【2022教学参考】历史材料与解析：人教版历史必修3-第11课物理学的重大进展-.docx

第11课　物理学的重大进展

经典力学

1．伽利略对物理学的贡献

〔材料一〕外力是转变物体运动状态的缘由：

一个运动的物体假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部缘由，便会始终保持这种速度──这个条件只有在水平的平面上才有可能，由于假如在沿斜面运动的状况里，朝下运动则已经有了减速的起因。由此可知，只有水平的平面上的运动才是不变的，运动既不会减小或减弱，更不会毁灭。

──伽利略《关于两门新科学的对话》

〔材料二〕加速度概念的确定：

正如匀速运动被解释为相等时间中保持相等的速度，所以我们也可以用类似的方法，设想在一段相等的时间中，速度的增加并不会简洁，这样我们可以认为速度是平衡的、连续的变化着，在任意相等的时间间隔中，速度的增加总是确定的。

──伽利略《关于两门新科学的对话》

【解读】《关于两门新科学的对话》是伽利略关于自然运动科学和材料强度科学的一部重要著作，为物理学的进展作出卓越的贡献。

伽利略对于力学的争辩，在他的科学活动中占有极为重要的地位，他所建立的摆的定律、惯性定律、落体运动定律，以及对抛体运动的争辩和他提出的相对性原理，奠定了动力学的重要基础。以后经牛顿的进展完善，建立了现代经典力学的系统理论。

2．伽利略捍卫进展哥白尼的日心说

〔材料〕萨：假如世界的中心确是全部天层以及星体（即行星）环绕运行的中心点，那就完全可以确定，处于宇宙中心的是太阳，而不是地球。因此，作为第一个普遍概念而言，中心的地点就是太阳的地点，而地球离开中心的距离就是它离开太阳的距离。

辛：你是怎样引申出行星环绕的中心是太阳而不是地球呢？

萨：这是依据最明显，因而也是最具有说服力的很多观看而引申出来的。在这些把地球从中心排解出去，而把太阳放在中心的观看中，一个最的确牢靠的观看是，我们发觉全部的行星在某一个时候靠近地球，而在另一个时候又距地球较远。

──《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》

【解读】《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书，是伽利略天文学争辩成果总集。在天文学方面，伽利略的贡献是极其巨大的。他的宇宙观的核心是维护和坚持、进展了哥白尼学说。他的日心说观点是完全建立在对天文的长期观测所获得的大量新发觉的牢靠事实基础之上的。

3．伽利略的科学争辩方法

〔材料一〕哲学被写在宇宙这本大书中，正一页一页的为我们开放。但我们只有先学懂它的语言，生疏组成语言的字母，才能读懂这本书。这本书是用数学的语言写成的，它的字母就是三角形、圆和其他几何图形，没有这些字母，人类就不能懂得书里的任何一个单词：没有这些字母，人类只能迷失在黑暗的迷宫中。

──《伽利略的发觉与见解》转引自S．德雷克著唐云江译《伽利略》

〔材料二〕抛射体45度时射程最远

仅用数学便得到如此严格的证明，这使我心中布满又惊又喜的感觉。……大炮和破击炮轰击时，最大射程（即炮弹放射的最远距离），是在仰角45度时获得的……但是要理解为什么发生这种状况，这比从别人那里得到证据甚至反复试验得到的证据重要的多……通过探究缘由而达到对某一效应的理解会使人顿开茅塞，从而使理解和确证其他事实无须再借助试验，目前的例子恰好证明白这一点……

──伽利略《关于两门新科学的对话》

〔材料三〕伽利略的发觉以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最宏大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。

──英费尔德《物理学的进化》

〔材料四〕意大利始终是古典学术复兴的舞台。也是在意大利，伽利略和他的追随者为近代科学奠定了基础。

──沃尔夫《16、17世纪科学、技术和哲学史》

【解读】伽利略是近代科学史上划时代的人物。他对近代科学的主要贡献表现在三个方面：一是奠定了经典力学的基础；二是捍卫和进展了哥白尼的日心说；三是创立了试验与数学相结合的科学争辩方法。

在观看试验的基础上，经过推理和计算对现象提出假定性的说明和描述，并用数学公式表示出来，然后再用试验方法去考核推理的结果是否正确。这是近代科学争辩的一般程序和经典方法。伽利略是这种科学争辩方法和传统的奠基人。这种争辩方法既推动了经典力学的进展，也推动了数学的进展。人们称伽利略是近代试验科学之父，近代科学方法的奠基人。

4．牛顿对物理学基本概念的定义

〔材料〕定义1物质的量是物质的度量，可由其密度和体积共同求出。

定义2运动的量是运动的度量，可由速度和物质的量共同求出。

定义3物质固有的力，是一种起抵制作用的力，它存在于每一物体当中，大小与该物体相当，并使其保持现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动。

定义4外力是一种对物体的推动作用，使其转变静止的或匀速直线运动的状态。

定义5向心力使物体受到指向一个中心点的吸引，或推斥任何倾向于该点的作用。

定义6以向心力的确定度量量度向心力，它正比于中心导致向心力产生并通过四周空间传递的作用源的性能。

定义7以向心力的加速度度量量度向心力，它正比于向心力在给定时间里所产生的速度部分。

定义8以向心力的运动度量量度向心力，它正比于向心力在给定时间里所产生的运动部分。

──牛顿《自然哲学之数学原理》

【解读】《自然哲学之数学原理》一书，是牛顿经典力学争辩成果汇编。这部重要著作被称为17世纪物理科学的百科全书。

《自然哲学之数学原理》由四部分组成：

前言：说明白争辩理论物理的目的和方法。他指出：从物理的全部任务看来就在于从各种运动的现象来争辩各种自然力，然后再用这些力去论证其他现象。

第一、二编定义并分析了质量、动量、惯性、力、向心力、时间、空间等一系列奠定力学基础的概念，提出了严谨的天体力学理论，争辩了物体在有阻力的介质中的运动问题，叙述了牛顿力学三条基本运动定律和万有引力定律，以及流体动力学的有关定律。第三编运用前两编推导出的运动定律来解释自然界的实际问题，如月球的运动、潮汐、二分点的岁差和彗星的运动等。

5．经典力学理论

〔材料一〕牛顿物体运动三大定律

定律1每个物体都保持其静止，或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它转变那种状态。

定律2运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。

定律3每一种作用都有一个相等的反作用，或者，两个物体间的相互作用总是相等的，而且指向相反。

──牛顿《自然哲学之数学原理》

〔材料二〕万有引力定律

命题76假如若干球体（就其物质密度和吸引力而言）相互间由其中心到表面的同类比值完全不相像，但各球在其到中心给定距离处是相像的，而且各点的吸引力随其到被吸引物体的距离的平方而减小；则这些球体中的一个吸引其他球体的全部的力反比于球心距离的平方。

推论3一个球相对于另一个球的运动吸引，或二者见的相对重量，在相同的球心距离处，共同正比于吸引的与被吸引的球，即正比于这两个球的乘积。

推理4在不同的距离处，正比于该乘积，反比于二球心距离的平方。

──牛顿《自然哲学之数学原理》

【解读】经典力学理论体系由牛顿力学三大运动定律和万有引力定律组成。

牛顿第确定律即惯性定律，是继承和进展了伽利略的成果。伽利略依据斜面试验发觉了水平方向的惯性运动。牛顿把它扩大到任意方向。任何物体没有外力作用，将永久保持静止或匀速直线运动状态。

牛顿其次定律也是继承和进展了伽利略的工作。伽利略订正了亚里士多德力与速度有关的传统观念，指出力不是同速度有关而是与加速度有关。牛顿进一步指出，力与加速度和质量的乘积有关。牛顿在争辩碰撞与动量问题的基础上，又总结出运动第三运动定律，即作用与反作用定律。

牛顿力学三大定律深刻揭示了机械运动的普遍规律，万有引力定律则把天体的运动和地球上物体的运动联系起来了，最终完成经典力学理论体系。

6．牛顿提出哲学中的推理规章

〔材料〕规章1寻求自然事物的缘由，不得超出真实和足以解释其现象者。

因此对于相同的自然现象，必需尽可能地寻求相同的缘由。

物体的特征，若其程度既不能增加也不能削减，且在试验所及范围内为全部物体所共有；则应视为一切物体的普遍属性。

在试验哲学中，我们必需将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，而不管想象所可能得到的与之相反的种种假说，直到毁灭了其他的或可排解这些命题，或可使之变得更加精确的现象之时。

──牛顿《自然哲学之数学原理》

【解读】牛顿的《自然哲学之数学原理》不仅是一本划时代的科学著作，它在科学方法上也有重要意义。

牛顿进展了从阅历事实概括为自然科学原理的方法。

牛顿指出，在自然科学里，应当像在数学里一样，在争辩困难的时候，总是应当先用分析的方法，然后接受综合的方法。这种分析包括做试验和观看，用归纳法从中做出普遍结论，并且不使这些结论遭到异议，除非这些异议来自试验或其他牢靠的真理方面。用这样的分析方法，我们就可以从复合物论证到它们的成分，从运动到产生运动的力，一般地说，从结果到缘由，从特殊缘由到普遍缘由，始终论证到最普遍的缘由为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定缘由已经找到，并且把它们立为原理，再由这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性。

相对论的创立

1．爱因斯坦提出狭义相对论

〔材料一〕确定静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明白的。我们要把这个猜想（它的内容以后就称之为“相对性原理”）提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来和它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度与放射体的运动状态无关。由这两条公设，依据静体的麦克斯韦理论，就可以得到一个简洁而又不自相冲突的动体电动力学。

──爱因斯坦《论动体的电动力学》

〔材料二〕狭义相对论是以下面的公设为基础的（而伽利略──牛顿的力学也满足这个公设）：假如这样来选取一个坐标系K，使物理定律参照于这个坐标系得以最简洁的形式成立，那么对于任何另一个相对于K做匀速平移运动的坐标系K′，这些定律也同样成立。这条公设我们叫它“狭义相对性原理”。“狭义”这个词表示这条原理限制在K′对K做匀速运动的状况，但K′同K的等效性并没有扩充到K′对K做非匀速运动的状况。

──爱因斯坦《论动体的电动力学》

【解读】爱因斯坦在物理学的很多领域中都有重大的贡献，其中最重要的是创立了相对论和进展了量子论。

爱因斯坦在1905年6月完成的《论动体的电动力学》一文中，提出了狭义相对论。这一理论告知我们，假如我们承认光在真空中的速度传播速度是恒定的，而且在一切惯性参照系中自然定律都是相同的，那么就可以确定，时间和物质运动的生疏，发生了革命性的变化，具有划时代的意义。2．广义相对论的两条公设

〔材料〕（等效原理）物理学的定律必需具有这样的性质，它们对于以无论哪种方式运动着的参照系都是成立的。

（广义协变原理）普遍的自然规律是由那些对一切坐标系都有效的方程来表示的，也就是说，它们对于无论哪种变换都是协变的（广义协变）。

──《广义相对论的基础》

【解读】1916年，爱因斯坦《广义相对论的基础》的论文，建立了广义相对论。狭义相对论主要论述电磁现象及其在时间和空间中的传播；广义相对论主要争辩引力理论。这个理论的中心思想是引力的实质是由于质量的存在而引起的时空连续场的弯曲。他依据广义相对论，作出光线在引力场作用下会发生弯曲、水星近日发生运动和引力场中的光谱线向红端移动的三大预言，以后都被试验观看所证明。1919年，英国物理学家汤姆生曾感动地说，爱因斯坦创立的相对论是“人类思想史上最宏大的成就之一”。

3．科学应造福于人类

〔材料〕假如你们想使你们一生的工作有益于人类，那么，你们只懂得应用科学是不够的。关怀人的本身，应当始终成为一切技术上奋斗的主要目标；关怀怎样组织人的劳动和产品支配这样一些尚未解决的重大问题，用以保证我们科学思想的成果会造福于人类，而不致成为祸害。

──《纪念爱因斯坦译文集》

【解读】爱因斯坦的历史地位，不仅仅由于他的科学贡献，还有他对世界的人文关怀。他不仅是一位宏大的科学家，还是一位和平主义者。他目睹了两次世界大战对人类的摧残，认为和平是人类的首要问题。1955年4月，弥留之际的爱因斯坦签署了《罗素—爱因斯坦宣言》，呼吁人们团结起来，防止新型的世界大战的爆发。

爱因斯坦要求科学要造福于人类，而人类也从爱因斯坦的争辩成果中获益匪浅。

后世得益于爱因斯坦理论的重大制造。

太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。

核能利用了这样一个物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱因斯坦的出名等式E=MC2。如今，核能为英国供应了25%的电力。

狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在。科学家们利用正电子，即反物质“电子”，通过X射线层析照相术争辩大脑活动。

爱因斯坦1916年至1917年对光子的争辩为人类40年后发觉激光奠定了基础。

量子论的诞生与进展

1．爱因斯坦对普朗克发觉的评价

〔材料〕这一发觉成为二十世纪物理学争辩的基础，从那个时候起几乎完全打算了物理学的进展。要是没有这一发觉，那就不行能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。

──《诺贝尔物理奖金获得者》

【解读】普朗克在物理学上最主要的成就是提出出名的普朗克辐射公式，创立能量子概念。普朗克从1896年开头对热辐射进行了系统的争辩。他经过几年艰苦努力，最终导出了一个和试验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文，题目是《论维恩光谱方程的完善》，第一次提出了黑体辐射公式。12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中，他感动地阐述了自己最惊人的发觉。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必需假定物质辐射（或吸取）的能量不是连续地，而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中，系统地总结了他的工作，为开拓探究微观物质运动规律新途径供应了重要的基础。

2．爱因斯坦对光电效应的解释

〔材料〕能量子钻进物体的表面层……把它的全部能量赐予了单个电子……一个在物体内部具有动能的电子当它到达物体表面时已经失去了它的一部分能量。此外还必需假设，每个电子在离开物体时还必需为它脱离物体做确定量的功P（这是物体的特性值──按：即逸出功）。那些表面上朝着垂直方向被激发的电子，将以最大法线速度离开物体。

──《爱因斯坦文集》其次卷，商务印书馆1977年版，第37页

【解读】在普朗克提出量子假说的基础上，爱因斯坦提出光量子理论，光量子理论明显地进展了量子论。

爱因斯坦的理论进展了普朗克的观点，是波尔得以建立起举世出名的原子模型。德布罗意的关于物质波的天才思想,也是直接起源于爱因斯坦的光量子观念的。