2021年高中物理必修二教案：6.6經(jīng)典力學的局限性

1、6.6經(jīng)典力學的局限性教學目標一、知識與技能1 .了解牛頓運動定律及萬有引力定律為根底的經(jīng)典力學在廣闊的領域里有著廣泛的應 用。2 .知道牛頓運動定律的適用范圍。3 .知道物體的質(zhì)量、長度、時間在高速運動中必須考慮它們隨速度變化而變化。4 .明確相對論和量子力學跟經(jīng)典力學的關系。二、過程與方法1 .通過互聯(lián)網(wǎng)及教材對信息的收集和處理，逐步學會分析、解決問題以及提高與他人交 流、合作的能力。2 .根據(jù)學習任務，能方案安排并調(diào)控自己的學習過程，有一定的自主學習能力。三、情感態(tài)度與價值觀1 .培養(yǎng)學生交流合作、評價探究結(jié)果的初步能力。2 .培養(yǎng)學生對科學的好奇心與求知欲。 教學重點牛頓運動定律的適用

2、范圍。教學難點高速運動的物體，速度和質(zhì)量之間的關系。教學過程一、引入新課教師：自從17世紀以來，以牛頓運動定律為根底的經(jīng)典力學不斷開展，如，在宏觀、 低速、弱引力的廣闊領域，包括天體力學的研究中取得了巨大的成就。經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應用，如，從地面物體的運動到天體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等各種交通 工具，從投出的籃球到發(fā)射火箭、 人造衛(wèi)星、宇宙飛船從而證明了牛頓運動定律的正確 性。但是，經(jīng)典力學也不是萬能的，像一切科學一樣，它沒有也不會窮盡一切真理，它也有 自己的局限性。它像一切科學理論一樣， 是一部“

3、未完成的交響曲。那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢？有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識。二、新課教學一從低速到高速教師：請同學們閱讀教材“從低速到高速局部。答復低速與高速的概念、質(zhì)速關系、 速度合成與兩個公式。學生：低速到高速的概念，通常所見的物體的運動皆為低速運動，如行駛的汽車，發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。質(zhì)速關系：在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即mO2 v2 c其中mo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。 1相對性原理：物理規(guī)

4、律在一切慣性參考系中都具有一樣的形式。 2光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速都一樣。教師：經(jīng)典力學是適用于低速運動的物體還是適用于高速運動的物體呢？學生：適用于低速運動的物體。教師：閱讀教材科學漫步局部，體會時間和空間是什么。學生： “時間與空間并沒有講清時間與空間的問題，只是提出問題，鼓勵我們對未來的探索。二從宏觀到微觀教師： 請同學們閱讀教材 “從宏觀到微觀局部， 并說明經(jīng)典力學是適用于宏觀物體還 是微觀物體。學生： 19 世紀末到 20 世紀初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，而且具有波動性，它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學描述。20 世

5、紀 20 年代，建立了量子力學，它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子。教師：相對論和量子力學的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義？學生： 相對論和量子力學的出現(xiàn)， 說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入， 而不表示 經(jīng)典力學失去了意義。它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍：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。三從弱引力到強引力教師：請同學們閱讀教材“從弱引力到強引力局部，并答復以下問題：何為弱引力？何為強引力？學生：萬有引力屬于弱引力。利用萬有引力定律可以解釋天體的運動， 并預言和發(fā)現(xiàn)了海王星和

6、冥王星，首次把天上的星體運動規(guī)律與地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來。討論與交流 1實際的天文觀測，行星的運行軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進。經(jīng)典力學的解釋令人滿意嗎？用什么理論來圓滿地進展了解釋？投影學生： 按牛頓的萬有引力定律推算， 行星的運動應該是一些橢圓或圓， 行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動，與實際觀測結(jié)果不符。 經(jīng)典力學也能作出一些解釋， 但是， 水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預言值多。經(jīng)典力學的解釋不能令人滿意。愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應有43" 的附加值， 同時還預言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。并且都

7、被觀測證實。 2何為天體的引力半徑？學生： 假定一個球形天體的質(zhì)量不變， 并通過壓縮減小它的半徑， 天體外表上的引力將會增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值稱為“引力半徑。只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑， 那么愛因斯坦和牛頓的理論計算出的力的差異并不很大。 但當天體的實際半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大。這就是說，在強引力的情況下，牛頓的萬有引力理論將不再適用。對于這樣的科學開展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說， “科學總是從正確走向錯誤。這種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述。 3歷史上的科學成就與新的科學成就的關系是什么？學生： 歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否認

8、， 而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學成就之中。如：當物體的速度遠小于光速c3xi08m/s時，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)''h 6 6. 63X 10-34J. s可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別。相對論和量子力學都沒有否認過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。課堂訓練1 . 20世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了 ,改變了經(jīng)典力學的一些結(jié)論。在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是 的，而相對論指出質(zhì)量隨著速度變化而 。2 . 20世紀初期，建立了 ,它能夠正確地描述微觀粒子的運動規(guī)律。3 .經(jīng)典力學只

9、適用于解決 問題，不能用來處理 問題，經(jīng)典力學只適用于 物體，一般不適用于 。4 .微觀粒子的運動不僅具有 性，同時具有波動性。它們的運動規(guī)律很多情況下不 能用經(jīng)典力學來說明。要增強正確描述微觀粒子的運動規(guī)律，需要用 。5 .牛頓運動規(guī)律只適用于 物體的運動，狹義相對論闡述物體在以 的速度運 動時所遵從的規(guī)律。參考答案1 .狹義相對論固定不變 變化2 .量子力學3 .低速運動 高速運動 宏觀微觀粒子4 .粒子量子力學5 .宏觀、低速 接近光速三、課堂小結(jié)本節(jié)學習了經(jīng)典力學的局限性：1從低速到高速：在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨著物體的運動速度的增大而

10、增大。2從宏觀到微觀：相對論和量子力學的出現(xiàn)，并不說明經(jīng)典力學失去了意義。只說 明它有一定的適用范圍：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。3從弱引力到強引力：相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別。相對論與量子 力學都沒有否認過去的科學，而只是認為科學在一定條件下有其特殊性，經(jīng)典力學只適用于弱引力，不適用于強引力。四、課堂練習1 .牛頓運動定律和萬有引力定律在 、的廣闊的領域，包括 天體力學的研究中經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。2 .經(jīng)典力學的適用范圍：只適合于低速運動，運動；只適合于宏觀 世界，世界。3 .經(jīng)典力學認為時間是,質(zhì)量是,空間 是。

11、經(jīng)典力學深入到高速領域?qū)⒈?所代替，深入到微觀領域?qū)⒈?所代替。4 .地球半徑為R ,地面處重力加速度為 g ,地球自轉(zhuǎn)的角速度為 w,那么質(zhì)量為 m的 地球同步衛(wèi)星所受的向心力為 。5 .在地球赤道上，質(zhì)量1 kg的物體隨同地球自轉(zhuǎn)需要的向心力最接近的數(shù)值為。A. 103NB. 10NC. 10-2ND. 10-4 N6 .兩個質(zhì)量均為 M的星體，其連線的垂直平分線為 AB。O為兩星體連線的中點， 如圖,一個質(zhì)量為M的物體從O沿OA方向運動，那么它受到的萬有引力大 小變化情況是A. 一直增大C先減小，后增大B. 一直減小D.先增大，后減小7 .如下圖，有A、B兩個行星繞同一恒星 O做圓周運動，運轉(zhuǎn)方向 一樣，A行星的周期為 Ti, B行星的周期為T2,在某一時刻兩行星第一 次相遇即兩行星相距最近那么A.經(jīng)過時間t=Ti+T2兩行星將第二次相遇T1T28 .經(jīng)過時間t 12兩行星將第二次相遇T2 TiT1T2C經(jīng)過時間t-兩行星第一次相距較遠2T1T2-4D.經(jīng)過時間一U一兩行星第一次相距較遠2(T2 Ti)8.如下圖，在同一軌道平面上的幾個人造地球衛(wèi)星A、B、C,在某一時刻恰好在同一直線上，以下說法正確的有。A.根據(jù) v= q'gr