近代以來世界的科學歷程

第七單元　單元引言分析本單元教材引言主要介紹了近代以來自然科學的發展概況，包括三部分內容。第一部分著重指出文藝復興以來，由于人的思想從宗教束縛中解放出來，重視實踐和理論的結合，促進了科學技術的迅速發展，尤其是歐洲的自然科學取得了巨大成就，在數學、生物學、物理學、化學等眾多領域，理論研究取得了很多劃時代的成果。指出了人類歷史的三次科技革命的影響，尤其是以信息技術為代表的第三次科技革命的影響。第二部分提出了本單元的學習要點，包括四個方面：經典力學的主要內容，進化論的主要觀點，相對論和量子論的主要內容以及三次科技革命。第三部分主要指出，在學習本單元過程中要突出了解這一時期科學家取得的重要成果以及對人類生活和社會進步的作用，同時也要關注這些科學巨匠勇于探索、執著追求的科學精神。一、教學目標目標內容知識與能力過程與方法情感態度價值觀識記理解運用經典力學的重要奠基者──伽利略伽利略的發現以及他開始的科學研究方法，標志著物理學的真正開端16世紀末17世紀初物理學方面取得突出成就的歷史條件思考“日心說”與“地心說”相比的進步性問題探究歷史比較科學真理需要勇于探索、執著追求的精神科學理論在不斷完善、創新人類對客觀規律的認識不斷深入經典力學的建立牛頓力學體系即經典力學體系的建立；海王星、冥王星的發現；經典力學體系的建立標志著近代科學的形成探究經典力學體系的特點、影響問題探究從經典力學到相對論19xx年愛因斯坦提出了狹義相對論和光速不變原理；19xx年他完成了廣義相對論的最終形式相對論和量子論誕生的原因、意義歷史比較量子論的誕生與發展普朗克量子論的誕生；愛因斯坦推動了量子論的發展歸納量子論的發展過程問題探究二、教材分析和教學建議1.知識結構2.教材分析與建議課時安排1課時。重點伽利略對物理學發展的重大貢獻；經典力學的建立；相對論的提出；量子論的誕生。難點物理學各階段發展的原因；對科學發展創新性的理解。教材內容分析與建議本課教材主要從四個方面向學生介紹物理學從16世紀末17世紀初到19世紀末20世紀初的重大成就：經典力學的重要奠基者──伽利略、經典力學的建立、從經典力學到相對論、量子論的誕生與發展。這一時期物理學方面的文字、圖片、人物介紹等資料比較豐富，教師可以適當補充一些資料，提高學生學習的興趣。本課引言文字介紹了意大利物理學家伽利略通過實驗證實勻加速運動定律。第一目“經典力學的重要奠基者──伽利略”，教材主要介紹了16世紀末17世紀初物理學的發展情況。教材主要寫了三方面內容：（1）背景由于伽利略和文藝復興時期近代科學的產生有著直接的聯系，建議教師在本目教學時首先讓學生回顧文藝復興時期近代科學產生的背景，把本目內容放在這種背景下，有助于學生深入理解伽利略進行研究科學的手段和取得的成就。16世紀末17世紀初，隨著文藝復興運動的擴展和人的思想的解放，意大利科學家伽利略認為研究自然界必須進行系統地觀察和實驗。他將科學實驗與數學相結合，進行科學研究，并強調追究事物之間的數學關系。（2）伽利略對物理學、天文學發展做出的重大貢獻及意義建議教師在教學中充分利用本課教材中的引言部分和【歷史縱橫】部分文字，應用比較的方法，讓學生深入理解和掌握伽利略對物理學做出的貢獻。希臘學者亞里士多德認為地球上的物體運動有天然運動和受迫運動。他認為物體的受迫運動是推動者加于被推動者的，推動者一旦停止推動，運動就會立即停止。在16xx年，意大利物理學家伽利略在實驗中發現：物體下落時的距離與所用時間的平方成正比，而物體下落的速度與物體的重量無關，這就是著名的落體定律。他還通過實驗證實了勻速運動定律和勻加速運動定律。伽利略的研究表明，外力并不是維持運動狀態的原因，而只是改變運動狀態的原因。這是對古希臘哲學家亞里士多德以來有關運動觀念的重大變革，為經典力學的建立奠定基礎。他的發現以及他開始的科學研究方法，是人類思想史上偉大的成就之一，標志著物理學的真正開端。（3）伽利略在天文學方面的貢獻及影響本目涉及到了天文學領域的知識，建議教師在教學本目時利用教材中有關哥白尼“日心說”的【學思之窗】這段文字，讓學生進行閱讀。中世紀流行的天文學觀點是托勒密的“地球中心說”，它認為地球是宇宙的中央，日月星辰都圍繞地球運行。文藝復興運動時期波蘭科學家哥白尼提出“太陽中心說”，并寫成《天體運行論》。他提出太陽是宇宙的中心，地球不過是圍繞太陽運行并能自轉的一顆普通行星而已。這就揭穿了所謂“上帝賦予地球特殊地位”的說法，摧毀了上帝創造世界的謬論。意大利科學家伽利略對哥白尼學說的傳播和天文學的發展做出了重要貢獻。他自創了用以觀察天體的第一架望遠鏡，從望遠鏡里他發現月球表面有高山深谷，并不是以前人們所說的月球表面是光滑的；木星有四顆衛星，很相似于行星繞著太陽轉，他看到銀河是由無數恒星組成的，還觀察到哥白尼曾推論的金星有盈虧現象。1632年伽利略出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。他的這些發現和觀點，摧毀了教會的信條而證明了哥白尼學說的正確。第二目“經典力學的建立”，本目教材介紹了17～18世紀物理學的發展情況，即經典力學的建立。建議教師在教學中從四個方面把握教材。（1）經典力學建立的背景及概況。17～18世紀，近代自然科學中突出發展起來的是經典力學，又稱牛頓力學。這除了由于工場手工業時期經濟上的需要之外，也是因為力學研究的對象最直接，它拋開物體的物理、化學性質只把它作為一個質量的實體來看待。在經典力學領域中，最重要的成就是萬有引力定律和運動三定律的發現，這些成就構成了經典力學的基本內容。在經典力學的建立中，曾有許多科學家為之付出心血，牛頓則是其中的集大成者，故經典力學又稱牛頓力學。（2）經典力學建立的標志。經典力學建立的標志是牛頓確立的萬有引力定律和運動三大定律。牛頓在數學、光學等領域均有重大貢獻，最重要的是在力學方面。他在力學方面的貢獻之一是確立了萬有引力定律。這個定律說明，任何兩個物體之間都有引力存在。這個引力與彼此吸引的物體的質量體積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比。萬有引力定律總結了此前一個半世紀的科學發明并用精確的數學術語把它們連結起來了。此外，牛頓還確立了著名的運動三定律，即慣性定律、比例定律（即加速度與力成正比）、作用和反作用相等定律。運動三定律是經典物理學的基礎。1687年，他出版了《自然哲學的數學原理》，在該書中他首先給力學的基本要領如質量、動量、慣性、力及向心力下了定義，對大至宇宙天體，小至光的微粒的一切物體在真空中或在有阻力的介質中的運動，全部應用運動三定律和萬有引力定律給予了說明，把自然界中的一切力學現象都囊括在他的力學體系之中。《自然哲學的數學原理》一書的出版標志著經典力學的成熟。牛頓力學在科學史上的意義表現在它把天上和地上的運動統一起來，把萬有引力定律和運動三定律視為宇宙間一切力學運動有普遍規律，從力學的角度證明了自然界的統一性，實現了人類自然界認識的第一次綜合。（3）經典力學的顯著特征最顯著的特征之一就是注重實驗，實驗可以進一步揭示客觀現象和過程之間內在的邏輯聯系，并由此得出重要的結論。另一個顯著特征是它的數學化，這種數學化的根源是自然內在的數學關系。自然的數學結構是近代科學的先驅們深信不疑的真理。（4）經典力學的影響牛頓三大運動定律和萬有引力定律建立后，光學、電磁學等與力學的進一步統一，大大推動了物理學的發展。經典力學體系的建立標志著近代科學的形成。第三目“從經典力學到相對論”，本目教材介紹了19世紀末20世紀初物理學發展的新階段即物理學界出現了一種嶄新的革命性的理論──相對論。建議教師在教學中從三方面把握教材。（1）相對論提出的歷史背景19世紀末，物理學界連續發生了三個重大事件，這就是x射線、放射性和電子的發現。這三大發現以實驗事實使得原子不可分、不變化的傳統觀念發生了動搖。物理學家們曾認為的似乎已經基本上完成了的經典物理學體系，從根本上出現了動搖，這就是所謂的“物理學危機”。經典物理學所研究的是人們日常生活中易于理解的宏觀世界，三大發現所揭示的卻是人們沒有直接經驗的微觀現象，這表明人們對物質世界的認識已經深入了一個層次。物理學的“危機”沒有嚇倒大多數物理學家，他們繼續向前探索，于是產生了以量子論和相對論的建立為標志的物理學革命，物理學從此開辟了新的天地。（2）相對論的提出及主要內容過去的物理學都以牛頓的理論為基礎，認為時間和空間是絕對的，兩者是沒有任何直接聯系的。似乎宇宙間存在著一個永遠走動著的大鐘，在任何情況下，它的速率永遠都是相同的，世界上的一切運動在時間上都以它為度量標準。德國物理學家愛因斯坦經過多年的研究，打破了傳統的絕對時空觀，于19xx年提出了狹義相對論和光速不變原理。指出了時間、空間和物體的質量不是絕對不變的，而是隨著物體的運動而發生變化。狹義相對論認為：物體運動時，質量會隨著物體運動速度的增大而增加，同時，空間和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即還會發生尺縮效應和鐘慢效應。19xx年，愛因斯坦完成了廣義相對論的最終形式。在廣義相對論中，引力是被考慮的主要問題。廣義相對論指出：空間和時間不可能離開物質而獨立存在，空間結構和性質取決于物質的分布，使人類進一步深化了對時間、空間和引力現象的認識。廣義相對論又被認為是一種引力理論。（3）相對論提出的歷史意義相對論的提出是物理學思想的一次重大革命，它否定了經典力學的絕對時空論，從本質上修正了由狹隘經驗建立起來的時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性即：揭示了時空的可變性、時空變化的聯系性，樹立了新的時空觀、運動觀、物質觀。這一理論被后人譽為20世紀人類思想史上最偉大的成就之一。第四目“量子論的誕生與發展”，本目教材主要介紹了19世紀末20世紀初物理學的另一個重大成就──量子論的誕生與發展。建議教師在教學中從三方面把握教材。（1）量子論誕生的背景教師在教學過程中可結合第三目“從經典力學到相對論”的背景及本目教材第一段內容來分析量子論誕生的背景。19世紀末20世紀初，電子和放射性的發現，打開了原子的大門，使人們對物質的認識深入到了原子內部。但大量的實驗表明，微觀粒子的運動不能用通常的宏觀物體的運動規律進行描述。量子論在這種背景下誕生。（2）量子論的誕生、發展和量子力學19xx年，德國物理學家普朗克提出了物質的輻射能不是連續的，而是以最小的、不可再分的能量單位即能量量子的整數位跳躍式地變化的量子假說。這個假說宣告了量子論的誕生。在普朗克之后，英國的物理學家盧瑟福和丹麥物理學家玻爾把量子論用于原子結構的研究，證實原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。電子在不同軌道上圍繞著原子核運動，當電子從外層軌道跳到內層軌道時就放出相應波長的電磁波。玻爾在此基礎上創立了原子結構的理論。愛因斯坦利用量子論成功地解釋了光電效應出現的現象及光的本質，進一步推動了量子論的發展。德國物理學家海森伯和奧地利物理學家薛定諤等創立了物理波理論，指出電子和一切物質粒子都像光一樣，既具有連續的波動性質，又具有不連續的粒子性質。經過這些科學家的共同努力，到1925年左右量子力學最終建立。量子力學是研究微觀世界粒子運動規律的科學。（3）量子論和量子力學的影響在量子論基礎上發展起來的量子力學，極大地促進了原子物理、固體物理和原子核物理等科學的發展。同時，也標志著人類對客觀規律的認識，開始從宏觀世界深入到了微觀世界。相對論和量子力學的確立是物理學革命的高潮，以物理學革命為先導，帶動了化學、生物學、天文學、地學等學科的理論也都發生了革命性的突破。量子力學和狹義相對論結合形成原子核物理學，指導制造原子彈、氫彈和建立核電站。量子力學還為電子技術、半導體技術和激光技術等奠定了理論基礎。三、教學設計與案例1.教學設計學習本節內容時，教師可先讓學生閱讀本單元的引言文字，教師講解后，直接導入本節內容。本節內容比較多，在教學過程中要注意詳略得當、突出階段成就。在學習物理學的重大成就時，要充分利用學生了解的知識，激發學生的興趣。對教材中科學家的重要成就，應把重點放在這些成就及其歷史地位和作用上。關于“經典力學的重要奠基者──伽利略”一目的教學。建議教師以本課引言文字為素材，通過提問方式引導學生閱讀理解這段文字。設問題一：試舉例說明以前學習過的有關伽利略的成就或貢獻？設問題二：你認為伽利略能夠確定加速運動定律的關鍵途徑是什么？你有何啟示？在學生回答的基礎上，教師引導學生進入本目內容的學習。在學習本目內容時，可以利用教材中的兩幅插圖《伽利略望遠鏡及伽利略觀察到的月亮》《伽利略面對教會的審判》。講完本目后可以讓學生討論回答下列問題來進行總結：伽利略在物理學、天文學方面突出的貢獻是什么？他為什么會取得這些貢獻？他的這些貢獻有什么意義？同時可以利用【學思之窗】的問題培養學生的對比分析能力。關于“經典力學的建立”一目的教學。教師可以通過教材提供的有關牛頓的圖片資料設問：牛頓有哪些重要貢獻？其中最重要的是什么？在學生回答的基礎上導入本目學習。在學習經典力學的顯著特征時，教師可以引導學生閱讀本目中關于伽利略、牛頓把實驗與數學緊密結合的【歷史縱橫】文字，以加深學生對經典力學顯著特征的理解。引導學生閱讀另一段關于中國古代著作中對力和運動的關系早有記載的【歷史縱橫】文字，幫助學生認識中國人早在兩千多年前，就已經對力學運動之間的關系有了正確的觀察和研究，從而增強學生的民族自豪感。關于“從經典力學到相對論”一目的教學。教師可以通過設置問題導入本目，如：19世紀末20世紀初物理學發展的重大成果是什么？為什么會出現？在講述相對論的內容和意義時，教師可以讓學生進行歸納，然后結合【學思之窗】提供的資料和問題讓學生思考討論：相對論和經典力學有何區別與聯系？有何啟示？以此來培養學生的辯證思維能力和理論創新的觀念。關于“量子論的誕生與發展”一目的教學。本目的重點應放在量子論的誕生、發展以及量子力學的意義。在師生對這些內容歸納的基礎上可以讓學生討論：量子論、量子力學與經典力學有何區別？在學完本節內容之后，建議學生設計表格來歸納這一時期所涉及的物理學的重大成就。2.教學案例案例一  在學習伽利略天文學成就時，用實物投影或幻燈片介紹教材中的圖片《伽利略面對教會的審判》。伽利略在科學領域里的重大成就，激怒了羅馬教皇及其信徒們，當伽利略寫了《關于兩種世界體系對話》這篇科學巨著后，教會終于露出了猙獰面目，把伽利略投入了監獄。教皇烏爾班八世的御用工具──宗教裁判所在1633年6月21日宣布對伽利略的判決說：“我們判決你在宗教法庭監獄內服刑，刑期由我們掌握，為了有益于補贖，命令你在今后3年內，每周背誦7篇贖罪詩篇……”這一紙胡言，竟使伽利略蒙冤三百多年，至死都沒有撤銷判決，甚至死后還被禁止舉行殯禮，不準葬入圣太克羅斯墓地。四、問題解答【學思之窗】1.“日心說”比“地心說”進步在哪兒？今天人們還主張“日心說”嗎？解題關鍵：理解“日心說”和“地心說”的觀點。思路引領：“地心說”的神學觀；“日心說”的科學觀。答案提示：“地心說”反映了“上帝創造世界”的神學觀，而“日心說”客觀地揭示了地球、行星和太陽的關系，摧毀了上帝創造世界的謬論，也開始使自然科學從神學中解放出來。今天人們已不主張“日心說”，因為宇宙是無限的，銀河系只是宇宙的一部分。2.你認為應該怎樣評價牛頓和愛因斯坦對物理學的貢獻？解題關鍵：適應時代的需要，推動科學的發展。思路引領：牛頓創立經典力學；愛因斯坦提出相對論。答案提示：牛頓確立了萬有引力定律和運動三定律，之后光學、電磁學等與力學進一步統一，大大推動了物理學的發展，牛頓力學研究的是宏觀世界。愛因斯坦打破了牛頓以來傳統的絕對時空觀，于19xx年提出了狹義相對論和光速不變原理，19xx年愛因斯坦完成了廣義相對論的最終形式。愛因斯坦的相對論發展了牛頓力學，將牛頓力學概括在相對論力學之中，推動物理學發展到一個新的高度。【探究學習總結】一、本課測評1.牛頓對物理學的主要貢獻包括哪些？解題關鍵：牛頓在物理學方面的成就。思路引領：牛頓在力學方面的貢獻。答案提示：牛頓確立了萬有引力定律和運動三定律，標志著經典力學的建立。2.愛因斯坦的主要研究成果有哪些？解題關鍵：掌握愛因斯坦對物理學的主要貢獻。思路引領：相對論的提出。答案提示：19xx年提出狹義相對論和光速不變原理，19xx年他完成了廣義相對論的最終形式。二、學習延伸1.探究活動略2.閱讀與思考思考提示：科學技術與社會發展的相互促進作用。（河北石家莊市第二十三中學  張建軍）五、資料與注釋1.原始資料載人航天工程是當今世界高新技術發展水平的集中展示，是衡量一個國家綜合國力的重要標志。我國載人航天工程取得的成就，是改革開放20多年來我國綜合國力不斷增強、科技水平不斷提高的重要體現。這再一次說明，只要我們堅定不移地堅持黨的基本理論、基本路線、基本綱領和基本經驗，堅定不移地堅持以經濟建設為中心，堅定不移地走改革開放的強國之路，堅定不移地推進經濟社會協調發展，我們就能不斷奪取社會主義現代化建設的更大勝利。……第一，必須堅持以科技進步和創新為先導，努力實現技術發展的跨越。載人航天是當今世界高新科技中最具挑戰性的領域之一，是難度高、規模大、系統復雜、可靠性和安全性要求極強的工程。實施載人航天工程，同當年搞“兩彈一星”并取得成功一樣，有力地推動了我國科技的跨越式發展，帶動了相關學科技術的整體躍升，形成了一批新興產業，對促進我國經濟社會發展具有十分重大的意義。實踐告訴我們，高度重視和充分發揮科學技術的重要作用，努力以科技發展的局部躍升帶動經濟社會發展，是加快發展的一個重要途徑。當今時代，人類正在經歷一場全球性的科技革命，知識創新迅速發展，科技進步日新月異，科學技術越來越成為綜合國力競爭的核心，我們比以往任何時候都更需要加快科技進步和創新的步伐。我國是一個發展中國家，在經濟社會發展的諸多方面特別是科技發展方面同發達國家還有較大差距。我們要趕超世界先進水平，就必須堅定不移地實施科教興國戰略和人才強國戰略，抓住機遇，用好機遇，集聚尖端人才，發揮后發優勢，選準一些對推動經濟社會發展、維護國家安全具有重大帶動作用的領域重點攻關，加速推進全社會的科技進步，實現技術發展的跨越，帶動我國綜合國力的全面提升。──《在慶祝我國首次載人航天飛行圓滿成功