2024-2025學(xué)年高中物理第六章萬(wàn)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

PAGE1-經(jīng)典力學(xué)的局限性整體設(shè)計(jì)本節(jié)從低速到高速、宏觀與微觀、弱引力到強(qiáng)引力三個(gè)方面介紹了經(jīng)典力學(xué)的局限性，但均屬于介紹性質(zhì)，詳細(xì)內(nèi)容均不要求學(xué)生駕馭，但是學(xué)過(guò)本節(jié)之后，要學(xué)生知道，盡管前面已經(jīng)體會(huì)到了萬(wàn)有引力理論的輝煌成就，但是真理具有相對(duì)性，任何理論都不會(huì)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)覺(jué)。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(cuò)誤“；”相對(duì)論和量子力學(xué)是哪一種廣泛理論的特別情形呢？我們現(xiàn)在還不知道‥‥“支配這些內(nèi)容的著眼點(diǎn)都在展示科學(xué)探究的無(wú)限可能，使教材在培育學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)上發(fā)揮它的教化功能。在學(xué)習(xí)了牛頓的萬(wàn)有引力定律及萬(wàn)有引力理論的成就后，學(xué)生體會(huì)到了經(jīng)典物理帶來(lái)的巨大勝利，產(chǎn)生了對(duì)牛頓力學(xué)的仰慕之情。從物理學(xué)科素養(yǎng)實(shí)施的角度來(lái)看，為了使學(xué)生拓展學(xué)問(wèn)、開(kāi)闊視野；正確相識(shí)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)生的學(xué)問(wèn)體系，培育學(xué)生全面正確看待已勝利的物理理論，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)的物理學(xué)問(wèn)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)生站在學(xué)問(wèn)的高度來(lái)概括和總結(jié)，讓學(xué)生知道我們的學(xué)習(xí)由淺入深，從直線(xiàn)到曲線(xiàn)，從簡(jiǎn)潔運(yùn)動(dòng)到困難運(yùn)動(dòng)，從本質(zhì)上說(shuō)都是牛頓定律的應(yīng)用，符合我們的相識(shí)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，培育學(xué)生會(huì)用一分為二的觀點(diǎn)看待世界。在講局限性之前我們還是先講成果，課堂讓學(xué)生通過(guò)視頻、圖片等不斷加深經(jīng)典物理帶來(lái)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)生酷愛(ài)科學(xué)、崇尚科學(xué)的價(jià)值熱忱。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(wú)法加速到隨意速度切入，視察試驗(yàn)，兩支粉筆同步下落的運(yùn)動(dòng)，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系時(shí)，另一個(gè)球或粉筆的運(yùn)動(dòng)還遵守牛頓定律嗎的懷疑，科學(xué)家們誠(chéng)懇地面對(duì)經(jīng)典力學(xué)的窘境，但不畏艱難，努力找尋新的理論來(lái)完善。在這樣的背景下，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論和普朗克的量子論可以說(shuō)是應(yīng)運(yùn)而生。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論闡述了物體在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(duì)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)論是一樣的，但是當(dāng)物體的速度接過(guò)光速時(shí)及以在微觀領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)典力學(xué)就不成立了。愛(ài)因斯坦1915年創(chuàng)立的廣義相對(duì)論是一種新的時(shí)空與引力理論，是對(duì)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(shí)空與引力理論之中。教學(xué)重點(diǎn)：了解經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)難點(diǎn)：了解相對(duì)論、量子力學(xué)及其與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系課時(shí)支配：1課時(shí)三維目標(biāo)：學(xué)問(wèn)與技能知道以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍知道相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系過(guò)程與方法通過(guò)視頻、圖片進(jìn)一步體會(huì)經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性問(wèn)題引導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)科學(xué)家建立相對(duì)論和量子論的思維探究過(guò)程情感、看法與價(jià)值觀從科學(xué)理論的局限性培育學(xué)生正確對(duì)待事物的看法，學(xué)習(xí)科學(xué)家不畏失敗努力追求的精神激發(fā)學(xué)生對(duì)將來(lái)的探究，培育學(xué)生正確的價(jià)值觀教學(xué)過(guò)程導(dǎo)入新課情景導(dǎo)入情景1.德國(guó)聞名的物理學(xué)家馮·勞厄說(shuō)：‘沒(méi)有任何東西像牛頓引力理論對(duì)行星軌道的計(jì)算那樣，如此有力地樹(shù)立起人們對(duì)年輕的物理學(xué)的敬重。從今以后，這門(mén)自然科學(xué)成了巨大的精神王國(guó)‥‥“。怎么理解科學(xué)家的肺腑之言？通過(guò)這段話(huà)，讓學(xué)生回顧萬(wàn)有引力理論的巨大成就，體會(huì)經(jīng)典力學(xué)的魅力。牛頓的萬(wàn)有引力理論使人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了飛天幻想；“稱(chēng)出了”地球、太陽(yáng)等天體的質(zhì)量、發(fā)覺(jué)未知天體；讓人們知道彗星和小行星什么時(shí)候“按時(shí)回來(lái)”‥‥‥情景2.新聞鏈接:四百年一擦肩，一行星拂過(guò)地球。經(jīng)典力學(xué)讓我們對(duì)天體的行蹤進(jìn)行精確追蹤，正是對(duì)情景一的有力佐證！情景3.聞名物理學(xué)家楊振寧曾贊頌道：“假如肯定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)記，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天?！?8、19世紀(jì)法國(guó)聞名天文家和天體力學(xué)家拉普拉斯也說(shuō)：“《原理》將成為一座永垂不朽的深邃才智的紀(jì)念碑，它向我們提示了最宏大的宇宙定律。這部著作是高于人類(lèi)一切思想產(chǎn)物的杰作，這個(gè)簡(jiǎn)潔而普遍的定律的發(fā)覺(jué)，因?yàn)樗依▽?duì)象之巨大和多樣性，賜予人類(lèi)才智以光榮》”新課教學(xué)閱讀本節(jié)教材第一段，探討回答下列問(wèn)題：經(jīng)典力學(xué)就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎？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(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。2.牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣袤領(lǐng)域；包括天體力學(xué)的探討中經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的勝利。圖片展示1.從天體運(yùn)動(dòng)、大氣流淌到地殼的變動(dòng)‥‥‥都聽(tīng)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‥‥‥都聽(tīng)從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)在如此廣袤的領(lǐng)域里與實(shí)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(guó)的阿波羅8號(hào)從月球返航途中，地面限制中心問(wèn)：“是誰(shuí)在駕駛？”，指令長(zhǎng)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(guó)詩(shī)人蒲柏在牛頓的墓志銘上寫(xiě)道：自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說(shuō)，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(méi)有也不會(huì)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”。情景5.19世紀(jì)末，在迎接新世紀(jì)到來(lái)的時(shí)候，聞名英國(guó)物理學(xué)家威廉?湯姆生躊躇滿(mǎn)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(bǔ)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、令人擔(dān)心的烏云！“但正是這兩朵經(jīng)典力學(xué)不能說(shuō)明的烏云導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生！思索與探討：1.在一個(gè)無(wú)限大的光滑水平面上，質(zhì)量為m的物體，在水平恒力F作用下靜止起先運(yùn)動(dòng)。物體的速度會(huì)增大到隨意速度嗎？由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：物體的速度v=at，隨著時(shí)間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得隨意速度。但事實(shí)并非如此，物體運(yùn)動(dòng)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(wú)法使物體運(yùn)動(dòng)超越這個(gè)速度，這是經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解答的。這是什么緣由造成的呢？是否經(jīng)典力學(xué)的錯(cuò)誤？2.同一運(yùn)動(dòng)在不同的參考系中都遵守牛頓定律嗎？如兩個(gè)小球從同一高度自由落體運(yùn)動(dòng)，對(duì)地面參考系來(lái)說(shuō)，兩小球的運(yùn)動(dòng)遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律，但是假如以其中一個(gè)小球?yàn)閰⒖枷?，那另一個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)還遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎？可以做試驗(yàn)視察。緣由是因?yàn)榕ｎD定律成立的前提是慣性參考系，而另一個(gè)小球不是慣稱(chēng)參考系，所以牛頓定律就不成立了。通過(guò)以上問(wèn)題的探究，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思索，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)典力學(xué)的確在這些問(wèn)題上遇到了困難，它不能處理全部的問(wèn)題，這像其它任何科學(xué)一樣沒(méi)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(chéng)懇地面對(duì)困難，主動(dòng)探究勇于探究的科學(xué)看法。一、從低速到高速閱讀教材，思索探討下列問(wèn)題：經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量和相對(duì)論中物體的質(zhì)量有什么不同？狹義相對(duì)論中物體的質(zhì)量和速度之間有怎樣的關(guān)系？在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論中位移和時(shí)間的測(cè)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(yùn)動(dòng)速度的變更而變更；但在相對(duì)論中物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大；2.狹義相對(duì)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(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速。3.經(jīng)典力學(xué)中位移和時(shí)間的測(cè)量在不同的參考系中是相同的，狹義相對(duì)論認(rèn)為，同一過(guò)程的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同的參考系中是不同的。例題1.質(zhì)量為m0=5×103Kg的宇宙飛船，以v=7.5×103m/s的速度繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的質(zhì)量可以認(rèn)為沒(méi)有任何變更；但是假如飛船的速度達(dá)到v=7.5×107m/s時(shí)，飛船的質(zhì)量就會(huì)變?yōu)閙=5.164×103Kg，質(zhì)量增加了3.3%。假如物體以光速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量就會(huì)趨于無(wú)窮大！可見(jiàn)，當(dāng)物體以常規(guī)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量變更是特別小的，完全不用考慮；但當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，相對(duì)論效應(yīng)帶來(lái)的質(zhì)量變更就不得不考慮了。例題2.下列說(shuō)法中正確的是（）牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中的全部問(wèn)題經(jīng)典力學(xué)可以解決經(jīng)典力學(xué)中的全部問(wèn)題分析：經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，但牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律也好、經(jīng)典力學(xué)也好，都不能解決自然界中的全部問(wèn)題。科學(xué)發(fā)展至今，沒(méi)有任何一個(gè)理論能解決自然界中的全部問(wèn)題，所以選B。二、從宏觀到微觀閱讀教材，思索探討下列問(wèn)題：1.19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們發(fā)覺(jué)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(yùn)動(dòng)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)覺(jué)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(dòng)性，這種兼具波料二象性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律經(jīng)典力學(xué)不能正確地描述；3.在20世紀(jì)20年頭，德國(guó)物理學(xué)家普朗克建立了量子力學(xué)，它能正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。從而使人們相識(shí)到，經(jīng)典力學(xué)存在肯定的適用范圍，即只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；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(lái)，物理學(xué)的探討從領(lǐng)域深化到了領(lǐng)域，相繼發(fā)覺(jué)了、、等微觀粒子，微觀粒子不僅具有性，而且具有性；它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用來(lái)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(dòng)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，思索探討下列問(wèn)題：經(jīng)典力學(xué)描述的行星運(yùn)動(dòng)軌道和實(shí)際觀測(cè)的軌道有什么沖突？歸納萬(wàn)有引力理論和愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引力理論的主要差異；經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論、量子力學(xué)之間是什么關(guān)系？總結(jié)：1.按牛頓的萬(wàn)有引力理論，行星繞太陽(yáng)周期性運(yùn)動(dòng)的軌道是一些圓或橢圓；而天文觀測(cè)表明，行星運(yùn)動(dòng)的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)，如水星的運(yùn)動(dòng)。2.1915年愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這是一種新的時(shí)空與引力理論，實(shí)際觀測(cè)到的水星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的結(jié)果符合得很好！牛頓的萬(wàn)有引力理論與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的主要差異是，按牛頓的萬(wàn)有引力理論，當(dāng)質(zhì)量肯定的球形天體的半徑削減時(shí)，它表面的萬(wàn)有引力隨半徑按“平方反比”規(guī)律增大，半徑減為0時(shí)，引力無(wú)窮大；但愛(ài)因斯坦引力理論表明，這個(gè)引力實(shí)際增加得更快些，半徑越小，這個(gè)引力差別越大，這說(shuō)明牛頓定律不適用于強(qiáng)引力的狀況。3.在弱引力的時(shí)候，牛頓定律和相對(duì)論的結(jié)果是一樣的；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)“普朗克常量”可以忽視不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)分。所以經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)和相對(duì)論在肯定條件下的特例，經(jīng)典力學(xué)包含在相對(duì)論和量子力學(xué)中，所以相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)。對(duì)于這樣的科學(xué)發(fā)展過(guò)程，愛(ài)爾蘭作家蕭伯納曾詼諧地說(shuō)：“科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤?！彼裕鄬?duì)論和量子力學(xué)又是哪一種更廣泛理論的特別情形呢？我們現(xiàn)在還不知道‥‥‥例題4.20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)覺(jué)了一些事實(shí)，經(jīng)典力學(xué)不能作出說(shuō)明；經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；只適用于物體，不適用于粒子；只適用于解決問(wèn)題，不適用于解決問(wèn)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(duì)于經(jīng)典力學(xué)理論，下列說(shuō)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(guò)幾代科學(xué)家長(zhǎng)期的探究、歷經(jīng)曲折建立起來(lái)的C.經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論和量子力學(xué)在肯定條件下的特例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(shí)際出現(xiàn)了較大的偏差答案：ABCD2.有些狀況下，經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論會(huì)與事實(shí)有很大的偏差，以至于不再適用。請(qǐng)說(shuō)出哪些狀況下經(jīng)典力學(xué)顯現(xiàn)了這樣的局限性？答案：例如探討微觀粒子的加速、碰撞及結(jié)構(gòu)等問(wèn)題時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。課堂小結(jié):通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，我們了解到，盡管以牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)在許多領(lǐng)域都取得了輝煌的成就，但它沒(méi)有也不行能窮盡一切真理；同樣相對(duì)論和量子力學(xué)盡管在更廣袤的領(lǐng)域和實(shí)際符合，但也不行能窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)覺(jué)。本節(jié)我