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2019-2020年高中物理 6.6《經(jīng)典力學的局限性》優(yōu)秀教案 新人教版必修2 牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域，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.但是，像一切科學一樣，經(jīng)典力學也有自己的局限性.當物體的運動速度遠小于真空中的光速時，經(jīng)典力學完全適用.20世紀初，著名物理學家愛因斯坦建立了狹義相對論.狹義相對論闡述物體在以接近光的速度運動時所遵從的規(guī)律，它得出了一些不同于經(jīng)典力學的觀念和結(jié)論.經(jīng)典力學不適用于高速運動問題，并且經(jīng)典力學對微觀粒子的運動也束手無策.量子力學能夠正確描述微觀粒子運動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科技中發(fā)揮了重要作用.經(jīng)典力學的適用范圍：低速、宏觀物體的運動；量子力學的研究對象：高速、微觀物體的運動. 本節(jié)從低速與高速、宏觀與微觀、弱引力到強引力三個方面介紹了經(jīng)典力學的局限性.這三個方面的具體內(nèi)容都不要求學生掌握，但是學過本節(jié)之后，學生會知道盡管前面已經(jīng)體會到了萬有引力的輝煌成就，但它沒有窮盡一切真理，在新的領域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，文中“未完成的交響曲”“相對論和量子力學是哪一種廣泛的理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道……”，這些內(nèi)容安排的著眼點都在情感態(tài)度與價值觀方面的教育功能. 從低速到高速的討論中，教材提到經(jīng)典力學的相對運動問題，建議在此之前做一定的補充講解. “科學漫步”的“時間與空間”并沒有講清時間與空間的問題，只是提出問題，激勵學生未來的探索，它的目的同樣在于情感態(tài)度與價值觀的教育功能. 教學重點 了解經(jīng)典力學的局限性. 教學難點 了解相對論、量子力學與經(jīng)典力學的關(guān)系. 課時安排 1課時 三維目標 知識與技能 1.知道以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學的適用范圍. 2.知道相對論、量子力學和經(jīng)典力學的關(guān)系. 過程與方法 經(jīng)歷科學家建立相對論和量子論的思維探索過程，認識科學思維的意義. 情感態(tài)度與價值觀 1.了解科學理論的相對性，知道科學理論發(fā)展過程的繼承與摒棄. 2.通過時間與空間的問題，激勵學生對未來的探索. 教學過程 導入新課 情景導入 情境1 《原理》將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀念碑，它向我們揭示了最偉大的宇宙定律.這部著作是高于人類一切其他思想產(chǎn)物的杰作，這個簡單而普遍的定律的發(fā)現(xiàn)，因為它囊括對象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮. ——18、19世紀法國著名天文學家和天體力學家拉普拉斯 拉普拉斯 威廉湯姆生 情境2 “科學大廈已經(jīng)基本建成”，“后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了.”“在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云.” ——19世紀著名的英國物理學家威廉湯姆生躊躇滿志地宣告 情境3 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，甚至今天仍然指導著我們的物理學思想，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)驗領域較遠的概念來代替這些概念. ——愛因斯坦 情境4 科學總是從正確走向錯誤. ——英國劇作家蕭伯納詼諧地說 以上名人名言，對你有何啟示？ 問題導入 假如你駕駛一輛時速為100 km/h的越野車，一位乘客以相對你10 km/h的速度用彈弓射擊前面的巖石，那么彈珠的實際速度就應該是110 km/h. 可是，如果打開前車燈，按照常識，光速是1.079 145109 km/h，加上車的運動速度，光的實際速度應該大于1.079 145109 km/h，可實際測量光速還是1.079 145109 km/h，為什么同樣的參考系光和實際物體得到的結(jié)果不同呢？學了本節(jié)內(nèi)容后，你便知道其原因了. 推進新課 教師利用多媒體展示課件，使學生帶著問題閱讀課文，然后解決問題. 問題：經(jīng)典力學的成就有哪些？ 學生閱讀課文，交流、討論、回答. 總結(jié)：1.牛頓運動三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，是人類對自然界認識的第一次大綜合，是人類認識史上的一次重大飛躍 2.經(jīng)典力學的基礎，在以后的二百多年里幾乎統(tǒng)治了物理學的各個領域. 3.經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學等得到了廣泛的應用，并取得了巨大的成就. 4.18世紀60年代，力學和熱力學的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合，使機器和蒸汽機得到改進和推廣，引發(fā)了第一次工業(yè)革命. 5.由牛頓力學定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等，是航空航天技術(shù)的理論基礎.火箭、人造地球衛(wèi)星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發(fā)射，都是牛頓力學規(guī)律的應用范例. 點評：通過該問題探究促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勤于思考，培養(yǎng)其學科探究能力，使其逐步形成科學態(tài)度. 教師引導學生領悟任何科學都不會窮盡一切真理，都有其局限性.經(jīng)典力學也一樣，從而引出經(jīng)典力學的局限性. 一、從低速到高速 問題：1.在經(jīng)典力學和狹義相對論中，物體的質(zhì)量有何不同？ 2.狹義相對論中物體的質(zhì)量表達式是怎樣的？ 3.在經(jīng)典力學和狹義相對論中，位移和時間的測量在不同參考系中有何區(qū)別？ 學生帶著問題閱讀課文，分組討論、歸納. 明確：1.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，而在狹義相對論中，質(zhì)量要隨著物體運動速度的增大而增大. 2.m=.m0:物體靜止時的質(zhì)量，m:物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速. 3.在經(jīng)典力學中，同一過程的位移和時間的測量在不同參考系中是相同的；在狹義相對論中，同一過程的位移和時間的測量在不同參考系中是不同的. 例1 如果真空中的光速為c=3.0108 m/s,當一個物體的運動速度為v1=2.4108 m/s時，質(zhì)量為3 kg.當它的速度為1.8108 m/s時，質(zhì)量為多少？ 解答：根據(jù)狹義相對論，m=,由題意知： m1=,m2=, 所以,所以m2=kg=2.25 kg. 例2 繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運動三定律后，牛頓站在巨人的肩膀上，創(chuàng)立了經(jīng)典力學，揭示了包括行星在內(nèi)的宏觀物體的運動規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學的不足，又進一步發(fā)展了牛頓的經(jīng)典力學，創(chuàng)立了相對論.這說明（ ） ①世界無限廣大，人不可能認識世界，只能認識世界的一部分 ②人的意識具有能動性，能夠正確地反映客觀世界 ③人對世界的每一個正確認識都有局限性，需要發(fā)展和深化 ④每一個認識都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認識 A.①②③④ B.①②③ C.①③④ D.②③ 解答：發(fā)現(xiàn)總是來自于認識過程，觀點總是為解釋發(fā)現(xiàn)而提出的.主動認識世界，積極思考問題，追求解決（解釋）問題，這是科學研究的基本軌跡. 任何一個人對客觀世界的認識都要受當時的客觀條件和科學水平的制約，所以所形成的“正確理解”都有一定的局限性.愛因斯坦的相對論理論是對牛頓力學的理論的發(fā)展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰(zhàn).所以正確選項為D. 課堂訓練 1.一個粒子，原來靜止時對應的質(zhì)量為m0.則： （1）當這個粒子的速度為3107 m/s時，它增大的質(zhì)量占原來質(zhì)量的百分比是多少？ （2）當這個粒子的速度為2.4108 m/s時，它增大的質(zhì)量占原來質(zhì)量的百分比又是多少？ 答案：(1)0.5% (2)66.7% 2.下列說法中正確的是（ ） A.牛頓運動定律就是經(jīng)典力學 B.經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律 C.牛頓運動定律可以解決自然界中所有的問題 D.經(jīng)典力學可以解決自然界中所有的問題 解答：經(jīng)典力學并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是經(jīng)典力學的基礎；經(jīng)典力學并非萬能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中所有的問題，沒有哪個理論可以解決自然界中所有的問題.搞清牛頓運動定律和經(jīng)典力學的隸屬關(guān)系，明確經(jīng)典力學的適用范圍，才能正確解決此類問題.所以選B. 二、從宏觀到微觀 問題：經(jīng)典力學的適用范圍是什么？ 學生活動：閱讀課文，尋找答案，回答問題. 結(jié)論：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)代科技中發(fā)揮了重要作用.相對論和量子力學的出現(xiàn)，使人們認識到經(jīng)典力學的適用范圍：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 問題：（課件展示） 1.經(jīng)典力學與行星軌道的矛盾是什么？ 2.由經(jīng)典力學與行星軌道的矛盾說明了什么？ 3.歸納牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異. 4.經(jīng)典力學和相對論及量子力學的關(guān)系如何？ 學生閱讀課文，分組討論，合作探究，代表發(fā)言. 教師活動：點評學生的發(fā)言，因課本上內(nèi)容并不全面，教師在點評過程中要補充一些內(nèi)容. 歸納：1.經(jīng)典力學與行星軌道的矛盾 按牛頓的萬有引力理論，行星應該沿著一些橢圓或圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，如水星的運動. 實際觀測到的水星的運動情況與愛因斯坦廣義相對論的計算結(jié)果吻合得很好. 2.經(jīng)典力學只適用于弱引力，而不適用于強引力. 3.牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異 （1）牛頓的萬有引力定律認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力與半徑的二次方成反比地增大，對于半徑接近于零質(zhì)點的物體，其表面上的萬有引力接近于無窮大. （2）愛因斯坦理論認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力比二次方成反比規(guī)律增大得快，引力趨于無窮大發(fā)生在接近一個“引力半徑”的時候. （3）只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大，但當天體的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，牛頓引力理論將不再適用. （4）行星的運動，在近日點和遠日點，引力的變化規(guī)律不完全相同，導致軌道不閉合，近日點旋進. 4.經(jīng)典力學和相對論及量子力學的關(guān)系 經(jīng)典力學是相對論及量子力學在一定條件下的特例，它包含于相對論和量子力學之中，相對論和量子力學的建立并沒有否定經(jīng)典力學. 例3 20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些事實，而經(jīng)典力學卻無法解釋，經(jīng)典力學只適用于解決物體的__________問題，不能用來處理__________運動問題；只適用于__________物體，一般不適用于__________粒子.這說明人們對客觀事物的具體認識在廣度上是有__________的，人們應當__________. 解析：人們對客觀世界的認識要受到他所處的時代客觀條件和科學水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷擴展自己的認識，才能掌握更廣闊領域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學誕生并不意味著對原來科學的全盤否定，只能認為過去的科學是新的科學在一定條件下的特殊情形. 答案：低速運動 高速 宏觀 微觀 局限性 不斷擴展認識，在更廣闊的領域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律 課堂訓練 1.19世紀末和20世紀初以來，物理學的研究深入到__________，發(fā)現(xiàn)__________、__________、__________等微觀粒子不僅有__________，而且有__________，它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學來說明. 答案：微觀世界 電子 質(zhì)子 中子 粒子性 波動性 2.對于經(jīng)典力學理論，下列說法中正確的是（ ） A.經(jīng)典力學是物理學和天文學的基礎，也是現(xiàn)代工程技術(shù)的理論基礎 B.經(jīng)典力學的理論體系是經(jīng)過幾代科學家長期的探索，歷經(jīng)曲折才建立起來的 C.經(jīng)典力學具有豐富的理論成果，也建立了實證科學的方法體系 D.當物體運動速度很大（v→c）、引力很強、活動空間很?。ㄎ⒂^）時，經(jīng)典力學理論所得的結(jié)果與實際結(jié)果之間出現(xiàn)了較大的偏差 答案：ABCD 3.以下說法正確的是（ ） A.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運動狀態(tài)而改變 B.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量隨物體運動速度增大而減小，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大 C.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體速度增大而增大 D.上述說法都是錯誤的 答案：C 4.關(guān)于經(jīng)典力學和量子力學，下列說法中正確的是（ ） A.不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的 B.量子力學適用于宏觀物體的運動；經(jīng)典力學適用于微觀粒子的運動 C.經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動；量子力學適用于微觀粒子的運動 D.上述說法都是錯誤的 答案：C 課堂小結(jié) 通過對萬有引力定律的學習，我們了解了萬有引力定律的輝煌成就，但是通過本節(jié)的學習，我們又了解到它并沒有窮盡一切真理，在新的領域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn).在本節(jié)的學習過程中，我們從三個方面體會經(jīng)典力學的局限性：①從低速到高速；②從宏觀到微觀；③從弱引力到強引力. 布置作業(yè) 1.閱讀教材科學足跡中牛頓的科學生涯. 2.從網(wǎng)上查閱有關(guān)經(jīng)典力學、量子力學、相對論的資料. 板書設計 6 經(jīng)典力學的局限性 1.從低速到高速：經(jīng)典力學適用于低速 2.從宏觀到微觀：經(jīng)典力學適用于宏觀物體 3.從弱力到強力：萬有引力定律適用于弱力 活動與探究 課題：中國有兩句古詩：“洞中方七日，世上幾千年”，如果把詩中的“洞”看作是高速飛行的宇宙飛船.探究是否會出現(xiàn)兩句詩句所寫的情景. 目的：不要求學生得出結(jié)論，目的在于加深對相對論的理解，鍛煉學生發(fā)散思維、創(chuàng)新思維，利用新知識解決新問題的能力. 參考資料： 在相對論物理學的教科書中，通常描寫一個使人難以理解的故事：一對年輕孿生兄弟，哥哥乘坐一艘接近光速運動的宇宙飛船，從地球出發(fā)，在太空遨游一圈之后返回地球.使人瞠目結(jié)舌的怪事發(fā)生了：他的弟弟已是兩鬢斑白、皺紋滿面的古稀老人，而他自己卻還是一個十七、八歲的英俊青年. 但是，在基本粒子世界，這已不是幻想了，而是由實驗觀測到的事實.根據(jù)相對論觀點，運動粒子的壽命（Δt）要比該粒子靜止的壽命（τ）長，兩者的關(guān)系是：Δt=，其中v表示粒子運動速度，c為光速. 對于一個速度較小的粒子，由于≈1，這種效應極其微小，我們根本觀測不到，因此，在日常生活中我們并沒有感覺到這種效應的存在.但對基本粒子世界就不一樣了.由于基本粒子的速度極大，可以非常接近光速，因此，這種時間效應也就極為明顯了.例如，實驗測定靜止μ子的平均壽命為2.19710-6 s,因此，即使它以光速運動，它也只能跑過660 m，可是在實際觀察中，它跑得比這一路程遠得多，假設μ子以0.996 6c的速度運動，則：Δt==12.14τ. 即以這一速度運動的μ子，其壽命比原來長了12.14倍.這樣，μ子跑得比660 m遠得多也就不難理解了. 設計點評 本節(jié)課由于內(nèi)容限制，以教師提問、學生探究為主，教師適當補充課外知識.本教學設計把問題作為學習的動力、起點和貫穿于學習過程的主線.教師是科學問題的開發(fā)者，對一些問題創(chuàng)設情境，讓學生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，在解決問題過程中提高邏輯思維能力. 提出的問題具有針對性、目的性，表達簡明扼要，問題淺顯但不明顯，使學生易尋找答案，易歸納、易口頭表達.在保證一定難度的同時兼顧廣度，考慮到大多數(shù)學生的知識智力水平，面向全體學生設計問題.