高中物理人教版第六章萬有引力與航天經(jīng)典力學(xué)的局限性 精品

第六節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)設(shè)計設(shè)計思想本節(jié)是全章的終結(jié)性內(nèi)容，屬于介紹性的內(nèi)容。主要引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)的局限性，領(lǐng)會經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，初步感受相對論和量子力學(xué)的知識。其目的在于使學(xué)生拓展知識、開闊視野的同時，正確認(rèn)識物理學(xué)理論的發(fā)展與適用范圍。本節(jié)在經(jīng)典物理學(xué)和近代物理學(xué)之間起著承上啟下的作用，既有對前面所學(xué)知識的回顧、評價，也為后續(xù)學(xué)習(xí)做好了鋪墊。不僅在學(xué)生知識體系中占有重要的地位，而且在學(xué)生的思想、世界觀、人生觀的形成中也有著重要的地位。本節(jié)具體計劃沿著教科所書的規(guī)劃，“從低速到高速”、“從宏觀到微觀”、“從弱引力到強(qiáng)引力”幾個方面提出問題，討論問題，分析問題，引起學(xué)生的思考，激活學(xué)生的思維，帶領(lǐng)學(xué)生從經(jīng)典力學(xué)的教室步入相對論和量子力學(xué)的學(xué)堂。在“從低速到高速”的討論中，計劃首先讓學(xué)生閱讀課本46頁的“科學(xué)漫步”，通過講解、分析、師生討論，讓學(xué)生了解狹義相對論中時間與空間的觀點，了解在相對論的時空觀中，物體的質(zhì)量和與速度有關(guān)系。在“從宏觀到微觀”的討論中，通過講解介紹，讓學(xué)生了解還有量子力學(xué)知識，它能正確地描述微觀粒子的規(guī)律性。在“從弱引力到強(qiáng)引力”的討論中，引導(dǎo)學(xué)生了解廣義相對論是一種新的時空與引力理論，是對牛頓引力理論的修正，但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。最后，借助教材提出的問題：“相對論和量子力學(xué)是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？”啟發(fā)學(xué)生繼續(xù)去深入地思考和研究。教學(xué)目標(biāo)（一）知識與技能1、了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和廣泛應(yīng)用。2、知道牛頓運動定律的適用范圍和局限性。3、了解牛頓研究物理問題的思想方法。4、了解愛因斯坦相對論理論的初步知識。（二）過程與方法1、體會科學(xué)理論有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識是無止境的。2、通過懷疑、思考、討論、分析“從絕對時空觀到相對時空觀”、“從低速到高速”、“從宏觀到微觀”、“從弱引力到強(qiáng)引力”的問題，“經(jīng)歷”并體驗研究物理問題的思想方法。（三）情感、態(tài)度與價值觀1、通過學(xué)習(xí)，認(rèn)識物理規(guī)律一般都有其適用范圍，感受真理的相對性和無限性，產(chǎn)生追求科學(xué)、獻(xiàn)身于科學(xué)的愿望。2、通過講解、討論，以及閱讀“科學(xué)漫步”、“科學(xué)足跡”等欄目，激勵學(xué)生對未知科學(xué)的探索，領(lǐng)悟科學(xué)大師的科學(xué)精神、科學(xué)思想和科學(xué)思維。3、通過學(xué)習(xí)相對論、量子力學(xué)的初步知識，認(rèn)識物理學(xué)對改變?nèi)藗兪澜缬^的巨大作用，形成科學(xué)的世界觀。教學(xué)重點牛頓運動定律的適用范圍和局限性。愛因斯坦相對論理論的初步知識。教學(xué)難點“經(jīng)歷”并體驗研究物理問題的思想方法。教學(xué)資源多媒體課件教法設(shè)計課前自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)相結(jié)合，鼓勵和組織學(xué)生收集三方面的資料：①經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程及相應(yīng)的物理學(xué)家；②經(jīng)典力學(xué)的偉大成就；③經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性。讓學(xué)生相互交流收集到的資料，開始建立對經(jīng)典力學(xué)的整體性認(rèn)識。課堂采取問題引領(lǐng)式教學(xué)，通過對教師提出問題的懷疑、思考、討論、分析，引起學(xué)生的思考，激活學(xué)生的思維，帶領(lǐng)學(xué)生從經(jīng)典力學(xué)的教室步入相對論的學(xué)堂。教學(xué)過程教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖引入新課新課教學(xué)建立對經(jīng)典力學(xué)的整體性認(rèn)識二、經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性。1、從低速到高速2、從宏觀到微觀3、從弱引力到強(qiáng)引力三、科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實,去發(fā)現(xiàn)的精神!布置作業(yè)：根據(jù)課前自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，請以小組為單位發(fā)言，從以下三方面介紹小組學(xué)習(xí)的成果：①經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程及相應(yīng)的物理學(xué)家；②經(jīng)典力學(xué)的偉大成就；③經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性。在學(xué)生發(fā)言的基礎(chǔ)上講解：(1)經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程。主要發(fā)展歷程可分四個階段：a、 哥白尼時代（包括開普勒的工作）,特點為擺脫神學(xué)統(tǒng)治；b、 伽利略時代,特點為建立實驗方法；c、 牛頓時代,特點為總結(jié)出經(jīng)典力學(xué)體系；d、 后牛頓時代,特點為經(jīng)典力學(xué)的廣泛應(yīng)用。（2）經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的科學(xué)思維方法（3）經(jīng)典力學(xué)對人類文明的貢獻(xiàn)a、由于經(jīng)典力學(xué)研究的是自然界最基本最普遍的機(jī)械運動規(guī)律,因此,經(jīng)典力學(xué)成為一系列科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)；b、經(jīng)典力學(xué)推動了數(shù)學(xué)分析、物理學(xué)各分支的發(fā)展；c、經(jīng)典力學(xué)成為一系列技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。從絕對時空觀到相對時空觀提出問題：1、速度有無極限？2、時間和空間是否是絕對一成不變的？讓學(xué)生閱讀課本46頁的“科學(xué)漫步”《時間與空間是什么》經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析牛頓力學(xué)的絕對時空觀絕對的，真正的和數(shù)學(xué)的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關(guān)的流逝著?！ｎD絕對空間，就其本質(zhì)來說，獨立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的?！ｎD牛頓的局限：1)絕對時空觀，認(rèn)為時間與空間無關(guān)，時空與運動無關(guān)，是絕對的物理量。2)當(dāng)一些問題牛頓解釋不了時，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。介紹愛因斯坦的狹義相對論中時間與空間的觀點。1905年，出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦（1879──1955）發(fā)表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物──速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。1）同時的相對性：A、動畫課件演示；狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）線性運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結(jié)論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。B、愛因斯坦火車火車上的觀測者說:光源在AB的中點,應(yīng)同時到達(dá)A、B兩點,地面上的人看見先到達(dá)B點，后到A點。2）長度的相對性：動畫課件演示；愛爾蘭物理學(xué)家喬治·佛茲杰拉德（1851──1901）提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮?。@意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。3）質(zhì)量的相對性：物體運動時的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系結(jié)論：經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運動，不適用于高速運動。提出問題：微觀粒子的行為與宏觀物體是否遵循相同的規(guī)律。講解:19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子等微觀粒子既具有粒子性，又具有波動性，這不能用經(jīng)典力學(xué)來解釋。1924年，德國物理學(xué)家德布羅意大膽地提出，所有的實物都具有波動性，人們把它稱為物質(zhì)波，也叫德布羅意波。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能正確描述微觀粒子的運動規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。結(jié)論：經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。提出問題：按照經(jīng)典力學(xué)理論，行星沿橢圓軌道繞太陽運動，有時離太陽近些，有時遠(yuǎn)些。然而天文觀測卻告訴我們并非如此。為什么？指導(dǎo)學(xué)生閱讀課文46－47頁。講解：按照經(jīng)典力學(xué)理論，行星沿橢圓軌道繞太陽運動，有時離太陽近些，有時遠(yuǎn)些。然而天文觀測卻告訴我們并非如此。太陽的巨大質(zhì)量使它周圍的空間發(fā)生彎曲，其結(jié)果是，行星每公轉(zhuǎn)一周它的軌道的長軸都比上一個周期偏轉(zhuǎn)一個角度，這個現(xiàn)象叫做行星軌道的旋進(jìn)。理論分析表明只有水星軌道的進(jìn)動比較顯著，達(dá)到約每世紀(jì)°。這個現(xiàn)象早在廣義相對論出現(xiàn)之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只是無法解釋，所以它實際是廣義相對論的最早的佐證。講解：通常物體的引力場都太弱，在太陽或者行星的引力場中，經(jīng)典力學(xué)與愛因斯坦的理論得出的引力沒有和大差別。但是，對于宇宙中的有一些天體，如白矮星，其表面的引力比常見的要強(qiáng)得多，牛頓的引力理論就不再適用了。20世紀(jì)初觀測到太陽引力場引起的光線彎曲。由于太陽引力場的作用，我們有可能看到太陽后面的恒星（上圖）.但是，平時的明亮天空使我們無法觀星，所以最好的時機(jī)是發(fā)生日全食的時候。1919年5月29日恰好有一次日全食，兩支英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，其結(jié)果完全證實了愛因斯坦的預(yù)言。這是廣義相對論的最早的驗證。結(jié)論：經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力，不適用于強(qiáng)引力。提出問題：相對論是否全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論？總結(jié)：歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件之下的局部情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。啟發(fā)、講解、討論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。――蒲柏科學(xué)總是從正確走向錯誤。――蕭伯納相對論好像是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域?！报D―德布羅意科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實,去發(fā)現(xiàn)的精神!――愛因斯坦相對論和量子力學(xué)是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道。。。。。。課外閱讀“科學(xué)足跡”。課外閱讀相對論及量子力學(xué)知識。以小組為單位發(fā)言介紹小組學(xué)習(xí)的成果：回憶思考(1)經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程。②經(jīng)典力學(xué)的偉大成就。學(xué)生閱讀課本46頁的“科學(xué)漫步”《時間與空間是什么》同教師一起討論分析牛頓力學(xué)的絕對時空觀同教師一起討論分析愛因斯坦的狹義相對論中時間與空間的觀點。觀察動畫課件演示；分析討論愛因斯坦火車。觀察動畫課件演示；分析、討論。分析記憶物體運動時的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系。同教師一起探討量子力學(xué)如何描述微觀粒子的運動規(guī)律。學(xué)生閱讀課文46－47頁。同教師一起探討、分析同教師一起探討、分析同教師一起探討、分析同教師一起探討、思考記錄作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、收集資料能力，培養(yǎng)文字表達(dá)及語言表達(dá)能力。建立對經(jīng)典力學(xué)的整體性認(rèn)識。通過講解、分析、師生討論，讓學(xué)生了解牛頓的絕對時空觀的局限，了解愛因斯坦的狹義相對論中時間與空間的觀點。通過實例分析，加深對狹義相對論中時間與空間的觀點的理解。激勵學(xué)生產(chǎn)生了解量子力學(xué)知識的愿望。使學(xué)生了解廣義相對論的觀點，認(rèn)識經(jīng)典