2019-2020年沪科版第一章打开物理世界的大门练习.doc

第一章 2019-2020年沪科版第一章打开物理世界的大门练习本章导读义务教育阶段的物理课程是学生学习物理的启蒙课，第一章则是启蒙课的开篇。向孩子们打开物理世界的大门，展示五彩缤纷、充满神奇的物理世界，让孩子们了解物理学发展的大致历程，以及从“知识与技能”、过程与方法“、”情感态度与价值观“等方面发挥课程的功能，让孩子们初步了解物理学的研究方法、物理学家的高尚情操以及物理学在生产生活实践中的重大作用等，以便使孩子们对物理世界有一种新奇感、求知欲，产生学习物理的浓厚兴趣。 第一节 走进神奇要点点击1、 通过一些典型事例让学生体会到自然界中的神奇是让人惊叹的。2、 通过生活中一些不起眼的小事让学生感受到生活中的神奇，而这些神奇则是人类智慧的结晶。3、 通过解释一些神奇现象，让学生知道通过学习科学，这些神奇是可以得到解释的。快乐自主研学自然中的神奇完全来自于大自然，没有任何人工制造或利用的痕迹。这些神奇是惊心动魄的。而生活中的神奇，人们已司空见惯，然而当仔细探究时，却能发现在这些并非惊心动魄的神奇中蕴藏了人类非凡的智慧。以下是一些自然中的神奇照片。1、宇宙起源和彗星宇宙起源假说之一：大爆炸理论。宇宙在零时刻时密度为无穷大的物质，后来随着时间的推移，这物质发生了一系列的变化，由此便逐渐形成了现在这样的世界。地球只是围绕太阳旋转且在自转的行星。除地球外，还有其他行星，如：水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。彗星一般是由头和尾组成。头的中心是彗核，彗核的外面包着彗发，彗发的外面再包着彗云。彗尾有直的，也有弯的，或者是两者的混合。彗尾长短不一，最长的有几亿千米，有的彗星则没有彗尾。彗核是彗星的主要部分。它是固体，呈球形，含大量的冰，还含有干冰、尘埃、甲烷、氨和少量的金属等。由于含冰最多，所以有“肮脏的雪球”之称。这雪球差不多是整个彗星的重量，直径最大的有100km，最小的只有几百米。中国民间将彗星叫做“扫帚星”。“彗”在中国语言中有扫帚的意思，在古希腊语言中有“毛发”的意思。世界公认中国是对彗星观察和记录最早的国家。中国古书淮南子兵略训中记录了公元前1057年的一次彗星，它就是后来命名为“哈雷”的彗星。“哈雷”彗星是根据埃德蒙哈雷的名字命名的。哈雷出生于1656年的英国，曾在圣赫勒纳岛建立一痤临时天文台，以此观察天象。哈雷最广为人知的贡献是他对“哈雷”彗星出现时间的准确预言，哈雷的预言在其死后17年准确应验：1759年、1835年1910年哈雷彗星如期出现。2、太阳太阳是一颗自己能发光、发热的气体星球。太阳表面叫“光球”，光球外面是色球层，色球层的外围是日冕层。这三个层面合起来构成了太阳的大气层。光球上经常出现一些漩涡状的气流，像一个浅盘，它的中间凹进去好几百千米，这些漩涡状气流像大小不等的、形状很不规则的黑窟窿，这就是天文学家所说的“太阳黑子”。其实太阳黑子并不是黑色的，一般也有四五千摄氏度，但是与光球相比，它的温度要低10002000。在更加明亮的光球衬托下，它就成为看起来没什么亮光的、暗黑的黑子了。当太阳黑子群具有漩涡结构时，这预示着太阳将发生剧烈的变化。龙卷风形成前，天空会出现一片雷雨云，其中一个区域的云特别黑且稠密。此区域的空气会快速旋转，然后形成漏斗状的云向下延伸，到达在面，就会掀起大片的尘土及其他物体。太阳的直径为140万km，是地球直径的109倍。太阳没有固态表面，不会像地球那样整体自转。太阳里外的密度是不一样的。它的外壳大部分是气体，密度很小，但是越往里面，物质密度越大。3、雷鸣与闪电闪电是云层和云层之间或云层与地面之间的一种放电现象，而放电时所发出的巨大声响就是雷鸣。雷电一般出现在积雨云里。积雨云常常是由于上下层空气发生强烈的对流运动而产生的。夏天午后，近地面的空气被太阳烤得很热，热空气上升，在高空遇到冷空气就容易产生积雨云。在积雨云中或云块之间存在着大量的正、负电荷，空气对流得愈厉害，云翻滚得愈猛烈；云的上下部聚集的电荷就愈多，在云块之间或大地之间就会产生很强的电场和电位差；当电场强度很大时，就能把阻隔在云之间或云与大地之间的空气击穿而产生放电现象，发出耀眼的光芒，这就是闪电。在闪电经过的通道上，空气温度猛烈陡增，空气受热和水滴汽化后会猛烈膨胀，发出巨响，这就是雷鸣。这种自然现象曾经长期使古人恐惧不安，他们以为触怒了天神。4、地球、地震和火山古时候，由于观察手段所限，认为天是圆的地是方的。后来，人们发现船只在离岸航行时先消失船身，后消失桅杆。由于这样的一些事例，人们逐渐认识到地球是圆的。地球由外向内分三层，由地壳、地幔和地核组成，类似于鸡蛋的蛋壳、蛋白和蛋黄。地壳是地球的外衣，也叫岩石圈；地幔介于地壳和地核之间，其体积占地球总体积的83.3%，有上地幔和下地幔之分；在距地面2900km以下为地球的核心地核。地壳运动使岩层扭曲而形成断层，断层形成时，会引发地震。在地层深处，岩石因高温而熔化成黏稠的液状，称为岩浆。这些岩浆喷出地面所形成的山就称为火山。5、龙卷风龙卷风有时称为旋风，外形近似漏斗，它通过地表或海面时，产生的破坏力极大，是人类所知的最激烈和最具破坏性的天然风暴。龙卷风内部强大的上升气流有时可将汽车或树木举起，带到数百米外。它快速移动的漏斗状旋风对建筑物的破坏尤其严重。当龙卷风通过房子时，建筑物周围的空气会被吸起，使屋外的空气压力小于屋内，造成房子爆炸。龙卷风形成前，天空会出现一片雷雨云，其中一个区域的云特别黑且稠密。此区域的空气会快速旋转，然后形成漏斗状的云向下延伸，到达在面，就会掀起大片的尘土及其他物体。6、拉链拉链只是一个小小的发明，但是整个世界都离不开它。它被美国科学世界杂志评选为20世纪的十大发明之一。1893年前后，美国工程师惠特科母、贾德森利用凹凸齿错合原理，设计出一种可快速滑动的关启系统，申请了专利，这就是早期的拉链。拉链这种连接方式与传统的连接概念完全不同。人们习惯用扣子系衣服，用带子拴鞋，这些连接方式都不是完全封闭的，费时也不牢固。人们发现拉链的确是一种方便好用的东西。拉链的品种层出不穷，其使用的材料除了金属外，还发展到了塑料。人们不仅将其应用于衣服、提包上，其他行业也使用它。7、圆珠笔美国人劳得是世界上第一个想到用小圆珠代替笔尖书写的人，并于1888年得到圆珠笔的发明专利。由于他发明的圆珠笔比起1884年发明的自来水笔较为逊色，所以50余年后，圆珠笔又有了新的进展。现代的圆珠笔是由匈牙利人比罗兄弟于1938年独立设计发明的。他们改进了圆珠笔芯的墨水供给系统，利用毛细作用使圆珠湿润。美国商人雷诺兹看到了比罗的圆珠笔，为了不侵犯比罗的专利权，他参考了劳得的发明，把比罗的圆珠笔利用毛细作用供给墨水改为利用重力供给。1949年，美国化学家西奇配制了一种黏度很高、快速干燥的圆珠笔专用油墨。到1951年，世界上圆珠笔的销量超过了自来水笔。探索与实践感受气压取一个空的铝质易拉罐及一盆冷水，罐口缠上铁丝并固定并将铁丝拧成柄状（要有一定的长度和强度），往易拉罐中加入少量的水，放在酒精灯上加热至沸腾，并继续加热数十秒，迅速（持铁丝柄）将易拉罐倒扣到冷水中，观察发生的现象。 注意：此时易拉罐在气压的作用下被压扁且发出巨大的响声，实验者应有思想准备，以防惊惶中碰到其它实验仪器而被烫伤甚至引起火灾。本实验有一定的危险性，建议在老师的指导下进行。生活扩展摩擦三兄弟摩擦三兄弟就是指静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦，它们都是摩擦家族的成员。说起摩擦，大家一定不陌生，因为摩擦是我们生活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和摩擦打交道.我们走路、吃饭、洗衣服依靠摩擦；各种车辆的行使依靠摩擦，机器运转离不开摩擦；就是建造房子也离不开摩擦。假如没有了摩擦，世界将会变成什么样？真是不可想象。可以说，摩擦是我们人类离不开的好朋友。但是在很多场合，摩擦三兄弟扮演着不受欢迎的角色。在现代汽车中，20的功率要用来克服摩擦；飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率要占10，就是最先进的涡轮喷气发动机也要为克服摩擦损耗2的功率。世界上有数以万计的汽车、数以万架的飞机，这样每年要有多少燃料被白白浪费掉，真是可惜。但更为严重的是，摩擦还会造成机器零部件的磨损。据报道，英国在这方面损失每年要超过20亿美元。摩擦除了导致磨损之外，还会使航空和航天器过度发热，这更是现代科技遇到的又一难题。当飞机着陆的时候，闸阀和闸轮会摩擦产生红热现象，这样的高温使机闸材料变软、变质，一幅价格昂贵的闸瓦和闸轮，往往只使用了几次就报废了。当宇宙飞船返回地面的时候，由于高速船体与空气之间的摩擦，会使整个船体成为一个通红的火球，为了保护飞船里的宇航员和各种仪器设备，人们不得不付出昂贵的代价，用耐高温的特种合金制造船体，并且还在外面加装了耐高温材料。 为了能驾驭摩擦，让摩擦三兄弟为人类更好地服务，人们一直进行着艰苦的研究和探索。早在15世纪，达芬奇就开始了对摩擦的研究。到17、18世纪，法国形成了一股摩擦研究热，库仑根据达芬奇的想法完成了摩擦起因的凹凸说。到了18世纪上半叶，有人又创立了分子说。进入20世纪后又出现了粘合说。可以说有关摩擦起因的争论还在进行着，凹凸说、分子说和粘合说都持之有理，言之有据，究竟怎样圆满地解释摩擦的起因，还一直是一个很活跃的研究课题。第二节 探索之路要点点击1、 了解古人对神奇现象的探索。2、 了解物理学发展的几个重要阶段。3、 知道自然是神奇的，人们的探索历程是漫长、曲折并富有意义的。快乐自主研学“一种想要了解自然奥秘的无法遇制的渴望”促使世界各民族努力探索、坚持不懈、从茫茫远古延续至今并将走向未来。关于物理学物理学一词源出于希腊文physics，意为“自然”。物理学是人类社会实践的产物，它是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展的。人类的生产实践和科学实验是物理学形成和发展的主要源泉。在古代，物理学只是“自然哲学”的重要组成部分，直到16世纪后，它才与哲学分离开来。自从物理学成为一门独立的学科之后，它的研究领域就在不断地开拓着，逐渐建立起力学、光学、热学、电学、量子力学、粒子物理学等物理基础部门；每个基础部门，又不断地形成许多新的分支。物理学的发展一般划分为三个主要时期，即古代物理学时期、经典物理学时期（近代物理学时期）和现代物理学时期。大约在七八世纪之后，中国和希腊形成东、西方两个科学技术发展的中心。当时，人们对自然界的认识，主要是通过表面的观察和直觉获得的，基本上还处于对现象的描述、经验的简单总结和思辨性的猜测阶段，实验的巨大作用还没有被认识到。同时还由于社会对科学的需要十分有限，科学的社会功能并不显著，所以物理学的发展比较缓慢。15世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展。席卷欧亚的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神，系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了17世纪在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立健全，标志着近代物理学的诞生。探究与实践尝试一下静电触电的滋味把塑料飞盘用洗衣粉洗刷、冲净、晒干；再准备一块圆形铁片，大小比飞盘略小，在其中打一小孔，用20厘米长的丝线穿过小孔将它拴住，用一块干燥的毛皮用力摩擦圆盘的内侧，然后迅速拿开，再用手提着丝线的一端（这是为了不使手与铁片接触），将铁片放入圆盘内，这样圆盘上的电荷将聚集到铁片上，用手指去靠近铁片时，会有微麻的感觉，同时还可看到电火花和听见放电响声（这是因为电压高而产生放电，但因电量少，电流持续时间短暂，虽有微麻的感觉，但并不危及人体的生命与健康） 注意，本实验的效果受环境影响较大，一般而言在干燥的天气比在空气潮湿时容易成功，晴天在人少的室内比在人多的室内容易成功；在室外通风处比在室内容易成功。生活扩展露、霜、云、雾、雨和雪是怎样形成的在夜间，地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量，它们的温度要降低，当温度降至露点时，地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和。若露点高于摄氏度，水蒸气可在地面物体的表面上凝结成小水滴，这就是露。若露点低于摄氏度，水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成水冰粒，这即是霜。如果在夜间不仅地面上物体的温度降到了露点以下，而且地面以上稍远处的空气温度也降到了露点，那么空气中的水蒸气将以尘埃为核心凝结成细小的水滴，这便是雾。当高空中空气的温度降到露点以下，若露点高于度，空气中的水蒸气在尘埃上凝结成细小的水滴便是云，而凝结成较大的水滴即是雨。若露点低于度，则空气中的水蒸气将在尘埃上直接凝结成雪。由此可知，露、霜和雾都不是从天而降的，而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和时直接凝结而成的。只有雪和雨才是从天而降的，即是高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成。第三节 站在巨人的肩膀上要点点击 1、 了解物理知识的一些现代应用。2、 了解科学探究的主要环节。3、 了解物理学家的科学精神与伟大情怀。快乐自主研学我国的四大发明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12251248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（18531926）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。 探索与实践哪个瓶子滚得快两个完全相同的玻璃瓶，一个装满沙，另一个装满水，放在同一斜面上滑下，哪个瓶子滚得比较快？动手试试，想想看，为什么？生活扩展无处不在的弹簧在我们的日常生活中，弹簧形态各异，处处都在为我们服务。常见的弹簧是螺旋形的，叫螺旋弹簧。做力学实验用的弹簧秤、扩胸器的弹簧等都是螺旋弹簧。螺旋弹簧有长有短，有粗有细：扩胸器的弹簧就比弹簧秤的粗且长；在抽屉锁里，弹簧又短又细，约几毫米长；有一种用来紧固螺母的弹簧垫圈，只有一圈，在紧固螺丝螺母时都离不开它。螺旋弹簧在拉伸或压缩时都要产生反抗外力作用的弹力，而且在弹性限度内，形变越大，产生的弹力也越大；一旦外力消失，形变也消失。有的弹簧制成片形的或板形的，叫簧片或板簧。在口琴、手风琴里有铜制的发声簧片，在许多电器开关中也有铜制的簧片，在玩具或钟表里的发条是钢制的板簧，在载重汽车车厢下方也有钢制的板簧。它们在弯曲时会产生恢复原来形状的倾向，弯曲得越厉害，这种倾向越强。有的弹簧像蚊香那样盘绕，例如，实验室的电学测量仪表（电流计、电压计）内，机械钟表中都安装了这种弹簧。这种弹簧在被扭转时也会产生恢复原来形状的倾向，叫做扭簧。形形色色的弹簧在不同场合下发挥着不同的功能：1. 测量功能我们知道，在弹性限度内，弹簧的伸长（或压缩）跟外力成正比。利用弹簧这一性质可制成弹簧秤。2. 紧压功能观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个触头装有弹簧，以保证两个触头紧密接触，使导通良好。如果接触不良，接触处的电阻变大，电流通过时产生的热量变大，严重的还会使接触处的金属熔化。卡口灯头的两个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好；至于螺口灯头的中心金属片以及所有插座的接插金属片都是簧片，其功能都是使双方紧密接触，以保证导通良好。在盒式磁带中，有一块用磷青铜制成的簧片，利用它弯曲形变时产生的弹力使磁头与磁带密切接触。在钉书机中有一个长螺旋弹簧它的作用一方面是顶紧钉书钉，另一方面是当最前面的钉被推出后，可以将后面的钉送到最前面以备钉书时推出，这样，就能自动地将一个个钉推到最前面，直到钉全部用完为止。许多机器自动供料，自动步枪中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能。此外，像夹衣服的夹子，圆珠笔、钢笔套上的夹片都利用弹簧的紧压功能夹在衣服上。3. 复位功能弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复原状。很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的。例如，许多建筑物大门的合页上都装了复位弹簧，人进出后，门会自动复位。人们还利用这一功能制成了自动伞、自动铅笔等用品，十分方便。此外，各种按钮、按键也少不了复位弹簧。4. 带动功能机械钟表、发条玩具都是靠上紧发条带动的。当发条被上紧时，发条产生弯曲形变，存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动时、分、秒针或轮子转动。在许多玩具枪中都装有弹簧，弹簧被压缩后具有势能，扣动扳机，弹簧释放，势能转变为动能，撞击小球沿枪管射出。田径比赛用的发令枪和军用枪支也是利用弹簧被释放后弹性势能转变为动能撞击发令纸或子弹的引信完成发令或发火任务的。5. 缓冲功能在机车、汽车车架与车轮之间装有弹簧，利用弹簧的弹性来减缓车辆的颠簸。6. 振动发声功能当空气从口琴、手风琴中的簧孔中流动时，冲击簧片，簧片振动发出声音。第一章综合能力提升与实践在线回眸打开物理世界的大门走进神奇探索之路站在巨人的肩膀上激发兴趣探究方法培养目标自然中的神奇非凡而震撼人心生活中的神奇平凡而充满智慧古文明中的科学思索思辨与总结物理学的进步之阶 实验与理论知识园地硕果累累（知识技能）科学探究其乐无穷（过程方法）科学精神永远高扬（情感态度与价值观） 训练与回顾 生活在自然之中，我们每天都要面对许多与力、声、热、光、电等有关的现象。在自然科学中诞生的物理学就是研究这些现象，找出它们发生的原因，研究怎样利用它们来为人类服务。观察思考（一） （a）夕阳西下 （b）电闪雷鸣 （c）湖光山色 （d）火山喷发（e）弯弓搭箭 （f）演奏二胡观察图1-1所示的情景，按要求将它们分类。（填序号）1、属于力的现象的有 。2、属于声的现象的有 。3、属于光的现象的有 。4、属于热的现象的有 。5、属于电的现象的有 。观察思考（二）面对神奇的物理现象，人们在迷茫、好奇、敬畏的同时，不断地努力探索。下面是在物理学的发展中作出过大量贡献的科学巨匠，你能根据介绍说出他们的名字吗？ 图1-2 图1-3 图1-4 图1-5 1、 如图1-2，他是著名的天文学家，自然科学的先驱。他用日心说否定了影响人类达千年之久的托勒密地心说，有力地推动了人类文明的进程。他是 。2、 如图1-3，他是经典力学和实验物理学等的先驱，他率先用望远镜观察天空，由此得到的关于天体运行的结果有力地支持了哥白尼的日心说。他是 。3、 如图1-4，他被人们誉为伟大的物理学家。他在前人研究的基础上，构建了具有划时代意义的经典物理学体系。他发现日月星辰的运转与苹果下落有某些相似之处，从而建立了以他的名字命名的运动三大定律。他是 。4、 如图1-5，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。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。他是 。观察和思考（三）前辈们在探索神奇的现象的过程中，逐渐发现蕴藏其中的某些物理规律，形成了物理学体系。物理学就是研究自然界的物质结构，物体间的相互作用和物体运动最一般的自然科学。观察图1-6并填空。 甲 乙甲 放大了200万倍的铱原子排列图，这是利用 观察得到的。乙 极低温下金属块在磁场中会自动漂浮，这属于 现象。科学家们不仅为后人留下了知识的宫殿，而且创建了科学的探究方法。根据图1-7所示，填写出科学探究的主要环节。1、 2、猜想和假设3、制定计划和设计实验4、 5、分析与论证6、评估7、 科学家们在科学探究的过程中，还为后人留下了永远高扬的科学精神。请根据下列文段中介绍的情况，填写后面的空格。 图1-71、面对罗马教会的强权，哥白尼顽强地说自己终于推动了地球；伽利略坚持认为地球在转动。这体现了科学家们的实事求是、 、 、 的精神。2、居里夫人（M.S.Cure,18671934），两次获得若贝尔奖。这些伟大的成功者皆源于她对真理的执着追求，以及长期勤勤恳恳的努力工作。她和丈夫发现的“镭”是在简陋的棚屋里辛苦工作四年提炼出来的。这体现了科学家们 、 、 的精神。3、爱因斯坦和玻尔进行了长达二十余年的量子力学大论战，而这种学术之争并未影响两位科学泰斗的友谊。在解答爱因斯坦提出的一个个难题的过程中，玻尔等人逐渐完善了量子力学体系。这体现了科学家们善于 ，敢于提出与众不同的见解，也敢于 自己的错误观点。第一章打开物理世界的大门单元练习长乐第七中学 陈钦松一、生活在自然之中，我们每天都要面对许多与力、声、热、光、电等有关的现象。在自然科学中诞生的物理学就是研究这些现象，找出它们发生的原因，研究怎样利用它们来为人类服务。（一）观察思考： （a）夕阳西下 （b）电闪雷鸣 （c）湖光山色 （d）火山喷发 （e）弯弓搭箭 （f）演奏二胡观察图1-1所示的情景，按要求将它们分类。（填序号）1、属于力的现象的有 。2、属于声的现象的有 。3、属于光的现象的有 。4、属于热的现象的有 。5、属于电的现象的有 。（二）观察思考：面对神奇的物理现象，人们在迷茫、好奇、敬畏的同时，不断地努力探索。下面是在物理学的发展中做出过大量贡献的科学巨匠，你能根据介绍说出他们的名字吗？ 图1-2 图1-3 图1-4 图1-55、 如图1-2，他是著名的天文学家，自然科学的先驱。他用日心说否定了影响人类达千年之久的托勒密地心说，有力地推动了人类文明的进程。他是 。6、 如图1-3，他是经典力学和实验物理学等的先驱，他率先用望远镜观察天空，由此得到的关于天体运行的结果有力地支持了哥白尼的日心说。他是 。7、 如图1-4，他被人们誉为伟大的物理学家。他在前人研究的基础上，构建了具有划时代意义的经典物理学体系。他发现日月星辰的运转与苹果下落有某些相似之处，从而建立了以他的名字命名的运动三大定律。他是 。8、 如图1-5，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。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。他是 。（三）观察和思考：前辈们在探索神奇的现象的过程中，逐渐发现蕴藏其中的某些物理规律，形成了物理学体系。物理学就是研究自然界的物质结构，物体间的相互作用和物体运动最一般的自然科学。观察图1-6并填空。甲乙甲：放大了200万倍的铱原子排列图，这是利用 观察得到的。乙：极低温下金属块在磁场中会自动漂浮，这属于 现象。二、科学家们不仅为后人留下了知识的宫殿，而且创建了科学的探究方法。根据图1-7所示，填写出科学探究的主要环节。1、 2、猜想和假设3、制定计划和设计实验4、 5、分析与论证6、评估7、 三、科学家们在科学探究的过程中，还为后人留下了永远高扬的科学精神。请根据下列文段中介绍的情况，填写后面的空格。 图1-71、面对罗马教会的强权，哥白尼顽强地说自己终于推动了地球；伽利略坚持认为地球在转动。这体现了科学家们的实事求是、 、 、 的精神。2、居里夫人（M.S.Cure,18671934），两次获得若贝尔奖。这些伟大的成功者皆源于她对真理的执着追求，以及长期勤勤恳恳的努力工作。她和丈夫发现的“镭”是在简陋的棚屋里辛苦工作四年提炼出来的。这体现了科学们 、 、 的精神。3、爱因斯坦和玻尔进行了长达二十余年的量子力学大论战，而这种学术之争并未影响两位科学泰斗的友谊。在解答爱因斯坦提出的一个个难题的过程中，玻尔等人逐渐完善了量子力学体系。这体现了科学家们善于 ，敢于提出与众不同的见解，也敢于 自己的错误观点。第一章打开物理世界大门参考答案：一、 1、d e 2、b d f 3、 a b c d 4、d 5、b二、1、哥白尼 2、伽利略 3、牛顿 4、爱因斯坦三、电子显微镜、 超导中的磁悬浮 、 提出问题、 进行实验和收集证据、 交流与合作1、 尊重客观规律、不迷信权威、敢于坚持真理 2、 孜孜不倦、刻苦认真、坚强自信3、 合作与交流、修正或放弃