学年高中历史 第七单元 近代世界科学技术的发展学习 第19课 物理学的长足进步学案.docx

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学年高中历史第七单元近代世界科学技术的发展学习第19课物理学的长足进步学案

第19课　物理学的长足进步

学习本单元一要抓住近代以来科学技术的发展这一基本线索，从物理学、生物学、蒸汽机的改进和电气技术的应用、互联网的诞生四个方面掌握本单元的内容；二要结合物理学、生物学等相关学科的知识，运用科学技术是第一生产力的观点，全方位剖析科技发展给人类社会带来的巨大进步。

[学习目标]

课程标准

重点难点

1.了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。

2．知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。

1.掌握经典力学、相对论和量子论的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。

（重点）

2．理解经典力学与相对论及量子论之间的关系。

（难点）

一、牛顿与经典力学

1．背景

（1）由于封建主义的禁锢，欧洲中世纪科学技术的发展十分缓慢。

（2）随着资本主义萌芽的产生、新航路的开辟和殖民扩张的推动，16世纪末，欧洲开始进入近代科学技术的发展时期。

（3）17世纪下半叶，牛顿在开普勒发现三大行星运行规律的基础上，总结伽利略的力学研究成果，先后发现了物体运动三定律和万有引力定律。

2．创立：

1687年，《自然哲学的数学原理》出版，标志着以实验为基础、以数字为表达形式的经典力学体系的形成。

3．主要内容

（1）物体运动三定律，是机械运动的基本规律，主要包括惯性定律、加速度定律和作用与反作用定律。

（2）万有引力定律则认为，宇宙间的一切物体都有互相吸引的力，并给出计算两个物体之间吸引力的公式。

4．地位和影响

（1）经典力学体系的建立，成为近代科学技术发展史上的一个重要里程碑。

（2）牛顿的力学理论，对此后两个世纪科学的发展，产生了深刻的影响。

[思维点拨]　经典力学体现了近代科学的显著特征：

一是注重实验；二是数学化。

这种数学化的根源是自然内在的数学关系。

自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。

1．牛顿力学体系的特征及其局限性是什么？

提示　

（1）特征

①注重实验。

实验可以进一步揭示客观现象和过程之间的逻辑关系，并由此得出重要的结论。

②力学体系的数学化。

主要运用他创立的微积分做计算工具，这种数学化源于自然界内在的数学关系。

（2）局限性：

牛顿经典力学体系建立在日常生活中常见的低速运动的物质之上。

在牛顿力学体系中，存在着绝对的静止和绝对的时间。

这种绝对的时空观符合人们的日常经验，但无法解释高速运动的物体运动的规律和微观世界中的粒子，这说明牛顿力学体系面临着危机和挑战。

二、爱因斯坦和相对论

1．背景：

随着科学实验的进步，经典力学无法解释研究中出现的一些新问题。

2．创立：

20世纪初，德国物理学家爱因斯坦提出了相对性原理和光速不变原理，进而创立了相对论。

3．内容

（1）狭义相对论：

光速是物质运动的极限速度。

物体的质量、空间和时间随着物体运动速度的变化而变化，证明了时间和空间是物质运动的基本属性。

这就将伽利略和牛顿以来的绝对时空观发展到相对论时空观。

（2）广义相对论：

揭示了四维时空同物质的统一关系，从而在更深层次上否定了绝对时空观。

4．意义

（1）相对论的创立，为物理学的发展开辟了广阔道路，引起了一场深刻的物理学革命。

（2）创立了新的时空观，进一步丰富和发展了经典力学，并把它概括在相对论理论之中。

（3）相对论以其新的世界观和方法论，促进了人类的认识能力和思维模式的发展。

[误区警示]　爱因斯坦的相对论并未全面否定牛顿力学体系。

爱因斯坦的相对论只是否定了牛顿力学体系的绝对时空观，并没有否定整个牛顿力学体系。

牛顿力学是相对论力学在低速状态下的一个特例。

牛顿力学是整个力学的基础，至今仍指导着物理学的发展。

相对论发展了牛顿力学，打破了传统的绝对时空观。

2．爱因斯坦的相对论和牛顿力学之间具有怎样的关系？

提示　

（1）牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而相对论反映的是物体高速运动的客观规律；

（2）相对论否定了牛顿力学的绝对时空观，同时也继承和发展了牛顿力学，将其概括在相对论之中。

三、量子论的创立

1．背景：

随着现代科学的发展，特别是电子和放射线的发现，使人们的研究开始进入原子内部。

2．发展进程

（1）1900年，德国物理学家普朗克提出了著名的“量子假说”。

（2）1905年，爱因斯坦提出了光量子论。

（3）丹麦物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态。

（4）1925年左右，量子力学最终建立。

3．量子论的意义

（1）与相对论等一起，引起了物理学的一场重大革命，并促进了现代科学技术的突破性发展。

（2）揭开了微观世界的奥秘，改变了人们对整个物质世界的认识。

（3）许多交叉科学都是立足于量子这块基石之上发展起来的。

[历史认识]　量子理论及在此基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理、原子核物理等学科的发展，标志着人类对客观世界的认识，开始从宏观世界深入到微观世界，开创了物理学的新纪元。

3．为什么说相对论和量子论使人类对自然世界的科学探索又跃上了一个新的高度？

提示　相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。

4．普朗克是怎样解决“原子范围”内的问题的？

有何意义？

提示　普朗克提出了量子假说，认为辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。

意义：

标志着量子论的诞生，使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步。

主题一　经典力学的特征与影响

1．特征

史料　哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75～76年，由此预言它将在1758年再次出现……1758年这颗彗星果然如期出现，因此被命名为哈雷彗星。

[问题思考]

史料中“哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道”，体现出经典力学的什么特点？

答案　以实验为基础；以数学为表达形式。

2．影响

史料一　启蒙思想家们相信，如果牛顿可以发现主宰物质世界的自然法则的话，那么①用他的方法，他们也可以发现主宰人类社会的自然法则。

——[美]R.R.帕尔默《现代世界史》

史料二　“牛顿的伟大工作能被这一理论或者任何别的理论代替。

他伟大而明晰的观念，

②作为自然哲学领域里整个近代概念结构的基础，将永远保持它独特的意义。

”

——《巨人百传丛书——爱因斯坦》

[教你读史]

①指出了牛顿经典力学对启蒙思想所产生的影响。

②指出牛顿经典力学对近代自然科学所产生的影响，是人类对自然规律的第一次总结与概括，是近代物理学发展的理论基础。

[问题思考]

据史料一、二并结合所学知识，归纳牛顿经典力学的意义。

答案　牛顿力学打击了神学，促进了人们的思想解放，对人类自身的信心和启蒙运动产生了积极影响。

牛顿力学体系在自然哲学领域中具有基础性地位，标志着近代科学的形成。

经典力学的特征与影响

（1）特征

①注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。

②数学化，这种数学化的根源是自然内在的数学关系。

自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。

③研究人们日常生活中易于理解的宏观世界。

（2）影响

①促进了物理学的发展。

把自然界中一切力学现象囊括在力学体系中，成为人类在认识自然的历史上对自然规律的第一次总结与概括。

②标志着近代自然科学的形成。

牛顿力学最显著的特征：

注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间的内在逻辑关系，并由此得出重要结论；它的数学化，自然的数学结构是近代科学先驱深信不疑的真理。

③推动了工业革命的发展。

牛顿力学和热学引发了第一次工业革命,使人类社会进入“蒸汽时代”。

④为启蒙运动的兴起创造了条件。

牛顿用数学方法精确描述宇宙运行的自然法则，为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础；打击了神学，促进人类思想不断解放。

主题二　相对论和量子论

1．相对论

史料　①17世纪牛顿创立的经典力学符合人们的日常经验，也被认为是天经地义的。

但是到19世纪末，物理学遇到了被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题。

爱因斯坦的②相对论是人类思想史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就。

——[英]皇家学会会长汤姆逊

[教你读史]

①指牛顿经典力学研究人们日常生活中易于理解的宏观世界。

②相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。

[问题思考]

（1）史料中“晴空上漂浮着两朵乌云”是指什么？

后来驱散“两朵乌云”的是哪些新理论？

（2）据史料，为什么说相对论是“人类思想上最伟大的成就之一”？

答案　

（1）“两朵乌云”：

19世纪末，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。

这些研究已超出了经典物理学的范围。

物理学遇到了被称为“晴空上漂浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题。

新理论：

量子论和相对论。

（2）相对论否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，提出了全新的时空观、运动观和物质观，发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。

2．量子论

史料　①能量子钻进物体的表面层……把它的全部能量给予了单个电子……一个在物体内部具有动能的电子，当它到达物体表面时已经失去了它的一部分能量。

此外还必须假设，每个电子在离开物体时还必须为它脱离物体做一定量的功P（这是物体的特性值——逸出功）。

②那些表面上朝着垂直方向被激发的电子，将以最大法线速度离开物体。

——《爱因斯坦文集》

[教你读史]

①是量子论的内容；②是运用量子理论对光电效应的解释。

[问题思考]

根据史料，分析爱因斯坦这一研究的理论基础是什么，在这方面他有何贡献。

答案　理论基础：

普朗克于1900年提出的量子假说，量子论宣告诞生。

贡献：

用量子理论成功地解释了光电效应。

经典力学、相对论与量子论之间的关系

（1）经典力学所适用的主要是我们日常生活中的物理现象，但在宏观的宇宙世界和微观的粒子世界面前，就显得不太够用了。

（2）量子论的形成标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界；同时，在量子理论基础上发展起来的量子力学，极大地促进了原子物理、固体物理和原子核物理等学科的发展。

（3）相对论的提出否定了经典力学的绝对时空观，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，推动物理学发展到一个新的高度。

（4）量子论和相对论弥补了经典力学的缺点，掀起了物理学的革命，构成了现代物理学的基本理论框架。

[记知识纲要]

[背核心术语]

1．牛顿创建了万有引力定律和力学三定律，建立了经典力学体系，改变了自古代中世纪以来人们的认识论和方法论。

2．19世纪末20世纪初，普朗克提出了量子假说，爱因斯坦提出了相对论，改变了人们认识世界的角度和方式，标志着人类迈入现代科学技术时代。

3．量子论和相对论一起，构成了现代物理学的基础。

1．牛顿力学体系的诞生创造了一个新的时代。

牛顿说：

“假如我看得远些，那是因为我站在巨人们的肩膀上。

”为牛顿经典力学的创立奠定基础的科学家是（　　）

A．伽利略　B．爱因斯坦　C．爱迪生　　D．瓦特

答案　A

解析　伽利略的实验科学方法为牛顿经典力学的创立奠定了基础，其他三个科学家都生活在牛顿之后。

2．（2017·厦门期末）“地心引力不再被看作是一种魔幻或神秘的力量，而成了全知全能的创造者的卓越发明，通过单一的法则，使得各种潮汐、卫星、行星和所有地球上的生命得以各安其所。

”文中的“法则”是指（　　）

A．生物进化论B．万有引力定律

C．量子论D．广义相对论

答案　B

解析　材料核心是：

地心引力通过单一的法则，使各种潮汐、卫星、行星和所有地球上的生命各安其所。

材料大意符合牛顿万有引力定律的特点，故B项正确。

3．（2017·合肥一中期末测试）这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容，100多年来，人们不时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘。

直到今天，这里还有很多内容没有被我们悟透。

根据下图，这个理论应是（　　）

A．牛顿的力学理论B．普朗克的量子假说

C．爱因斯坦的相对论D．达尔文的进化论

答案　C

解析　根据“100多年来”以及所给图片中的信息“E＝mc2”可知,这是爱因斯坦的相对论。

4．普朗克年轻时曾向他的老师表示，要献身于理论物理学。

老师劝他说：

“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。

”打破该老师看法的是（　　）

A．万有引力定律的发现

B．量子假说的提出

C．电力的发现与应用

D．牛顿力学定律的发现

答案　B

解析　材料“物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了”说明普朗克的老师认为物理学的发展空间很小，而普朗克提出量子假说，改变了人们认识世界的角度和方法，故B项正确。

5．它打开了人类认识微观世界的大门，深刻地改变了人们的生活、生产和观念……标志着一个新纪元的到来！

这里的“它”是指（　　）

A．经典力学B．进化论

C．量子论D．相对论

答案　C

解析　经典力学解释了物体宏观运动低速运动下的客观规律，进化论解释了生命演进的规律，量子论解释了微观世界物体运动的规律，相对论认识了时空的本质。

[基础达标]

1．爱因斯坦认为：

“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。

”这主要是因为伽利略（　　）

A．捍卫哥白尼日心说

B．奠定实验科学基础

C．发明了天文望远镜

D．发现自由落体定律

答案　B

解析　伽利略运用科学的推理及观察实验的科学方法，奠定了实验科学的基础，标志着物理学的开端。

2．作为近代以来最伟大的科学家之一，牛顿的主要贡献有（　　）

A．提出自由落体定律B．提出相对论

C．创立量子论D．创立经典力学体系

答案　D

解析　17世纪牛顿创立经典力学体系，标志着近代自然科学的形成，故选D。

3．（2017·合肥一中高二期中测试）“他以超乎常人的智力，第一个证明了行星的运动与形状，彗星的轨道与海洋的潮汐。

”材料中“他”的伟大贡献是（　　）

A．提出了“日心说”

B．提出了相对论

C．提出了量子论

D．提出了物体运动三大定律和万有引力定律

答案　D

解析　由“第一个证明了行星的运动与形状，彗星的轨道与海洋的潮汐”等信息可知，材料中的“他”指的是牛顿。

牛顿的伟大贡献是提出了物体运动三大定律和万有引力定律。

4．“这一定律体现了天上运动与地上运动的统一性，它把天体运动纳入到根据地面上的实验得到的力学原理之中。

这是物理学史上第一次伟大的综合，也是人类认识上一次巨大的飞跃。

”引文中“一次巨大的飞跃”指的是（　　）

A．电磁学理论的建立B．进化论的出现

C．牛顿力学的建立D．“日心说”的提出

答案　C

解析　牛顿力学的建立标志着近代物理学的建立，是人类认识史上的一次巨大飞跃。

5．（2017·泉州高二检测）观察下图，据图可以得出西方近代自然科学发展的主要特点是（　　）

伽利略做过实验的比萨斜塔　　牛顿观察苹果落地

A．生活实践经验的总结

B．实用性技术，应用性强

C．科学观察、实验的方法

D．重经验综合，轻视理论研究

答案　C

解析　伽利略通过实验得出了自由落体运动规律。

牛顿通过观察苹果落地的现象，开始思考，最后得出了万有引力定律。

6．“使人类克服了经典物理学的危机，对微观世界的基本认识有了革命性的进步”说的是（　　）

A．相对论的提出B．量子论的提出

C．牛顿力学体系的建立D．万有引力定律

答案　B

解析　注意题干中的关键信息“对微观世界的基本认识有了革命性的进步”，根据所学知识可知，材料所说的是量子论。

7．1919年英国《泰晤士报》曾刊登标题文章——“科学革命”，两个副标题是“宇宙新理论”“牛顿观念的破产”。

具有“科学革命”意义的理论是（　　）

A．日心说B．量子论

C．相对论D．经典力学

答案　C

解析　根据所学知识可知，相对论否定了牛顿经典力学的绝对时空观，发展了经典力学，是更加科学的理论体系。

量子论是有关微观世界的理论，排除B。

“日心说”“经典力学”均与材料“牛顿观念的破产”不符，故排除A、D项。

8．科学家利用高能加速器把电子的速度提高到十分接近光速的程度，这时候，尺变短，钟变慢、物体变重的奇迹就展现在科学家们眼前了。

这一实验可以证实（　　）

A．哥白尼的“日心说”

B．牛顿的经典力学

C．爱因斯坦的相对论

D．普朗克的量子论

答案　C

解析　由材料可得出“奇迹”分别为尺缩效应、钟慢效应、质能守恒等现象，这属于相对论的内容，故本题选C。

9．1919年11月9日美国《纽约时报》头版文章有如下标题：

“天之光歪斜”“科学家急切等待着日食观测的结果”“恒星不是在它们似乎应该所在的或被计算出来的位置上，但不必担心”。

这些文章介绍的科学理论应该是（　　）

A．经典力学B．狭义相对论

C．广义相对论D．量子理论

答案　C

解析　经典力学的提出是在1687年；狭义相对论提出于1905年；广义相对论提出于1915年；量子理论提出于1900年。

10．19世纪经典物理学被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽殿堂”，然而到了19世纪末20世纪初它却风光不再。

使“美丽殿堂”风光不再的主要原因是（　　）

A．牛顿力学体系缺乏科学基础

B．它不能解释物理学的所有问题

C．人们不再重视科学研究

D．相对论和量子论的诞生

答案　D

解析　19世纪末20世纪初牛顿力学体系“风光不再”，动摇它的是相对论和量子理论。

相对论否定了经典力学的绝对时空观，将牛顿的力学概括在相对论力学当中；量子论使人类的认识深入微观世界，与相对论构成了现代物理学的基础。

A、C说法错误；B不是主要原因。

故选D。

[能力提升]

11．1727年春，伏尔泰参加了牛顿的葬礼，随后访问了牛顿的外甥女凯瑟琳并聆听了苹果坠地的故事。

该故事通过伏尔泰的著作迅速传遍世界，成为家喻户晓的科学佳话。

这则材料可以用来说明（　　）

A．科学团体推动了欧洲启蒙运动的发展

B．跨国文化交流促进了科学思想的传播

C．18世纪早期英国启蒙运动已接近尾声

D．18世纪早期法国思想自由度逊于英国

答案　B

解析　由材料可知，法国思想家伏尔泰去参加牛顿的葬礼，后来通过其著作传播了牛顿发现万有引力的故事，这说明了跨国文化交流促进了科学思想的传播，所以本题选择B项。

A项和C项与材料无关，D项是对材料的曲解。

12．“在科学上，没有哪个理论能够得到完全的‘证明’，当它出现时，总是有待进一步检验和审视。

正是这一不断自我纠错与完善的特性，使科学成为人类理解自然机制最为严谨、最为有效的手段。

”下列史实符合该论述的是（　　）

①从亚里士多德学说到自由落体定律　②从经典力学到相对论　③从万有引力定律到电磁感应理论　④从量子理论到光电效应的成功解释

A．①②③B．①②④

C．①③④D．②③④

答案　B

解析　自由落体定律是对亚里士多德学说的否定，相对论是对经典力学的完善；光电效应的成功解释是对量子理论的完善。

③不符合题意。

13．经典物理学所面临的危机，终于在20世纪初被物理学发展史上的两场伟大的革命所解决。

这两场革命使人类（　　）

A．拥有了研究宏观世界和微观世界的理论体系

B．放弃了经典物理学的思想方法和科学理论

C．否定了此前物理学取得的一系列成果

D．转变了人们的思维方式和社交方式

答案　A

解析　材料中两场革命是指量子论和相对论。

相对论研究的是宏观世界，量子理论研究的是微观世界，故A项正确。

相对论是对牛顿力学的继承和发展，故B、C两项不正确。

相对论提出了相对的时空观，但并没有改变人的社交方式，故D项不正确。

14．（2017·洛阳高二检测）相对论观点提醒人们，不要被常识和日常经验所蒙蔽，常识并不一定总是正确的。

这说明相对论（　　）

A．改变了人类的物质生活

B．弥补了经典力学的不足

C．改变了人们认识世界的角度

D．描绘了新的微观粒子世界

答案　C

解析　从题干材料“常识并不一定总是正确的”可知，相对论改变了人们认识世界的角度，故选C。

15．（2017·三亚高二检测）1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他成功地解释了光电效应，他的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义。

该理论（　　）

A．深刻揭示了时空的本质属性

B．推动了量子论进一步发展

C．推动了近代自然科学的诞生

D．标志着量子论的诞生

答案　B

解析　材料中“成功地解释了光电效应，他的理论重新肯定了微粒说”表明该理论有利于研究微观的事物现象，推动了量子论进一步发展，故选B。

16．阅读下列材料，回答问题。

材料一　牛顿最突出的贡献是在力学方面，他在前人的研究基础上，总结出了机械运动的三个基本定律，还发现了万有引力定律，把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中，创立了经典力学体系。

材料二　空间、时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布……物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现。

如果物质消失，时空就回到平直状态。

——爱因斯坦《相对论》

材料三　他是德国著名物理学家……于1900年提出了量子假说,认为辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的。

量子论成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。

（1）根据材料一，指出牛顿对建立经典力学做出的主要贡献。

（2）爱因斯坦相对论由哪两个部分组成？

根据材料二，结合所学知识，指出相对论对经典力学有何新发展。

（3）材料三中的“他”是谁？

“他”的理论是怎样发展完善的？

这一理论对牛顿经典力学的发展之处是什么？

答案　

（1）提出了物体运动三大定律和万有引力定律，创立了经典力学体系。

（2）狭义相对论和广义相对论。

发展：

弥补了经典力学在认识宏观世界上的不足，否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，它也发展了牛顿力学，将其概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。

（3）普朗克。

爱因斯坦成功地解释了光电效应，玻尔提出关于原子的量子理论。

将人们对世界的认识深入到微观世界。