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历史必修三教案：近代物理学的奠基人和革命者第一部分：教案内容【教学指导】教学思路： 历史课程标准：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。 考试内容与要求：概述伽利略和牛顿的主要成就，认识经典力学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。 学习要求：了解经典力学的主要内容，概述牛顿对经典力学的主要贡献，认识经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位；知道爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、普朗克的量子理论的主要内容，认识相对论、量子论提出的意义。 重点：了解经典力学的主要内容，知道相对论、量子论的主要内容。认识人类认识发展的过程。 难点：认识物理学理论创新的思想源泉和方法。【教学目标】一、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和在自然科学发展中的地位。 认识科学进步是在前人科技成果的基础上，从理论上进行创新，构建新的理论、概念体系。二、过程与方法 用材料比较法和阅读法概括物理学发展的线索。 结合科学进步的历程，讨论人类对宇宙的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。三、情感态度与价值观通过本课的学习，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，认识到科技发展中没有绝对权威。【教学流程】 投影：科学——指运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律的知识体系。技术——泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能。 投影： 基础知识： 物理学的重大进展 近代科学的发展 生物学的发展 近代技术的发展及科技的结合→三次工业革命 投影：伽利略、牛顿、爱因斯坦、普朗克像。 问：你知道他们分别是什么人吗？有什么贡献？ 答：…… 这些人就是我们本课要了解的——近代物理学的奠基人和革命者。 投影： 投影： 投影：比萨斜塔。问：看到这座建筑，同学们会联想到什么？ 答：……这座建筑因为一个著名的实验而声名远扬。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。 公元1643年1月4号这天（伽利略逝世的这一天），在英国乡下一个不出名的小村庄里，一位喝得醉醺醺的神父冒着大雪匆匆赶到一家农户给个早产的婴孩洗礼。那个婴孩身形瘦小，嘴巴紧闭，似乎连呼吸都不畅，周围的人都急得手足无措，这时神父突显急智，一口酒喷向婴儿，终于呛得婴孩大声哭闹起来。多年以后，神父仍把这件事作为自己生平最大的功业，因为他拯救的，远不止是一个病怏怏的婴儿，而是人类历史上最伟大的人，Issac Newton（牛顿）。投影： 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 问：你知道牛顿捡到了哪些“光滑的石子”和“美丽的贝壳”？ 答：…… 投影：牛顿力学体系及数学、天文学方面的研究成果记载在他的科学巨著《自然哲学的数学原理》中。 牛顿的力学体系有什么作用呢？我们来看两个例子。 1781年天王星被发现，科学家用牛顿力学计算它的轨道，可是计算结果总是同观测纪录不大相符。经反复核算，观测无误。那问题是否出现在牛顿力学上面？法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确，大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系中还有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。1848年9月23日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，用望远镜对准勒维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星——海王星。勒维列无需观测星空，就在笔尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。 长期以来，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，根本不能用科学来说明。牛顿的好友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。53年以后的1758年（当时哈雷已去世），这颗彗星果然如期出现。哈雷彗星的发现验证了万有引力定律的科学性。英国著名诗人亚历山大·波普曾写过一首赞美牛顿的诗： 自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是，一切成为光明。 可是牛顿本人却谦逊地表示：我之所以能比别人看得远些，是因为我站在巨人们的肩上。 ——牛顿 为什么牛顿能取得这样辉煌的成就？让我们还是从关于他的小故事说起吧。你们知道哪些关于牛顿的故事？ 答：…… 父母原希望他成为一个农民，但牛顿本人却无意于此。每次，母亲叫他同佣人一道上市场，熟悉做交易的生意经时，他便恳求佣人一个人上街，自己则躲在树丛后看书。牛顿的好学精神感动了舅父，于是舅父劝服了母亲让牛顿复学。 后来，作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅，往往领带不结，袜带不系好，马裤也不扣纽扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。牛顿也因此终生未娶。 他马虎拖沓，曾经闹过许多的笑话。一次，他边读书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了，鸡骨头留在盘子，不告而别了。等牛顿想起，出来后，发现了盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。 从这些故事中我们不难理解牛顿为什么能取得伟大的成就。 请思考：牛顿力学体系建立的意义？ 答：…… （板书）⒈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； 投影： 三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么往低处流？太阳为什么升起落下？这些今天看来简单之极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。——《大国崛起》解说词 （板书）⒉牛顿力学体系对自然界的力学现象做了系统合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合；⒊成为近代科学形成的标志。 1727年，牛顿去世。英国以隆重的国葬仪式将他安葬在威斯敏斯特大教堂，这里一向是王公贵族的墓地，牛顿成为第一个安息在此的科学家。出殡的那天，成千上万的普通市民涌向街头为他送行；抬棺椁的，是两位公爵、三位伯爵和一位大法官；在教堂合唱的哀歌中，王公贵族、政府大臣和文人学士们一起向这位科学巨人告别。 目睹了牛顿葬礼的法国思想家伏尔泰为之深深感动，他感慨道：“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”整个社会在向一个科学家表达着由衷的敬意，这是一个国家对于科学家的态度，也是一个国家对于科学的态度。 19世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，有的物理学家表示：“19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。” 可是，随着人类认识的不断发展，经典力学受到了越来越大的挑战。经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的，一旦进入光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。在这种背景下，相对论与量子论应运而生。 普朗克，生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。 量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。” 既然连专家都为量子论感到困惑，作为中学生的我们，暂且先“观其大略”吧。 量子力学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。狭义相对论发表100周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。 也许相对论太过于抽象，我们不妨通过几个例子让同学们感受相对论的神奇。 投影：乘坐“光子火箭”的星际旅行。乘坐“光子火箭”以光速作星际旅行，回到地球时，我们会发现什么变化？ 投影：“天上方一日，人间已一年”。 投影：爱因斯坦关于相对论的比喻。 为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内容。”这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。投影：相对论的现实意义举例——相对论能修正GPS（全球定位系统）。 全球定位系统——GPS的应用也已普及化了，许多城市的公共汽车、出租车上都安装了它。早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差可以用爱因斯坦相对论来修正。 投影：成功的秘诀。 一个爱说废话而不爱用功的青年，整天缠着大科学家爱因斯坦，要他公开成功的秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一个公式给他：A＝x＋y＋z。爱因斯坦解释道：“A代表成功，x代表艰苦的劳动，y代表正确的方法……”“z代表什么？”青年迫不及待地问。“代表少说废话。”爱因斯坦说。1955年4月18日，爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲；那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。 请思考：相对论建立的意义？ 答：…… （板书）⒈相对论的建立是对近代物理学理论框架的重大突破；⒉是人类思想发展史中的一次根本性变革。 用一句话概括：量子论和相对论是现代物理学的两大支柱。 投影：本课知识结构。 投影： 1666年秋天的一个傍晚，牛顿坐在花园的苹果树下，正在考虑一个运动的问题。忽然一只熟透的苹果掉了下来，正好落在牛顿的前面。这只苹果引起了牛顿的注意。他想，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果，那它也肯定在吸引着月亮。经过研究、演算和论证，牛顿发现了万有引力定律。——引自《科学简史》请思考：⒈如果苹果落在你的前面，你会像牛顿那样去思考、去探究吗？⒉仅仅因为苹果落地的启发，牛顿就发现了万有引力定律吗？⒊我们应该如何正确看待科学传奇故事？ 答：……请思考：物理学的发展给了我们什么样的启示？ 答：…… （板书）尊重事实，不迷信权威，敢于质疑，勇于探索创新，实践出真知，…… 第二部分：反思与点评【课后反思】牛顿的经典力学体系由于学生在物理课上已经学习过，所以不论是文科班还是理科班同学都比较熟悉。但是相对论和量子论不要说文科班，就连理科班也没有学过，加上相对论和量子论的内容艰深晦涩，甚至物理教师都不一定讲得清楚，所以在教学中对这部分内容做了淡化处理。 相对论和量子论的意义，其实只要用一句话概括：构成了现代物理学的基本理论框架。 第三部分：相关资料【练习与测验】 课本第109页“学习思考”答：牛顿力学体系对自然界的力学现象做出了系统、合理的说明，使科学摆脱了神学的束缚而不断发展，特别是海王星的发现，体现了牛顿力学体系具有惊人的科学预见力和巨大的理论指导意义。 课本第110页“学习思考”答：这种说法是正确的。19世纪在牛顿力学体系的基础上，声学、光学、电磁学和热学等新兴学科取得了长足的进步，将人类对自然界的认识推进到前所未有的高度，经典物理学达到了顶峰。但是19世纪末，物理学的一系列新发现，无法用经典物理学来解释，然而相对论和量子理论的提出，使人类的认知领域又进一步拓宽，发展到研究宏观的宇宙世界和微观的粒子世界。人类的认识从已知的事物发展到更高层次的事务，但是宇宙未知的事务是无限的，因此我们永远不能认识宇宙的全部。 课本第111页“材料阅读与思考”答：同意。因为相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性；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；同时，也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。
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