《經(jīng)典力學(xué)的局限性》名師教案

3/116.6《經(jīng)典力學(xué)的局限性》教學(xué)設(shè)計浙江省紹興市越州中學(xué)張惠作（一）教學(xué)目標(biāo)浙江省普通高中學(xué)科指導(dǎo)意見中，關(guān)于第六節(jié)《經(jīng)典力學(xué)的局限性》的教學(xué)要求、教學(xué)建議和課標(biāo)內(nèi)容如下。（1）教學(xué)要求：基本要求1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就。2.認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。3.體會科學(xué)理論總是在不斷發(fā)展的。發(fā)展要求1.初步了解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象。2.初步了解相對論、量子論的建立對人類深入認(rèn)識客觀世界的作用。說明1.不要求用相對論中質(zhì)量隨速度變化的公式進行計算。2.不要求識記證明經(jīng)典力學(xué)局限性的有關(guān)事實。（2）教學(xué)建議：《經(jīng)典力學(xué)的局限性》這一節(jié)，并不要求學(xué)生掌握具體的知識，但應(yīng)該讓學(xué)生體會到，盡管經(jīng)典力學(xué)取得了輝煌的成就，但它還沒有窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。本節(jié)的教育功能著眼點應(yīng)在核心素養(yǎng)方面。（3）課標(biāo)內(nèi)容：初步了解經(jīng)典時空觀和相對論時空觀，知道相對論對人類認(rèn)識世界的影響；初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，體會量子論的建立深化了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識；通過實例，了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，體會經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的價值與意義，認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性；體會科學(xué)研究方法對人們認(rèn)識自然的重要作用，舉例說明物理學(xué)的進展對于自然科學(xué)的促進作用。（4）三維目標(biāo)分析：教學(xué)要求表中，三條基本要求和兩條發(fā)展要求，從行為動詞上劃分，基本要求的1、2和發(fā)展要求的1、2都屬于三維目標(biāo)中的知識維度，基本要求中的3，是情感態(tài)度價值觀維度的目標(biāo)。實現(xiàn)知識維度和情感態(tài)度價值觀維度，離不開過程和方法維度的教學(xué)目標(biāo)?；谥笇?dǎo)意見中的基本教學(xué)要求和發(fā)展要求，筆者設(shè)計以下過程與方法目標(biāo)：①經(jīng)歷經(jīng)典力學(xué)發(fā)展歷程和成就的文字展示過程；②經(jīng)歷觀察、對比有關(guān)現(xiàn)象、模型和概念的圖片的過程。（二）核心素養(yǎng)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素。結(jié)合本節(jié)的內(nèi)容和學(xué)生的基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為，應(yīng)重點落實物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這兩大方面核心素養(yǎng)導(dǎo)向的目標(biāo)，兼顧落實科學(xué)思維和科學(xué)探究的某些要素導(dǎo)向目標(biāo)。（1）物理觀念導(dǎo)向目標(biāo)分析。本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生提煉物理觀念具有催化劑的作用，是點化經(jīng)典物理物質(zhì)觀、運動觀、能量觀和相互作用觀向現(xiàn)代物理觀念轉(zhuǎn)化的重要素材。（2）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任導(dǎo)向目標(biāo)分析。了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和局限性，能夠體會科學(xué)理論的發(fā)展性和相對性，了解巨大成就，體會經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)方法、理論嚴(yán)密、體系完整、實踐性、絕對性等科學(xué)本質(zhì)特征，從而感悟科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。了解巨大成就，還可以感受科學(xué)價值，激發(fā)學(xué)習(xí)物理興趣，增強立志運用物理知識服務(wù)社會的責(zé)任感。（3）科學(xué)思維導(dǎo)向的目標(biāo)分析。了解物理史中模型的發(fā)展和基于解決矛盾的觀念變化，潛移默化，形成建模意識和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維素養(yǎng)。（4）科學(xué)探究導(dǎo)向的目標(biāo)分析。了解物理史中的科學(xué)探究的問題、證據(jù)、解釋等要素，潛移默化為科學(xué)探究素養(yǎng)。（三）教材和學(xué)情分析1.教材分析：本節(jié)課型從教學(xué)時序上看屬于新授課，從教學(xué)內(nèi)容上看是物理學(xué)史教學(xué)課，不是概念課但會涉及許多新概念，新觀念，內(nèi)容廣闊博大，所涉及的內(nèi)容都是現(xiàn)代物理的觀念和現(xiàn)象，都十分抽象、怪異，和學(xué)生已獲得的生活經(jīng)驗積累差異很大。本節(jié)內(nèi)容主要的教育功能是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，滲透現(xiàn)代物理觀念等學(xué)科核心素養(yǎng)。對照教學(xué)目標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)，人教版教材這一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容編寫太過簡約，如若照本宣科，是無法實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的。比如，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展史料，教材內(nèi)容沒有編寫，經(jīng)典力學(xué)的巨大成就的材料，教材內(nèi)容單薄，高速與低速，宏觀與微觀，弱引力和強引力這幾個概念，教材內(nèi)容中沒有明確的介紹，從宏觀到微觀部分的內(nèi)容更是嚴(yán)重不足，微觀粒子在微觀運動的具體事例一個也沒有，而以上內(nèi)容，對實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)具有重要的作用。2.學(xué)情分析：學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識也十分有限，對現(xiàn)代物理的兩大支柱相對論和量子力學(xué)了解就更加稀少，較好的學(xué)生通過科普資料對一些現(xiàn)代物理概念術(shù)語也知一鱗半爪，很多學(xué)生一無所知。學(xué)生自己閱讀相關(guān)資料，會遇到許多新觀念、新概念和規(guī)律，難以理解，盲目閱讀，閱讀信心會受到打擊，喪失學(xué)習(xí)興趣。（四）教學(xué)重點和難點分析1．教學(xué)重點：經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程、巨大成就和局限性。2．教學(xué)難點：教材缺乏經(jīng)典力學(xué)發(fā)展歷程、巨大成就的史料，缺乏典型的經(jīng)典力學(xué)事例與相對論和量子理論的事例對比，學(xué)生對宏觀與微觀、高速與低速和強引力與弱引力概念容易模糊，對微觀、高速和強引力的現(xiàn)象知之甚少，理解上難度大。突破難點，必須增補史料，增補對比事例，運用直觀化、興趣化、顯性化、幼稚化、有序化策略措施。（五）教學(xué)方法分析1.學(xué)生自主合作學(xué)習(xí)不適合教材內(nèi)容和學(xué)情，從課標(biāo)內(nèi)容和指導(dǎo)意見的教學(xué)要求來看，人教版的這節(jié)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置是不夠的，需要收集補充：經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展史料，從思想、方法、和理論實踐三個層面來挖掘偉大成就，補充了解、認(rèn)識局限性和適用范圍的現(xiàn)象對比，觀念差異等實例。如何收集補充？翻轉(zhuǎn)課堂，安排學(xué)生課外收集？不妥。其一，我們似乎很容易忘卻課時的限制，翻轉(zhuǎn)課堂實際上是搶占課時，學(xué)生學(xué)習(xí)的課程有很多門學(xué)科，如果各學(xué)科，每一節(jié)，都翻轉(zhuǎn)過來，讓學(xué)生課外先學(xué)，課上再后教，教后再布置相關(guān)作業(yè)鞏固，學(xué)生課外有多少時間哪？這節(jié)的內(nèi)容廣博，深奧，需要花費學(xué)生不少課外時間。教師必須關(guān)注課時限制，教學(xué)建議，這節(jié)課程是1課時！其二，學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)都難以消化，卻讓他們?nèi)ヌ骄楷F(xiàn)代物理知識，真是強人所難?。∮泻芏鄬W(xué)生根本不理解，會在收集過程產(chǎn)生畏難情緒，降低學(xué)習(xí)物理興趣。所以，適合由老師收集補充，老師要提取好這一節(jié)的“一杯水”，教師不要打著新潮的冠冕堂皇的口號，由學(xué)生去完成教師的工作。課堂學(xué)生自主探究合作學(xué)習(xí)適合嗎？教師做份導(dǎo)學(xué)案，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，填幾個考試內(nèi)容，這樣也不妥。其一，教材內(nèi)容簡約，需要補足資料，就教材而言，學(xué)生讀的再認(rèn)真，目標(biāo)也難達成。其二，這樣做法，只是培養(yǎng)學(xué)生的閱讀習(xí)慣和能力！這似乎缺乏物理學(xué)科特點，什么學(xué)科都好用，所以不能實現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的目標(biāo)。2．講授法比較適合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情，浩瀚博大精深的物理學(xué)知識，取個概貌給學(xué)生，最適合的還是讓學(xué)生站在教師的肩膀上！根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點和學(xué)生學(xué)情，合適的教學(xué)方法是講授法。教師應(yīng)當(dāng)發(fā)揮自己的專業(yè)水平，從博大的物理學(xué)知識海洋，取出一杯適合學(xué)生水平的物理學(xué)概貌之水，點化學(xué)生的物理觀念，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣，了解科學(xué)本質(zhì)，催化學(xué)生科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。教學(xué)內(nèi)容的處理運用直觀化、興趣化、顯性化、幼稚化、有序化策略措施，恰當(dāng)設(shè)置適合學(xué)生知識水平的問題，確保講授生動、有趣，富有啟發(fā)性和吸引力。通過教師講授，使所有學(xué)生對物理學(xué)的見識站在教師的肩膀上，望的更遠、更廣些，對部分好的學(xué)生，激發(fā)他們的濃厚興趣，課外主動涉獵相關(guān)物理知識。（六）教學(xué)過程設(shè)計課前：登陸優(yōu)教平臺，發(fā)送預(yù)習(xí)任務(wù)。根據(jù)優(yōu)教平臺上學(xué)生反饋的預(yù)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)薄弱點，針對性教學(xué)。（優(yōu)教提示：請登陸優(yōu)教平臺，發(fā)送本節(jié)預(yù)習(xí)任務(wù)）一、經(jīng)典力學(xué)1．經(jīng)典力學(xué)是力學(xué)的分支，是20世紀(jì)前的力學(xué)；2．研究什么？研究物體機械運動現(xiàn)象和規(guī)律；3．基本規(guī)律：牛頓運動定律和萬有引力定律；4．發(fā)展歷程和巨大成就。牛頓居功至偉（是經(jīng)典力學(xué)體系的建立者）牛頓原著：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，1687年出版《原理》是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，在以后的200多年里幾乎統(tǒng)治了物理學(xué)的各個領(lǐng)域。思想成就：牛頓運動定律和萬有引力定律把天體的運動與地上物體的運動統(tǒng)一起來，是人類對自然界認(rèn)識的第一次大綜合，是人類認(rèn)識史上的一次重大飛躍。法國著名天文學(xué)家和天體力學(xué)家拉普拉斯的評價：《原理》將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀(jì)念碑，它向我們揭示了偉大的宇宙定律，這部著作是高于人類一切其他思想產(chǎn)物的杰作。給予人類智慧以光榮。楊振寧：《原理》出版是近代科學(xué)誕生的標(biāo)志科學(xué)方法，影響深遠。經(jīng)典力學(xué)方法的典型就是伽利略和牛頓的研究方法。伽利略開創(chuàng)了將實驗、邏輯（數(shù)學(xué)）相結(jié)合的方法，也就是“自然數(shù)學(xué)化”的方法。不僅通過實驗進行觀察測量，而且用理想實驗的方法進行推理。牛頓的方法可稱為“歸納-演繹法“。牛頓第一個大量運用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的。他的方法與一般演繹法的不同指出在于：演繹的結(jié)果必須訴諸實驗驗證。伽利略和牛頓的科學(xué)方法影響深遠，成為后來物理學(xué)家的一種樸實的自發(fā)傾向，并不斷得到發(fā)展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)。甚至作為社會科學(xué)和哲學(xué)的方法論，意義也是很大的。后來的許多理論，包括相對論和量子力學(xué)，它們的形成都受到《原理》的影響。愛因斯坦：牛頓啊，請原諒我！你所發(fā)現(xiàn)的道路，在你那個時代，是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一的道路。你所創(chuàng)造的概念，甚至今天仍然指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想，雖然我們現(xiàn)在知道，如果要更加深入地理解各種聯(lián)系，那就必須用另外一些離直接經(jīng)驗領(lǐng)域較遠的概念來代替這些概念。前有“巨人”奠定基石牛頓名言：如果我比別人看得遠些，那是因為我站在巨人的肩上。笛卡兒、伽利略、開普勒、哥白尼、阿基米德等惠更斯、培根等后有“大師”發(fā)展完善1736年，歐拉寫成了《力學(xué)》一書，把牛頓的質(zhì)點力學(xué)推廣到剛體的場合，引入了慣量的概念，論述了剛體運動的問題。1738年，伯努利出版了《流體力學(xué)》，解決了流體運動問題。達朗貝爾進而于1743年出版了《力學(xué)研究》，把動力學(xué)問題化為靜力學(xué)來處理，提出了達朗貝爾原理。莫培督接著在1744年提出了最小作用原理。拉格朗日1788年完成的《分析力學(xué)》一書，沒有畫一張圖，自始至終采用的都是純粹的解析法，因而十分出名。拉普拉斯在1799～1825年間完成的《天體力學(xué)》，專門用牛頓力學(xué)處理天體問題，解決了各種各樣的疑難。成為現(xiàn)代高度發(fā)達的航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1827年，英國科學(xué)家哈密頓提出哈密頓函數(shù)，1834年發(fā)表了《動力學(xué)的一種普遍方法》的論文，成為建立哈密頓函數(shù)表述分析力學(xué)的里程碑。還有許多在牛頓定律基礎(chǔ)上建立的諸如彈性力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等多門工程力學(xué)學(xué)科。應(yīng)用廣泛，成就巨大。十九世紀(jì)末，以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)已達到前所未有的頂峰，隨著電磁波的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)識到熱輻射是電磁波，光也是電磁波，物理學(xué)再次實現(xiàn)光、熱、電的大統(tǒng)一。然而，正是這高速的電磁波的運動規(guī)律，黑體熱輻射的“紫外災(zāi)難”，揭示了經(jīng)典力學(xué)的局限性。二十世紀(jì)初，隨著電子發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)進入到原子內(nèi)部的微觀領(lǐng)域，經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律也不適用。5.經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍：不適用范圍：微觀、高速、強引力領(lǐng)域適用范圍：宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域適用高速的理論為狹義相對論，適用微觀的是量子力學(xué)，適用強引力領(lǐng)域的是廣義相對論。它們之間互為補充，互不矛盾，互不否定，新兼容舊6.科學(xué)特征：方法科學(xué)，理論嚴(yán)密，體系完整，經(jīng)受實踐檢驗，相對性、發(fā)展性和兼容性。據(jù)此，我們應(yīng)持實事求是，嚴(yán)密論證，密切聯(lián)系實際的科學(xué)態(tài)度；應(yīng)發(fā)揚勇于創(chuàng)新，大膽質(zhì)疑的科學(xué)精神。二、經(jīng)典力學(xué)的局限性1.從低速到高速。理論變遷：經(jīng)典力學(xué)發(fā)展為狹義相對論，觀念轉(zhuǎn)化：經(jīng)典力學(xué)時空觀發(fā)展為狹義相對論時空觀。（1）什么是“高速”？光速或接近光速什么物質(zhì)“高速”運動？電磁波，等于光速高能微觀粒子，接近光速宏觀物體的運動都是低速的（2）低速和高速事例對比：子彈相對飛船速度多少？如圖1。子彈相對于飛船速度為圖1光相對飛船的速度多少？如圖2。光相對于飛船速度仍然為C。圖2實驗現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是恒定的。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)的時空觀念需要修正（3）神化故事中時空觀?西游記：?天上一日，地上一年?西天七日，人間千年（4）牛頓的經(jīng)典時空觀（絕對時空觀）：時間、長度和質(zhì)量都與參考系的運動無關(guān)。（5）愛因斯坦的狹義相對論時空觀:時間、長度和質(zhì)量都與參考系的運動有關(guān)。①同時是相對的②運動的時鐘變慢(鐘慢效應(yīng))③運動的尺子縮短(尺縮效應(yīng))④運動的物體質(zhì)量變大（優(yōu)教提示：請打開素材“動畫演示：愛因斯坦的長度縮短理論”）（優(yōu)教提示：請打開素材“動畫演示：時鐘變慢”）在經(jīng)典力學(xué)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，即當(dāng)v?c時，m≈m0；當(dāng)v趨近于c時，m趨近于無窮大。因此，當(dāng)物體的速度遠小于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)完全適用；當(dāng)物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。2．從宏觀到微觀理論變遷：經(jīng)典物理發(fā)展為量子力學(xué)觀念變化：確定性、連續(xù)性向隨機性、量子化轉(zhuǎn)變（1）認(rèn)識微觀和宏觀的尺度如圖3，芝麻粒、小米粒、細(xì)沙粒等小顆粒，尺寸數(shù)量級為10-3m，裸眼看的見的尺寸，以及更大的尺寸，都是宏觀尺度。600倍顯微鏡下，觀察到懸浮在水面的花粉顆粒，做無規(guī)則運動。原子，大小的數(shù)量級為10-10m，以及更小的原子核、質(zhì)子、中子，極其小的電子，肯定是微觀物體和微觀世界。宏觀宇宙，很空曠，微觀世界，也很空曠。圖3（2）確定性和不確定性宏觀運動的確定性。如圖4，近距離射擊，子彈穿越略大于子彈的孔，子彈打到靶子上位置確定。圖4微觀粒子在微觀世界運動的不確定性。如圖5，電子快速通過“微觀孔”打到靶上，位置不確定，具有波動性。如圖6。圖5圖6原子內(nèi)部（微觀世界）電子的運動。如圖7，經(jīng)典力學(xué)模型不適用，電子云模型適用。圖7（3）能量的連續(xù)性和量子化經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，能量是連續(xù)的。量子力學(xué)認(rèn)為，能量是不連續(xù)的。普朗克從1894年起投入對黑體輻射的研究，奮斗了6年。在用經(jīng)典理論無法解釋實驗結(jié)果的情況下，提出了嶄新的量子假說，成功的解決了“紫外災(zāi)難”的問題。普朗克的量子假說認(rèn)為：物質(zhì)輻射的能量是一份一份的，就像物體是由一個一個原子構(gòu)成的一樣。一份能量就是一個能量子，大小取決于波長，與頻