2020-2021學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 6 經(jīng)典力學(xué)的局限性教案 新人教版必修2

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 6 經(jīng)典力學(xué)的局限性教案 新人教版必修22020-2021學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 6 經(jīng)典力學(xué)的局限性教案 新人教版必修2年級：姓名：- 8 -經(jīng)典力學(xué)的局限性整體設(shè)計本節(jié)從低速到高速、宏觀與微觀、弱引力到強(qiáng)引力三個方面介紹了經(jīng)典力學(xué)的局限性，但均屬于介紹性質(zhì)，具體內(nèi)容均不要求學(xué)生掌握，但是學(xué)過本節(jié)之后，要學(xué)生知道，盡管前面已經(jīng)體會到了萬有引力理論的輝煌成就，但是真理具有相對性，任何理論都不會窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。教材中經(jīng)典力學(xué)是“一部未完成的交響曲”；”科學(xué)總是從正確走向錯誤“；”相對論和量子

2、力學(xué)是哪一種廣泛理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道“安排這些內(nèi)容的著眼點都在展示科學(xué)探究的無限可能，使教材在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)上發(fā)揮它的教育功能。在學(xué)習(xí)了牛頓的萬有引力定律及萬有引力理論的成就后，學(xué)生體會到了經(jīng)典物理帶來的巨大成功，產(chǎn)生了對牛頓力學(xué)的敬仰之情。從物理學(xué)科素養(yǎng)實施的角度來看，為了使學(xué)生拓展知識、開闊視野；正確認(rèn)識物理學(xué)理論的發(fā)展和適用范圍，有必要介紹經(jīng)典力學(xué)的局限性，以完善學(xué)生的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生全面正確看待已成功的物理理論，養(yǎng)成正確的科學(xué)觀和世界觀。那么什么是經(jīng)典力學(xué)？學(xué)生從高一入學(xué)到現(xiàn)在所學(xué)的物理知識與經(jīng)典力學(xué)什么關(guān)系？課堂首先進(jìn)行破題，目的是讓學(xué)生站在知識的高度來概括和總結(jié)，

3、讓學(xué)生知道我們的學(xué)習(xí)由淺入深，從直線到曲線，從簡單運動到復(fù)雜運動，從本質(zhì)上說都是牛頓定律的應(yīng)用，符合我們的認(rèn)識遵從螺旋式上升的規(guī)律。局限不等于失敗，是要搞清經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，培養(yǎng)學(xué)生會用一分為二的觀點看待世界。在講局限性之前我們還是先講成績，課堂讓學(xué)生通過視頻、圖片等不斷加深經(jīng)典物理帶來的成就感，讓經(jīng)典力學(xué)的魅力進(jìn)一步感染學(xué)生的情懷，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)的價值熱情。但是，像其它一切科學(xué)一樣，經(jīng)典力學(xué)也有自己的局限性。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初物理學(xué)天空的兩朵烏云以及以及物體的速度無法加速到任意速度切入，觀察實驗，兩支粉筆同步下落的運動，以地面為參考系遵守牛頓定律，但若以同步下落的人為參考

4、系時，另一個球或粉筆的運動還遵守牛頓定律嗎的疑惑，科學(xué)家們誠實地面對經(jīng)典力學(xué)的窘境，但不畏艱難，努力尋找新的理論來完善。在這樣的背景下，愛因斯坦的相對論和普朗克的量子論可以說是應(yīng)運而生。愛因斯坦的相對論闡述了物體在接近光速運動時所遵循的規(guī)律，得出了一些不同于經(jīng)典力學(xué)的觀念和結(jié)論；量子力學(xué)正確地描繪了微觀粒子運動的規(guī)律，并引顀了現(xiàn)代科技的發(fā)展，從而得出經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速、弱引力。經(jīng)典力學(xué)與相對論和量子力學(xué)的關(guān)系是，在宏觀、低速、弱引力的范疇內(nèi)它們的結(jié)論是一致的，但是當(dāng)物體的速度接過光速時及以在微觀領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)典力學(xué)就不成立了。愛因斯坦1915年創(chuàng)立的廣義相對論是一種新的時空與引力理論，

5、是對牛頓引力理論的修正，但它并不否定牛頓引力理論，牛頓引力理論被包括在新的時空與引力理論之中。教學(xué)重點：了解經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)難點：了解相對論、量子力學(xué)及其與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系課時安排：1課時三維目標(biāo)：知識與技能1. 知道以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍2. 知道相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系過程與方法1. 通過視頻、圖片進(jìn)一步體會經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性2. 問題引導(dǎo)經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程情感、態(tài)度與價值觀1. 從科學(xué)理論的局限性培養(yǎng)學(xué)生正確對待事物的態(tài)度，學(xué)習(xí)科學(xué)家不畏失敗努力追求的精神2. 激發(fā)學(xué)生對未來的探索，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀教學(xué)過程導(dǎo)入新課情景導(dǎo)入情景1.

6、德國著名的物理學(xué)家馮勞厄說：沒有任何東西像牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力地樹立起人們對年輕的物理學(xué)的尊敬。從此以后，這門自然科學(xué)成了巨大的精神王國“。怎么理解科學(xué)家的肺腑之言？通過這段話，讓學(xué)生回顧萬有引力理論的巨大成就，體會經(jīng)典力學(xué)的魅力。牛頓的萬有引力理論使人類實現(xiàn)了飛天夢想；“稱出了”地球、太陽等天體的質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)未知天體；讓人們知道彗星和小行星什么時候“按時回歸” 情景2.新聞鏈接:四百年一擦肩，一行星掠過地球。經(jīng)典力學(xué)讓我們對天體的行蹤進(jìn)行精確追蹤，正是對情景一的有力佐證！情景3.著名物理學(xué)家楊振寧曾贊頌道：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓自然

7、哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理在1687年出版的那一天?！?8、19世紀(jì)法國著名天文家和天體力學(xué)家拉普拉斯也說：“原理將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀(jì)念碑，它向我們提示了最偉大的宇宙定律。這部著作是高于人類一切思想產(chǎn)物的杰作，這個簡單而普遍的定律的發(fā)現(xiàn)，因為它囊括對象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮”新課教學(xué)閱讀本節(jié)教材第一段，討論回答下列問題：1. 經(jīng)典力學(xué)就是牛頓運動定律嗎？2. 牛頓力學(xué)在哪些領(lǐng)域取得了巨大成就？結(jié)論：1.經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)的核心是牛頓運動定律和萬有引力定律。2.牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域；包括天體力學(xué)的研究中經(jīng)受住了實踐的檢驗，取得了巨大的成功。圖片展示1

8、.從天體運動、大氣流動到地殼的變動都服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律；圖片展示2. 攔河筑壩、修建橋梁、各種交通工具、各種機(jī)械建筑、衛(wèi)星飛船都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實際相符，顯示了牛頓定律的正確性和經(jīng)典力學(xué)的魅力。情景4.美國的阿波羅8號從月球返航途中，地面控制中心問：“是誰在駕駛？”，指令長弗蘭克博爾曼回答道：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛！”情景5.18世紀(jì)英國詩人蒲柏在牛頓的墓志銘上寫道：自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！ 于是一切都被照亮。 但是，像一切其它科學(xué)一樣，經(jīng)典力學(xué)沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。情

9、景5.19世紀(jì)末，在迎接新世紀(jì)到來的時候，著名英國物理學(xué)家威廉湯姆生躊躇滿志地宣告：“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本建成，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了，在物理學(xué)睛朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的、令人不安的烏云！“但正是這兩朵經(jīng)典力學(xué)不能解釋的烏云導(dǎo)致了相對論和量子力學(xué)的誕生！思考與討論：1.在一個無限大的光滑水平面上，質(zhì)量為m的物體，在水平恒力f作用下靜止開始運動。物體的速度會增大到任意速度嗎？由運動學(xué)公式：物體的速度v=at，隨著時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。但事實并非如此，物體運動速度是有極限的，現(xiàn)在已知的最大速度是光速，且現(xiàn)在也無法使物體運動超越這個速度，這是

10、經(jīng)典力學(xué)無法解答的。這是什么原因造成的呢？是否經(jīng)典力學(xué)的錯誤？2. 同一運動在不同的參考系中都遵守牛頓定律嗎？如兩個小球從同一高度自由落體運動，對地面參考系來說，兩小球的運動遵守牛頓運動定律，但是如果以其中一個小球為參考系，那另一個小球的運動還遵守牛頓運動定律嗎？可以做實驗觀察。原因是因為牛頓定律成立的前提是慣性參考系，而另一個小球不是慣稱參考系，所以牛頓定律就不成立了。 通過以上問題的探究，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思考，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)典力學(xué)確實在這些問題上遇到了困難，它不能處理所有的問題，這像其它任何科學(xué)一樣沒有窮盡一切真理，從而引出經(jīng)典力學(xué)的局限性。使學(xué)生養(yǎng)成誠實地面對困難，積極探索勇于探索的科學(xué)

11、態(tài)度。 一、從低速到高速 閱讀教材，思考討論下列問題：1. 經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量和相對論中物體的質(zhì)量有什么不同？2. 狹義相對論中物體的質(zhì)量和速度之間有怎樣的關(guān)系？3. 在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論中位移和時間的測量在不同參考系中有什么不同？總結(jié)：1.在經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量不隨物體運動速度的改變而改變；但在相對論中物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大；2.狹義相對論中物體的質(zhì)量和速度的關(guān)系式為 式中m0為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。3.經(jīng)典力學(xué)中位移和時間的測量在不同的參考系中是相同的，狹義相對論認(rèn)為，同一過程的位移和時間的測量在不同的參考系中是不同的。 例題1.質(zhì)量為m0=510

12、3kg的宇宙飛船，以v=7.5103m/s的速度繞地球運動時，它的質(zhì)量可以認(rèn)為沒有任何變化；但是如果飛船的速度達(dá)到v=7.5107m/s時，飛船的質(zhì)量就會變?yōu)閙=5.164103kg，質(zhì)量增加了3.3%。如果物體以光速運動，質(zhì)量就會趨于無窮大！可見，當(dāng)物體以常規(guī)速度運動時，質(zhì)量變化是非常小的，完全不用考慮；但當(dāng)物體速度接近光速時，相對論效應(yīng)帶來的質(zhì)量變化就不得不考慮了。例題2.下列說法中正確的是（ ）a、 牛頓運動定律就是經(jīng)典力學(xué)b、 經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律c、 牛頓運動定律可以解決自然界中的所有問題d、 經(jīng)典力學(xué)可以解決經(jīng)典力學(xué)中的所有問題 分析：經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運動定律，但牛頓運

13、動定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，牛頓運動定律也好、經(jīng)典力學(xué)也好，都不能解決自然界中的所有問題?？茖W(xué)發(fā)展至今，沒有任何一個理論能解決自然界中的所有問題，所以選 b。 二、從宏觀到微觀閱讀教材，思考討論下列問題：1.19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)了哪些微觀粒子？2.經(jīng)典力學(xué)不能描述微觀粒子的什么特性？3.什么理論能正確描述微觀粒子的運動規(guī)律？4.經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么？總結(jié)：1. 19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子；2.微觀粒子不僅具有粒子性還具有波動性，這種兼具波料二象性的運動規(guī)律經(jīng)典力學(xué)不能正確地描述；3.在20世紀(jì)20年代，德國物理學(xué)家普朗克建立了量子力學(xué)，它能正確地描

14、述微觀粒子的運動規(guī)律，而且在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。從而使人們認(rèn)識到，經(jīng)典力學(xué)存在一定的適用范圍，即只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。例題3.19世紀(jì)末20世紀(jì)初以來，物理學(xué)的研究從 領(lǐng)域深入到了 領(lǐng)域，相繼發(fā)現(xiàn)了 、 、 等微觀粒子，微觀粒子不僅具有 性，而且具有 性；它們的運動規(guī)律不能用 來描述，但 可以正確地描述。答案：宏觀 微觀 電子 質(zhì)子 中子 粒子性 波動性 經(jīng)典力學(xué) 量子力學(xué)三、從弱引力到強(qiáng)引力閱讀教材，思考討論下列問題：1. 經(jīng)典力學(xué)描述的行星運動軌道和實際觀測的軌道有什么矛盾？2. 歸納萬有引力理論和愛因斯坦廣義相對論引力理論的主要

15、差異；3. 經(jīng)典力學(xué)和相對論、量子力學(xué)之間是什么關(guān)系？ 總結(jié)：1.按牛頓的萬有引力理論，行星繞太陽周期性運動的軌道是一些圓或橢圓；而天文觀測表明，行星運動的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進(jìn)，如水星的運動。2.1915年愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這是一種新的時空與引力理論，實際觀測到的水星的運動特點與愛因斯坦廣義相對論的結(jié)果符合得很好！牛頓的萬有引力理論與愛因斯坦廣義相對論的主要差異是，按牛頓的萬有引力理論，當(dāng)質(zhì)量一定的球形天體的半徑減少時，它表面的萬有引力隨半徑按“平方反比”規(guī)律增大，半徑減為0時，引力無窮大；但愛因斯坦引力理論表明，這個引力實際增加得更快些，半徑越小，這個引力差

16、別越大，這說明牛頓定律不適用于強(qiáng)引力的情況。3.在弱引力的時候，牛頓定律和相對論的結(jié)果是一致的；當(dāng)另一個重要常數(shù)“普朗克常量”可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。所以經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)和相對論在一定條件下的特例，經(jīng)典力學(xué)包含在相對論和量子力學(xué)中，所以相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)。 對于這樣的科學(xué)發(fā)展過程，愛爾蘭作家蕭伯納曾詼諧地說：“科學(xué)總是從正確走向錯誤?！彼?，相對論和量子力學(xué)又是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道例題4.20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些事實，經(jīng)典力學(xué)不能作出解釋；經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的 運動問題，不能用來處理 運動問題；只適用于 物體，不適

17、用于 粒子；只適用于解決 問題，不適用于解決 問題。答案：低速 高速 宏觀 微觀 弱引力 強(qiáng)引力課堂訓(xùn)練1.對于經(jīng)典力學(xué)理論，下列說法中正確的是（ ）a.經(jīng)典力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)b.經(jīng)典力學(xué)的理論體系是經(jīng)過幾代科學(xué)家長期的探索、歷經(jīng)曲折建立起來的c.經(jīng)典力學(xué)是相對論和量子力學(xué)在一定條件下的特例d.在高速、微觀、強(qiáng)引力的條件下，經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論與實際出現(xiàn)了較大的偏差答案：abcd2.有些情況下，經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論會與事實有很大的偏差，以至于不再適用。請說出哪些情況 下經(jīng)典力學(xué)顯現(xiàn)了這樣的局限性？答案：例如研究微觀粒子的加速、碰撞及結(jié)構(gòu)等問題時，經(jīng)典力學(xué)就不適用 了。課堂小結(jié):通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，我們了解到，盡管以牛頓運動定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)在很多領(lǐng)域都取得了輝煌的成就，但它沒有也不可能窮盡一切真理；同樣相對論和量子力學(xué)盡管在更廣闊的領(lǐng)域和實際符合，但也不可能窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。本節(jié)我們主要從三個方面體會了