2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第6節(jié) 經典力學的局限性 教案.doc

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2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第6節(jié) 經典力學的局限性 教案三維目標知識與技能1知道牛頓運動定律的適用范圍；2了解經典力學在科學研究和生產技術中的廣泛應用；3知道質量與速度的關系，知道高速運動中必須考慮速度隨時。過程與方法通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學的認識是無止境的。情感、態(tài)度與價值觀通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神。教學重點牛頓運動定律的適用范圍。教學難點高速運動的物體，速度和質量之間的關系。教學方法探究、講授、討論、練習教具準備多媒體課件教學過程新課導入經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。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，經受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。著名物理學家楊振寧曾贊頌道：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓自然哲學的數學原理在1687年出版的那一天?！笔堑?，從地面上物體的運動到天體的運動；從大氣的流動到地殼的變動；從攔河筑壩，修建橋梁到設計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動；從投出籃球到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船所有這些都服從經典力學的規(guī)律。經典力學在如此廣闊的領域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和經典力學的魅力。但是，像一切科學一樣，經典力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性，它像一切科學理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。 那么經典力學在什么范圍內適用呢？有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識。新課教學一、從低速到高速請同學們閱讀教材“從低速到高速”部分，回答低速與高速的概念、質速關系、速度合成的兩個公式。1低速與高速（1）低速運動經典力學中各種物體的運動，速度都遠小于真空中的光速。處理這些運動，經典力學完全適用。通常所見的物體的運動皆為低速運動，如行駛的汽車，發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。物體運動的速度遠小于光速的運動，稱為低速運動。（2）高速運動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。2質速關系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典力學的觀念和結論。例如，在經典力學中，物體的質量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質量要隨著物體運動速度的增大而增大，即式中m0是物體靜止時的質量，m是物體速度為v時的質量，c是真空中的光速。依上式計算，在低速運動中，如地球以3104 m/s的速度繞太陽公轉時，它的質量增大十分微小，可以忽略，經典力學完全適用。但如果物體的速度接近光速c，如速度v0.8c時，物體的質量約增大到靜止質量的1.7倍。這時，經典力學就不適用了。3速度合成與時空觀（1）速度合成公式一條河流中的水以相對河岸的速度v水岸 流動，河中的船以相對于河水的速度v船水順流而下，在經典力學中，船相對于岸的速度即為v船岸v船水v水岸經驗告訴我們，這簡直是天經地義的，但是，仔細一看，這個關系式涉及兩個不同的慣性參考系，而速度總是與位移（空間長度）及時間間隔的測量相聯系，在牛頓看來，位移和時間的測量與參考系無關，正是在這種時空的觀念下，上式才成立，然而，相對論認為，同一過程的位移和時間的測量在不同的參考系中是不同的，因而上式不能成立，經典力學也就不再適用了。（2）時空觀經典力學的絕對時空觀經典力學認為時間和空間是相互獨立的，對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。狹義相對論基本原理A愛因斯坦相對性原理：物理定律在所有慣性參考系內都是等價的。B光速不變原理：在所有慣性系中，光在真空中的速度恒等于。狹義相對論時空觀A同時性的相對性在一個慣性系中測得是同時發(fā)生的兩件事，在另一慣性系中測量可能不是同時發(fā)生的。B時間測量（間隔）的相對性時間延緩若在一慣性系內同一地點，先后發(fā)生兩事件時間間隔t0 （稱原時或固有時），在以相對速率v運動的另一慣性系內測得時間間隔為t，則有C空間測量的相對性長度收縮當棒沿兩個慣性系相對運動方向放置，在相對棒靜止的慣性系內測得棒的長度為l0（稱原長或固有長度），在相對棒以v運動的慣性系里測得棒的長度為l，則有二、從宏觀到微觀1經典力學只適用于宏觀世界，量子力學適用于微觀世界19世紀末和20世紀初，物理學研究深入到微觀世界，發(fā)現了電子、質子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用經典力學來說明。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，并在現代科學技術中發(fā)揮了重要作用。這就是說，經典力學一般不適用于微觀粒子。2經典力學有它的適用范圍相對論和量子力學的出現，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經典力學失去了意義，它只是使人們認識到經典力學有它的適用范圍。經典力學只適用于低速運動，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、從弱引力到強引力萬有引力定律的發(fā)現解釋了天體運動的規(guī)律，并預言和發(fā)現了海王星和冥王星，它還首次使地面物體的運動規(guī)律與天上的星體運動規(guī)律統(tǒng)一起來，把經典力學推上了當時科學的頂峰。1行星軌道的旋進按牛頓的萬有引力定律推算，行星的運動應該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動。然而，實際的天文觀測告訴我們，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，如圖所示。經典力學可以對此做出一些解釋。不過，水星旋進的實際觀測值比經典力學的預言值多。自19世紀以來，這個問題就引起了科學界的注意，但得不到令人滿意的解釋。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這是一種新的時空與引力的理論。他根據廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應有每百年43的附加值，同時還預言光線在經過大質量星體附近時，如經過太陽附近時會發(fā)生偏轉等現象，這些都被觀測證實。2天體的引力半徑假定一個球形天體的質量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值“引力半徑”。根據牛頓萬有引力定律，假定一個球形天體的總質量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加。半徑減小到原來的二分之一，引力增到原來的四倍。愛因斯坦引力理論表明，這個力實際上增加得更快些。天體的半徑越小，這種差別越大。根據牛頓的理論，當天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個點時，引力趨于無窮大。愛因斯坦的理論則不然，引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個“引力半徑”的時候。這個引力半徑的值由天體的質量決定，例如太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m。因此，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。但當天體的實際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。所以，萬有引力定律只適用于弱引力。對于這樣的科學發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說：“科學總是從正確走向錯誤?！边@種調侃倒也不失為一種幽默的表述。3歷史上的科學成就與新的科學成就的關系歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c（3108 m/s）時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區(qū)別；當另一個重要常數即“普朗克常數”h（6.631034Js）可以忽略不計時，量子力學和經典力學的結論沒有區(qū)別。相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。相對論和量子力學是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？我們現在還不知道小結本節(jié)學習了經典力學的局限性：（1）從低速到高速：在經典力學中，物體的質量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質量要隨著物體的運動速度的增大而增大。（2）從宏觀到微觀：相對論和量子力學的出現，并不說明經典力學失去了意義，只說明它有一定的適用范圍：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。（3）從弱引力到強引力：相對論物理學與經典物理學的結論沒有區(qū)別相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只是認為科學在一定條件下有其特殊性，經典力學只適用于弱引力，不適用于強引力。布置作業(yè)略。板書設計6經典力學的局限性一、從低速到高速1低速與高速（1）低速運動物體運動的速度遠小于光速的運動，稱為低速運動。（2）高速運動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。2質速關系3速度合成與時空觀（1）速度合成公式v船岸v船水v水岸（2）時空觀經典力學的絕對時空觀經典力學認為時間和空間是相互獨立的，對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。狹義相對論基本原理A愛因斯坦相對性原理：物理定律在所有慣性參考系內都是等價的。B光速不變原理：在所有慣性系中，光在真空中的速度恒等于。狹義相對論時空觀A同時性的相對性B時間測量（間隔）的相對性時間延緩C空間測量的相對性長度收縮二、從宏觀到微觀1經典力學只適用于宏觀世界，量子力學適用于微觀世界2經典力學有它的適用范圍經典力學只適用于低速運動，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1行星軌道的旋進2天體的引力半徑假定一個球形天體的質量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值“引力半徑”。3歷史上的科學成就與新的科學成就的關系