第二讲经典力学的建立与发展课程教案授课方式理论课课时安排120分钟教学内容与课时安排：1、从托勒密到哥白尼；（25分钟）（25分钟）2、开普勒行星三定律；（25分钟）3、伽利略的科学研究方法：4、最美丽的十大物理实验；（20分钟）5、牛顿对经典力学的贡献；（25分钟）教学目的与要求：1、了解经典力学的诞生是从天文学的突破开始的：2、了解日心说提出的历史背景及行星三定律：3、了解伽利略科学研究方法对物理学发展的影响；4、理解体会两种文化交融的重要性：5、了解最美丽的十大物理实验的内容和特点：6、了解牛顿对经典力学的贡献；7、理解体会科学思想与研究方法在物理学发展中的重要性。教学重点及难点：重点：科学思想与研究方法对经典力学发展的影响难点：牛顿的科学思想与研究方法授课安排：从托勒密（地心说）到哥白尼（日心说）；（30分钟）1、2、经典力学中的科学实验方法；（45分钟）3、牛顿的科学思想与研究方法对经典力学的贡献。（40分钟）教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法课堂板书：多媒体
第二讲 经典力学的建立与发展 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、从托勒密到哥白尼； （25 分钟） 2、开普勒行星三定律； （25 分钟） 3、伽利略的科学研究方法； （25 分钟） 4、最美丽的十大物理实验； （20 分钟） 5、牛顿对经典力学的贡献； （25 分钟） 教学目的与要求： 1、了解经典力学的诞生是从天文学的突破开始的； 2、了解日心说提出的历史背景及行星三定律； 3、了解伽利略科学研究方法对物理学发展的影响； 4、理解体会两种文化交融的重要性； 5、了解最美丽的十大物理实验的内容和特点； 6、了解牛顿对经典力学的贡献； 7、理解体会科学思想与研究方法在物理学发展中的重要性。 教学重点及难点： 重点：科学思想与研究方法对经典力学发展的影响 难点：牛顿的科学思想与研究方法 授课安排： 1、 从托勒密（地心说）到哥白尼（日心说）； （30 分钟） 2、 经典力学中的科学实验方法； （45 分钟） 3、 牛顿的科学思想与研究方法对经典力学的贡献。 （40 分钟） 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 课堂板书：多媒体
方法及手段教学基本内容讲授法+PPT学习物理学一般都是从力学开始的，因为力学讨论的现象是日常可见展示的、每个人都有这方面的生活体验，并能由此形成各种观念。经典力学的内容又是物理学最基础的部分，也是自然科学发展最早的分支。近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。下面我们了解经典力学的建立与发展。经典力学是从伽利略和开普勒时代开始，到牛顿时代到达成熟阶段。纵观经典力学的建立与发展，从科学思想上讲，离不开自然哲学的指导：从科学方法上看，离不开科学实验方法和数学的引入。1、从托勒密到哥白尼由标题你能联想到什么？地心说和日心说两大宇宙体系。首先了解托勒密与地心说。托勒密一一古希腊天文学家、地理学家和光学家。通过总结希腊古天文学成就，写成《天文学大成》十三卷。还著有《地理学》、《天文集》和《光学》。其中最著名的是他的《天文学大成》。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。我们来看一段视频（插入视频）。而日心说是波兰天文学家哥白尼在1513年提出的，即：太阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运行。他经过长年的观察和计算完成了被称为“自然科学的独立宣言”的《天体运行论》。既然地心说能解释日常的自然现象，又符合宗教教义，为什么会有日心说呢？原因是：（1）随着天文学观察数据越来越多，为了给予解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，越来越难以使人信服。（2）哥白尼接受了毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，高度赞美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。（3）还有一点不容忽视，他在意大利留学10年，受到了文艺复兴运动的影响，思想解放。再通过一段视频加深对哥白尼的了解（插入视频）“日心说”将地球从宇宙中心降到了普通行星的地位，冲击了人们对基督教义的信仰，是向神学的宣战书；在历史上起到了解放思想的巨大作用。打击了教会的“宇宙观”。而进一步在物理上对哥白尼学说作出发展的是：开普勒和伽利略。2、开普勒行星三定律
教 学 基 本 内 容 方法及手段 学习物理学一般都是从力学开始的，因为力学讨论的现象是日常可见 的、每个人都有这方面的生活体验，并能由此形成各种观念。 经典力学的内容又是物理学最基础的部分，也是自然科学发展最早的分 支。近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。下面我们了解经典力学 的建立与发展。经典力学是从伽利略和开普勒时代开始，到牛顿时代到达成 熟阶段。纵观经典力学的建立与发展，从科学思想上讲，离不开自然哲学的 指导；从科学方法上看，离不开科学实验方法和数学的引入。 1、从托勒密到哥白尼 由标题你能联想到什么？ 地心说和日心说两大宇宙体系。 首先了解托勒密与地心说。 托勒密——古希腊天文学家、地理学家和光学家。通过总结希腊古天文 学成就，写成《天文学大成》十三卷。还著有《地理学》、《天文集》和《光 学》。其中最著名的是他的《天文学大成》。早在公元前 4 世纪，古希腊哲学 家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元 140 年，托勒密发表了他的 13 卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上 系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不 动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升 西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高 无上地位的宗教教义，因而流传时间长达 1300 余年。我们来看一段视频（插 入视频）。而日心说是波兰天文学家哥白尼在 1513 年提出的，即：太阳是宇 宙的中心，地球围绕太阳运行。他经过长年的观察和计算完成了被称为“自 然科学的独立宣言”的《天体运行论》。既然地心说能解释日常的自然现象， 又符合宗教教义，为什么会有日心说呢？原因是： （1）随着天文学观察数据越来越多，为了给予解释，托勒密的地心说不断 修补，越来越复杂，越来越难以使人信服。 （2）哥白尼接受了毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数 学关系来表达宇宙规律”的基本思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样， 高度赞美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。 （3）还有一点不容忽视，他在意大利留学 10 年，受到了文艺复兴运动的影 响，思想解放。再通过一段视频加深对哥白尼的了解（插入视频） “日心说”将地球从宇宙中心降到了普通行星的地位，冲击了人们对基 督教义的信仰，是向神学的宣战书；在历史上起到了解放思想的巨大作用。 打击了教会的“宇宙观”。而进一步在物理上对哥白尼学说作出发展的是： 开普勒和伽利略。 2、开普勒行星三定律 讲 授 法 +PPT 展示
第一定律也叫环绕定律：“行星轨道为椭圆，太阳在其任一焦点上”；第二定启发式教学律也被称为面积定律：“行星的向径（行星与太阳的连线)在单位时间内扫过的面积相等。”第三定律也叫周期定律："行星公转周期的平方正比于轨道半长动画演示轴的立方"。开普勒是德国天文学家，因发现了行星运动的三大定律，赢得了“天空立法者”的美名。为哥白尼的日心说提供了最可靠的证据，同时对光学、数学也做出了重要的贡献。开普勒1587年进入大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林，在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。他于1591年获得文学硕士学位，后来想当牧师而学神学。毕业后去高中任数学教师，开始研究天文学。1596年出版《宇宙的神秘》一书受到第谷的赏识，应邀到布拉格附近的关文台做研究工作。1600年，到布拉格成为第谷的助手。次年第谷去世，开普勒成为第谷事业的继承人。下面我们看一个简短的视频，加深对开普勒和他的行星运行三大定律的了解。（插入视频）曾有人说：贝多芬的交响乐、莎士比亚的戏剧、开普勒三定律、西斯廷教堂的天顶，代表了文艺复兴时期西方先进思想的杰出成就，分别是哪些方面的成就呢？前面三方面大家可能都熟悉，代表的是“音乐、文学、科学”，那“西斯廷教堂的天顶”有什么？大家不妨去了解一下。（插入视频）3、伽利略的科学研究方法提到伽利略，大家会想到比萨斜塔、自由落体、望远镜、物体的惯性，还有斜面实验....伽利略是意大利物理学家、天文学家、哲学家，近代实验科学的先驱者。被誉为“近代科学之父”（插入视频）。首先了解他在经典力学方面的贡献。一是否定了亚里士多德把运动划分为“自然运动”和“强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量一一速度和加速度，把运动分为“匀速”和“变速”。二是用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。所谓理想实验"，又叫做"假想实验”、“思想上的实验"，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。后面我们将通过实例了解伽利略理想实验的思维过程。再看他对科学方法的贡献。他提出的研究方法是：对现象的观察、提出假设、进行数学和逻辑的推理、然后实验验证、最后形成理论。还开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。我们从他对落体运动的分析了解他的思维过程：他注意到：物体下落实验中轻物体确实落后于重物体，但这是由于有空气阻力。铅球、金球、木球在水银中，只有金球往下落在水中，铅球、金球往下落，金球落得更快
第一定律也叫环绕定律：“行星轨道为椭圆，太阳在其任一焦点上”；第二定 律也被称为面积定律：“行星的向径(行星与太阳的连线)在单位时间内扫过的 面积相等。”第三定律也叫周期定律："行星公转周期的平方正比于轨道半长 轴的立方"。 开普勒是德国天文学家，因发现了行星运动的三大定律，赢得了“天空 立法者”的美名。为哥白尼的日心说提供了最可靠的证据，同时对光学、数 学也做出了重要的贡献。开普勒 1587 年进入大学，在校中遇到秘密宣传哥 白尼学说的天文学教授麦斯特林，在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠 实维护者。他于 1591 年获得文学硕士学位，后来想当牧师而学神学。毕业 后去高中任数学教师，开始研究天文学。1596 年出版《宇宙的神秘》一书受 到第谷的赏识，应邀到布拉格附近的天文台做研究工作。1600 年，到布拉格 成为第谷的助手。次年第谷去世，开普勒成为第谷事业的继承人。下面我们 看一个简短的视频，加深对开普勒和他的行星运行三大定律的了解。（插入 视频） 曾有人说：贝多芬的交响乐、莎士比亚的戏剧、开普勒三定律、西斯廷 教堂的天顶，代表了文艺复兴时期西方先进思想的杰出成就，分别是哪些方 面的成就呢？前面三方面大家可能都熟悉，代表的是“音乐、文学、科学”， 那“西斯廷教堂的天顶”有什么？大家不妨去了解一下。（插入视频） 3、伽利略的科学研究方法 提到伽利略，大家会想到比萨斜塔、自由落体、望远镜、物体的惯性， 还有斜面实验.伽利略是意大利物理学家、天文学家、哲学家，近代实验 科学的先驱者。被誉为“近代科学之父”（插入视频）。 首先了解他在经典力学方面的贡献。一是否定了亚里士多德把运动划分 为“自然运动”和“强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量——速度和加 速度，把运动分为“匀速”和“变速”。二是用理想实验和斜面实验驳斥了 亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。所谓"理想实 验"，又叫做"假想实验"、"思想上的实验"，它是人们在思想中塑造的理想过 程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。后面我们将通过实 例了解伽利略理想实验的思维过程。 再看他对科学方法的贡献。他提出的研究方法是：对现象的观察、提出 假设、进行数学和逻辑的推理、然后实验验证、最后形成理论。还开创了科 学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。 我们从他对落体运动的分析了解他的思维过程：他注意到：物体下落实 验中轻物体确实落后于重物体，但这是由于有空气阻力。 铅球、金球、木球 在水银中，只有金球往下落 在水中，铅球、金球往下落，金球落得更快 启发式教学 动画演示
在空气中，铅球、金球下落没有差别，木球稍慢进而得出推论：重量不同的物体下落速度差别随媒质密度的减小而减小在真空中，重量不同的物体下落速度相同。再看他的斜面实验：他提出了力是速度变化的原因，创立了动力学概念。进而提出了惯性原理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的建立奠定了基础。不知道大家有没有听说过这本书：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，这本书采用对话的形式，参与对话的是支持他的两个朋友，与一个亚里士多德观点支持者，对话分为4天。伽利略想要用这种对话形式使他的著作能拥有广大的读者，从而能有效地否定掉亚里士多德的力学和宇宙论。书中全面系统地讨论了哥白尼日心说和托勒密地心说的各种分歧，并用作者的许多新发现和力学研究新成果论证了哥白尼体系的正确和托勒密体系的错误。爱因斯坦说：“纯粹的逻辑思维不能使我们得到有关经验世界的任何知识，所有真实的知识都是从经验开始…正是由于伽利略看清了这一点，特别是他将此引入科学界，使他成为近代物理学之父，也是整个近代科学之父。”4、最美丽的十大物理实验2005年9月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。来看看是哪些实验，哪些是经典力学中的实验：电子双缝干涉实验伽利略的自由落体实验密立根油滴实验牛顿的棱镜色散实验杨氏双缝干涉实验卡文迪许扭矩实验测量地球圆周长实验伽利略斜面实验卢瑟福α粒子散射实验傅科摆实验先了解排名第2的伽利略的自由落体实验：在16世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。荷兰
在空气中，铅球、金球下落没有差别，木球稍慢 进而得出推论：重量不同的物体下落速度差别随媒质密度的减小而减小 ——在真空中，重量不同的物体下落速度相同。 再看他的斜面实验： 他提出了力是速度变化的原因，创立了动力学概念。进而提出了惯性原 理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的建立奠定 了基础。不知道大家有没有听说过这本书：《关于托勒密和哥白尼两大世界 体系的对话》，这本书采用对话的形式，参与对话的是支持他的两个朋友， 与一个亚里士多德观点支持者，对话分为 4 天。伽利略想要用这种对话形式 使他的著作能拥有广大的读者，从而能有效地否定掉亚里士多德的力学和宇 宙论。书中全面系统地讨论了哥白尼日心说和托勒密地心说的各种分歧，并 用作者的许多新发现和力学研究新成果论证了哥白尼体系的正确和托勒密 体系的错误。 爱因斯坦说:“纯粹的逻辑思维不能使我们得到有关经验世界的任何知 识，所有真实的知识都是从经验开始.正是由于伽利略看清了这一点，特 别是他将此引入科学界，使他成为近代物理学之父，也是整个近代科学之 父。” 4、最美丽的十大物理实验 2005 年 9 月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前 10 位的最美 丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。来看看是哪些实验， 哪些是经典力学中的实验： 电子双缝干涉实验 伽利略的自由落体实验 密立根油滴实验 牛顿的棱镜色散实验 杨氏双缝干涉实验 卡文迪许扭矩实验 测量地球圆周长实验 伽利略斜面实验 卢瑟福α粒子散射实验 傅科摆实验 先了解排名第 2 的伽利略的自由落体实验： 在 16 世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快，因 为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职， 他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故 事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。 事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。荷兰
的斯悌文在他1586年的著作中更明确地记载有自由落体实验，只是斯梯文并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。在伽利略去世300多年后的1971年，乘阿波罗15号飞船登月的宇航员斯科特将一把锤子和一根羽毛带上了月球，在没有大气的月球上做了有趣的自由落体试验。结果当然是轻柔的羽毛和沉重的铁锤同时落到月面。伽利略挑战亚里士多德的代价是他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最后的裁决。下面了解排名第6的卡文迪许扭矩实验：1798年，卡文迪许利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万有引力定律的正确。卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量。实验原理是这样的：卡文迪许用两个铁球分别放在扭秤的两端。扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用激光照射镜子，激光反射到一个很远的地方，标记下此时激光所在的点。用两个质量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但激光所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常量G。此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。下面了解排名第7埃拉托色尼测量地球圆周长实验：古希腊地理学家埃拉托色尼将天文学与测地学结合起来，他选择同一子午线上的两地塞恩和亚历山大里亚，在夏至日那天进行太阳位置观察的比较。在塞恩附近，尼罗河的一个河心岛洲上，有一口深井，夏至日那天太阳光可直射井底。这一现象闻名已久，吸引着许多旅行家前来观赏奇景。它表明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时，他在亚历山大里亚选择了一个很高的方尖塔作参照，并测量了夏至日那天塔的阴影长度，这样他就可以量出直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。获得了这些数据之后，他运用了泰勒斯的数学定律，即一条射线穿过两条平行线时，它们的对角相等。埃拉托色尼通过观测得到了这一角度为7°12″，即相当于圆周角360°的1/50。由此表明，这一角度对应的弧长，即从塞恩到亚历山大里亚的距离，应相当于地球周长的1/50。下一步埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料，测量得到这两个城市的距离是5000希腊里。一旦得到这个结果，地球周长只要乘以50即可，埃拉托色尼测量的地球周长为39360公里，与地球实际周长非常相近。下面了解排名第8的伽利略斜面实验：伽利略通过科学推理，认为：如果一切接触面都是光滑的，一个钢珠从斜面的某一高度处静止滚下，由于只受重力，没有阻力产生能量损耗，那么它必定到达另一斜面的同一高度，如果斜面变成水平面，则钢珠找不到同样的高度而会一直保持一种运动状态，永不停止运动下去。由此推断，物体在
的斯悌文在他 1586 年的著作中更明确地记载有自由落体实验，只是斯悌文 并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。在伽利略去世 300 多年后的 1971 年，乘阿波罗 15 号飞船登月的宇航员斯科特将一把锤子和一根羽毛带上了 月球，在没有大气的月球上做了有趣的自由落体试验。结果当然是轻柔的羽 毛和沉重的铁锤同时落到月面。伽利略挑战亚里士多德的代价是他失去了工 作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最后的裁 决。 下面了解排名第 6 的卡文迪许扭矩实验： 1798 年，卡文迪许利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万 有引力定律的正确。卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量， 转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小 的变化量 。实验原理是这样的：卡文迪许用两个铁球分别放在扭秤的两端。 扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用激光照 射镜子，激光反射到一个很远的地方，标记下此时激光所在的点。用两个质 量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微 微偏转。但激光所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引 力公式中的常量 G。此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。 下面了解排名第 7 埃拉托色尼测量地球圆周长实验： 古希腊地理学家埃拉托色尼将天文学与测地学结合起来，他选择同一子 午线上的两地塞恩和亚历山大里亚，在夏至日那天进行太阳位置观察的比 较。在塞恩附近，尼罗河的一个河心岛洲上，有一口深井，夏至日那天太阳 光可直射井底。这一现象闻名已久，吸引着许多旅行家前来观赏奇景。它表 明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时，他在亚历山大里亚选择了一个很 高的方尖塔作参照，并测量了夏至日那天塔的阴影长度，这样他就可以量出 直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。获得了这些数据之后，他运用了泰 勒斯的数学定律，即一条射线穿过两条平行线时，它们的对角相等。埃拉托 色尼通过观测得到了这一角度为 7°12′，即相当于圆周角 360°的 1/50。 由此表明，这一角度对应的弧长，即从塞恩到亚历山大里亚的距离，应相当 于地球周长的 1/50。下一步埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料，测量 得到这两个城市的距离是 5000 希腊里。一旦得到这个结果，地球周长只要 乘以 50 即可，埃拉托色尼测量的地球周长为 39360 公里，与地球实际周长 非常相近。 下面了解排名第 8 的伽利略斜面实验： 伽利略通过科学推理，认为：如果一切接触面都是光滑的，一个钢珠从 斜面的某一高度处静止滚下，由于只受重力，没有阻力产生能量损耗，那么 它必定到达另一斜面的同一高度，如果斜面变成水平面，则钢珠找不到同样 的高度而会一直保持一种运动状态，永不停止运动下去。由此推断，物体在