第第26课课 现代科学革命现代科学革命1学习目标学习目标1、现代物理学的两大支柱理论、现代物理学的两大支柱理论相对论、相对论、 量子论出现的历史背景；量子论出现的历史背景；2、相对论的提出、主要内容及意义；、相对论的提出、主要内容及意义；3、 量子论的提出、主要内容及意义；量子论的提出、主要内容及意义；4、通过对相对论、量子论出现过程的学习，、通过对相对论、量子论出现过程的学习，培养敢于怀疑、勇于创新的精神。培养敢于怀疑、勇于创新的精神。 2从经典力学到相对论和量子论从经典力学到相对论和量子论第第26课课 现代科学革命现代科学革命3一、经典物理学的危机一、经典物理学的危机1、1719世纪牛顿经典力学日趋世纪牛顿经典力学日趋完善、成熟完善、成熟。那么那么,牛顿经典物理学有哪些内容牛顿经典物理学有哪些内容?2、 19世纪末以牛顿力学为基础的经典物理世纪末以牛顿力学为基础的经典物理学无法解释学无法解释物理学的新发现物理学的新发现而陷入危机而陷入危机 (相对论和量子理论出现的背景相对论和量子理论出现的背景 )4二、爱因斯坦与相对论二、爱因斯坦与相对论生平简介生平简介爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），）， 1879年生于德国，是年生于德国，是举世举世闻名的德裔美国科学家，闻名的德裔美国科学家，现代物理学现代物理学的开创者和奠基人。的开创者和奠基人。爱因斯坦爱因斯坦1900年年毕业于苏黎士工业大学，毕业于苏黎士工业大学，1909年开始年开始在大学任教，在大学任教，1914年任威廉皇家物理年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。研究所所长兼柏林大学教授。 1933年年受希特勒迫害离开德国移居美国受希特勒迫害离开德国移居美国, 爱因爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献，斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如建立狭义相对论并推广为广义相比如建立狭义相对论并推广为广义相对论、对论、提出光的量子概念，并以量子提出光的量子概念，并以量子理论解释光电效应、辐射过程、固体理论解释光电效应、辐射过程、固体比热等。比热等。1921年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。5二、爱因斯坦与相对论二、爱因斯坦与相对论1、相对论的提出、相对论的提出1905年提出匀速运动体系的狭义相对论；年提出匀速运动体系的狭义相对论；1916年提出加速运动体系的广义相对论。年提出加速运动体系的广义相对论。2、主要内容、主要内容：相对性原理和光速不变原理。相对性原理和光速不变原理。6相对论的两个基本原理相对论的两个基本原理: 相对性原理和光速不变原理相对性原理和光速不变原理狭义相对论和广义相对论统称相对论。狭义相对论和广义相对论统称相对论。 如何理解相对论？如何理解相对论？如何理解相对论？如何理解相对论？ 在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动运动的物体长度的物体长度变短（尺缩效应）、变短（尺缩效应）、运动运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、应）、运动运动的物体重量变大。的物体重量变大。 光速不变原理则认为光的传播速度在任何条件下都是光速不变原理则认为光的传播速度在任何条件下都是不变的。不变的。7这就提醒人们甚至要敢于怀疑常识，勇于创新，因这就提醒人们甚至要敢于怀疑常识，勇于创新，因为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律都为即使生活中习以为常、看起来无懈可击的规律都有可能是不科学的。有可能是不科学的。 由于相对论的观点与人们的日常经验由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。在物理学上却非常合理且为实验所证实。这说明了一个什么问题这说明了一个什么问题?可以给我们什么启发可以给我们什么启发?说一说说一说:83、相对论的意义：、相对论的意义：（1）解决了经典物理学的危机，）解决了经典物理学的危机，创造了一个全新的创造了一个全新的物理学世界，极大地扩展了物理学的应用的领域；也物理学世界，极大地扩展了物理学的应用的领域；也使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间。观宇宙空间。（2）打破了经典物理学绝对化的思维模式，为人们）打破了经典物理学绝对化的思维模式，为人们提供了辩证看待世界的途径。提供了辩证看待世界的途径。 9相对论相对论构成了现代物理学的两大支柱之一构成了现代物理学的两大支柱之一.那么那么,现代物理学的另一个支柱又是什么呢现代物理学的另一个支柱又是什么呢?量子理论是现代物理学的另一大支柱。量子理论是现代物理学的另一大支柱。10二、量子理论中的微观世界二、量子理论中的微观世界1.提出：提出：德国物理学家普朗克德国物理学家普朗克普朗克（普朗克（18581947年），德国年），德国物理学家、哲学家，量子理论的奠物理学家、哲学家，量子理论的奠基人，基人，1879年在慕尼黑大学获得年在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教授。基尔大学任教授。1888年任柏林年任柏林大学理论物理研究所所长。他在物大学理论物理研究所所长。他在物理学上最大的贡献是理学上最大的贡献是1900年提出年提出辐射量子假说辐射量子假说。并因此获得。并因此获得1918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。11加热到不同温度的物体发出不同颜色的光加热到不同温度的物体发出不同颜色的光1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号h表示，表示，其数值为其数值为6.62617610-27尔格尔格秒，是微观现象量子特性秒，是微观现象量子特性的表征。的表征。12 普朗克提出了量子理论假说后，因为思想僵化，普朗克提出了量子理论假说后，因为思想僵化，不但不敢相信自己的理论，反而把自己提出的理论收不但不敢相信自己的理论，反而把自己提出的理论收回去：回去：1900年，年，43岁的普朗克发表了他划时代的革命岁的普朗克发表了他划时代的革命性的量子假说。但是他性的量子假说。但是他“想方设法要把作用量子纳入古想方设法要把作用量子纳入古典理论中去，然而终归徒劳。典理论中去，然而终归徒劳。”这些徒劳无益的做法持这些徒劳无益的做法持续了许多年，花费了他不少心血。这种迷惘的来源诚续了许多年，花费了他不少心血。这种迷惘的来源诚如海森堡所指出的那样：如海森堡所指出的那样：“普朗克由于在整个世界观上普朗克由于在整个世界观上是保守的，他根本就不喜欢这个结果是保守的，他根本就不喜欢这个结果”13 量子量子假说假说最先由德国物理学家最先由德国物理学家普朗克普朗克于于1900年提出。年提出。他认为，物质的辐射能不是连续的，而是以最小的、不可他认为，物质的辐射能不是连续的，而是以最小的、不可再分的能量单位即能量量子的整数倍跳跃式地变化的。再分的能量单位即能量量子的整数倍跳跃式地变化的。 随后英国物理学家随后英国物理学家卢瑟福卢瑟福和丹麦物理学家和丹麦物理学家玻尔玻尔把量子论把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。电子在不同轨道上围绕着原子核运动，负电的电子组成。电子在不同轨道上围绕着原子核运动，当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。波。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。 爱因斯坦爱因斯坦利用原子论成功地解释了光电效应出现的现象利用原子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。及光的本质，进一步推动了量子论的发展。14 量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从开始从宏观世界深入到微观世界宏观世界深入到微观世界。基于量子规律的。基于量子规律的新技术深深地改变了人类的生活，包括激光技术和新技术深深地改变了人类的生活，包括激光技术和电子计算机的出现；在量子论的基础上发展起来的电子计算机的出现；在量子论的基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子核物理等科学的发展，量子力学，极大地促进了原子核物理等科学的发展，人类从此进入了核能时代。人类从此进入了核能时代。3、意义：、意义：2、主要内容：、主要内容： 普朗克提出的量子假说、爱因斯坦提出光普朗克提出的量子假说、爱因斯坦提出光 的量子理论、玻尔提出原子的量子理论。的量子理论、玻尔提出原子的量子理论。15量子论和相对论量子论和相对论是现代物理学是现代物理学的两大支柱。的两大支柱。想一想想一想: 量子理论和相对论的提量子理论和相对论的提出有什么共同点出有什么共同点? 共同点：共同点：从背景上看，从背景上看，19世纪末，物理学得到了极大的发展，世纪末，物理学得到了极大的发展，物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，另一方物理学的研究一方面深入到物质内部的微观世界，另一方面扩展到整个宇宙。但是，一系列新的发现无法用经典物面扩展到整个宇宙。但是，一系列新的发现无法用经典物理学解释，这使得经典物理学陷入了危机，面临着挑战。理学解释，这使得经典物理学陷入了危机，面临着挑战。从产生过程看，第一，都是科学大师们敢于向权威挑从产生过程看，第一，都是科学大师们敢于向权威挑战，追求真理的结果。第二，都经历了一个产生发展完善战，追求真理的结果。第二，都经历了一个产生发展完善的过程。的过程。 16科科学学的的革革命命背景：经典物理学的危机。背景：经典物理学的危机。 以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释世纪末以来的物理学新发现以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释世纪末以来的物理学新发现现现代代物物理理学学的的两两大大支支柱柱相对论相对论量子论量子论内容：相对性原理与和光速不变原理。时间、空间、内容：相对性原理与和光速不变原理。时间、空间、运动、质量是相对的。运动、质量是相对的。意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维过程：普朗克的量子假说；玻尔提出原子的量子理过程：普朗克的量子假说；玻尔提出原子的量子理论；爱因斯坦提出光电效应。论；爱因斯坦提出光电效应。意义：对化学、生物学、医学等多门学科产生重意义：对化学、生物学、医学等多门学科产生重大影响，直接推动了生产力的发展，从根本上改大影响，直接推动了生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活变了人类的物质生活小结小结:171、爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大、爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大 革命，主要是因为革命，主要是因为 否定了经典力学的绝对时空观否定了经典力学的绝对时空观 揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性 打打破了经典力学体系的局限性破了经典力学体系的局限性 使人类对客观世界的使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界认识开始从宏观世界深入到微观世界A B C D 2、 现代物理学的基础是现代物理学的基础是A、牛顿力学、牛顿力学 B、相对论、相对论 C、量子假说、量子假说 D、量子理论、相对论、量子理论、相对论课堂练习课堂练习:183、下列表述不正确的是、下列表述不正确的是A、牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础、牛顿创立的经典力学是经典物理学的基础B、经典物理学所适用的主要是日常生活中的物理现象、经典物理学所适用的主要是日常生活中的物理现象C、相对论的提出证明经典的物理学是完全错误的、相对论的提出证明经典的物理学是完全错误的D、量子理论使人类对微观世界的基本认识有了革命性、量子理论使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步的进步4、海王星的发现是根据、海王星的发现是根据A、哥白尼日心说的推算、哥白尼日心说的推算 B、牛顿理论的推测、牛顿理论的推测C、法拉第演说计算、法拉第演说计算 D、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示19202）物理学的新发现：）物理学的新发现：X射线、放射性和电子的发现，射线、放射性和电子的发现，这三大发现都无法用经典物理学来解析，与经典物理这三大发现都无法用经典物理学来解析，与经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾，揭示了经典物理学学的理论体系产生了尖锐的矛盾，揭示了经典物理学的局限性。的局限性。 经典物理学所研究的是经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理人们日常生活中易于理解的宏观世界解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象。这就要求人们对物质的认识要接经验的微观现象。这就要求人们对物质的认识要提高到一个新的层次，物理学要进行一场彻底的变提高到一个新的层次，物理学要进行一场彻底的变革。革。21当德国著名的当德国著名的 物理学家物理学家普朗克普朗克年轻时向他的老师年轻时向他的老师求教，是选择音乐还是物理学作为自己终身的职求教，是选择音乐还是物理学作为自己终身的职业时，得到的答复是：业时，得到的答复是：“物理学基本是一门已经完物理学基本是一门已经完成了的科学，因此，对于物理学的研究实际上是成了的科学，因此，对于物理学的研究实际上是不会有多大成果的。不会有多大成果的。” 当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经 落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。 22 经典物理学是指以牛顿力学为代表的运动三大定律和经典物理学是指以牛顿力学为代表的运动三大定律和万有引力定律万有引力定律,及在此基础上建立的理论体系。及在此基础上建立的理论体系。牛顿经典力学的历史地位牛顿经典力学的历史地位牛顿经典力学的历史地位牛顿经典力学的历史地位: :（1 1）为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论）为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论）为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论）为力学学科确定了基本概念和基本定律，使力学形成系统化和理论 化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。化的知识体系而达到成熟和完善，并带动了其他学科的发展。（2 2）把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的大综合。）把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的大综合。）把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的大综合。）把天上和地上的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的大综合。（3 3）引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代。（4 4）为启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。）为启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。）为启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。）为启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。 17世纪后期，牛顿发表了著名的世纪后期，牛顿发表了著名的力学三定律力学三定律（惯性定律、加速度的比例定律、作用与反作用定律）（惯性定律、加速度的比例定律、作用与反作用定律）和和万有引力定律万有引力定律，标志着经典力学体系的建立。，标志着经典力学体系的建立。 23 经典物理学是以日常生活中常见的低速经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素。关的因素。 因此，一旦物理学研究的这种基础发生因此，一旦物理学研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。不准确。 24艾伯特伯特爱因斯坦爱因斯坦于于1879年年3月月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是犹太人。爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，犹太人。爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱爱好文学和数学。他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛。母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛。 和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子。房子。1888年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。拉小提琴的爱因斯坦（拉小提琴的爱因斯坦（1941年）年）25 思考中的晚年爱因斯坦思考中的晚年爱因斯坦青年时期的爱因斯坦青年时期的爱因斯坦26 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！27