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1、第四单元近代以来第四单元近代以来第四单元近代以来第四单元近代以来世界的科学发展历程世界的科学发展历程世界的科学发展历程世界的科学发展历程 牛顿是一位伟大的科学家。牛顿是一位伟大的科学家。数学界,他总结出了微积分;数学界,他总结出了微积分;在物理界,他总结出了万有引在物理界,他总结出了万有引力定律以及经典力学的三大定力定律以及经典力学的三大定律;在光学方面,他最早发现律;在光学方面,他最早发现了白光的组成,指出了色散的了白光的组成,指出了色散的本质。本质。17271727年年3 3月月2020日,伟大的日,伟大的牛顿逝世,他被埋葬在威斯敏牛顿逝世,他被埋葬在威斯敏斯特教堂,在他的墓碑上镌刻斯特教
2、堂,在他的墓碑上镌刻着:着:让人们欢呼这样一位多么让人们欢呼这样一位多么伟大的人类曾经荣耀在世界上伟大的人类曾经荣耀在世界上存在!存在!牛顿力学刚刚问世时,曾受到牛顿力学刚刚问世时,曾受到不少人的怀疑和反对。牛顿力学是不少人的怀疑和反对。牛顿力学是否是科学?只能由实践来检验。牛否是科学?只能由实践来检验。牛顿力学不断被证实,历史上最著名顿力学不断被证实,历史上最著名的有三件事。的有三件事。第一件,第一件,用牛顿力学算出地球用牛顿力学算出地球的形状象只桔子。古希腊的亚里士的形状象只桔子。古希腊的亚里士多德认为地球是个正球体,两千年多德认为地球是个正球体,两千年来人们对此深信不疑。牛顿却根据来人们
3、对此深信不疑。牛顿却根据他的力学,说地球是个扁球体,象他的力学,说地球是个扁球体,象只大桔子。此言一出,学界哗然。只大桔子。此言一出,学界哗然。地球那么大,牛顿又从不出远门,地球那么大,牛顿又从不出远门,他凭什么说地球有点扁?可是法国他凭什么说地球有点扁?可是法国科学家经过三次实地测量,终于证科学家经过三次实地测量,终于证实了牛顿的看法。用力学能算出地实了牛顿的看法。用力学能算出地球的形状,真是个奇迹。球的形状,真是个奇迹。第二件,第二件,用牛顿力学算出了哈雷彗星的回归周期。长期以来到,人们用牛顿力学算出了哈雷彗星的回归周期。长期以来到,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
4、说明。牛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。牛顿说,既然彗星也是天体,就必然遵循力学规律。他的好友哈雷用牛顿说,既然彗星也是天体,就必然遵循力学规律。他的好友哈雷用牛顿力学算出了顿力学算出了16821682年出现的彗星的轨道,指出它的回归周期是年出现的彗星的轨道,指出它的回归周期是75767576年,由此预言它将在年,由此预言它将在17581758年再次出现。哈雷年再次出现。哈雷17051705年发表这个预言,当年发表这个预言,当时他已时他已4949岁,却要预言岁,却要预言5353年以后的事,岂非耸人听闻?可是年以后的事,岂非耸人听闻?可是17581758年这年这颗彗星果
5、然如期出现,并被命名为哈雷彗星。牛顿力学剥掉了彗星的颗彗星果然如期出现,并被命名为哈雷彗星。牛顿力学剥掉了彗星的神秘外衣,对它的运行作出了科学预见,这又是一个奇迹。神秘外衣,对它的运行作出了科学预见,这又是一个奇迹。第三件,第三件,用牛顿力学用牛顿力学算出了一颗未知行星的位算出了一颗未知行星的位置。置。17811781年天王星被发现,年天王星被发现,科学家用牛顿力学计算它科学家用牛顿力学计算它的轨道,可是计算结果总的轨道,可是计算结果总是同观测纪录不大相符。是同观测纪录不大相符。经反复核算,观测无误。经反复核算,观测无误。那问题是否出现在牛顿力那问题是否出现在牛顿力学上面?法国的勒维列和学上面
6、?法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确,大胆猜想计算学的正确,大胆猜想计算结果之所以不理想,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。用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。18481848年年9 9月月2323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维列所指出的位置,一下子就看到了一
7、颗新的行星海王星。勒维列无需观海王星。勒维列无需观测星空,就在笔测星空,就在笔 尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。有了牛顿力学,秀才不出门,能知地球事,能知天上事。牛顿力学创造有了牛顿力学,秀才不出门,能知地球事,能知天上事。牛顿力学创造的一次又一次奇迹,使科学享有崇高的威望。的一次又一次奇迹,使科学享有崇高的威望。然而,科学总是向前然而,科学总是向前发展的。发展的。2020世纪初,在世纪初,在牛顿经典物理学达到顶牛顿经典物理学达到顶峰,形成一种权威的时峰,形成一种权威的时候,科学上一系列无法候,科学上一系列无法解释的现象越来越需要解释的现
8、象越来越需要科学本身的发展来解决。科学本身的发展来解决。危机与机遇:危机与机遇:“晴空上漂浮着两朵乌云晴空上漂浮着两朵乌云”第一朵乌云:第一朵乌云:“以太以太”说破灭说破灭 水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真做媒介,它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播播?它的传播介质是什
9、么?物理学家给光找了个传播介质介质“以太以太”。他们假定整个宇宙空间都充满了他们假定整个宇宙空间都充满了“以太以太”,“以以太太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。到的媒介。“以太以太”是光、电、磁的共同载体的概念是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门为人们所普遍接受,形成了一门“以太学以太学”。地球以每秒地球以每秒3030公里的速公里的速度绕太阳运动,就必须会遇度绕太阳运动,就必须会遇到每秒到每秒3030公里的公里的“以太风以太风”迎面吹来,同时,它也必须迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个对光的传播产
10、生影响。这个问题的产生,引起人们去探问题的产生,引起人们去探讨讨“以太风以太风”存在与否。存在与否。18871887年,实验结果证明,年,实验结果证明,不论地球运动的方向同光的不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球同设想的速都相同,在地球同设想的“以太以太”之间没有相对运动。之间没有相对运动。因而,根本找不到因而,根本找不到“以太以太”或或“绝对静止的空间绝对静止的空间”。无法解释之例子一:无法解释之例子一:夜空的金牛座上的夜空的金牛座上的“蟹状星云蟹状星云”,是,是900900多年前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。多年前一次超新星爆发中抛出
11、来的气体壳层。结论:结论:在在2525年持续看到超新星爆发时发出的强光。年持续看到超新星爆发时发出的强光。史书记载:史书记载:强光从出现到隐没还不到两年。强光从出现到隐没还不到两年。矛盾矛盾L(距离)距离)C+V(速度)速度)19051905年,年,爱因斯坦爱因斯坦2626岁,接连写下岁,接连写下4 4篇改变整个篇改变整个2020世纪物理学面貌的论文:世纪物理学面貌的论文:1 1、光的量子说(解释光电效应)、光的量子说(解释光电效应)2 2、布朗运动(证明分子的存在)、布朗运动(证明分子的存在)3 3、狭义相对论、狭义相对论(修正了牛顿力学)(修正了牛顿力学)4 4、质能互换律(、质能互换律(
12、E=mc2E=mc2)19161916年,年,爱因斯坦发表了广义相对论基础,最具创爱因斯坦发表了广义相对论基础,最具创见也是最伟大的贡献:见也是最伟大的贡献:5 5、广义相对论、广义相对论(取代了牛顿的万有引力理论)(取代了牛顿的万有引力理论)19051905 神奇的一年神奇的一年 爱因斯坦爱因斯坦19051905年提出的相对论,后来称作狭义相对年提出的相对论,后来称作狭义相对论,以光速永不改变、相对性原则来推论,得到论,以光速永不改变、相对性原则来推论,得到“时间时间”会因速度快慢而改变的结论。会因速度快慢而改变的结论。相对论的例子:一卷录音相对论的例子:一卷录音带,如果在地面上播放需要一带
13、,如果在地面上播放需要一个小时;在快速飞行的宇宙飞个小时;在快速飞行的宇宙飞船里播放,宇宙飞船里的人测船里播放,宇宙飞船里的人测定也是一个小时。但是由地面定也是一个小时。但是由地面上的人员,来测定在宇宙飞船上的人员,来测定在宇宙飞船中播放的时间呢?根据牛顿的中播放的时间呢?根据牛顿的理论,因为时间是绝对的,所理论,因为时间是绝对的,所以也是一小时;但是爱因斯坦以也是一小时;但是爱因斯坦的理论则认为应该是一个多小的理论则认为应该是一个多小时,因为时间是相对的,在不时,因为时间是相对的,在不同速度下测量时间,长度是不同速度下测量时间,长度是不一样的。一样的。什么是狭义相对论?什么是狭义相对论?什么
14、是广义相对论?什么是广义相对论?广义相对论是新的万有引力概念广义相对论是新的万有引力概念 爱因斯坦阐述爱因斯坦阐述“万有引力万有引力”的本质是的本质是导因于物质的分布而导因于物质的分布而弯曲了邻近的时间弯曲了邻近的时间空间几何结构,从而空间几何结构,从而导出比牛顿万有引力导出比牛顿万有引力定律更精确的理论,定律更精确的理论,得到弯曲的四维时空得到弯曲的四维时空观念,牛顿的万有引观念,牛顿的万有引力理论成了广义相对力理论成了广义相对论中的一个特例。论中的一个特例。广义相对论的重要结论是,加速运动与引力广义相对论的重要结论是,加速运动与引力场的运动是等价的,要区别是由惯性力或者引力场的运动是等价的
15、,要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此,爱因斯坦作了所产生的运动是不可能的。对此,爱因斯坦作了一个的比喻。假想有一个人乘摩天楼的电梯自由一个的比喻。假想有一个人乘摩天楼的电梯自由降落,人不会感到自己在下降,因为这时电梯和降落,人不会感到自己在下降,因为这时电梯和人都依照重力加速度定律在下降,彷佛在电梯里人都依照重力加速度定律在下降,彷佛在电梯里不存在地球引力。不存在地球引力。1 1、相对论的两条基本原理:、相对论的两条基本原理:1 1)相对性原理)相对性原理 2 2)光速不变原理)光速不变原理 2 2、相对论的意义:、相对论的意义:(1 1)解决了经典物理学的危机,创造了一个全
16、)解决了经典物理学的危机,创造了一个全新的物理学世界,极大地扩展了物理学的应用新的物理学世界,极大地扩展了物理学的应用的领域;也使人们对自然规律的探索从普通世的领域;也使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间。界深入到广阔的宏观宇宙空间。(2 2)打破了经典物理学绝对化的思维模式,为)打破了经典物理学绝对化的思维模式,为人们提供了辩证看待世界的途径。人们提供了辩证看待世界的途径。很抱歉推翻了您的理论很抱歉推翻了您的理论 爱因斯坦曾说道:爱因斯坦曾说道:“牛顿先生,牛顿先生,很抱歉推翻了您的理论,不过您的很抱歉推翻了您的理论,不过您的成就是您那个时代一个人的智力和成就是您那个时代
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