篇一：狭义相对论
爱因斯坦的相对论百年故事
爱因斯坦是少数具有极高公众知名度的伟大物理学家，美国的《时代杂志》在1999年推选他为“世纪伟人”。作文网小编为大家精心准备了《爱因斯坦的相对论百年故事》，希望对大家有所帮助，如果想了解更多的写作技巧请继续关注我们的作文栏目。
爱因斯坦(Albert Einstein， 1879-1955)是少数具有极高公众知名度的伟大物理学家，美国的《时代杂志》(Times)在1999年推选他为“世纪伟人”(person of the century)。爱因斯坦在物理学上做出了许多划时代的贡献，例如1905年，年轻的他就独立完成了许多开创性的成果，其中有关光电效应(photoelectric effect)的论文，则是开启量子物理(quantum physics)大门的关键性成果，也使他获得了1921年诺贝尔物理奖的桂冠；他是在前往日本访问途中，於开往中途停靠点上海的旅行船上获知此消息。
然而，对一般大众来说，爱因斯坦最着名的研究成果就是相对论。他在1905年完成了“狭义相对论”(special relativity)，讨论等速运动系统的物理特性，其中由光速不变性的假设所推论出来的“时间膨胀”(time dilation)、“长度缩收”(length contraction)等等奇特效应，可以说是理论物理中十分令人着迷的现象。不过，综观爱因斯坦的科学成就中，描述重力作用的“广义相对论”(general relativity)，毫无疑问的是物理学中最激动人心的智慧结晶，让我们听听来自三位诺贝尔奖得主物理学家对广义相对论的赞誉：
狄拉克(Paul Dirac， 1902-1984)说：“这可能是有史以来最伟大的科学发现。”玻恩(Max Born， 1882-1970)说：“广义相对论的基础对我而言，直到现在仍然是人类思维上有关自然的最伟大壮举，是哲学洞察力、物理直觉和数学技巧最惊人的组合。”朗道(Lev Landau， 1908-1968)则说：“它应该代表全部现有的物理理论中最美丽的部分。”
2015年是广义相对论的100周年诞辰，在这个值得纪念的时间点，我们将藉由这篇文章，介绍一些关於广义相对论的发展历史。对於爱因斯坦的生平事蹟，坊间已出版了许多非常好的传记书籍，我们将不再多所着墨。此外，爱因斯坦的研究课题所包含的领域很广泛，本文将只着重於爱因斯坦在广义相对论及其相关领域研究的思路历程，至於他在其他领域的重要工作，则不在本文的讨论范围。
探索新视界：广义相对论的发展
爱因斯坦在大学时期是一个相当古怪的学生，常常翘课、成绩并不突出，最後勉强达到毕业门槛；他大部分的时间和精力，均致力於独立研究物理学中最前沿的问题。爱因斯坦自己说过，他旷课的时间绝大部分待在家里，以宗教狂热的热诚学习理论物理。至於考试，爱因斯坦则依赖他的同学格罗斯曼(Marcel Grossmann， 1878-1936)在上课时所作的笔记。
因为爱因斯坦的经常缺课，再加上时常不够尊重师长的态度，使得他在授课老师心中留下不良的印象。他的物理学教授韦伯(Heinrich Friedrich Weber， 1843-1912)曾经责备他说：“你是一个很聪明的孩子，爱因斯坦，非常聪明的孩子，但是你有一个很大的缺点，就是永远听不进去别人对你说的任何事情。”
事实上，在小学至高中时期，爱因斯坦是个好学生，特别是他在数学上的表现曾受到高度的关注。但是，当他考上了苏黎世理工学院(Federal Polytechnic Institute in Zurich)後，爱因斯坦对课业方面则采取知道就好的态度。例如，他很少专注於闵可夫斯基(Hermann Minkowski， 1864-1909)教授的课程，甚至翘掉很多他的课。闵可夫斯基曾经称爱因斯坦为“懒狗”。许多年後，关於狭义相对论的发表，闵可夫斯基的评论是“我真的不敢相信他能够做到。”
广义相对论所讨论的，是自然界中的重力作用。重力，也就是万有引力，是最为人类所熟知的作用力，我们很容易地就能观察到周遭物体总是向下掉落的现象，这就是地球所产生的重力作用结果。牛顿(Isaac Newton， 1642-1727)首先理解到，万有引力不单单只是造成地球上万物会向下掉落的原因，也是天体中星球运行的作用力来源。他写下了质量如何产生重力的万有引力公式，再加上他所提出的物体运动必须服从的三大运动定律，构成了牛顿力学的体系，主导我们对物理的认知达数百年；直到爱因斯坦相对论的奠定，我们对这个物理领域的理解，才又往前跨出了重要的一步。而广义相对论就是牛顿万有引力理论的推广。
爱因斯坦广义相对论的理论基础，起源於一个称为“等效原理”(equivalent principle)的基本概念。这个想法出现在1907年，根据爱因斯坦的说法，他是某天坐在伯恩专利局办公室里得到了这个灵感。等效原理的基本概念很简单，就是当一个人在自由坠落(free falling)的时候，他是感受不到自己的重量的。自由坠落是一个加速的运动状态，而物体的重量则是重力作用的结果；因此，等效原理表明了这两个物理现象间有一定的关联性，也就是重力作用原则上是等价於加速度。这个想法给了爱因斯坦很深的启发，引导他建立一个革命性重力理论的方向。爱因斯坦甚至曾经说过，等效原理是一辈子中令他感到最快乐的想法。
以等效原理为基础出发，爱因斯坦开始逐步地建构广义相对论的殿堂；当然，这个过程不可能一蹴可及，途中遭遇了重重的困难。从1907年等效原理的想法出现开始算起，直到1915年底广义相对论的诞生，在这八年的光阴中，爱因斯坦做过了许多不同的尝试，在错误中修正自己的方法，有时答案几乎已在眼前，可惜却因为某个错误的理解而失之交臂。在广义相对论发展的时期，爱因斯坦的职业，也从伯恩的专利局职员，转变成苏黎世大学的理论物理副教授、布拉格大学教授，最後又回到了苏黎世理工大学。
等效原理指出，重力可以被看成是加速度，因为重力在空间中无所不在，所以必须引进适当的物理量来表示“加速度场”。此外，狭义相对论提出了一个重要的新概念，在牛顿力学体系中的一维时间和三维空间不再是各自独立的。劳仑兹(Hendrik Lorentz， 1853-1928)已经提出了两个相对等速运动的观测者间，所测量到的时间和长度的转换关系，也就是说，时间和空间必须被看成一体，形成一个称为“时空”(spacetime)的概念；闵可夫斯基提出适用於狭义相对论的四维时空数学架构；而爱因斯坦则首先在四维平直时空上思考新的重力理论。在布拉格时期，他尝试相对简单的纯量(scalar)理论，他将光速视为一个空间的函数，并预期这个纯量函数会如同牛顿万有引力理论中的重力势一样，可以表示重力场的大小。
不过，这个尝试最後并没有成功，而且爱因斯坦也开始理解到，单单只用一个纯量不足以表示重力作用。在从布拉格回苏黎世的前後，他已经开始考虑重力的张量(tensor)理论，思考使用时空的度规(metric)来描述重力场。在四维的时空，度规是一个四乘四的对称矩阵，所以有十个分量，决定时空中长度和角度的大小。以直觉的图像来说明爱因斯坦的新方案，就是用时空的弯曲程度，来表示重力场的大小。时空弯曲愈大的地方，加速度愈大，也代表重力愈强。
一个完整的重力理论包含两个部分：第一部分需要知道物质如何产生重力场，在牛顿的理论中亦即万有引力方程。第二部分是重力场如何作用在物体上，因而改变物体的运动状态，在牛顿的理论中就是第二运动定律。在广义相对论弯曲时空的架构下，重力如何作用在物体的部分是相对容易解决，物体在弯曲时空中运动所走的是最短路径，而最短路径在数学上可由测地线方程(geodesic equation)算出。因此，广义相对论的建构中最核心的问题，就是必须推导出物质如何弯曲时空的重力场方程。
尽管爱因斯坦对於建立新的重力理论的物理直觉是清晰而深刻，但是要将他的想法具体地实践出来，需要一个全新的数学架构。讨论弯曲时空结构现在称为“微分几何”(differential geometry) 的数学工具，便成了广义相对论所需要的数学平台。但不幸地，爱因斯坦一开始并不十分熟悉微分几何，以致於迟迟无法构建出一个具有一致性的理论。回到苏黎世後，他向同学格罗斯曼再次寻求帮助，他向老同学拜托：“格罗斯曼，你一定要帮帮我，否则我会疯了。”
爱因斯坦开始和格罗斯曼合作，埋首於广义相对论的建构，这段期间有关爱因斯坦的思想脉络和工作内容，均详细地记载於被称为“苏黎世笔记”(Zurich notebook)的档案中。经过了一段时间的努力，爱因斯坦和格罗斯曼终於在1913年发表了着名的“纲要”(Entwurf) 论文(完整论文题目为Outline of a Generalized Theory of Relativity and of a Theory of Gravitation)，这篇论文分为物理与数学两部分，分别由爱因斯坦和格罗斯曼撰写。
物理与数学的火花：广义相对论诞生
广义相对论的诞生，也就是推导出正确的重力场方程式，发生在1915年的11月，那一个月份，爱因斯坦分别在4日、11日、18日和25日发表了有关广义相对论的论文，从考虑比较简单的特殊系统再推广到一般情形，逐步改进结果，而正确的重力场方程式则出现在25日的论文中。
爱因斯坦意识到1913年与格罗斯曼“纲要”论文中的那次尝试几乎是正确的，其中所缺乏的是如何正确地将公式中的时空曲率和质量分布关联起来。起初，他也重蹈了格罗斯曼的错误，只专注於将不同形式的里奇张量组合对应到物质的能动张量，当然，所得到的理论依然是不自洽的。爱因斯坦後来发现到了这个矛盾，并试图修正。在1915年11月的论文中，从比较特殊简单的能动张量形式开始，一步步地修正他的理论，并在25日的论文中提出了正确的重力场方程式。
重力场方程式中的几何部分，除了里奇张量外，还需要加上一项包含曲率纯量的贡献，将曲率纯量乘上同是二阶张量的度规，正是在“纲要”论文中所欠缺的部分。最後，将里奇张量、曲率纯量和度规张量做一个特定的组合，定义了现在称为爱因斯坦张量(Einstein tensor)的二阶张量，而重力场方程，被称为爱因斯坦方程，便是时空几何的爱因斯坦张量等於物质的动张量(忽略了比例常数)。这组方程告诉我们物质的分布如何造成时空的弯曲，时空弯曲的程度经由测地线方程给出加速度，而根据等效原理，我们就知道重力作用大小。
爱因斯坦很快地重新考虑了太阳周边时空的弯曲，如何影响行星运动和光线的传播。他重复了三年前和贝索关於水星轨道近日点进动的计算，很高兴地发现，得到的结果和天文上已知的观测数据是相符的。他也重新计算了光线通过太阳附近，因重力场的影响所造成的路径弯曲，修正了他在1911年的预测结果，新的计算数值是先前结果的两倍大。
希尔伯特有关重力场方程式的论文，也是在完成在这个时间点，所以一直都有到底是谁先得到重力场方程式的争论。爱因斯坦首次提出正确的重力场方程是在1915年11月25日，但就在五天之前，也就是11月20日，着名的数学家希尔伯特在哥廷根(Gottingen)的报告中，介绍了他对广义相对论的研究成果。希尔伯特的研究主要目的是考虑重力与电磁力的整合模型，他从作用量(action)出发，利用变分原理(variation principle)，进而分析理论的数学性质。
变分方法是在牛顿力学系统中被建构出来的，希尔伯特将它用到重力与电磁的整合理论上。作用量是个纯量，而且当时已经知道电磁场的作用量形式。对於几何所代表的重力部分，希尔伯特很自然地猜测它的形式是曲率纯量对时空的积分，将此作用量对度规做变分，就可得到电磁场产生重力场的爱因斯坦方程式。这是一个非常简洁、漂亮的方法。关於希尔伯特报告内容的论文，则正式发表於隔年3月，在论文的印刷版本中，希尔伯特也推崇了爱因斯坦：“重力微分方程，在我看来，符合爱因斯坦在他的论文中所建立的广义相对论大纲。”
爱因斯坦和希尔伯特论文发表的时间十分接近，导致了谁先孰後的争议：发现重力场方程式应归功於爱因斯坦还是希尔伯特？有些物理学家和科学史家认为希尔伯特首先发现重力场方程式，而爱因斯坦则是在几天之後独立地发现了它。
希尔伯特参与广义相对论的研究是始於1915年6月，那年夏天，爱因斯坦访问了哥廷根，并发表了一系列演讲介绍他的重力理论。他和希尔伯特对理论中的问题进行深入地讨论。这是他们首次碰面，爱因斯坦对希尔伯特有高度的好感，他曾说过：“我在哥廷根的一个星期，认识了并且喜爱他。我举行了六次两小时长的演讲介绍新的重力理论，最让我高兴的是我完全说服了那里的数学家。”
在接下来的几个月，希尔伯特深入研究关於爱因斯坦的理论，他很快就找到了一个优雅的数学处理方法。他写信告诉爱因斯坦他的研究成果，而爱因斯坦则要了希尔伯特的笔记与计算的副本。爱因斯坦在11月18日前显然收到了这些笔记副本，因为就在这一天，他回覆希尔伯特说：“你所建立的系统，据我观察，与我在最近几个星期发现、并且在学院报告的结果是完全一致的。”没有证据可以判断希尔伯特给爱因斯坦的笔记中，是否已有爱因斯坦方程，如果有，那麽爱因斯坦就是在自己提出这个方程(11月25日)前就已经知道结果。
另一方面的说法是，明确的重力场方程式事实上并没有出现在希尔伯特给爱因斯坦的笔记副本里，甚至也没有在他11月20日的报告中，希尔伯特是在稍後的论文校对过程中、且是在看了爱因斯坦的论文後，才将爱因斯坦方程式加入他的论文当中。这个两种看法，在1997年哥廷根大学图书馆公布有关希尔伯特在12月6日所做的论文校对相关文件後，更添加神秘色彩。
希尔伯特的校对版论文内容和最後正式发表的版本有些不同，最特别的是，在校对版文件中，可能包含爱因斯坦方程式的半页手稿被人撕走了。这种状况使得真相更加扑朔迷离，阴谋论的说法层出不穷：难道是爱因斯坦的支持者摧毁证明方程存在的证据？抑或希尔伯特的支持者想要掩盖方程式不存在的事实？希尔伯特的变分方法，原则上可以得到爱因斯坦方程式，但是，这个变分推导是很复杂的，希尔伯特当然有能力完成计算，问题是他是否在11月20日的报告前就明确地推导出爱因斯坦方程式，还是他在後来才加到正式发表的论文里。
无论真相为何，爱因斯坦和希尔伯特对广义相对论的建立，都扮演者极其关键的角色。爱因斯坦的物理图像清晰，动机明确，虽然所需的数学基础和一些疑惑困扰了他许多年，但终究达到目的；希尔伯特经由爱因斯坦的介绍开始重力的研究，他的数学知识雄厚，利用作用量和变分的方法，给重力场方程式的推导开辟出一个在数学上非常简洁的方法，精确地说，爱因斯坦方程对应於时空曲率的极值，也就是最大或最小值。这个方法是现代物理学家建构理论的基本手段，影响甚远。他们两人之间在1915年的相互交流与讨论，肯定对彼此的研究产生正面的影响。谁先推导出重力场方程的争议，一开始在两人的内心，也确实曾经激起短暂的不愉快情绪。然而，在他们往後的频繁交流过程中，几乎看不出这争议对他们的友好关系造成任何嫌隙，或许他们终究认为，这件事并不是个值得浪费时间和友谊的议题。
篇二：狭义相对论
高中历史必修3《物理学的重大进展》教案
高中历史必修3《物理学的重大进展》教案【一】
教学准备
教学目标
1.知识与能力
阅读教材，识记伽利略、牛顿在力学方面所取得的主要科学成就和经典力学创立的标志;爱因斯坦创立相对论;普朗克、爱因斯坦、玻尔等人对量子论诞生与发展所作出的主要贡献。
2.过程与方法
在识记上述基本史实的基础上，通过生生共议、师生互议、学生质疑，通过对经典力学创立的历史背景和主要内容综合分析，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位;对比分析经典力学与相对论、量子论的差异，认识相对论、量子论与经典力学之间的联系
3.一步认识近代以来物理学对自然运动变化规律的探索及取得的辉煌成就，带来了人类生产力的巨大进步。
教学重难点
重点: 经典力学、相对论、量子论的主要内容
难点：不同阶段物理学之间的关系，对科学发展创新性的理解。
教学工具
多媒体设备
教学过程
导入新课：
展示：《苹果落地》和《“神八”升空》图
引入：《苹果落地》和《“神八”升空》两幅图片，涉及到物理学中的传统经典力学和现代物理学中的相对论和量子力学原理。
物理学发展的过程
一、经典力学
1.经典力学的重要奠基者──伽利略
(1)背景：文艺复兴运动的影响，即解放了人们的思想，推动了科学研究。
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)成就：利用自制望远镜发现许多星体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。
A.外力并不是维持运动状态的原 因，只是改变运动状态的原因;
B.发现自由落体定律等定律;
C.利用望远镜观察天体并取得大量成果第一人;
D.证明了哥白尼“日心说”的正确性;
(3)意义：①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,
②为经典力学的创立和发展奠定了基础
2.牛顿创立经典力学
(1)标志：1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律和万有引力定律。
牛顿(1642—1727)是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。牛顿出生于英国的林肯郡，牛顿是一个早产儿，出生时只有三磅重，接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人，并且竟活到了85岁的高龄。1665年毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。
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。
牛顿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联结起来了。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。牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律成为经典力学建立的标志。
经典力学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。
(2)意义：
①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
②促进了天文学发展：根据牛顿力学体系，人们发现了海王星和冥王星。
二、爱恩斯坦创立相对论：
1.历史背景：
(1)19世纪科学得到了飞速发展;
(2)经典力学无法解释高速运动的微观粒子发生的现象。
2.相对论的提出及主要内容：
(1)提出：1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章，提出了著名的相对论，引发了二十世纪物理学的另一场革命。
(2)内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。
狭义相对论认为，物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。
3、意义：
(1)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。
(2)爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，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。
【合作探究】相对论和经典力学的关系
相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。
牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。
牛顿力学是相对论的一种特例(物体低速运动状态)，包括在相对论体系中。
三、量子论的诞生与发展：
学生看书总结：
1.诞生的背景：
(1)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。
(2)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：
(1)诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。
立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。
(2)发展：
①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。
②丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。
③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：
(1)量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步，成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。
(2)量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。
(3)推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
量子论和相对论的关系：
量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。
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、晶体技术和激光技术等奠定了理论基础。
高中历史必修3《物理学的重大进展》教案【二】
教学准备
教学目标
1.阅读教材，识记伽利略、牛顿在力学方面所取得的主要科学成就和经典力学创立的标志;爱因斯坦创立相对论;普朗克、爱因斯坦、玻尔等人对量子论诞生与发展所作出的主要贡献。
2.在识记上述基本史实的基础上，通过生生共议、师生互议、学生质疑，通过对经典力学创立的历史背景和主要内容综合分析，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位;对比分析经典力学与相对论、量子论的差异，认识相对论、量子论与经典力学之间的联系;并进一步认识近代以来物理学对自然运动变化规律的探索及取得的辉煌成就，带来了人类生产力的巨大进步。
教学重难点
1.重点：经典力学、相对论、量子论的主要内容
2.难点：不同阶段物理学之间的关系，对科学发展创新性的理解。
教学工具
教学过程
1.阅读教材第一目“经典力学”
A(1)：伽利略为近代科学的兴起做出了哪些贡献(请注意阅读“前言”、“历史纵横”、图片资料及解读综合思考)?
【3组学生板演预测】创立科学的研究方法：实验和观察;
发现：物理学：实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等;
天文学：自制望远镜观察天体并取得大量成果的第一人，证明了哥白尼“日心说”的正确性;伽利略的努力为近代自然科学的兴起奠定了基础。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
伽利略、开普勒与潮汐理论。狭义相对论。
红衣主教贝拉明1615年发表声明，称哥白尼学说不成立，除非“有物理证据证明太阳不是围绕地球，而是地球围绕着太阳运行”。伽利略认为他的潮汐理论足可证明地球运动。这个理论十分重要，以至于他最开始将著作命名为《关于海洋潮汐与流动的两大世界体系的对话》。关于潮汐的字眼最终因为宗教法庭的指令而被删除。
伽利略认为，由于地球围绕轴心自转并围绕太阳公转，导致地球表面运动的加速减速引发海水潮汐式前后涌动。1616年，他将第一份有关潮汐的文献整理出来，交给了红衣主教奥斯尼。他的理论第一次涉及了海底大陆架的形状尺度，以及潮汐的时刻等。例如，他正确地推算出亚德里亚海中途的波浪相对于到达海岸的最后一波来说可以忽略不计。但是，从潮汐形成的总体角度来看，伽利略的理论并不成立。
如果理论成立了，那么每天只能出现一次涨潮。伽利略与他的同事们注意到该理论的不足之处，因为在威尼斯每天会涨潮两次，时间间隔为12小时。伽利略认为这种反常现象不过是因为海洋形状，深度及其它的问题导致的，不值得一提。对于他这种观点是不靠谱的论断，爱因斯坦则表示伽利略只是急于给出地球运动的物理证明，构造出了这种“引人入胜的观点”并自己全盘接受了。伽利略否定了当时开普勒的观点，即月球导致潮汐运动，而后者的观点袭承了托勒密法之书中占星传统。他也拒接接受开普勒关于行星沿椭圆轨道运行的观点，认为圆形轨道才是“完美”的。
A(2)：经典力学出现的标志是什么?其创立具备了那些社会条件?
【2组学生板演预测】1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》;
社会条件：文艺复兴、宗教改革等思想解放运动的影响;
资本主义的发展提供了物质基础;
资产阶级民主革命运动的推动;
科学家勇于的探索精神。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A(3)：经典力学的基本特征是什么?其的创立对人类社会产生了哪些影响(请注意阅读“资料回放”、“历史纵横”、图片资料及解读综合思考)?
【1组学生板演预测】基本特征：三大定律与万有引力定律等集中解释自然界宏观运动;以实验为基础，以数学为表达形式。
影响：建立了经典力学体系，标志着近代科学的形成，推动了物理学的发展;实践上，根据万有引力定律，发现了海王星;但仅确认了物体宏观运动的规律，不可能解决所有的物理学问题。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
经典力学发展史：
古希腊的哲学家，包括亚里士多德在内，可能是最早提出“万有之本，必涵其因”论点，以及用抽象的哲理尝试敲解大自然奥秘的思想家。当然，对于现代读者而言，许多仍旧存留下来的思想是蛮有道理的，但并没有无懈可击的数学理论与对照实验来阐明和证实。而这些方法乃现代科学，如经典力学，能形成的最基本因素。
开普勒是第一位要求用因果关系来诠释星体运动的科学家。他从第谷o布拉赫对火星的天文观测资料里发现了火星公转的轨道是椭圆形的。这与中世纪思维的切割大约发生在西元1600年。差不多于同时，伽利略用抽象的数学定律来解释质点运动。传说他曾经做过一个著名的实验：从比萨斜塔扔下两个不同质量的球来试验它们是否同时落地。虽然这传说很可能不实，但他确实做过斜面上滚球的数量实验;他的加速运动论显然是由这些结果推导出的，而且成为了经典力学上的基石。
牛顿和大多数那个年代的同仁，除了惠更斯著名的例外，都认为经典力学应可以诠释所有大自然显示的现象，包括用其分支，几何光学，来解释光波。甚至于当他发现了牛顿环(一个光波干涉现象)，牛顿仍然使用自己的光微粒学说来解释。
十九世纪后期，尖端的理论与实验挖掘出许多扑朔迷离的难题。经典力学与热力学的连结导至出经典统计力学的吉布斯佯谬(熵混合不连续特性)。在原子物理的领域，原子辐射呈现线状光谱，而不是连续光谱。众位大师尽心竭力研究这些难题，引导发展出现代的量子力学。同样的，因为经典电磁学和经典力学在坐标变换时的互相矛盾，终就创发出惊世的相对论。
自二十世纪末后，不再能虎山独行的经典力学，已与经典电磁学被牢牢的嵌入相对论和量子力学里面，成为在非相对论性和非量子力学性的极限，研究质点的学问。
2.阅读教材第二目“相对论的创立”
A(1)：20世纪初，德国物理学家爱因斯坦为什么要创立相对论(请注意阅读图片资料及解读综合思考)?
【6组学生板演预测】19世纪末20世纪初，科学技术进一步发展;经典力学遭遇困境与挑战：无法解释高速运动的微观粒子发生的现象等。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A(2)：相对论的主要内容是什么?它的创立有何历史影响(请注意阅读“学思之窗”综合思考)?
【5组学生板演预测】相对论包括狭义相对论和广义相对论：
狭义相对论是建立在相对性原理和光速不变原理上的，认为物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，时间和空间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动状况，也取决于物质本身的分布状态。
影响：物理学领域的一次重大革命;否定了经典力学的绝对时空观，揭示了时间和空间的本质属性;发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度;
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
特别提示：
相对论的影响：
联合国大会已把2005年确定为“国际物理年”，这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。
运动中的尺子会缩短：相对论的研究对象是超越人们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙。狭义相对论认为，运动中的尺子会缩短。人们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米。狭义相对论表明，高速旅行会使时间变慢。假定将来人们能制造一艘接近光速飞行的宇宙飞船，从地球出发飞向遥远的星系，来回的旅程仅仅几年(按飞船上的时间)，但在此期间地球上已过去了几千年。
1915年，爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。广义相对论认为，没有物质的时空是平坦的，有物质存在的时空就变得弯曲了，两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。一个直观的比喻是，水平抻开的一块布应该是平坦的，当你在布上放置一个铅球后，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。根据广义相对论，1939年美国物理学家奥本海默证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，这就是人们常听说的黑洞。
理论催生原子弹：作为相对论的一个推论，爱因斯坦提出了著名的质能关系式：能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下，1939年，科学家找到了通过裂变把质量转化为能量，释放巨大原子能的中子链式反应，进而制造了原子弹，后来又利用核聚变发明了氢弹。而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用，比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。
全球卫星定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出：传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号，由于处在不同的参照系上，时空无法和地面同步，只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间，才能保证定位系统的精确。
1976年，物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。他们观察到，这个时钟与放置在地球上的时钟相比，多获得了1/10微秒。他们认为，为了在未来时光中旅行，就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星引力场。如果让飞船到达一颗中子星上，就会在未来的时光中迈出一大步。
3.阅读教材第三目“量子论的诞生与发展”
A(1)：请简述量子论提出的历史背景与发展过程(请注意阅读图片资料及解读综合思考)。
【4组学生板演预测】历史背景：19世纪末20世纪初，科学技术进一步发展;经典力学遭遇困境与挑战：无法解释高速运动的微观粒子发生的现象等。
发展过程：①爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应;②玻尔提出了有关原子的量子理论;③20世纪30年代，量子力学建立。(量子力学：研究微观世界粒子运动规律的科学)
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
A(2)：量子论的提出对人类社会发展有何影响?
【1组学生板演预测】影响： 使人类对微观世界的认识取得重大进步，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一; 量子论与相对论共同构成现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足; 改变了人们认识世界的角度和方式;
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
【合作探究】结合材料和所学知识思考，通过对近代自然科学的发展与进步的学习，你有何认识?
材料：有高度社会责任感的人，通常是具有良心的智识者。1939年8月2日，爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信给罗斯福总统建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹;后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠!”爱因斯坦就核武器问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出的最强音。
【2组学生板演预测】A科技是第一生产力;B科技的发展是经济发展的要求，反之也推动了经济的发展;C科学技术能够改变人类、社会及世界的发展;D科学是一把双刃剑要正确对待合理把握，为人类造福。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
【知识梳理】【师生互动小结】
一、经典力学
1.伽利略奠基：创立实验和观察科研方法;实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等;自制望远镜观察天体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。伽利略的发现以及他开始的科学研究方法，是人类思想史上伟大成就之一，标志着物理学的真正开端。
2.牛顿建立：标志是1687年《自然哲学的数学原理》出版;主要内容是物体机械运动三大定律、万有引力定律等 ;特点：以实验为基础，以数学为表达形式。标志着近代科学的形成。海王星的发现证明了牛顿理论的科学性和预见性。
3.经典力学产生的历史条件：文艺复兴、宗教改革等思想解放运动的影响;资本主义的发展提供了物质基础;资产阶级民主革命运动的推动;科学家勇于的探索精神。
二、相对论的创立
1.创立条件：过去的物理学以牛顿理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的;19世纪随着科学的飞速发展，科学家发现高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学无法解释。
2.主要内容：狭义相对论——打破经典力学的绝对时空观。广义相对论——进一步深化对时间空间和引力现象的认识。
3.历史意义：相对论的提出是物理学领域的一次重大革命;否定了经典力学绝对时空观，发展了牛顿力学;推动物理学发展到了新的高度。
三、量子力学的诞生与发展
1.历史背景：19c末20c初，电子和放射性的发现使人们对物质的认识深入到原子内部;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。
2.诞生标志：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告量子论诞生;
3.发展状况：①爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应;②玻尔提出了有关原子的量子理论;③20世纪30年代，量子力学建立。
4.历史意义：使人类对微观世界的认识取得重大进步，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。量子论与相对论共同构成现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。改变了人们认识世界的角度和方式。
【检测反馈】
1.阅读材料，回答问题。
拉尔夫、伯恩斯等人合著的《世界文明史》这样写道：“17和18世纪的文化进步并不特别神秘……这一时代的思想进步的渊源是中世纪末期以来欧洲历史上主要的经济和文化运动所产生的一些因素。”
(1)列举17—18世纪重大的科学技术成果(至少三项)。
【3组学生板演预测】伽利略发现自由落体定律，牛顿创立经典力学、胡克等创立细胞学说，瓦特新型蒸汽机改良成功。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
(2)17—18世纪的欧洲还发生了哪些影响世界的重大事件?
【4组学生板演预测】启蒙运动，英国资产阶级革命，法国大革命，第一次科技革命(工业革命)。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
(3)结合材料分析这一时代的思想进步的原因。
【5组学生板演预测】思想进步根源于资本主义因素的产生发展;此外，文艺复兴以后理性精神得到弘扬，宗教改革冲破了神学的禁锢，科学的迅速发展拓展了人们的视野，工业革命改善和丰富人们的生活，这些都有力地推动了进步思想的出现。
点评：视学生回答情况进行知识讲解与思维方法指导。
课后小结狭义相对论。
强调两点：第一，经典力学与相对论最主要的区别就在于运动与时空之间关系的区别，经典力学强调绝对时空观，而相对论则强调相对时空观。第二，相对论并没有否定经典力学，而是将经典力学作为一种特例，包含在相对论之中，是经典力学的发展。
课后习题
1、1609年8月,在意大利的威尼斯,某位科学家正在向威尼斯当时的统治者展示他的天文望远镜,而正是从这时开始,天文学进入了望远镜时代。400年后的2009年,这架望远镜被英国科学家评为“人类历史上最著名的望远镜”。当时这位科学家通过望远镜( )
A.发现了天体运行的规律
B.证实了“日心说”的正确性
C.确立了经典力学的体系
D.第一次发现了 “海王星”
解析:根据题目提供的材料可判断出相关的科学家是伽利略,他用自己制造的望远镜发现了许多用肉眼看不见的星体,从而证明了哥白尼提出的“日心说”的正确性。
答案:B
2、某班同学在制作《近代物理学的成就》手抄报时,画了右面一幅漫画。他要表达的是( )
A.伽利略通过对自然的观察发现了自由落体定律
B.牛顿在自然现象启发下开始研究万有引力定律
C.爱因斯坦相对论的提出基于对自然规律的把握
D.世界上 任何科学规律及定律的发现都是偶然的
解析:牛顿受到苹果落地的启发,开始研究并最终创立了万有引力定律。但是,任何科学规律的发现都不是偶然的,都是建立在科学家深入思考和研究的基础之上的。
答案:B
3、哥白尼、牛顿和爱因斯坦被称为近代以来最伟大的科学家,其理论的共同之处是( )
A.得到了科学实验的验证
B.改变 了人类对自然世界的认识
C.推动了技术的重大突破
D.科学地概括出物质运动的定律
解析:A、C、D三项都不符合对 哥白尼学说的描述,哥白尼的学说当时还无法得到科学验证,也没有直接运用于生产,推动技术取得重大突破,哥白尼的日心说从严格意义上说并不是科学的。 哥白尼、牛顿、爱因斯坦都提出了对自然的新认识,改变了人们对自然世界的认识。因此,B项 是符合题目要求的正确答案。
答案:B
4、一位科学家的墓碑上镌刻着这样的铭文:“他以神一般的力量……第一个说明了行星的运动和图像。”这位科学家应该是( )
A.伽利略
B.牛顿
C.爱因斯坦
D.普朗克
解析:牛顿的万有引力定律描绘了行星的运动和图像,把天上和地上的物体的运动概括在同一个理论之中,是人类认识史 上对自然规律的第一次理论性概括和综合。
答案:B
板书
物理学的重大进展
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