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近代以来世界的科学历程

发布时间:2019-11-06

第七单元 单元引言分析本单元教材引言主要介绍了近代以来自然科学的发展概况,包括三部分内容。第一部分着重指出文艺复兴以来,由于人的思想从宗教束缚中解放出来,重视实践和理论的结合,促进了科学技术的迅速发展,尤其是欧洲的自然科学取得了巨大成就,在数学、生物学、物理学、化学等众多领域,理论研究取得了很多划时代的成果。指出了人类历史的三次科技革命的影响,尤其是以信息技术为代表的第三次科技革命的影响。第二部分提出了本单元的学习要点,包括四个方面:经典力学的主要内容,进化论的主要观点,相对论和量子论的主要内容以及三次科技革命。第三部分主要指出,在学习本单元过程中要突出了解这一时期科学家取得的重要成果以及对人类生活和社会进步的作用,同时也要关注这些科学巨匠勇于探索、执着追求的科学精神。一、教学目标目标内容知识与能力过程与方法情感态度价值观识记理解运用经典力学的重要奠基者──伽利略伽利略的发现以及他开始的科学研究方法,标志着物理学的真正开端16世纪末17世纪初物理学方面取得突出成就的历史条件思考“日心说”与“地心说”相比的进步性问题探究历史比较科学真理需要勇于探索、执着追求的精神科学理论在不断完善、创新人类对客观规律的认识不断深入经典力学的建立牛顿力学体系即经典力学体系的建立;海王星、冥王星的发现;经典力学体系的建立标志着近代科学的形成探究经典力学体系的特点、影响问题探究从经典力学到相对论19xx年爱因斯坦提出了狭义相对论和光速不变原理;19xx年他完成了广义相对论的最终形式相对论和量子论诞生的原因、意义历史比较量子论的诞生与发展普朗克量子论的诞生;爱因斯坦推动了量子论的发展归纳量子论的发展过程问题探究二、教材分析和教学建议1.知识结构2.教材分析与建议课时安排1课时。重点伽利略对物理学发展的重大贡献;经典力学的建立;相对论的提出;量子论的诞生。难点物理学各阶段发展的原因;对科学发展创新性的理解。教材内容分析与建议本课教材主要从四个方面向学生介绍物理学从16世纪末17世纪初到19世纪末20世纪初的重大成就:经典力学的重要奠基者──伽利略、经典力学的建立、从经典力学到相对论、量子论的诞生与发展。这一时期物理学方面的文字、图片、人物介绍等资料比较丰富,教师可以适当补充一些资料,提高学生学习的兴趣。本课引言文字介绍了意大利物理学家伽利略通过实验证实匀加速运动定律。第一目“经典力学的重要奠基者──伽利略”,教材主要介绍了16世纪末17世纪初物理学的发展情况。教材主要写了三方面内容:(1)背景由于伽利略和文艺复兴时期近代科学的产生有着直接的联系,建议教师在本目教学时首先让学生回顾文艺复兴时期近代科学产生的背景,把本目内容放在这种背景下,有助于学生深入理解伽利略进行研究科学的手段和取得的成就。16世纪末17世纪初,随着文艺复兴运动的扩展和人的思想的解放,意大利科学家伽利略认为研究自然界必须进行系统地观察和实验。他将科学实验与数学相结合,进行科学研究,并强调追究事物之间的数学关系。(2)伽利略对物理学、天文学发展做出的重大贡献及意义建议教师在教学中充分利用本课教材中的引言部分和【历史纵横】部分文字,应用比较的方法,让学生深入理解和掌握伽利略对物理学做出的贡献。希腊学者亚里士多德认为地球上的物体运动有天然运动和受迫运动。他认为物体的受迫运动是推动者加于被推动者的,推动者一旦停止推动,运动就会立即停止。在16xx年,意大利物理学家伽利略在实验中发现:物体下落时的距离与所用时间的平方成正比,而物体下落的速度与物体的重量无关,这就是著名的落体定律。他还通过实验证实了匀速运动定律和匀加速运动定律。伽利略的研究表明,外力并不是维持运动状态的原因,而只是改变运动状态的原因。这是对古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动观念的重大变革,为经典力学的建立奠定基础。他的发现以及他开始的科学研究方法,是人类思想史上伟大的成就之一,标志着物理学的真正开端。(3)伽利略在天文学方面的贡献及影响本目涉及到了天文学领域的知识,建议教师在教学本目时利用教材中有关哥白尼“日心说”的【学思之窗】这段文字,让学生进行阅读。中世纪流行的天文学观点是托勒密的“地球中心说”,它认为地球是宇宙的中央,日月星辰都围绕地球运行。文艺复兴运动时期波兰科学家哥白尼提出“太阳中心说”,并写成《天体运行论》。他提出太阳是宇宙的中心,地球不过是围绕太阳运行并能自转的一颗普通行星而已。这就揭穿了所谓“上帝赋予地球特殊地位”的说法,摧毁了上帝创造世界的谬论。意大利科学家伽利略对哥白尼学说的传播和天文学的发展做出了重要贡献。他自创了用以观察天体的第一架望远镜,从望远镜里他发现月球表面有高山深谷,并不是以前人们所说的月球表面是光滑的;木星有四颗卫星,很相似于行星绕着太阳转,他看到银河是由无数恒星组成的,还观察到哥白尼曾推论的金星有盈亏现象。1632年伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。他的这些发现和观点,摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。第二目“经典力学的建立”,本目教材介绍了17~18世纪物理学的发展情况,即经典力学的建立。建议教师在教学中从四个方面把握教材。(1)经典力学建立的背景及概况。17~18世纪,近代自然科学中突出发展起来的是经典力学,又称牛顿力学。这除了由于工场手工业时期经济上的需要之外,也是因为力学研究的对象最直接,它抛开物体的物理、化学性质只把它作为一个质量的实体来看待。在经典力学领域中,最重要的成就是万有引力定律和运动三定律的发现,这些成就构成了经典力学的基本内容。在经典力学的建立中,曾有许多科学家为之付出心血,牛顿则是其中的集大成者,故经典力学又称牛顿力学。(2)经典力学建立的标志。经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献,最重要的是在力学方面。他在力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明,任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比,而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们连结起来了。此外,牛顿还确立了著名的运动三定律,即惯性定律、比例定律(即加速度与力成正比)、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。1687年,他出版了《自然哲学的数学原理》,在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义,对大至宇宙天体,小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动,全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明,把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来,把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律,从力学的角度证明了自然界的统一性,实现了人类自然界认识的第一次综合。(3)经典力学的显著特征最显著的特征之一就是注重实验,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。另一个显著特征是它的数学化,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。(4)经典力学的影响牛顿三大运动定律和万有引力定律建立后,光学、电磁学等与力学的进一步统一,大大推动了物理学的发展。经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。第三目“从经典力学到相对论”,本目教材介绍了19世纪末20世纪初物理学发展的新阶段即物理学界出现了一种崭新的革命性的理论──相对论。建议教师在教学中从三方面把握教材。(1)相对论提出的历史背景19世纪末,物理学界连续发生了三个重大事件,这就是x射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系,从根本上出现了动摇,这就是所谓的“物理学危机”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界,三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象,这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家,他们继续向前探索,于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命,物理学从此开辟了新的天地。(2)相对论的提出及主要内容过去的物理学都以牛顿的理论为基础,认为时间和空间是绝对的,两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟,在任何情况下,它的速率永远都是相同的,世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。德国物理学家爱因斯坦经过多年的研究,打破了传统的绝对时空观,于19xx年提出了狭义相对论和光速不变原理。指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的,而是随着物体的运动而发生变化。狭义相对论认为:物体运动时,质量会随着物体运动速度的增大而增加,同时,空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,即还会发生尺缩效应和钟慢效应。19xx年,爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。在广义相对论中,引力是被考虑的主要问题。广义相对论指出:空间和时间不可能离开物质而独立存在,空间结构和性质取决于物质的分布,使人类进一步深化了对时间、空间和引力现象的认识。广义相对论又被认为是一种引力理论。(3)相对论提出的历史意义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即:揭示了时空的可变性、时空变化的联系性,树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。第四目“量子论的诞生与发展”,本目教材主要介绍了19世纪末20世纪初物理学的另一个重大成就──量子论的诞生与发展。建议教师在教学中从三方面把握教材。(1)量子论诞生的背景教师在教学过程中可结合第三目“从经典力学到相对论”的背景及本目教材第一段内容来分析量子论诞生的背景。19世纪末20世纪初,电子和放射性的发现,打开了原子的大门,使人们对物质的认识深入到了原子内部。但大量的实验表明,微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。(2)量子论的诞生、发展和量子力学19xx年,德国物理学家普朗克提出了物质的辐射能不是连续的,而是以最小的、不可再分的能量单位即能量量子的整数位跳跃式地变化的量子假说。这个假说宣告了量子论的诞生。在普朗克之后,英国的物理学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究,证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。电子在不同轨道上围绕着原子核运动,当电子从外层轨道跳到内层轨道时就放出相应波长的电磁波。玻尔在此基础上创立了原子结构的理论。爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质,进一步推动了量子论的发展。德国物理学家海森伯和奥地利物理学家薛定谔等创立了物理波理论,指出电子和一切物质粒子都像光一样,既具有连续的波动性质,又具有不连续的粒子性质。经过这些科学家的共同努力,到1925年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。(3)量子论和量子力学的影响在量子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科学的发展。同时,也标志着人类对客观规律的认识,开始从宏观世界深入到了微观世界。相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮,以物理学革命为先导,带动了化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学,指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。三、教学设计与案例1.教学设计学习本节内容时,教师可先让学生阅读本单元的引言文字,教师讲解后,直接导入本节内容。本节内容比较多,在教学过程中要注意详略得当、突出阶段成就。在学习物理学的重大成就时,要充分利用学生了解的知识,激发学生的兴趣。对教材中科学家的重要成就,应把重点放在这些成就及其历史地位和作用上。关于“经典力学的重要奠基者──伽利略”一目的教学。建议教师以本课引言文字为素材,通过提问方式引导学生阅读理解这段文字。设问题一:试举例说明以前学习过的有关伽利略的成就或贡献?设问题二:你认为伽利略能够确定加速运动定律的关键途径是什么?你有何启示?在学生回答的基础上,教师引导学生进入本目内容的学习。在学习本目内容时,可以利用教材中的两幅插图《伽利略望远镜及伽利略观察到的月亮》《伽利略面对教会的审判》。讲完本目后可以让学生讨论回答下列问题来进行总结:伽利略在物理学、天文学方面突出的贡献是什么?他为什么会取得这些贡献?他的这些贡献有什么意义?同时可以利用【学思之窗】的问题培养学生的对比分析能力。关于“经典力学的建立”一目的教学。教师可以通过教材提供的有关牛顿的图片资料设问:牛顿有哪些重要贡献?其中最重要的是什么?在学生回答的基础上导入本目学习。在学习经典力学的显著特征时,教师可以引导学生阅读本目中关于伽利略、牛顿把实验与数学紧密结合的【历史纵横】文字,以加深学生对经典力学显著特征的理解。引导学生阅读另一段关于中国古代著作中对力和运动的关系早有记载的【历史纵横】文字,帮助学生认识中国人早在两千多年前,就已经对力学运动之间的关系有了正确的观察和研究,从而增强学生的民族自豪感。关于“从经典力学到相对论”一目的教学。教师可以通过设置问题导入本目,如:19世纪末20世纪初物理学发展的重大成果是什么?为什么会出现?在讲述相对论的内容和意义时,教师可以让学生进行归纳,然后结合【学思之窗】提供的资料和问题让学生思考讨论:相对论和经典力学有何区别与联系?有何启示?以此来培养学生的辩证思维能力和理论创新的观念。关于“量子论的诞生与发展”一目的教学。本目的重点应放在量子论的诞生、发展以及量子力学的意义。在师生对这些内容归纳的基础上可以让学生讨论:量子论、量子力学与经典力学有何区别?在学完本节内容之后,建议学生设计表格来归纳这一时期所涉及的物理学的重大成就。2.教学案例案例一  在学习伽利略天文学成就时,用实物投影或幻灯片介绍教材中的图片《伽利略面对教会的审判》。伽利略在科学领域里的重大成就,激怒了罗马教皇及其信徒们,当伽利略写了《关于两种世界体系对话》这篇科学巨著后,教会终于露出了狰狞面目,把伽利略投入了监狱。教皇乌尔班八世的御用工具──宗教裁判所在1633年6月21日宣布对伽利略的判决说:“我们判决你在宗教法庭监狱内服刑,刑期由我们掌握,为了有益于补赎,命令你在今后3年内,每周背诵7篇赎罪诗篇……”这一纸胡言,竟使伽利略蒙冤三百多年,至死都没有撤销判决,甚至死后还被禁止举行殡礼,不准葬入圣太克罗斯墓地。四、问题解答【学思之窗】1.“日心说”比“地心说”进步在哪儿?今天人们还主张“日心说”吗?解题关键:理解“日心说”和“地心说”的观点。思路引领:“地心说”的神学观;“日心说”的科学观。答案提示:“地心说”反映了“上帝创造世界”的神学观,而“日心说”客观地揭示了地球、行星和太阳的关系,摧毁了上帝创造世界的谬论,也开始使自然科学从神学中解放出来。今天人们已不主张“日心说”,因为宇宙是无限的,银河系只是宇宙的一部分。2.你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦对物理学的贡献?解题关键:适应时代的需要,推动科学的发展。思路引领:牛顿创立经典力学;爱因斯坦提出相对论。答案提示:牛顿确立了万有引力定律和运动三定律,之后光学、电磁学等与力学进一步统一,大大推动了物理学的发展,牛顿力学研究的是宏观世界。爱因斯坦打破了牛顿以来传统的绝对时空观,于19xx年提出了狭义相对论和光速不变原理,19xx年爱因斯坦完成了广义相对论的最终形式。爱因斯坦的相对论发展了牛顿力学,将牛顿力学概括在相对论力学之中,推动物理学发展到一个新的高度。【探究学习总结】一、本课测评1.牛顿对物理学的主要贡献包括哪些?解题关键:牛顿在物理学方面的成就。思路引领:牛顿在力学方面的贡献。答案提示:牛顿确立了万有引力定律和运动三定律,标志着经典力学的建立。2.爱因斯坦的主要研究成果有哪些?解题关键:掌握爱因斯坦对物理学的主要贡献。思路引领:相对论的提出。答案提示:19xx年提出狭义相对论和光速不变原理,19xx年他完成了广义相对论的最终形式。二、学习延伸1.探究活动略2.阅读与思考思考提示:科学技术与社会发展的相互促进作用。(河北石家庄市第二十三中学  张建军)五、资料与注释1.原始资料载人航天工程是当今世界高新技术发展水平的集中展示,是衡量一个国家综合国力的重要标志。我国载人航天工程取得的成就,是改革开放20多年来我国综合国力不断增强、科技水平不断提高的重要体现。这再一次说明,只要我们坚定不移地坚持党的基本理论、基本路线、基本纲领和基本经验,坚定不移地坚持以经济建设为中心,坚定不移地走改革开放的强国之路,坚定不移地推进经济社会协调发展,我们就能不断夺取社会主义现代化建设的更大胜利。……第一,必须坚持以科技进步和创新为先导,努力实现技术发展的跨越。载人航天是当今世界高新科技中最具挑战性的领域之一,是难度高、规模大、系统复杂、可靠性和安全性要求极强的工程。实施载人航天工程,同当年搞“两弹一星”并取得成功一样,有力地推动了我国科技的跨越式发展,带动了相关学科技术的整体跃升,形成了一批新兴产业,对促进我国经济社会发展具有十分重大的意义。实践告诉我们,高度重视和充分发挥科学技术的重要作用,努力以科技发展的局部跃升带动经济社会发展,是加快发展的一个重要途径。当今时代,人类正在经历一场全球性的科技革命,知识创新迅速发展,科技进步日新月异,科学技术越来越成为综合国力竞争的核心,我们比以往任何时候都更需要加快科技进步和创新的步伐。我国是一个发展中国家,在经济社会发展的诸多方面特别是科技发展方面同发达国家还有较大差距。我们要赶超世界先进水平,就必须坚定不移地实施科教兴国战略和人才强国战略,抓住机遇,用好机遇,集聚尖端人才,发挥后发优势,选准一些对推动经济社会发展、维护国家安全具有重大带动作用的领域重点攻关,加速推进全社会的科技进步,实现技术发展的跨越,带动我国综合国力的全面提升。──《xx在庆祝我国首次载人航天飞行圆满成功

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