沪八上物理1.3 站在巨人的肩膀上 知识点精讲

课程目标

1．知识与技能：记住科学探究的七个环节。

2．过程与方法：通过对具体问题的探究，继承科学知识、学习科学探究方法和环节。

3．情感、态度与价值观 ：通过对科学家的认识，发扬科学家的 科学精神和伟大情怀。

课前练：

物理学的发展一般划分为三个主要时期，

1、即古代物理学时期：代表人物是______________，他的        说有力地推动了人类文明的 进程。

2、近代物理学时期：代表人物之一是______________，他是经典力学和实验物理学等的先驱，另一代表人物是______________，经典物理学体系的奠基人，建立了运动三大定律。

3、现代物理学时期：代表人物是______________，他被誉为20世纪杰出的物理学家。他认为：当物体的运动速度接近光速时，人们所熟悉的空间和时间等概念都会发生变化。另一代表人物是______________，他是量子力学的主要奠基人之一，发现微观世界的物理规律与宏观世界的物理规律有很大的差异。

自学指导：阅读书11本页

1．物理学就是研究自然界的________________、_________________和_______________的自然科学。

2．我们学习就是为了服务于生活、生产，“信息化”的今天，物理知识已经被广泛应用到现代通信、_________、航天、____________及__________等领域。

阅读书本13页“物理科学探究——其乐无穷”

1．科学探究的主要环节有（1）提出问题（2）_____________________

（3）___________________________（4）____________________________

（5）_________________（6）______________（7）_________________。

沪科版八年级物理1.3站在巨人的肩膀上参考资料

我国的四大发明

1、 指南针

指南针是利用磁铁在地磁场中的指极性制成的。春秋战国时代，公元前4世纪的《管子•地数篇》中记载：“上有慈石者，下有铜金”，《淮南子•说山训》中记载：“慈石能吸铁，及其于铜则不行也”。慈石即磁石，我国古代无“磁”字，在汉以前都把磁石写作“慈石”，即慈爱的石头，用以比喻慈母对子女的召引。最早的指南针是用一块天然磁石，琢成勺子的形状，使勺柄指向南极，勺头指向北极。“勺”放在标有24个方向的铜制的光滑的底盘上。勺底呈球面状，与光滑的底盘摩擦阻力很小，能在底盘上自由转动，指示方向。这种世界上最古老的的指南仪器，称为“司南”，距今大约有2000多年历史。“司南”造成“勺”状，是模拟“北斗星座”而来的，“勺”柄相当于北斗星柄部的三颗星。由于“司南”在使用时要放在“底盘”上，所以有人称“司南”叫“罗盘”。又因司南是天然磁石琢制而成的，在琢制过程中因受震动而容易失去磁性，而且使用时也不太方便，所以难以推广。到了北宋初年，人们掌握了人工磁化的方法，指南针的制造也因此得到了很大发展。

2、 造纸术

大约在3500多年前的商朝，我国就有刻在龟甲和兽骨上的文字，称甲骨文。到了春秋战国时代，用竹和木片替代龟甲与兽骨，称为竹简和木牍。甲骨和竹简都很笨重，战国时思想家惠施外出讲学，仅书简就装了五车，所以有“学富五车”的典故。西汉时宫廷贵族中用蚕丝做原料织成丝绵纸写字，称帛书，但价格昂贵。东汉时期，蔡伦总结前人制造丝织品的经验，发明了用树皮、麻头、破布等造纸法造出的纸写成奏折奏报朝廷，皇帝看后很赞赏，后来封他为尤亭侯，于是人们将这种纸称为“蔡侯纸”。后来，造纸术在7世纪经朝鲜传到日本，8世纪中叶传到阿拉伯，12世纪起，欧洲也仿效中国的方法造纸了。

3、 印刷术

印刷术最早起始于隋朝雕版印刷，经北宋刻字工人毕升在公元1004年至1048年间，用质细且带粘性的胶泥，做成方柱体，在上面刻上反写单字，放在窖里烧硬，形成活字，从此活印刷使印刷术进入一个新时代。后来人们又发明了木活字和金属活字，使活字印刷得到了改进。13世纪后，活字印刷传到朝鲜、日本，15世纪，德国人学会了用合金铸字，这样，毕升首创的活字印刷术便在欧洲推广开来。

4、 火药

火药是中国古代的四大发明之一，它究竟是谁发明的，尚无定论；但火药与炼丹有关则是肯定的。炼丹的主要原料是硫黄、硝石，再加上烧炼用的木炭。炼丹方士们在长期的实践过程中，逐渐熟悉了这些材料的性能，他们从偶然发生的爆炸事故中发现，将这三种材料的粉末按一定比例混合，即会燃烧，甚至爆炸。在《武经总要》中就记载了三个火药配方，可称是人类历史上最早的火药成分的记载。它们跟现代火药的配方很接近：硝石75%，硫黄10%，石灰岩15%。火药燃烧后会产生很多气体，这些气体在高温下体积急剧膨胀1000倍以上，由于这是在极短时间内发生的，因而产生了爆炸。三国时有位技师马钧，用纸包火药的方法做出了娱乐用的“爆仗”。开辟了火药应用的先河。现在的爆竹、礼花等都是由它演变而来的。到了唐朝末年，火药开始用在军事上，起先是造火炮，即用抛石机把火药点着抛射出去，烧伤敌人，后来改用弓箭将火药射出去烧伤敌人。到了宋朝，人们将火药装填在竹筒里，扎上细小的定向棒，这就是世界上第一种火药火箭。大约在公元1225~1248年间，我国的火药制造术传到了波斯、印度和阿拉伯国家，几十年后又传到欧洲。

超导现象

1911年，荷兰物理学家昂尼斯（1853～1926）发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零．某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体．超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）Tc．现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都能在不同条件下显示出超导性．如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K．

　　经典理论对超导现象产生的原因无法解释，为了从微观上对这一现象进行解释，花费了固体物理学家近半个世纪的心血，直到1957年才由巴丁、库珀和施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS理论）．为此，他们荣获1972年诺贝尔物理学奖．

　　我们知道，在大的电磁铁或电机中，通过线圈的电流很强，为了避免产生过多的热量，线圈就必须用较粗的导线绕或采取冷却措施．如果用超导体做线圈，就可以避免这种缺点．现在用超导体制造电机方面的研究工作已取得较大的进展．

　　超导电缆的研究和应用，也有很大进展．超导电缆埋在地下，损耗小，有利于节约能量，保护环境和节约土地．

　　超导现象在高能物理领域也有重要应用．用超导线圈制成的电磁铁能产生强大的磁场，对于核聚变时约束等离子体和粒子加速器实验装置都有很大用处．

目前阻碍超导现象大规模应用的主要问题是它要求低温．如果能得到在室温下工作的超导材料，可能会使整个工业的发展发生巨大的变化．对新的超导材料的研究工作，我国走在世界的前列．

居里夫妇：我要把人生变成科学的梦，然后再把梦变成现实。---居里夫人

比埃尔•居里(Pierre Curie)1859年5月15日生于巴黎一个医生家庭里．在他的儿童和少年时期，性格上好个人沉思，不易改变思路，沉默寡言，反应缓慢，不适应普通学校的灌注式知识训练，不能跟班学习，人们都说他心灵迟钝，所以从小没有进过小学和中学．父亲常带他到乡间采集动、植、矿物标本，培养了他对自然的浓厚兴趣，学到了如何观察事物和如何解释它们的初步方法．居里14岁时，父母为他请了一位数理教师，他的数理进步极快，16岁便考得理学士学位，进入巴黎大学后两年，又取得物理学硕士学位．1880年，他21岁时，和他哥哥雅克•居里一起研究晶体的特性，发现了晶体的压电效应．1891年，他研究物质的磁性与温度的关系，建立了居里定律：顺磁质的磁化系数与绝对温度成反比．他在进行科学研究中，还自己创造和改进了许多新仪器，例如压电水晶秤、居里天平、居里静电计等．1895年7月25日比埃尔•居里与玛丽•居里结婚． 

　　玛丽•居里(Marie Curie)1867年11月7日生于沙皇俄国统治下的华沙，父亲是中学教员．16岁她以金质奖章毕业于华沙中学，因家庭无力供她继续读书，而不得不去担任家庭教师达六年之久．后来靠自己的一点积蓄和姐姐的帮助，于1891年去巴黎求学．在巴黎大学，她在极为艰苦的条件下勤奋地学习，经过四年，获得了物理和数学两个硕士学位．

　　居里夫妇结婚后次年，即1896年，贝可勒耳发现了铀盐的放射性现象，引起这对青年夫妇的极大兴趣，居里夫人决心研究这一不寻常现象的实质．她先检验了当时已知的所有化学元素，发现了钍和钍的化合物也具有放射性．她进一步检验了各种复杂的矿物的放射性，意外地发现沥青铀矿的放射性比纯粹的氧化铀强四倍多．她断定，铀矿石除了铀之外，显然还含有一种放射性更强的元素．

　　居里以他作为物理学家的经验，立即意识到这一研究成果的重要性，放下自己正在从事的晶体研究，和居里夫人一起投入到寻找新元素的工作中．不久之后，他们就确定，在铀矿石里不是含有一种，而是含有两种未被发现的元素．1898年7月，他们先把其中一种元素命名为钋，以纪念居里夫人的祖国波兰．没过多久，1898年12月，他们又把另一种元素命名为镭．为了得到纯净的钋和镭，他们进行了艰苦的劳动．在一个破棚子里，日以继夜地工作了四年．自己用铁棍搅拌锅里沸腾的沥青铀矿渣，眼睛和喉咙忍受着锅里冒出的烟气的刺激，经过一次又一次的提炼，才从几吨沥青铀矿渣中得到十分之一克的镭．由于发现放射性，居里夫妇和贝可勒耳共同获得了1903年诺贝尔物理学奖．

　　1906年，比埃尔•居里因车祸不幸逝世，年仅47岁．

　　比埃尔•居里去世后，居里夫人忍受着巨大的悲痛，接任了她丈夫在巴黎大学的物理学教授职位，成为该校第一位女教授．她继续放射性的研究工作．1910年，她和法国化学家德别爱尔诺一起分析出纯镭元素，确定了镭的原子量和在元素周期表中的位置．她还测出了氡和其他一些放射性元素的半衰期，整理出放射性元素衰变的系统关系．由于这些重大成就，又荣获1911年诺贝尔化学奖，成为历史上仅有的两次获得诺贝尔奖的科学家．

　　居里夫妇亲自体验了镭的生理效应，他们曾不止一次地被镭射线烫伤．他们与医生一起研究将镭用于治疗癌症，开创了放射性疗法．第一次世界大战期间，她为了自己的祖国波兰和第二祖国法国，参加了战地卫生服务工作，组织X光汽车和X光照相室为伤兵服务，还用镭来治疗伤兵，起了很大的作用．

　　大战结束后，居里夫人回到巴黎她创建的镭学研究所，继续自己的研究工作并培养青年学者．晚年完成了钋和锕的提炼．居里夫人在无任何防护设施的情况下从事了35年的镭元素研究，加上大战期间四年建立X射线室的工作，射线严重地损害了她的健康，引起她严重贫血．1934年5月她不得不离开自己心爱的实验室，并于1934年7月4日与世长辞．

居里夫妇一生澹泊、谦虚，不喜欢世俗的恭维与赞扬，不关心个人的名利和地位．在发现镭和提炼成功以后，他们不请求专利，也不保留任何权利．他们认为，镭是一种元素，应该属于全人类．他们向全世界公开他们的提镭方法

爱因斯坦和玻尔的论战

1949年是爱因斯坦七十诞辰之年。这一年，美国出版界组织了一些哲学家和物理学家撰写庆贺爱因斯坦七十寿辰的论文。玻尔也被激参加撰写。玻尔写的论文显得非常奇特，几乎令人感到与"庆贺"极不协调。他在论文中阐述了他和爱因斯坦之间的争论，并证明爱因斯坦每次提出的思想实验都是错误的。当然，玻尔仍然象历来所强调的一样，再次指出爱因斯坦提的问题是极卓越和极宝贵的，它们对量子力学的迅速发展起了极重大的作用。论文集最后一篇文章是爱因斯坦的致答文。在答文中，爱因斯坦仍然坚持自己一贯的观点，并对玻尔的观点又一次进行批驳。这种庆贺文集，在世界上大约是绝无仅有的吧！不过，在文章的末尾、爱因斯坦总算说了几句客气话："我……感到……有点尖锐。不过，下面的说法可作为我的辩解：人们只会同他的兄弟或者亲密的朋友发生真正的争吵；至于别人，那就不会争吵的。" 看来，爱因斯坦和玻尔这两位科学巨擘之间的争论，一定是异乎寻常的激烈，不然的话是决不会在祝寿时都不放过。那么，他们是为什么事情争论呢？结果又是谁是谁非呢？由于牵涉到很古老但又很难回答的哲学问题，所以下面的简略回顾，多半只论及比较具体的科学内容，至于其中隐含的哲学内容，则只能浅涉一点点。

爱因斯坦与玻尔的争论，是物理学史上持续时间最长、争论最激烈和最富有哲学意义的争论之一。他们间的争论开始于1920年4月，这次争论的具体内容在本书有关玻尔那一节曾有过描述。玻尔虽然在争论中因企图放弃能量守恒的普适性而被证明是错误的一方，但玻尔强调要同经典物理观念作彻底决裂的说法，后来被证明是很正确的。 

此后，在玻尔身边集结了一批极有才华而又具有极强批判能力的年青人，他们在玻尔的领导下，使量子力学取得了长足的进展。1926年6月，德国物理学家玻恩提出了波函数的统计解释。这一解释的主要精神是说由量子力学波动方程求解，只能得到运动过程一个确定的几率，而不能再象牛顿力学那样给出确定的值。但自从牛顿以来，人们一直习惯于牛顿的理论，这种理论告诉我们，只要知道了粒子在某一时刻的位置和速度，并给出作用于该粒子的力，则根据牛顿第二定律所给出的方程求解，我们就可以精确知道粒子以后任何时刻的位置和速度。例如我们可以精确算出哈雷慧星于85年11月8日将在我国广大地区上空出现，也可以算出几十个世纪以后地球、月亮和太阳之间的精确位置等等。而现在玻恩宣布，我们对基本粒子的了解与经典物理不同，我们只能知道某个粒子出现在某处的可能性或者是三分之一，或者是二分之一。 

玻恩的解释还没被大多数物理学家接受，1927年初，德国另一位年轻的物理学家海森堡又提出著名的"测不准原理"。这一原理是说人们不可能同时准确地测定微观粒子的位置和速度，也不能同时准确地测定其能量和时间，如果位置（或能量）测得越精确，则速度（或时间）就测得越不精确。这和牛顿力学又是大相径庭，在牛顿力学里人们是可以同时准确地测定位置和速度、能量和时间的。 

微观粒子的这些极为奇异的特性，引起了物理界的激烈的争论。1927年9月，在意大利迷人的科摩湖畔召开了纪念伏打逝世一百周年大会，玻尔参加了这次国际物理学会议。会议上，玻尔以《量子公设和原子论的最新发展》为题作了讲演。玻尔指出微观粒子现象的任何观测，都必然使得粒子和测量仪器间存在"原则上不可控制的相互作用"，因而我们不可能使微观粒子的波动性和粒子性在同一实验中表现出来，因而必然得出测不准关系。这样，粒子性和波动性，位置和速度，以及能量和时间这些概念是互相排斥的，但在描述同一微观现象时，这些互斥的概念又是互相补充，缺一不可的。而且，只有它们互相补充，我们才能够得到隐藏在实验后面的完备的描述。这就是被哥本哈根学派推崇备至的"互补原理"。依照这一原理，玻尔指出："通常意义下的因果性问题不复存在了"。 

虽然玻尔小心翼翼地说，相对论改变了空间和时间的观念，现在量子论将改变传统的因果概念；相对论指出同时性的确定离不开参考系的选择，现在量子论则指出在微观领域里不能忽视仪器对微观客体的作用，所以，"在这儿，我们发现自己正同爱因斯坦走着相同的道路"，但玻尔的讲演，仍然使大多数与会者震惊、困扰、愤怒。有一些人极力反对玻尔的理论，另一些人则不习惯、不喜欢玻尔的解释方式。 

可惜这次会议爱因斯坦没参加，大家都想听听这位最杰出的人对此有什么看法。他会反对玻尔的观点吗？ 

紧接着于同年的十月，在比利时首府布鲁塞尔举行第五届索尔维物理学会议。这次会议的主题是"电子和光子"，这是当时涉及到物理学各个领域的一个重要问题。会议中讨论的中心问题就是在新出现的量子力学解释中，是不是一定得摒弃确定性原理，有没有可能存在一种比互补原理显得不那么离经叛道的折衷方法。 

这次会议爱因斯坦和玻尔都参加了。参加会议的物理学家心情都非常激动，谁是谁非看来该有一个分晓了。玻尔讲完了他的互补原理以后，爱因斯坦起来发言了。爱因斯坦在量子论早期的光量子阶段，曾对这一新理论作过卓越的贡献，他的发言当然是令人瞩目的。爱因斯坦开门见山，毫不含糊地说他不喜欢测不准原理，互补原理也不是一种可以接受的好理论。他说："这个理论的缺点在于：它一方面无法与波动概念发生更密切的联系，另一方面又把基本物理过程的时间和空间拿来碰运气。" 

爱因斯坦的观点一亮出来，会场立即象炸了锅似的，不同国家的物理学家激动得顾不上用国际语言，就各用各的语言叫嚷着要发言。会议主席洛伦兹一向以善于周旋于各派物理学家之间而闻名，但这次怎么拍桌子也管用。同是爱因斯坦和玻尔好友的荷兰物理学家埃伦菲斯特着急了，只得跑到讲台上在黑板上写了一句话："上帝真的使人们的语言混杂起来了！"正在叫嚷的物理学家见了这句话，哄堂大笑，第一次会议总算到此结束。 

为什么大家见了埃伦菲斯特的话就哄堂大笑呢？原来这是《圣经》上的一段的故事：据说巴比伦人曾经想建造一座通天高塔，上帝知道了十分震怒，为了惩罚人类这一野心，他使人类的语言混杂起来，彼此无法交流思想，结果使通天塔无法修建。现在，各国物理学家都用各国语言叫嚷，不也会使他们想建成的新理论无法成功吗！所以，大家都觉得自己太激动了，真有点可笑。 

通过这次会议激烈的争论，许多物理学家接受了以玻尔为首的哥本哈根学派的观点，但爱因斯坦并没有信服。尽管爱因斯坦在这次会上想出非常巧妙的思想实验以揭露哥本哈根学派观点的错误，但每次都被玻尔证明这些思想实验其实是根本站不住脚的。玻尔非常成功地捍卫了自己的观点。 

爱因斯坦坚持认为："当主要的描述方法还不完备时，当然只能由此得出统计性的结果来，这是不足奇的。"这就是说，爱因斯坦认为哥本哈根学派的解释，只不过是一种权宜之计。他曾开玩笑地问玻尔："难道你们真的相信上帝也靠掷骰子办事吗？"玻尔也恢谐地回答："难道你不认为用普通的言语来描述神的旨意时，还是小心一点为妙吗？ " 

三年之后，在布鲁塞尔又举行了第六届索尔维物理学会议。玻尔早就料到上次会议的争论将继续下去。果然，会议一开始，爱因斯坦就又使出他的拿手好戏，设计了一个非常巧妙的思想实验，力图彻底摧毁测不准这一"偏见"。爱因斯坦深知，作为哥本哈根学派解释的核心或关键的测不准原理如果能证明在单个事件中不成立，那么量子理论的不完备性可以被肯定。 

爱因斯坦提出了一个名叫"光厘"的思想实验。在这儿也许有必要简单地解释一下什么叫"思想实验"。思想实验又称假想实验或理想实验，它不同于具体的实验，它不是一种实践活动，而只是一种思想中塑造的理想过程，是逻辑推理的一种方法和形式。在物理学发展的重要关头，思想实验不只一次担当了重要的角色，它被证明是一种重要的科学研究方法。爱因斯坦的"光匣"是一个假想的里面装满了辐射物质的匣子，其一侧有一个小洞，洞口有一块挡板，一个机械钟可以控制挡板的开关。当某一时刻洞门打开，放出一个光子。爱因斯坦论证说，光子跑出匣子的时间可以精确测出来，而光子的能量可以简单地通过匣子重量变化以及公式E=mc2而精确地确定，这样，测不准原理就显然被违犯了，而准确性和因果性又得到了恢复，世界又正常了。 

玻尔这一下可有点紧张了。爱因斯坦竟用他的相对论巧妙地批驳了整个玻尔的观点。当天夜晚，玻尔和哥本哈根学派的人根本没有睡觉，他们紧张地探究，爱因斯坦的这个实验究竟又在哪儿出了错呢？玻尔毫不怀疑爱因斯坦是错了，但是玻尔不知错在哪儿，而天明后他就应该回答爱因斯坦的挑战。比利时物理学家罗森菲尔德后来回忆说："面对这一问题，玻尔感到十分震惊。他不能马上找出这问题的答案。整个晚上的他都感到极度不快。他从一个人走向另一个人，企图说服他们这情况不可能是真实的，而且指出，如果爱因斯坦正确，则将是物理学的终结，但玻尔提不出任何反驳。我永远也不会忘记这两个对手在离开俱乐部时的身影。爱因斯坦，一个高高的庄严的形象，而玻尔则在他身旁快步走着，非常激动。他徒劳地辩护说，如果爱因斯坦的装置能够运转，这将意味着物理学的终结。" 

爱因斯坦大约觉得自己已稳操胜券了。但在第二天的会议上，喜气洋洋的玻尔又倒过来使爱因斯坦十分震惊了。玻尔利用爱因斯坦十五年前在相对论中的一个重要发现找到了爱因斯坦思想实验中的错误。爱因斯坦在那个发现中曾指出，一只钟如果沿重力方向发生位移，它的快慢会发生变化，这样，当光子跑出匣子前后，由于匣子重量发生了变化，从而造成了钟表快慢的变化，这样，要在测量光子能量的同时准确测量粒子跑出的时间是根本不可能的。这一反驳，实在是太妙了，结果使得爱因斯坦用来否定测不准原理的"光匣"，倒变成了论证测不准原理的理想实验！ 

爱因斯坦不得不承认，玻尔的论证是完全正确的，但他还是不承认玻尔的理论是最后的答案。玻尔后来曾回忆两人在会议下面交谈的情形说："他说，对于这种显然不那么肯定地解释自然的原理，他觉得很不安。从我的角度出发，我只能回答他说，在了解一个全新世界的规律时，我们不能过分信赖以往所熟悉的原理，无论这些原理具有何等的普遍性。" 在爱因斯坦看来，尽管量子理论的哥本哈根学派的解释与经验事实相符，但作为一种完备的理论，应该是决定论的而不应该是或然的。用概率语言表达的理论充其量也只能是暂时代替的理论。此后，由于爱因斯坦对被大多数人接受的哥本哈根学派量子理论的解释深感不满，他选择了一条与众不同的道路，将自己置身于物理学发展的主流之外，一个人弧独而又艰难地中跋涉着。 

一位传记作家克拉克曾这样描述爱因斯坦的晚年："在日益增长的不满情绪中，爱因斯坦引退了。他置身于物理学发展主流之外，造成了他晚年的悲剧气氛，甚至他最忠诚的朋友也无法驱散它。"玻尔对于无法改变爱因斯坦的这种不满，终生引为遗憾。但玻尔曾一再表示，他正是从爱因斯坦的反对意见中，获取了完美表达量子理论的思想。他曾经说："爱因斯坦的关怀和批评，很有价值地激励我们所有人来再度检验和原子现象的描述有关的形势的各个方面"。

第三节 站在巨人的肩膀上教案

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