第6章相對(duì)論與量子論初步課程標(biāo)準(zhǔn)及剖析：（1）初步了解精典時(shí)空觀(guān)和相對(duì)論時(shí)空觀(guān)，曉得相對(duì)論對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的影響。在共同選修模塊中引入精典時(shí)空觀(guān)與相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的比較，致力為中學(xué)生開(kāi)啟了解近代化學(xué)的一些陽(yáng)臺(tái)，讓中學(xué)生了解近代化學(xué)的一些核心內(nèi)容，同時(shí)也讓中學(xué)生了解精典化學(xué)的一些局限性。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是近代化學(xué)的支柱之一，中學(xué)生應(yīng)當(dāng)了解相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的主要思想，了解相對(duì)論對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的影響。本條目彰顯了精典化學(xué)與近代數(shù)學(xué)的結(jié)合。（2）初步了解微觀(guān)世界中的量子化現(xiàn)象，曉得宏觀(guān)物體和微觀(guān)粒子的能量變化特性，感受量子論的構(gòu)建推進(jìn)了人類(lèi)對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。在共同選修中引入量子論的一些思想，這有利于中學(xué)生了解與宏觀(guān)世界有區(qū)別的微觀(guān)世界，了解近代化學(xué)的另一支柱——微觀(guān)世界的量子論。本條目要求中學(xué)生初步了解微觀(guān)世界的量子化現(xiàn)象，曉得微觀(guān)世界的能量變化與宏觀(guān)世界的能量變化不同，即不是連續(xù)的，而是量子化的。感受量子論的構(gòu)建是怎樣促使人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的。本條目也彰顯了精典化學(xué)與近代數(shù)學(xué)的結(jié)合。編者編撰意圖：初步了解精典時(shí)空觀(guān)和相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的區(qū)別，曉得相對(duì)論對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的影響。初步了解微觀(guān)世界中的量子化現(xiàn)象，曉得宏觀(guān)物體和微觀(guān)粒子的能量變化特性。
通過(guò)本章學(xué)習(xí)，感受理想實(shí)驗(yàn)、物理模型等研究方式的重要作用，發(fā)展想像能力，培養(yǎng)勇于指責(zé)的精神和創(chuàng)新的意識(shí)；感受量子論的構(gòu)建推進(jìn)了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，曉得科學(xué)理論不是一成不變的，而是一個(gè)逐漸建立的過(guò)程。課程簡(jiǎn)介：本章導(dǎo)出部份借助19和20世紀(jì)之交的數(shù)學(xué)學(xué)天空中的“兩朵烏云”，向中學(xué)生展示完全不同于我們熟悉的低速宏觀(guān)世界的另一個(gè)嶄新的:世界高速世界和量子世界。第一節(jié)高速世界，從精典熱學(xué)解釋邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果所形成的矛盾入手，根據(jù)數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展的歷程，引出愛(ài)因斯坦的兩個(gè)基本假定。通過(guò)形象生動(dòng)的畫(huà)面和淺顯易懂的實(shí)例讓中學(xué)生初步認(rèn)識(shí)狹義相對(duì)論。第二節(jié)量子世界，從熱幅射規(guī)律入手量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)，闡明精典數(shù)學(xué)學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)重背離，探討普朗克“量子假說(shuō)”，初步認(rèn)識(shí)玻兒理論重要意義，同時(shí)讓中學(xué)生認(rèn)識(shí)光的粒子性和波動(dòng)性。通過(guò)實(shí)例初步了解微觀(guān)世界量子假說(shuō)。第1節(jié)高速世界一、內(nèi)容與地位：在此之前的學(xué)習(xí)過(guò)程中，中學(xué)生早已對(duì)精典數(shù)學(xué)學(xué)的理論和成就有了一定的了解。并且，中學(xué)生在共同選修模塊中，沒(méi)有接觸波動(dòng)學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等相關(guān)知識(shí)，中學(xué)生對(duì)那些相關(guān)知識(shí)的了解還逗留在中學(xué)極淺薄的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上。所以，在指導(dǎo)中學(xué)生研習(xí)這部份內(nèi)容時(shí)，要充分做好先行知識(shí)的組織，使中學(xué)生通過(guò)對(duì)精典時(shí)空觀(guān)的突破來(lái)了解相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的主要思想。
在教學(xué)活動(dòng)中要淡化愛(ài)因斯坦和相對(duì)論的神秘色調(diào)量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)，要使中學(xué)生領(lǐng)會(huì)愛(ài)因斯坦在研究工作中表現(xiàn)下來(lái)的創(chuàng)新精神、所應(yīng)用的科學(xué)方式不是高不可攀的，我們是可以理解問(wèn)題的。二、教學(xué)目標(biāo)：1、初步了解精典時(shí)空觀(guān)被突破的過(guò)程和愛(ài)因斯坦構(gòu)建新理論的方式。因而了解相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的主要思想，并按照相對(duì)論時(shí)空觀(guān)進(jìn)行公式推論，解釋相關(guān)的一些現(xiàn)象。2、認(rèn)識(shí)精典熱學(xué)的實(shí)用范圍和局限性，曉得相對(duì)論對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的影響，感受科學(xué)研究方式和尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)心態(tài)對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用。三、重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：通過(guò)剖析和討論，了解精典化學(xué)時(shí)空觀(guān)的局限性及其與相對(duì)論時(shí)空觀(guān)之間的差別。難點(diǎn)：闡明出精典時(shí)空觀(guān)與麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體的矛盾表現(xiàn)。四、教學(xué)設(shè)計(jì)：（一）導(dǎo)出新課1900年的4月27日，在法國(guó)巴黎皇家研究所召開(kāi)的科學(xué)報(bào)告會(huì)上，一位德高望重的老科學(xué)家開(kāi)爾文作了一個(gè)講演，題目是《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》。他的第一段話(huà)是如此說(shuō)的：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方法。但如今這一理論的優(yōu)美性和明確性卻被兩朵烏云遮蔽，變得黯然失色了……”(‘Theandofthe,whichheatandlighttobemodesof,isatbytwo.’)這個(gè)“烏云”的比喻后來(lái)被反復(fù)地引用。
聯(lián)系到當(dāng)時(shí)人們對(duì)精典數(shù)學(xué)學(xué)成就的豁達(dá)情緒，許多時(shí)侯這個(gè)敘述又弄成了“物理學(xué)放晴天空的遠(yuǎn)處，懸浮著兩朵小小的令人不安的烏云。”這兩朵“烏云”是：1、【板書(shū)】邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)（1881年—1887年間）：研究光沿不同方向傳播速率的差別。2、【板書(shū)】熱幅射實(shí)驗(yàn)：（1900年左右）：研究熱幅射的能量與濕度的關(guān)系。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象用當(dāng)時(shí)已有的數(shù)學(xué)學(xué)理論難以進(jìn)行合理的解釋。正是這兩朵的烏云，不久之后釀成了數(shù)學(xué)學(xué)中一場(chǎng)巨大的變遷。我們先來(lái)瞧瞧數(shù)學(xué)學(xué)的天空中這令人不安的第一朵“烏云”：光沿不同方向傳播的速率是否相同？（二）新課教學(xué)1、高速世界的兩個(gè)基本原理精典熱學(xué)的研究表明所有的機(jī)械波都必須通過(guò)介質(zhì)能夠傳播。麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論闡明了光就是電磁波。光既然是波，當(dāng)時(shí)人們自然要想：傳播光波的介質(zhì)是哪些呢？當(dāng)時(shí)的化學(xué)學(xué)家假設(shè)這些介質(zhì)稱(chēng)作“以太”，整個(gè)宇宙空間都飽含了“以太”，覺(jué)得“以太”是極其黏稠，密度極小的、完全透明的、難以覺(jué)得到的介質(zhì)。根據(jù)精典的波動(dòng)理論，這些介質(zhì)的彈力又是非常大的，光波才能在上面有這么巨大的傳播速率。是一種使人倍感奇怪的介質(zhì)。思索：假如我們?cè)陟o止的空氣中快速前進(jìn)，都會(huì)覺(jué)得到有風(fēng)迎頭吹拂，為何？由于盡管空氣相對(duì)于地面是靜止的，但空氣相對(duì)于我們正在前進(jìn)的人卻是運(yùn)動(dòng)的。
月球是用30km/s的速率在宇宙中繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的，假如“以太”這種介質(zhì)飽含了宇宙，也必然會(huì)有30km/s的“以太風(fēng)”迎著地球吹拂，我們能觀(guān)測(cè)到這些“以太”風(fēng)嗎？問(wèn)題：宇宙中飽含了傳播光的介質(zhì)“以太”，月球又在宇宙中運(yùn)動(dòng)，設(shè)光在“以太”中的傳播速率為c，月球相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的速率為v，這么當(dāng)光的傳播方向與月球的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，以月球?yàn)?a href='http://www.njxqhms.com/shiyanshipin/1759.html' title='（知識(shí)點(diǎn)）怪坡源于參照物錯(cuò)覺(jué)，揭秘物理原理' target='_blank'>參照物時(shí)，會(huì)測(cè)得光的速率是多大呢？u1=（c-v）當(dāng)光的傳播方向迎著地球的運(yùn)動(dòng)方向而至?xí)r，以月球?yàn)閼T性參照物又會(huì)測(cè)得光速為多大呢？生：應(yīng)當(dāng)是u2=（c+v）假如以月球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速率的確有不同的話(huà)，就說(shuō)明麥克斯韋理論描述的電磁波各個(gè)方向速率相同的規(guī)律，只有在用“以太”為慣性參照物時(shí)才是適用的，在用月球這類(lèi)相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的物體做參照物時(shí)電磁波各個(gè)方向速率相同的規(guī)律就不適用了，還會(huì)造成“不同的慣性參照系中數(shù)學(xué)規(guī)律是不同的”這樣一個(gè)推論。日本化學(xué)學(xué)工作者邁克爾遜和莫雷在1881至1887年間在不斷增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)精確度的過(guò)程中，反復(fù)做了同一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把儀器固定在地面上與月球一起運(yùn)動(dòng)，在光沿著月球運(yùn)動(dòng)方向傳播、逆著地球運(yùn)動(dòng)方向傳播、以及光傳播方向與月球運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，不憐憫況下檢測(cè)光速的差別。
令人驚駭?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果是：以月球?yàn)閼T性參照物時(shí)測(cè)得各個(gè)方向的光速?zèng)]有差別。這個(gè)知名的實(shí)驗(yàn)后來(lái)化學(xué)學(xué)界把它稱(chēng)作邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)。【板書(shū)】邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果：以月球?yàn)閼T性參照物時(shí)測(cè)得各個(gè)方向的光速?zèng)]有超出實(shí)驗(yàn)偏差范圍的顯著差別。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與精典的化學(xué)學(xué)理論形成了無(wú)法調(diào)和的矛盾，令人倍感不安。如何辦？許多數(shù)學(xué)學(xué)工作者對(duì)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了一些使人倍感牽強(qiáng)的解釋?zhuān)茨軓母旧辖鉀Q問(wèn)題。諸如“‘以太’牽引說(shuō)”、“洛侖茲收縮說(shuō)”等。愛(ài)因斯坦的辦法：于1905年寫(xiě)了一篇論文提出了他的看法：1、相對(duì)性原理：數(shù)學(xué)規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的方式。2、光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性系中，檢測(cè)到的真空中的光速c都一樣。2、時(shí)間減緩效應(yīng)問(wèn)題：靜止的觀(guān)測(cè)者、順著光速方向運(yùn)動(dòng)的觀(guān)測(cè)者、逆著光速方向運(yùn)動(dòng)的觀(guān)測(cè)者，光相對(duì)于她們通過(guò)的位移是不同的，檢測(cè)到的光速卻都是一樣的，這是為何呢？生推測(cè)：能否覺(jué)得不同的慣性參照系中測(cè)得的時(shí)間也是不相同的呢？觀(guān)測(cè)者測(cè)得光通過(guò)的距離較長(zhǎng)時(shí)，假如他測(cè)得的時(shí)間也較長(zhǎng)，則光速有可能是一樣
