在 光学中，叙述了光的微粒说。他认为物体由 微粒构成，广延性、坚硬性、不可入性、惯性是其主要属性。光同样也是 由微粒构成，光线是光微粒的流动，光的波长是光微粒转一周时所经过的 空间长度。 这一点其实很多科学家都不认同，还有很多人持波动说的看法。而 其后世的物理学家们则更加偏爱以纯粹的 光波来解释衍射现象。现代的 量 子力学、光子以及波粒二象性的思想与牛顿对光的理解只有很小的相同点。（3）牛顿轶事 有一次，“青春迫不及待的激情 ”，催使他向一位年轻姑娘求婚。他 轻轻地握着她的手，含情脉脉地看着这位美人。 正在这时候 他的心思忽 地溜到另一个世界去了。他的头脑中只剩下无穷量的二项式定理。他像 做梦似的，下意识地抓住情人的一个手指，把它当成是通烟斗的通条，硬 往烟斗里塞。姑娘痛得大叫一声，他才清醒过来。面对吃惊的姑娘，他连 忙象只绵羊似的柔声道歉： “啊，亲爱的，饶恕我吧！ 看来，我是该打一 辈子光棍！” 姑娘饶恕了牛顿，却无法理解他，爱情又成了泡影。科学上 许多新的问题不断扑向牛顿的脑海，他整个热情都集中到了科学事业上。 此后再也没动过结婚的念头。牛顿晚年专心从事炼金术研究，做了很多化学实验。他的笔记本中有 108 次品尝不同化学药品的记录，从 1692 年开始，身患严重的失眠、遗忘 症、忧郁症、被迫害妄想症。他曾经在给朋友的信中说：“我已经有两个5 / 10讲讲 稿稿讲 授 内 容星期每晚睡不到一个小时，并且有连续五个晚上夜不能寐”，传说他是应为肾结石去世的。 200 多年后，科学家化验了牛顿留下的头发，发现含的 铅、汞的浓度异常，估计他是因慢性中毒而死。 在科学史上，牛顿力学具有空前的渗透力与影响力，他被看作科学理论的典型、科学认识的模式，影响着人们的世界观、科学观、价值观。牛 顿代表着一个时代。 二、电磁学 1、富兰克林 本杰明富兰克林是美国独立战争时期的一位优秀的政治家，参加起草 了独立宣言和美国宪法，主张废除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。 他是美国第一位驻外大使，所以在世界上也享有较高的声誉。 他还是美国历史上第一位享有国际声誉的科学家、发明家和音乐家。 在电学上成就卓著，为了深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如 正电、负电、导电体、电池、充电等成为世界通用的词汇。他借用了数学 上正负的概念，第一科学地用正电、负电概念表示电荷性质。1752 年的 一天，乌云密布，雷声隆隆，富兰克林同儿子一起，带着一只风筝到户外 收集雷电，他用金属丝做风筝线，拴着一把铜钥匙。这个实验不复杂，但 是十分风险。后来俄国的科学家黎赫曼就是重复这个实验就被雷电击死。 出于对人的善心， 富兰克林于 1753 年在费城发明了避雷针。当时费城教 会认为他冒犯了神灵。他自己做了许多避雷针送给亲朋好友，并帮助安装。 可是当时不少人都觉得把尖尖的金属棍对着上天，是很不吉利的事，有人 就在夜里爬上房顶偷偷拆掉。 1762 年，避雷针传入欧洲。 1780 年，英国 皇室准备采用，但英王乔治三世坚持要把针状避雷针改成球状，使避雷针 弄成“避雷球”。英王这样做大约是 因为富兰克林积极参加美国独立运动， 是独立宣言的起草者之一，引起英王反感的缘故。 1790 年，富兰克 林去世，人们在他的墓碑上刻着法国科学家达兰贝尔对他的评价：“从苍 天取得闪电， 从暴君取得民权”。2、奥斯特和安培 首先从科学角度 揭示出电与磁联系的是丹麦的奥斯特。他对康德的哲 学很有研究， 1799 年写了有关康德哲学的论文，是一位颇有哲学修养的物 理学家。康德把 “基本力”分为引力与斥力两种，认为当基本力以引力的 形