2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第6节 经典力学的局限性 教案.doc

2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第6节 经典力学的局限性 教案三维目标知识与技能1知道牛顿运动定律的适用范围；2了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用；3知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时。过程与方法通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。情感、态度与价值观通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。教学重点牛顿运动定律的适用范围。教学难点高速运动的物体，速度和质量之间的关系。教学方法探究、讲授、讨论、练习教具准备多媒体课件教学过程新课导入经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿自然哲学的数学原理在1687年出版的那一天。”是的，从地面上物体的运动到天体的运动；从大气的流动到地壳的变动；从拦河筑坝，修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动；从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船所有这些都服从经典力学的规律。经典力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力。但是，像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性，它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。 那么经典力学在什么范围内适用呢？有怎样的局限性呢？这节课我们就来了解这方面的知识。新课教学一、从低速到高速请同学们阅读教材“从低速到高速”部分，回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成的两个公式。1低速与高速（1）低速运动经典力学中各种物体的运动，速度都远小于真空中的光速。处理这些运动，经典力学完全适用。通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。（2）高速运动有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。2质速关系20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。它得出了一些不同于经典力学的观念和结论。例如，在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即式中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。依上式计算，在低速运动中，如地球以3104 m/s的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略，经典力学完全适用。但如果物体的速度接近光速c，如速度v0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍。这时，经典力学就不适用了。3速度合成与时空观（1）速度合成公式一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸 流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下，在经典力学中，船相对于岸的速度即为v船岸v船水v水岸经验告诉我们，这简直是天经地义的，但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移（空间长度）及时间间隔的测量相联系，在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立，然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了。（2）时空观经典力学的绝对时空观经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。狭义相对论基本原理A爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。B光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。狭义相对论时空观A同时性的相对性在一个惯性系中测得是同时发生的两件事，在另一惯性系中测量可能不是同时发生的。B时间测量（间隔）的相对性时间延缓若在一惯性系内同一地点，先后发生两事件时间间隔t0 （称原时或固有时），在以相对速率v运动的另一惯性系内测得时间间隔为t，则有C空间测量的相对性长度收缩当棒沿两个惯性系相对运动方向放置，在相对棒静止的惯性系内测得棒的长度为l0（称原长或固有长度），在相对棒以v运动的惯性系里测得棒的长度为l，则有二、从宏观到微观1经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。这就是说，经典力学一般不适用于微观粒子。2经典力学有它的适用范围相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义，它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围。经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。三、从弱引力到强引力万有引力定律的发现解释了天体运动的规律，并预言和发现了海王星和冥王星，它还首次使地面物体的运动规律与天上的星体运动规律统一起来，把经典力学推上了当时科学的顶峰。1行星轨道的旋进按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动。然而，实际的天文观测告诉我们，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如图所示。经典力学可以对此做出一些解释。不过，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多。自19世纪以来，这个问题就引起了科学界的注意，但得不到令人满意的解释。1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论。他根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有每百年43的附加值，同时还预言光线在经过大质量星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转等现象，这些都被观测证实。2天体的引力半径假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值“引力半径”。根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体的总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加。半径减小到原来的二分之一，引力增到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加得更快些。天体的半径越小，这种差别越大。根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时，引力趋于无穷大。爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。这个引力半径的值由天体的质量决定，例如太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m。因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大。这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用。所以，万有引力定律只适用于弱引力。对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误。”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述。3历史上的科学成就与新的科学成就的关系历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度远小于光速c（3108 m/s）时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.631034Js）可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道小结本节学习了经典力学的局限性：（1）从低速到高速：在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随着物体的运动速度的增大而增大。（2）从宏观到微观：相对论和量子力学的出现，并不说明经典力学失去了意义，只说明它有一定的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。（3）从弱引力到强引力：相对论物理学与经典物理学的结论没有区别相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性，经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。布置作业略。板书设计6经典力学的局限性一、从低速到高速1低速与高速（1）低速运动物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。（2）高速运动有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。2质速关系3速度合成与时空观（1）速度合成公式v船岸v船水v水岸（2）时空观经典力学的绝对时空观经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。狭义相对论基本原理A爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。B光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。狭义相对论时空观A同时性的相对性B时间测量（间隔）的相对性时间延缓C空间测量的相对性长度收缩二、从宏观到微观1经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界2经典力学有它的适用范围经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。三、从弱引力到强引力1行星轨道的旋进2天体的引力半径假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值“引力半径”。3历史上的科学成就与新的科学成就的关系