5．科学革命的先驱，近代科学之父

伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家，科学革命的先驱。在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。在当时的社会条件下，为争取不受权势和旧传统压制的学术自由，为近代科学的生长，他进行了坚持不懈的斗争，并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此，他是科学革命的先驱，历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播N，哥白尼的日心说，伽利略献出了毕生精力。由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，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。因此，他被称为“近代科学之父”。他的工作，为I.牛顿的理论体系的建立奠定了基础。虽然他晚年终于被剥夺了人身自由，但他开创新科学的意志并未动摇。他的追求科学真理的精神和成果，永远为后代所景仰。

4．彻底推翻亚里士多德的物质观

　　 欧洲中世纪占绝对统治地位的自然观，是经过神学改装了的亚里士多德的自然观，它成为封建神权统治者统制民众思想的工具。亚里士多德认为，地球和地上万物都由气、火、水、土四种元素所组成，都是丑陋、不洁、不完美的，有变化和有生灭的。火和气组成向上流动的轻物，水和土组成向下掉落的重物。而天体则是由“以太”所组成的纯洁、完美、永恒的物体。又因为“上帝厌恶真空”，所以真空不可能存在。然而伽利略从望远镜发现月亮表面有山峰和洼地，高低不平，并不是完美无缺，金星也有盈亏变化；太阳表面还有活动不已的黑子；肉眼就能直接看到超新星的爆发及其渐渐暗淡和消失。这些都打破了亚里士多德天尊地卑，天体和地上物质的性质悬殊的思想。伽利略通过流体静力学对浮体的研究，得知所有物体都是重物，没有绝对的轻物。天体和地球以及地上万物在物质结构上是统一的。真空也可能存在和产生，而且只有在真空中才能研究物体的真正性质。这就彻底推翻了亚里士多德凭借主观臆测的物质观，从而也根本动摇了封建神权的思想统治。

3．几种基本物理实验仪器的研制

　　 伽利略不但亲自设计和演示过许多实验，而且亲自研制出不少实验仪器。他的工艺知识丰富，制作技术精湛，他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都很有影响，下面举出几项：

　　 (1)浮力天平，这是利用浮力原理快速测定金银器皿首饰中金银含量比例的直读仪器。这种仪器当时已用于金银首饰器皿的交易中。

　　 (2)温度计，伽利略首创的温度计是一种开放式的液体温度计，玻璃管内盛有着色的水和酒精，液面与大气相通。这实际上是温度计与大气压力计的混合体，这是由于当时他对大气压力的变化还没有明确的认识。尽管如此，其学术价值仍很大，温度从此成为客观的物理量，不再是不确定的主观感觉。

　　 (3)望远镜，伽利略制成的望远镜，可以观察到物体的正像。经过改进后，其倍率由3逐渐增大到33；不但指向星空，还可应用于船舰要塞，取得空前丰硕的发现成果。这种望远镜结构简单，而其倍率和分辨本领受球差和色差的限制较大。

2．物理学概念和原理的创新

　　 惯性原理和力与加速度的新概念推动重物时需要的力大，而推动轻物时需要的力小，是人们的直觉经验。亚里士多德据以得出普遍性的结论：一切物体均有保持静止或所谓寻找其“天然去处”的本性，认为“任何运动着的事物都必然有推动者”，并用比例定律把动力与速度联系起来。伽利略则得出新的概念，他观察到一个沿着光滑斜面向上滑动的物体，因斜面的斜角不同而受到不同程度的减速，斜角越小，减速越小。如在无阻力的水平面上滑动，则应保持原速度永远滑动。因而得出这样的结论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度--这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动才是不变的”(《两门新科学的对话》，第三天，问题9，假设23注)。这样，伽利略便第一次提出了惯性概念，并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。与前述的匀加速运动实验结合在一起，伽利略提出了惯性和加速度这个全新的概念，以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。具体有以下几个方面。

　　 (1)运动独立性原理和运动的合成、分解定律在弹道的研究中，伽利略发现水平与垂直两方向的运动各具有独立性，互不干涉，但通过平行四边形法则又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀速运动，完整地解释了弹道的抛物线性质，这是运动的合成研究的重大收获，并具有实用意义。

　　 (2)惯性参照系概念，伽利略用物理学原理为哥白尼地动学说进行辩解时，应用运动独立性原理通俗地说明了石子从桅杆顶上掉落到桅杆脚下而不向船尾偏移的道理。他又进一步以作匀速直线运动的船舱中物体运动规律不变的著名论述，第一次提出惯性参照系的概念。这一原理被A.爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。

　　 (3)单摆周期性质的发现，伽利略由观察到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究，发现单摆的周期与摆长的平方根成正比，而与振幅大小和摆锤重量无关。这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。

　　 (4)光速有限及其测量，前人对于光速是否有限从来没有明确的认识。伽利略观察了闪电现象，认为光速是有限的，并设计了测量光速的掩灯方案。但限于当时的实验条件，用这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间，而不是光的行进时间。然而，如果有了明暗变化有规律的光源或高速机械控制的器件代替人手动作，是可以测量到真正的光速的，后来木卫星食法、转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法都借鉴于掩灯方案。

1．新的科学思想和科学研究方法

在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。他摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序的服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。

　　 基于这样的新的科学思想，伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法；这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。用数学方法研究物理问题，原非伽利略首倡，可以追溯到公元前3世纪的阿基米德，14世纪的牛津学派和巴黎学派以及15、16世纪的意大利学术界，在这方面都有一定成就，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”

　　 伽利略的数学与实验相结合的研究方法，一般来说，分三个步骤：①先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；③然后通过实验来证实这种数量关系。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。

　在介绍晶体结构研究的发展简史以前，需要先说明一下晶体中微粒是怎样有规则地排列的，并用晶体的这个本质特征来解释晶体的一些通性．应用X射线研究晶体内部结构的大量实验证明，一切晶体在结构上不同于非晶体(以及液体、气体)的最本质的特征，是组成晶体的微粒(离子、原子、分子等)在三维空间中有规则的排列，具有结构的周期性．所谓结构的周期性，是指同一种微粒在空间排列上每隔一定距离重复出现．换句话说，在任一方向排在一直线上的相邻两种微粒之间的距离都相等，这个距离称为周期．如果每一个微粒用一个点代表，则所有这些点组成一个有规则的空间点阵．过一点在不同方向取三根联结各点的直线作为三个坐标轴，用三组平行于坐标轴的直线将所有的点联结起来，则将空间点阵划成所谓空间格子，空间格子的最小单位是一个平行六面体．晶体的空间格子将晶体截分为一个个内容(组成粒子、粒子的排布、粒子间的作用力的性质等)完全等同的基本单位──晶胞．晶胞的形状、大小与空间格子的平行六面体单位相同．晶体可以看作无数个晶胞有规则地堆积而成．在非晶体中，微粒的排列没有规则，不存在空间点阵结构．　

与非晶体不同，晶体具有以下几个通性：

(1)有整齐、规则的几何外形．

例如，只有结晶条件良好，可以看出食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形．这是晶体内微粒的排布具有空间点阵结构在晶体外形上的表现．对晶体有规则的几何外形进行深入研究以后，人们发现不同晶体有不同程度的对称性．晶体中可能具有的对称元素有对称中心、镜面、旋转轴、反轴等许多种．玻璃、松香、橡胶等非晶体都没有一定的几何外形．

(2)晶体具有各向异性．

一种性质在晶体的不同方向上它的大小有差异，这叫做各向异性．晶体的力学性质、光学性质、热和电的传导性质都表现出各向异性．例如，石墨晶体在平行于石墨层方向上比垂直于石墨层方向上导电率大一万倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等．这是由于在晶体内不同方向上微粒排列的周期长短不同，而微粒间距离的长短又直接影响它们相互作用力的大小和性质．非晶体由于微粒的排列是混乱的，表现为各向同性．

(3)在一定压力下，晶体有固定的熔点.

非晶体没有固定的熔点，只有一段软化温度范围．这是由于晶体的每一个晶胞都是等同的，都在同一温度下被微粒的热运动所瓦解．在非晶体中，微粒间的作用力有的大有的小，极不均一，所以没有固定的熔点．　

　晶体的分类在几何晶体学上和在结晶化学上是不同的．在几何晶体学上，按照晶体的对称性将晶体分为七个晶系、32种宏观对称类型、230种微观对称类型(可参看大学《结构化学》教材有关部分)．在晶体化学中，是根据组成晶体的微粒的种类及微粒之间相互作用力的性质，将晶体首先分为金属晶体、离子晶体、原子晶体和分子晶体四大类．　

自然界中的固体物质绝大部分都是晶体，只有极少数是非晶体．

晶体为什么具有规则的几何外形呢？实验证明：在晶体里构成晶体的微粒(分子、原子、离子等)是规则地排列的，晶体的有规则的几何外形是构成晶体的微粒的有规则排列的外部反映．这里所说的“实验”主要指有X射线来测定分析晶体结构的实验．

用X射线测定晶体结构的科学叫做X射线晶体学，它和几何晶体学、结晶化学一道，对现代化学的发展起了很大作用．它们的重要性可概括为以下四点：

(1)结晶化学是现代结构化学的一个十分重要的基本的组成部分．物质的化学性质是由共结构决定的，所以结构化学包括结晶化学，是研究和解决许多化学问题的指南．结晶化学的知识在研制催化剂中的应用就是一例．

(2)由于晶体内的粒子排列得很有规则，所以晶态是测定化学物质的结构最切实易行的状态，分子结构的实际知识(如键长、键角数据)的主要来源是晶体结构．很多化合物和材料只存在于晶态中，并在晶态中被应用．

(3)它们是生物化学和分子生物学的支柱．分子生物学的建立主要依靠了下列两个系列的结构研究：一是从多肽的α螺旋到DNA的双螺旋结构；二是从肌红蛋白、血红蛋白到溶菌酶和羧肽酶等的三维结构．它们都是应用测定晶体结构的X射线衍射方法所得的结果．

(4)晶体学和结晶化学是固体科学和材料科学的基石．固体科学要在晶体科学所阐明的理想晶体结构的基础上，着重研究偏离理想晶态的各种“缺陷”，这些“缺陷”是各种结构敏感性能(如导电、扩散、强度及反应性能等)的关键部位．材料之所以日新月异并蔚成材料科学，相当大的程度上得力于晶体在原子水平上的结构理论所提供的观点和知识．

4.北方的冬季较冷，为了妥善地保存蔬菜，多在菜窖里放几桶水，可以利用水结冰时放出热，窖内温度不致太低．现在，人们研制出一种聚乙烯材料，在15℃-40℃的范围内熔化或凝固，而熔化或凝固时，温度保持不变．所以，人们将这种材料制成颗粒状，掺在水泥中制成储热地板或墙壁，天气热时颗粒熔化，天气冷时又凝固成颗粒，能调节室内的温度．

　
铁熔为铁水，积雪融化，吃冰棒解热，冰袋降温，湖面结冰，浇铸机器零件
　
　
　
　
在实验室组织学生进行探究．事先将学生分成若干实验小组(2-3人为一组)．把仪器按教材第10页图1-15实验装置组装好．
　
　
　
　
让少数小组观察蜡的熔化过程，多数小组观察海波的熔化过程．实验小组每个同学要有明确分工．专人负责报时间，专人负责观察温度和照顾仪器，专人负责记录等．
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
学生讨论、思考、交流、分析、归纳，得出结论
　
　
　
学生运用“比较法”比较出这两种物质熔化过程中的异同点．
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
学生读几种物质的熔点并加以解释
　
　
　
　
　
学生讨论
同时对物质的熔化能进一步的理解．
　
　
　
　
　
　
(学生讨论并回答)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
(学生思考并回答)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
课后作业
伴你学(第三节)
教学反馈
　
备注
教学过程中，教师一直充当“透镜”的作用，时而像“凹透镜”一样使学生的思维发散，时而像“凸透镜”一样使学生的思维聚合．从而使学生的思维呈创造性思维过程，将教学活动变成一种学生的创造活动．在实施的过程中，要充分发挥学生的主体作用，要敢于解放学生的兴趣，解放学生的权力，还给学生的是自主裁判、责任而不是放任，培养学生的全体参与，要体现出全体学生的发展理念．
　

教学点评：

本节课重点是通过探究物质熔化过程体会研究问题的方法．本节教学设计没有采取以往的教师演示实验引出概念的方法，而是采取结合生活实际提出问题，引起学生探究，通过实验探究引出的方法，目的是让学生在探究过程中提高解决问题的能力，加强合作．激发学生的学习兴趣．

通过问题情景的设计，让学生动手、动脑，启迪学生思维，注重培养学生研究问题的方法．在本节的教学过程中，不失时机地传授给学生一些思维方法、研究方法及学习方法，如发散思维等，并让学生大胆地运用这些方法进行学习活动，从而实现了课堂教学培养学生能力的目的．充分放手让学生通过讨论协作去学习“发现问题--提出研究课题--猜想--设计方案--实验操作--总结评价”的科学探究方法．同时，将教学活动变成了学生一种创造活动，开展研究性学习，培养学生的创造思维、创造力．

3.人们常说"下雪不冷化雪冷"，这句话是什么道理?

雪在熔化时温度保持在0℃不变，但是要吸热．雪从空气中吸热，气温下降，所以化雪时更冷．

教师：现在请大家结合熔化和凝固的实验听一段海波的自白，并回答问题．

“我叫海波，我的熔点和凝固点都是48℃．现在我的体温恰好是48℃，请你们告诉我，我是应该熔化，还是应该凝固呢?只要你们说得对，我就照你们说的办．”

48℃既是海波熔点也是它的凝固点．此时海波是熔化还是凝固，关键要看海波是吸热还是放热．固态海波在温度到达熔点时，吸热则熔化．液态海波在温度到这一温度时，放热则凝固．所以熔化时吸热，凝固时放热．

晶体和非晶体的熔化、凝固有明显的区别：晶体的熔化和凝固是在一定的温度下完成，这个温度分别叫熔点和凝固点．而非晶体没有一定的熔点和凝固点．但是不论晶体还是非晶体，熔化时都吸热，凝固时都放热．所以，晶体实现熔化的条件可概括为两条：一是温度到达熔点，二是吸热．凝固的条件是温度到达凝固点，同时要放热．

[联系生活实例]　

学生回答

判断物质状态

①温度是70℃的萘是____态．

②水在-5℃时是____态．

③铁、铜、铝在常温下是____态．

④水银在-30℃时是____态．

⑤酒精在-100℃时是____态．

⑥锡在232℃时是____态．

2.中国北部的漠河冬季气温最低到-52.3℃，应选用水银温度计还是酒精温度计?为什么?(应选用酒精温度计．因为酒精的凝固点是-117℃，在-52.3℃的情况下，酒精是液态的．水银的凝固点是-39℃，在气温低于-39℃时，水银的固态的．所以水银温度计在冬季的漠河无法工作．)