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2019-2020年高中物理《經(jīng)典力學(xué)的局限性》教案4 新人教版必修2 一、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能： （1）知道牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍． （2）了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用． （3）知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運(yùn)動(dòng)中必須考慮速度隨時(shí) 過(guò)程與方法。 2、過(guò)程與方法： （1）通過(guò)閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 通過(guò)對(duì)牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神． 二、教學(xué)內(nèi)容剖析 1、 本節(jié)課的地位和作用： 本節(jié)要求較底，只要理解大體的內(nèi)容即可。 2、本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)： 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍 3、本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)： 高速運(yùn)動(dòng)的物體，速度和質(zhì)量之間的關(guān)系． 三、 教學(xué)思路與方法 探究、講授、討論、練習(xí) 四、 教學(xué)準(zhǔn)備 多媒體課件 課堂教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容 師生互動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖 備注 引入 “未完成的交響曲”——經(jīng)典力學(xué) 為什么叫“未完成的交響曲”？ 師：自從17世紀(jì)以來(lái)，以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)不斷發(fā)晨，如：在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括天體力學(xué)的研究中取得了巨大的成就．經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應(yīng)用，如，從地面物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械；從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等各種交通工其：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(yùn)動(dòng)定律的正確性。但是，經(jīng)典力學(xué)也不是萬(wàn)能的，像一切科學(xué)一樣，它沒(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”．那么經(jīng)典力學(xué)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(lái)了解這方面的知識(shí)。 從歷史開(kāi)始討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 一、從低速到高速 一、從低速到高速 在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即： 其中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。 例如： (1)v＝0．8c時(shí)，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1．7倍，這時(shí)經(jīng)典力學(xué)就不再適用了． (2)如地球以v＝30km／s的速度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，m=l 010 l0lmg，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略不計(jì)． 愛(ài)因斯坦的相對(duì)性原理 (1)相對(duì)性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式． (2)光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速都一樣． 一、從低速到高速 師：請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材“從低速到高速”部分．回答低速與高速的概念、質(zhì)速關(guān)系、速度合成與兩個(gè)公設(shè)． 師：高速是怎樣的高速？象小車(chē)跑起來(lái)那樣的高速么？ 生：不是，低速到高速的概念，通常所見(jiàn)的物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車(chē)，發(fā)射的導(dǎo)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． 師：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即 其中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。 速度合成與分解．一條河流中的水以相對(duì)河岸的速度v水岸流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于河水的速度v船水順流而下．在經(jīng)典力學(xué)中，船相對(duì)于岸的速度即為v船岸=v船水+v水岸 經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這簡(jiǎn)直是天經(jīng)地義的．但是，仔細(xì)一看，這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè)不同的慣性參考系，而速度總是與位移(空間長(zhǎng)度)及時(shí)間間隔的測(cè)量相聯(lián)系．在牛頓看來(lái)，位移和時(shí)間的測(cè)量與參考系無(wú)關(guān)，正是在這種時(shí)空的觀念下，上式才成立．然而，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，因而上式不能成立，經(jīng)典力學(xué)也就不再適用了． (1)相對(duì)性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式． (2)光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速‘都一樣． 師：經(jīng)典力學(xué)是適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體還是適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體呢? 生：適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體． 師：閱讀教材科學(xué)漫步部分，體會(huì)時(shí)間和空間是什么． 生：時(shí)間與空間并沒(méi)有講清時(shí)間與空間的問(wèn)題，只是提出問(wèn)題，激勵(lì)我們對(duì)未來(lái)的探索． 讓學(xué)生親歷知識(shí)的導(dǎo)出過(guò)程，體驗(yàn)成功的樂(lè)趣是新課程的重要理念． 從宏觀到微觀 二、從宏觀到微觀 只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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。 二、從宏觀到微觀 師：請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材“從宏觀到微觀”部分，并說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)是適用于宏觀物體還是微觀物體。 生1：19世紀(jì)末到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，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，而且具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體。 生2：20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用．經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子． 師：相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義? 生：相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說(shuō)明人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義．它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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。 同時(shí)讓學(xué)生自己探究問(wèn)題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)，同時(shí)也可以使他們養(yǎng)成善于運(yùn)動(dòng)知識(shí)的習(xí)慣。 從弱引力到強(qiáng)引力 三、從弱引力到強(qiáng)引力 在強(qiáng)引力的情況下，牛頓的萬(wàn)有引力理論將不再適用． 三、從弱引力到強(qiáng)引力 (展示問(wèn)題) 師：請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材“從弱引力到強(qiáng)引力”部分，并回答問(wèn)題：何為弱引力?何為強(qiáng)引力? 生：萬(wàn)有引力屬于弱引力．利用萬(wàn)有引力定律可以解釋天體的運(yùn)動(dòng)，并預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星，首次把天上的星體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與地面物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)． 愛(ài)因斯坦引力理論表明，當(dāng)天體半徑減小到一定程度時(shí)(太陽(yáng)的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m)，天體間的引力就趨于無(wú)窮大． [討論與交流) (展示問(wèn)題) 師：實(shí)際的天文觀測(cè)，行星的運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)．經(jīng)典力學(xué)的解釋令人滿意嗎?用什么理論來(lái)圓滿地進(jìn)行了解釋?(投影) 生：按牛頓的萬(wàn)有引力定律推算，行星的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果不符．經(jīng)典力學(xué)也能作出一些解釋，但是，水星旋進(jìn)的實(shí)際觀測(cè)值比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多．經(jīng)典力學(xué)的解釋不能令人滿意． 愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算出水星近日點(diǎn)的旋進(jìn)還應(yīng)有43/的附加值，同時(shí)還預(yù)言了光線在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量的星體附近時(shí)，如經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象．并且都被觀測(cè)證實(shí)． 師：何為天體的引力半徑? 生：假定一個(gè)球形天體的質(zhì)量不變，并通過(guò)壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會(huì)增加，當(dāng)引力趨于無(wú)窮大時(shí)，被壓縮天體半徑接近的值——“引力半徑”． 只要天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么愛(ài)因斯坦和牛頓的理論計(jì)算出的力的差異并不很大．但當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí)，這種差異將急劇增大．這就是說(shuō)，在強(qiáng)引力的情況下，牛頓的萬(wàn)有引力理論將不再適用． 師：對(duì)于這樣的科學(xué)發(fā)展過(guò)程，英國(guó)劇作家蕭伯納曾詼諧地說(shuō)，‘科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤．”這種調(diào)佩倒也不失為一種幽默的表述． 師：歷史上的科學(xué)成就與新的科學(xué)成就的關(guān)系是什么? 生：歷史上的科學(xué)成就不會(huì)被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學(xué)成就之中．如：當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c(3X108m／s)時(shí)，相對(duì)論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6．63X10-34Js)可以忽略不計(jì)時(shí)．量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．相對(duì)論和量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，面只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形． 培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)分析，自己找到答案的能力。 例題 例1以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用? 參考答案：經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用．經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合建立了天體力學(xué)；經(jīng)典力學(xué)和工程實(shí)際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學(xué)，如水利學(xué)，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等．從地面上各種物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)：從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)：從攔柯筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械；從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律． 例2以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么? 參考答案：經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子：經(jīng)典力學(xué)只適用于解決弱引力問(wèn)題，不能用來(lái)處理強(qiáng)引力問(wèn)題． [課堂訓(xùn)練] 1．20世紀(jì)初，著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學(xué)的一些結(jié)論．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是 的，而相對(duì)論指出質(zhì)量隨著速度變化而 2．20世紀(jì)初期，建立了 ，它能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律． 3．經(jīng)典力學(xué)只適用于解決 問(wèn)題，不能用來(lái)處理——問(wèn)題，經(jīng)典力學(xué)只適用于物體，一般不適用于 ． 4．微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不僅具有 性．同時(shí)具有波動(dòng)性．它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)明．要增強(qiáng)正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要用 ． 5．牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于 物體的運(yùn)動(dòng)，狹義相對(duì)論闡述物體在以 的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律． 參考答案 1．狹義相對(duì)論 固定不變 變化 2．量子力學(xué) 3．低速運(yùn)動(dòng) 高速運(yùn)動(dòng) 宏觀 微觀粒子 4．粒子 量子力學(xué) 5．宏觀、低速 接近光速 初步把握本節(jié)的知識(shí)，并用它來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。不要空洞的說(shuō)教，在實(shí)戰(zhàn)中了解、積累解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)。印象深刻，避免不必要的重復(fù)學(xué)習(xí)。 小結(jié) 小結(jié)： 本節(jié)學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的局限性： (1)從低速到高速：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量m是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，而狹義相對(duì)論指出，質(zhì)量要隨著物體的運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大．即 (2)從宏觀到微觀：相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并不說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)失去了意義．只說(shuō)明它有一定的適用范圍：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． (3)從弱引力到強(qiáng)引力：相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．相對(duì)論與量子力學(xué) 都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，而只是認(rèn)為科學(xué)在一定條件下有其特殊性．經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力，不適用于強(qiáng)引力． 學(xué)生課后鞏固，總擴(kuò)本節(jié)的知識(shí)及內(nèi)容。 作業(yè) 作業(yè)： 1、認(rèn)真閱讀教材．認(rèn)識(shí)到物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神． 2、閱讀教材83頁(yè)‘科學(xué)足跡’欄目中的短文《牛頓的科學(xué)生涯》，體會(huì)和學(xué)習(xí)牛頓獻(xiàn)身科學(xué)的精神． 通過(guò)制作實(shí)驗(yàn)把握本節(jié)中的重點(diǎn)，通過(guò)題目進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力。 視野拓展 宇宙是由“無(wú)”誕生的嗎？ 　　宇宙是從沒(méi)有時(shí)間、沒(méi)有空間、沒(méi)有物質(zhì)，也沒(méi)有能量的“無(wú)”開(kāi)始，因量子力學(xué)的“穿隧效應(yīng)”而突然誕生的。剛出生時(shí)的宇宙大小只有10-34厘米，也就是1厘米的一兆分之一的百分之一。宇宙一經(jīng)誕生便立即產(chǎn)生憑借真空的能量產(chǎn)生急劇的膨脹，并在極為短暫的時(shí)間內(nèi)演化成龐大的宇宙。這就是最新的宇宙誕生模型。但是，問(wèn)題還沒(méi)有全部解決，因?yàn)橹两襁€沒(méi)有任何一種理論能夠處理宇宙誕生瞬間的時(shí)間和空間。這種理論叫做“量子重力論”，不完成這個(gè)理論，就不能斷定宇宙是否真因穿隧效應(yīng)而誕生。如果量子重力理論的觀點(diǎn)來(lái)看空間，或許到處都有超微小的黑洞和蟲(chóng)洞不斷地產(chǎn)生又消滅。如果在21世紀(jì)中，我們能夠建立量子重力理論，將上述問(wèn)題解決，則剩下來(lái)的問(wèn)題大概就是：在無(wú)數(shù)生生滅滅的宇宙之中，是否存在著和我們一樣的智慧生物？ 宇宙的起源 宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。 宇宙是物質(zhì)世界，它處于不斷的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展中。 《淮南子原道訓(xùn)》 注：“四方上下曰宇，古往今來(lái)曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地萬(wàn)物的總稱。 千百年來(lái)，科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時(shí)候、如何形成的。直到今天，科學(xué)家們才確信，宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。 在爆炸發(fā)生之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了大爆炸。 大爆炸使物質(zhì)四散出擊，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來(lái)相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過(guò)程中逐漸形成的。 然而，大爆炸而產(chǎn)生宇宙的理論尚不能確切地解釋，“在所存物質(zhì)和能量聚集在一點(diǎn)上”之前到底存在著什么東西？ “大爆炸理論”是伽莫夫于1946年創(chuàng)建的。