创新设计学年高中历史 专题七 第1课 近代物理学的奠基人和革命者学案 人民版必修3.docx
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创新设计学年高中历史专题七第1课近代物理学的奠基人和革命者学案人民版必修3
第1课 近代物理学的奠基人和革命者
[课标要求] 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；知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
一、认识史上的飞跃——牛顿力学体系
1．基础：
意大利科学家伽利略创立了自由落体定律，推翻了亚里士多德的学说。
2．内容
（1）17世纪末，牛顿通过进一步的定量试验，得出了惯性定律和加速度定律，又在笛卡尔等人对碰撞运动的研究基础上总结出作用力和反作用力定律。
（牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础，成为整个近代物理学的重要支柱。
）
（2）牛顿从研究地球对月球的引力入手，综合了开普勒等人的研究，运用自己创立的微积分做计算工具，成功地导出了万有引力定律。
（3）1687年，牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》出版，标志着经典力学体系的初步建立。
3．意义
（1）对自然界的力学现象做出了系统、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
（2）它的确立使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度，同时也在生产和科学实验中得到广泛的应用和验证。
（3）为人们准确计算地球的平均密度和扁平率、正确解释潮汐成因、发现海王星提供了理论指导。
[深层点拨]牛顿力学体系是人类对自然规律进行的第一次理论性概括和总结，它以实验为基础、以数学为表达形式，是近代自然科学理论体系中最先成熟和完善的核心理论体系。
二、驱走乌云的太阳——量子力学与量子论
1．诞生：
1900年，德国物理学家普朗克提出了量子概念，他在《关于正常光谱能量分布定律的理论》中阐述了这一思想，标志着量子理论的诞生。
2．发展
（1）德国科学家爱因斯坦：
将量子理论推广到光学中，成功地解释了光电效应，得出光具有波粒二象性的结论。
（2）法国物理学家德布罗意：
提出物质波理论。
（3）奥地利、德国的物理学家建立了量子力学。
3．意义
（1）量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系，指导着人们向物质运动的各个层面进行深入探讨。
（2）量子理论让人们从根本上改变了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革。
[误区警示]量子理论同爱因斯坦的相对论一起构成了现代物理学的基本理论框架，但爱因斯坦的相对论的提出比普朗克的量子理论要晚。
三、爱因斯坦的“时空”——相对论
1．主要内容
（1）狭义相对论：
1905年，爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文，创立了狭义相对论。
认为时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化。
（2）广义相对论：
1916年，爱因斯坦建立了广义相对论。
第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。
2．意义
（1）是对近代物理学理论框架的重大突破，它不仅揭示了空间、时间的可变性，而且说明，无论是空间还是时间都不可能单独发生变化，其改变与物质的运动和状态密不可分。
（2）是人类思想发展史中的一次根本性变革，同量子理论一起，构成了现代物理学的基本理论框架。
[易混易错]相对论与经典力学并不矛盾，而是对经典力学的继承和发展。
相对论只是否定了牛顿力学的绝对时空观，并没有否定整个牛顿力学。
主题一 近代物理学成就——牛顿经典力学体系
1．牛顿力学体系的特征是什么？
有何局限性？
（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。
2．如何理解牛顿力学体系的历史地位？
（1）牛顿力学三定律构成了近代力学体系的基础，成为近代物理学的重要支柱。
（2）牛顿力学体系完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合。
（3）使力学和天文学在理论上达到完备的程度，并得到应用和验证。
（4）使科学摆脱神学束缚，标志着近代科学的形成。
材料 18世纪时，牛顿创立经典力学理论后，运动三定律和万有引力定律为人类真正认识地球、展开对太空的研究奠定了科学基础，机械动力、天文观察装置的发明和使用，天体中的一颗一颗行星的发现又为人类正确认识宇宙带来了希望。
据材料说明牛顿经典力学包括哪些内容？
结合所学知识说明其地位。
答案 内容：
经典力学包括运动三定律（惯性定律、加速度定律、作用力和反作用力定律）和万有引力定律。
地位：
是人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
用图示法归纳近代物理学成就
主题二 现代物理学成就——量子理论和相对论
1．爱因斯坦相对论的内涵是什么？
为什么说相对论的提出是物理学领域的一次重大革命？
（1）内涵：
①狭义相对论：
时间和空间随着物质运动速度的变化而变化；②广义相对论：
物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲的程度体现为引力场强度。
（2）它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。
2．相对论和量子论有何巨大意义？
①相对论是物理学思想的一次重大革命。
相对论发展了牛顿力学，否定了牛顿的绝对时空观，指出了时间和空间的辩证关系，即时间和空间不是绝对不变的，而是随着物质的运动而变化的；并提出质能转化原理，奠定了开发利用原子能的理论基础，加深了人们对物质和运动的认识。
②量子理论是人类对微观世界认识的革命性进步；直接推动社会生产力的发展，从根本上改变人类的物质生活。
③量子理论和相对论构成了现代物理学的基础，开阔人们的视野，改变人们看世界的角度和方式，对整个人类的思维产生重要的影响。
材料 英国著名物理学家汤姆生在展望20世纪物理学前景时讲道：
“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。
”他所说的第二朵“乌云”，尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
（1）驱走第二朵“乌云”的太阳指什么？
谁提出来的？
（2）这一理论的提出有何重大意义？
答案
（1）指物理学上的量子理论。
它是由普朗克在1900年提出的。
（2）量子理论提出的意义：
一是使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步；二是对化学、生物学等科学领域都产生了重大影响，推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活；三是它们不仅对物理科学本身，对自然科学，而且对整个人类的思维都产生了深远影响。
用图示法归纳现代物理学成就
主题三 近现代物理学的三大理论成果的关系
1．相对论和经典力学的关系是怎样的？
（1）相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。
牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律。
（2）狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。
（3）牛顿力学是相对论的一种特例（宏观物体低速运动状态），包括在相对论体系中。
2．归纳近现代物理学的三大理论成果的关系是什么？
（1）牛顿力学的创立为相对论的提出奠定了基础。
（2）量子理论和相对论的提出，使人们对物质世界的认识深入到微观领域和宏观宇宙世界。
量子理论和相对论一起，构成了现代物理学的基本理论框架，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
（3）相对论是对牛顿力学的继承和发展，否定了牛顿力学的绝对时空观，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。
材料 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，放射线和电子被发现，另一方面扩展到整个宇宙。
随着光学等学科的深入发展，人们对在光速或接近光速的运动状态下物质的研究，超出了经典物理学的范围。
物理学中被称为“晴空上漂浮的两朵乌云”的两个无法解释的难题，其一就是以太（占据天体空间的物质）的不存在。
这使得经典物理学赖以建立的绝对时空观受到了严峻挑战。
（1）19世纪末，物理学的发展对经典物理学提出了怎样的挑战？
（2）20世纪物理学的发展取得的两项最重大的成就是什么？
其发展的原因是什么？
答案
（1）19世纪末，物理学家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，超出了经典物理学的范围，经典物理学赖以建立的绝对时空观受到了严峻的挑战。
（2）量子理论和相对论。
发展原因：
科技革命的推动；经典物理学出现危机；科学理论的重大突破。
用图示法归纳近现代物理学的三大理论成果
1．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（ ）
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、实验的研究方法
D．重视经验综合，轻视理论研究
答案 C
解析 由图片所示信息可知西方近代自然科学重视观察、实验的研究方法。
2．“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。
曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。
”这主要肯定牛顿的发现（ ）
A．直接推动天文学的革命
B．使人类彻底摆脱神学的束缚
C．促使人类开始关注现世生活
D．促成理性与思想的自由发展
答案 D
解析 牛顿的发现，使上帝失去了权利：
不能指引星辰运行的路程，不能命令太阳静止，所以，促使人们用理性的眼光去认识社会。
3．“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展”指的是（ ）
A．牛顿力学体系的建立
B．进化论的提出
C．自由落体定律的提出
D．量子论的提出
答案 D
解析 抓住“微观世界”这一题眼；结合“克服了经典物理学的危机”这个前提，进行分析判断。
A、C两项属于经典物理学成就，B项为生物学成就，均可排除，只有D项正确。
4．爱因斯坦相对论的提出，是物理学领域最伟大的革命。
它（ ）
A．否定了牛顿力学的原理
B．主要解释了宏观世界里不同运动状态的物质
C．揭示了时间、空间并非绝对不变的属性
D．修正了能量、质量互相转化的理论
答案 C
解析 本题易错选A项，原因在于对相对论和牛顿力学二者关系认识不清，相对论是对牛顿力学的继承和发展。
5．相对论与牛顿力学的关系是（ ）
①相对论彻底否定了牛顿力学 ②相对论发展了牛顿力学 ③相对论将牛顿力学概括在其中 ④牛顿力学为相对论力学的提出奠定了基础
A．①②③B．②③④
C．①②D．①②③④
答案 B
解析 相对论只是否定了牛顿力学的绝对时空观，牛顿力学是相对论力学在低速运动状态下的一个特例。
6．阅读下列材料：
材料一 在以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔、时间和质量这三个物理量都与物体的运动速度无关。
一根尺子静止时都是这样长，当它运动时还是这样长；一座钟无论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变。
材料二 狭义相对论认为，对于两个相互运动的参照系，处于某一参照系中的观察者会发现另一参照系中的物体的运动距离缩短了，时钟也走慢了。
这两个效应都是相对的，在本参照系中的观察者看不出这种效应。
同时，这两个效应也是相互的，你看到我的尺缩钟慢，我也看到你的尺缩钟慢。
请回答：
（1）据材料一、二概括牛顿和爱因斯坦的理论。
（2）分析材料一和材料二的关系。
答案
（1）牛顿力学认为时间、空间和质量与物体的运动速度无关，时间和空间是绝对的；狭义相对论认为时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化。
（2）相对论否认了牛顿力学的绝对时空观，但不是全盘否定，而是对牛顿力学的继承和发展。
解析 本题的重点在于分析材料，从理论内容上分析相对论否认了绝对时空论，从牛顿力学和狭义相对论反映的物质运动的低速和高速两方面，理解“相对论是对牛顿力学的继承和发展”。
解答本题的关键是从理论内容和实质上理解其含义。
基础巩固
1．罗素写道：
“几乎所有现代世界与古代世界之间的区别，都得归功于在十七世纪取得最辉煌成就的科学。
”“十七世纪取得最辉煌成就的科学”指的是（ ）
A．经典力学B．物质波理论
C．量子理论D．相对论
答案 A
解析 本题以十七世纪最辉煌的科学成就为切入点，要求对不同时期自然科学理论的特征作出正确的理解和辨别，从而达到考查学生对基础知识再认再现能力的目的。
B项物质波理论诞生于20世纪；C项和D项也都是在20世纪。
2．牛顿临终遗言：
“我好像是一个在海边玩耍的孩子，不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。
”牛顿所说的“光滑的石子”和“美丽的贝壳”是指（ ）
A．物体机械运动定律和万有引力定律
B．相对论
C．量子论
D．进化论
答案 A
解析 牛顿遗言是对自己一生成就的谦虚总结，所以“石子”和“贝壳”应该是物体机械运动三大定律和万有引力定律，甚至还包括他的微积分等数学成就。
3．中央电视台电视系列片《大国崛起》解说词中说：
“三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么会往低处流？
太阳为什么会升起落下？
这些今天看来简单至极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。
”这些“当时却是根本无法认识和把握”的问题，终于被人类破解的标志性科学成就是（ ）
A．牛顿的经典力学B．达尔文进化论
C．爱因斯坦相对论D．李四光地质力学
答案 A
解析 牛顿的力学体系对自然界的力学现象做出了系统的、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
后来的科学实验证明，万有引力定律不但适用于整个太阳系，而且适用于一切天体运动和宇宙中的所有物体。
结合本题资料，“标志性科学成就”是牛顿的经典力学。
4．菲利普·费尔南德兹—阿迈斯托在评价某科学家时指出：
在他的宇宙里，“每一种现象都带有欺骗性。
物质和能量可以相互转换。
双胞胎以不同的速度衰老。
平行线可以交叉。
光线弯曲的径迹其实缠绕宇宙。
”这位科学家是（ ）
A．伽利略B．达尔文
C．牛顿D．爱因斯坦
答案 D
解析 由材料中“物质和能量可以相互转换”“双胞胎以不同的速度衰老”等信息，联系所学知识可知这是相对论的内容。
提出相对论的科学家是爱因斯坦。
5．下图展示的是台北101大楼为呼应“物理照亮世界”的活动，点亮灯光，凸现“E＝mc2”，纪念伟大的科学家爱因斯坦发表相对论一百周年的场景。
相对论提出的历史意义有（ ）
①是物理学领域的一次重大革命 ②否定了经典力学的绝对时空观 ③深刻地揭示了时间和空间的本质属性 ④树立了新的时空观、运动观、物质观
A．①②③B．①②③④
C．①③④D．①②④
答案 B
解析 相对论否定了经典力学的绝对时空观，揭示了时间、空间的本质属性，树立了新的时空观、运动观和物质观，是物理学领域的一次重大革命。
6．下列对相对论和量子论的表述，不正确的是（ ）
A．是现代物理学的两大基础
B．都以宏观宇宙世界为研究对象
C．相对论打破了传统的绝对时空观
D．宣告量子论诞生的是普朗克
答案 B
解析 量子理论是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一，使人类对微观世界的基本认识有了革命性的进步，而不是宏观世界。
能力提升
7．西方历史学家指出：
“当人们谈及最近几代人中被传入日本等东方国家的西方文明时，我们不是指希腊罗马哲学和人文主义思想，也不是指日本的基督教化，而是指在17世纪后半叶开始改变西方面貌的科学、思维模式和文明的所有工具。
”这里的“开始改变西方面貌的科学、思维模式和文明的所有工具”是指（ ）
A．牛顿的经典力学体系
B．瓦特的改良蒸汽机
C．达尔文的生物进化论
D．爱因斯坦的相对论
答案 A
解析 本题考查学生对近代西方科技发展历程的理解能力。
“17世纪后半叶开始改变西方面貌的科学、思维模式和文明的所有工具”是牛顿发表《自然哲学的数学原理》，形成了牛顿经典力学体系，标志着近代自然科学形成了完整的体系。
故选A。
8．爱因斯坦高度评价某一物理学成就时说：
“这一发现成为二十世纪物理学研究的基础，从那个时候起几乎完全决定了物理学的发展。
要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。
”下列有关“这一发现”的表述正确的是（ ）
A．有助于解释光电效应
B．揭示了时间和空间的本质属性
C．证实了“自然界无跳跃”原则
D．促进了人们深入认识宏观世界
答案 A
解析 本题考查从材料获取信息和分析理解能力。
材料是爱因斯坦高度对某一物理学成就的评价，故首先可以排除B项，B项是相对论。
从材料“那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论”说明“这一发现”是指量子理论，故A项正确。
9．阅读下列材料：
材料一 1687年7月5日，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》。
直到19世纪末，人们还是没有能走出他的光辉所照耀的范围。
爱因斯坦在评论牛顿和他的《自然哲学的数学原理》时写道：
“今天的物理学家的思想，很大程度上还是为牛顿的基本概念所左右。
至今还没有可能用一个同样无所不包的统一概念，来代替牛顿的关于宇宙的统一概念；而要是没有牛顿的明晰的体系，我们到现在为止所取得的收获就会成为不可能。
”
——《牛顿——天体力学的新纪元》
材料二 20世纪爱因斯坦的相对论揭示了时间、空间与物质分布、运动之间的辩证关系，提出了新的宇宙观，同时使得现代物理学和天文学彼此结合而产生了天体物理学，为人类研究和探索宇宙提供了新的更广泛的途径。
请回答：
（1）材料一反映了牛顿的主要贡献是什么？
这一贡献具有怎样的历史影响？
（2）为什么说爱因斯坦的相对论“为人类研究和探索宇宙提供了新的广泛的途径”？
答案
（1）贡献：
创立牛顿力学体系。
影响：
促进物理学的进步与发展，把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度。
（2）①相对论的建立，标志着一种全新的时空观、运动观和物质观的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革。
②对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。
③同量子理论一起，构成了现代物理学的基本理论框架。
【学习思考】
1．（P121）牛顿力学体系的建立为什么会引起人类认识上的巨大飞跃？
提示
（1）牛顿的力学体系对自然界的力学现象作出了系统、合理的说明，完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
（2）适用于整个太阳系、一切天体运动以及宇宙中的所有物体。
（3）使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度，同时也在生产和科学实践中得到广泛的应用和验证。
（4）使科学摆脱了神学的束缚，向前发展。
2．（P123）有人说，人类可以认识比已知事物更高层次上的事物，但我们永远不能认识宇宙的全部。
你认为这种说法正确吗？
请结合你了解的知识，谈谈自己的看法。
提示 正确。
人的生命是有限的，而宇宙是无限的。
【自我测评】
（P124）简述牛顿的主要科学成就及其影响。
提示 牛顿的主要科学成就是牛顿力学体系的建立，包括：
惯性定律；加速度定律；作用力和反作用力定律；万有引力定律。
影响：
牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础，成为整个近代物理学的重要支柱；对自然界的力学现象作出了系统的、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合；成为近代科学形成的标志。
【材料阅读与思考】
（P124）材料中说“相对论是人类思想史上最伟大的成就之一。
”你同意这一说法吗？
为什么？
提示 同意。
爱因斯坦相对论的建立否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻揭示了时间和空间的本质属性。
同时，他也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到了一个新的高度。
相对论的提出，是对近代物理学理论框架的重大突破，形成全新的时空观、运动观和物质观，是人类思想发展史的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。
相对论同量子理论一起构成了现代物理学的基本理论框架。
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