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人民版高中必修三教师教学用书专题7—1

时间:2009-10-18 17:27:36  来源:人民版
 

 

必修三册  专题七

 

近代以来科学技术的辉煌

 

专题教学总体设计思路

 

科学技术是推动人类社会向前发展的原动力。本专题主要叙述了物理学、生命科学和人类生产力发展进步的过程。分四课时授课。

 

本专题涉及的主要问题:介绍了近代物理学中牛顿力学体系形成和爱因斯坦的革命性成就;介绍了人类探索生命起源的历程,重点涉及细胞学说、进化论和物种起源;介绍了蒸汽机应用于生产给人类文明发展带来的巨大变化;介绍了现代交通通讯技术的发展,改变了人类的时空概念,使人类进入电子信息时代。

 

本专题内容的基本线索:本专题讲述了近代以来世界科学技术的历史足迹。先讲述人类对自然的认识,揭示自然变化运动的基本规律,进而再讲述人类对包括自己在内的生命发展探索的认识过程,接着讲人类运用自然规律为人类产和生活服务,极大地改变了人类时间和空间概念。重点讲述人类在物理学领域对自然运动变化规律的探索、在生命科学领域对生命起源的探索、在应用自然力量改造人类生产生活方面的重大事件、重要现象及相关人物,讲述了人类认识由低级向高级发展的历程,从科学技术层面了解人类社会发展的基本特征。

 

涉及的主要理论问题:科学技术创新与尊重权威的关系。科学与哲学和宗教的关系。科学技术是生产力。科学改变人的命运。

 

教学过程中,注意了解科技发展的阶段性特征,把握科技发展的特点及其社会条件。注意结合学生的学习生活实际,特别是物理、生物和社会生活实际,为学生创设问题情境,引导学生积极思考,主动参与课堂教学。注意激发学生热爱科学献身科学的情感,汲取科学巨匠的成功的研究方法和创新精神。

 

重点:经典力学的主要内容及其在近代自然科学理论发展中的历史地位;相对论、量子论的主要内容及其意义;进化论的主要观点和科学与宗教在人类起源问题上的分歧;蒸汽机的发明和电气技术的应用推动社会发展;网络技术为代表的现代信息技术对人类社会的影响。

 

难点:如何讲清科学进步是对传统神学宗教思想的体系的突破,揭示科学与哲学和宗教的关系。对科学原理介绍如何与学生的生活实际结合,激励学生热爱科学和献身科学的感情。

 

一、近代物理学的奠基人和革命者

 

(一)     教学目标

 

【内容标准】

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。

 

【知识与能力】

了解牛顿力学体系、量子力学、相对论的基本内容。

了解物理学发展的基本线索,认识其发展的阶段特征。

认识科学进步是在前人科技成果打基础上,从理论上进行创新,构建新的理论、概念体系。

 

【过程与方法】

用材料比较和阅读法概括物理学发展的线索。

结合科学进步的历程,讨论人类对宇宙认识是不断加深的和有限的,了解一些科学创新的基本方法。

 

【情感、态度与价值观】

通过本课学习,培养自己对科学的热爱之情,了解科学创新的基本条件。

通过对物理学不断发展的学习,培养自己关注科技进步的习惯,培养自己尊重科学的意识。

通过本课的学习,培养自己正确的自我意识,认识科技发展中没有绝对权威。

 

 

(二)教学内容分析

 

●本课从牛顿到普朗克到爱因斯坦,讲述了物理学进步的历程,揭示了人类对自然认识不断深入的过程,勾画出物理学理论体系的创新,导致物理学新的研究方法和研究成果不断涌现的历程,使人类认识自然、应用自然和改造自然能力不断增强的。

 

●教材展示了物理学发展的过程是一个不断超越前人、突破权威的过程。教材设计了几个关于科技进步引起人类认识变化的思考问题,通过讨论,要帮助学生形成正确的自然观。

 

课文以巨人肩上的思索、认识史上的飞跃、驱走乌云的太阳、爱因斯坦的“时空”四个重要问题,讲述了人类在物理学领域的认识由低级到高级不断演进的过程:

 

【巨人肩上的思索】介绍了牛顿对先哲理论的突破。重点介绍了三定律和万有引力定律。

 

近代科学诞生后,意大利科学家伽利略通过观察、实验和推理,创立了自由落体定律。17世纪末,英国科学家牛顿在伽利略和笛卡儿等理论的基础上,得出了惯性定律、加速度定律和作用力和反作用力定律。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。近代自然科学有两个重要特征:用实验可以验证,用数学可以精确表达。牛顿还以独特的思考方式,从研究地球对月球的引力入手,成功地导出了万有引力定律。1687年,牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》出版,书中总结了他的力学体系以及在数学、天文学方面的研究成果。

 

【认识史上的飞跃】介绍了牛顿的力学体系完成后,人类对自然界认识上的重大成就。

 

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。近代科学摆脱了神学的束缚,到19世纪,进入了全面繁荣的时代。根据万有引力定律,人们正确地解释了潮汐的成因。19世纪20年代,人们在制作星表时发现了天王星和海王星,体现了自然科学所具有的惊人的预见力和巨大的理论指导意义。

 

【驱走乌云的太阳】重点介绍了普朗克的量子理论和对光学的重要影响。

 

19世纪末,物理学界的重大研究课题是黑体辐射问题。1879年,奥地利物理学家斯蒂芬发现了黑体辐射的总能量与其温度之间的定量关系。德国物理学家普朗克发现了热辐射过程中的能量分布规律,他提出了著名的量子概念,《关于正常光谱能量分布定律的理论》的发表,标志着量子理论的诞生。1905年,德裔科学家爱因斯坦把普朗克的量子理论推广到光学中,成功地解释了光电效应,作出了光具有波粒二象性的结论。1923年,法国物理学家德布罗意又提出物质波理论,认为实物粒子也具有波动性,将量子论发展到一个新的高度。量子理论使物理学乃至整个自然科学的观念都发生了重大变革。

 

【爱因斯坦的“时空”】介绍了爱因斯坦的相对论及其意义。

1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》,创立了狭义相对论。他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。爱因斯坦还指出,物体的质量m与其能量E之间有E=mc2(c代表光速)的关系。这一质能关系式奠定了利用原子能的理论基础。1916年,爱因斯坦建立了广义相对论。广义相对论第一次阐述了四维空时和物质的分布相联系的重要思想。爱因斯坦相对论的建立,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,是人类思想发展史中的一次根本性变革,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。

 

●本课的重点和难点。

重点:1、了解经典力学的主要内容和知道相对论、量子论的主要内容。

2、认识人类认识继承发展的过程。

难点:认识科学发展与宗教的关系。

 

(二)     问题解答

 

【读一读】

你是怎样看待牛顿的?读了牛顿的这段话,你有哪些感想?

提示:评价牛顿要注意结合其成就及作用。从正确的自我意识和对待科学的态度来阐述感想。

 

【想一想】

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?

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。

 

【议一议】

有人说,人类可以认识未来任何将出现在比已知更高一个层次上的事物,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,谈谈支持你的观点的理由。

 

正确。提示:人的生命是有限的,而宇宙是无限的。

 

【自我测评】

简述牛顿的主要科学成就及其影响。

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:1、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、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。3、成为近代科学形成的标志。

 

【阅读与思考】

材料中说相对论是人类思想史上最伟大的成就,你同意这一说法吗?为什么?

同意。提示:用相对论的重要意义来说明。

你如何看待1921年爱因斯坦获诺贝尔奖时所发生的事?

提示:科学没有国界。尊重知识。

 

 

 (四)教学评价建议

 

评价目标

要结合特定的历史环境分析评价历史。

评价方法

观察法、学习成果展示法。

评价过程

了解学生资料收集与运用的差异,评价其参与的积极性和历史表达能力。

用活动纪实的形式对积极参与的学生作出评价,用描述活动情景的方法,了解全体学生通过表情反映出来的思想活动情况,并及时对这些表现作出反馈。

用成果展示的方法再现学生活动的结果,作为客观评价学生活动的依据。

评价总结

评价中注意对学生活动的全面观察和对全体学生的全面观察。总结注意与学生的生活学习实际结合起来,最大限度地激发学生学习科学文化知识的动机。

 

(五)历史问题注释

 

【亚里斯多德】

亚里斯多德(公元前384-前322年),古希腊哲学家,形式逻辑的创始人,对自然哲学、科学分类学等有不少贡献,是希腊古典文化的集大成者,他的著作对后来西方哲学与科学思想的发展产生过巨大影响。公元前335年起在雅典创立吕克昂学园,常以和学生一起散步的形式进行教学,后世称为“逍遥学派”。他的很多著作经其弟子整理而流传下来,成为西方古代的百科全书。与物理学关系较多的有《物理学》、《天论》、《起源与衰灭》、《气象学》。他所命名的“物理学”是泛指研究无生命物质的构成形式、运动现象及其原因与目的的科学。他首先提出了自然科学中一系列基本理论问题,如物质、空间、时间、运动等,并认为它们是彼此密切相关的,主张物质、空间、时间的连续性,反对存在“真空”的观点。在科学方法上,他首先提出归纳与演绎两类方法。强调数学公理体系与逻辑推理的作用,主张应当严格地用数学来证明科学原理。他的一系列基本理论观点和方法,后来对科学的发展产生了很大的促进作用。在他的影响下,不但出现了欧几里得《几何原本》这样罕见的传世名著,而且也把后来西方一代又一代学者们的注意力引导到对自然界基本法则进行深入考察上来。这些观点和方法正是他学说中不可忽视的灵魂。列宁在《哲学笔记》中指出:“僧侣主义扼杀亚里士多德学说中活的东西,而使僵化的东西永世长存。”

 

【伽利略】

伽利略(1564—1642年)是伟大的意大利物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了传播和证实哥白尼的日心说,他奉献了毕生精力,由此晚年受到教会的迫害,并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他被称为“近代科学之父”。他的工作对牛顿的理论体系的建立奠定了基础。他倡导了数学与实验相结合的研究方法;进行了物理学概念和原理的创新,提出惯性原理和力与加速度的新概念;发现了单摆周期性;研制了几种基本的物理实验仪器:浮力天平、温度计、望远镜等。他在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。1979年梵蒂冈教皇J保罗二世代表罗马教廷为伽利略公开平反昭雪,认为教廷在300多年前迫害他是严重的错误。这表明教廷最终承认了伽利略的主张——宗教不应该干预科学。

 

【牛顿】

牛顿(1643~1727年)是欧洲伟大的科学家,经典物理学理论体系的建立者。1643年1月4日(儒略历1642年12月25日)诞生于英格兰林肯郡的一个自耕农家庭。1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。1667年重返剑桥大学。1672年被接纳为皇家学会会员,1703年当选为皇家学会主席直到逝世。1705年因改革币制有功被封为爵士。1727年3月31日逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯物教堂。一生主要贡献在建立经典力学体系。代表作是1687年出版的《自然哲学的数学原理》。

 

【牛顿运动定律】

经典力学的基本定律,指牛顿第一定律或称惯性定律、第二定律或称运动基本定律和第三定律或称作用与反作用定律。第一定律指出:任何物体都保持静止的或匀速直线运动的状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。第二定律指出:物体的动量对时间的变化率同该物体所受的力成正比,并和力的方向相同。第三定律指出:一物体对另一物体的作用同时引起另一物体对此物体的大小相等、方向相反的作用,而且这两个作用在一条直线上;即两物体间的一对相互作用力,永远等值反向,且在同一直线上。

 

 

 

【惠更斯】

荷兰物理学家、天文学家、数学家。1629年出生于海牙。1645年到1647年在莱顿大学学习法律和数学,1647—1649年转入布雷达学院深造。在阿基米德等人著作及笛卡尔等人的直接影响下,致力于力学、光学、天文学和数学研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来,透彻地解决问题,因此在摆钟的发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。1663年被聘为英国皇家学会第一个外国会员,1666年刚成立的法国皇家科学院选他为院士。惠更斯体弱多病,一心致力于科学事业。1695年逝世。他在《运动及离心力》一书中,提出过有关圆周运动及离心力的若干重要结果,包括向心加速度概念和向心加速度公式,这有助于牛顿得出万有引力定律。

 

【万有引力定律】

物体间由于质量而引起的相互吸引的基本规律。牛顿根据开普勒定律和伽利略的自由落体定律,经过长期研究发现:自然界中任何两个物体之间存在着一种相互的引力,称为万有引力。1687年牛顿发表了万有引力定律:自然界中任何两个质点都以一定的力互相吸引着,这个力同两个质点的质量积成正比,同它们之间的距离的二次方成反比。万有引力定律的提出奠定了天体力学的基础,提示了天体运行的基本规律,是现代人造卫星和人造行星理论的先声。根据万有引力定律,1846年天文学家发现了海王星。

 

【开尔文】

开尔文(1824—1907年),19世纪英国卓越的物理学家。1824年生于爱尔兰。原名W汤姆逊。由于装设大西洋海底电缆有功,英国政府1866年封他为爵士,又于1892年封他为男爵,称开尔文男爵,以后改名。1846年开尔文被选为格拉斯哥大学自然哲学教授,自然哲学在当时是物理学的别名。1904年出任格拉斯哥大学。1900年作了一篇《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》的演讲,提出了两片乌云的说法。开尔文的科学贡献主要在六个方面:电磁学、热力学、海底电缆、电工仪器、波动和涡流及以太学说、地球的年龄。

 

【普朗克】

普朗克(1858—1947年),伟大的德国物理学家,量子论的奠基人。1874年进入慕尼黑大学学习,1879年在慕尼黑大学获博士学位。1897年至1899年他发表了总题目为《论不可逆的辐射过程》的5篇论文。1900年在黑体研究中引入能量量子,提出普朗克公式和普朗克假设。由于这一发现对物理学的发展作出的贡献而获得1918年诺贝尔物理学奖。他还是首先支持爱因斯坦狭义相对论的物理学家。代表作有《热辐射理论》、5卷本的《理论物理学导论》等。

 

【波粒二象性】

微观粒子的普遍属性。光和粒子都具有波动性和微粒性这两重属性。早在17世纪就已经发现了光的波动性。光的干涉和衍射现象以及光的电磁理论从实验和理论两方面肯定了这一点。20世纪初所发现的黑体辐射、光电效应等现象揭示了光还具有微粒性。第一个完全肯定光除了波动性之外还有微粒性的是爱因斯坦。1927年被科学家用实验证实。由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律。描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。

 

【德布罗意】

德布罗意,法国物理学家,1892年出生于法国贵族家庭。1910年获巴黎大学文学学士,后来志趣转向理论物理学,1913年又获得理学士学位。第一次世界大战期间,在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。战后,他重新钻研物理学,研究理论物理,特别是与量子有关的问题。1924年获巴黎大学博士学位,在博士论文中首次提出了物质波概念。当时,光的波动和粒子两重性(波粒二象性)使很多物理学家感到困扰,他大胆地把这两重性推广到物质客体上去。在博士论文《量子论研究》中,假设所有具有动量和能量的物质客体,如电子等,都具有波动性,就可得出求其频率和波长的公式。这种假设是建立波动力学的物理基础。1926年起在巴黎大学任教,1932年任巴黎大学理学院理论物理学教授,1933年被选为法国科学院院士,1942年起任该院常任秘书。1962年退休。

 

 

 

【爱因斯坦】

爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。1879年生于德国的一个小业主家庭。1894年,他的家迁到意大利米兰,继续在慕尼黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育,自动放弃学籍和德国国籍,只身去了米兰。1896年进瑞士苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学,1900年毕业。1901年取得瑞士国籍。1902年在瑞士专利局当技术员,利用业余时间开展科学研究,1905年在物理学三个不同领域中取得历史性成就,特别是狭义相对论的建立和光量子论提出,推动了物理学理论革命。同年,以论文《分子大小的新测定法》取得苏黎世大学的博士学位。之后进入大学任教。1914年到期933年任柏林大学教授。1915年最后建成广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言,于1919年被英国天文学家爱丁顿等人的日全食观测结果所证实,全世界为之轰动。1933年纳粹上台后爱因斯坦是科学界首要的迫害对象。1933年10月转到美国普林斯顿,任新建的高级研究院教授,直到1945年退休。1940年取得美国国籍。1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现,在匈牙利物理学家西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议研究原子弹,以防德国占先。美国在日本两座城市投下原子弹,爱因斯坦对此强烈不满,,战后开展反战的和平运动进行不懈斗争。1955年逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱,不举行任何丧礼,不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒在永远对人保密的地方,为的不使任何地方成为圣地。他一生的主要贡献有:提出光量子论、分子运动论、创新纪元的狭义相对论、质能相当性,发展了量子论,提出等效原理,建成广义相对论,开创宇宙学。他还热心社会正义和人类和平事业,是富有哲学探索精神的唯理论思想家,他常以德国启蒙思想家莱辛的名言“对真理的追求要比对真理的占有更为可贵”来自勉。

 

【《论动体的电动力学》】

1905年爱因斯坦写的开创物理学新纪元的长篇论文,文中完整地提出狭义相对性理论。这是他十年酝酿和探索的结果,在很大程度上解决了解世纪末出现的古典物理学的危机,推动了整个物理学理论的革命。他从自然界统一性的信念出发,考察了这样的问题:牛顿力学领域中普遍成立的相对性原理(力学定律对于任何惯性系是不变的),为什么在电动力学中却不成立?而根据法拉第电磁感应实验,这种不统一性显然不是现象所固有的,问题一定在于古典物理理论基础。对牛顿的绝对空间与绝对时间概念的批判,从考察两个在空间上分隔开的事件的“同时性”问题入手,否定了没有经验根据的绝对同时性,进而否定了绝对时间、绝对空间,以及以太的存在,认为传统的空间和时间概念必须加以修改。空间和时间的长度不再是不变的。这种改造实际上是一种推广,是把古典力学作为相对论力学在低速运动时的一种极限情况。这样,力学和电磁学也就在运动学的基础上统一起来。

 
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