經(jīng)典力學(xué)的局限性教案2篇

課 題

經(jīng)典力學(xué)的局限性

學(xué)情分析

學(xué)生在本章學(xué)習(xí)即將結(jié)束時簡單認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)一些總體知識，讓學(xué)生的認(rèn)知從低速到高速，從宏觀到微觀，從若引力到強引力轉(zhuǎn)變，對他們來講這一節(jié)的學(xué)習(xí)僅僅是一個簡單的了解。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

細(xì)化描述

水平層次

知識與技能

1. 知道牛頓運動定律的適用范圍

了解

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；

了解

3. 知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運動中必須考慮速度隨時

了解

過程與方法

通過閱讀課文體會一切科學(xué)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(xué)的認(rèn)識是無止境的。

情感態(tài)度

與價值觀

通過對牛頓力學(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)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時代精神。

教材分析

本節(jié)課在本章的倒數(shù)第一節(jié)是在學(xué)生已經(jīng)了解了很多關(guān)于天體運動的知識以后才開設(shè)的，目的使學(xué)生初步了解關(guān)于相對論的有關(guān)知識

教學(xué)重點

牛頓運動定律的適用范圍。

教學(xué)難點

高速運動的物體，速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。

教學(xué)資源

掛圖、多媒體課件

教學(xué)建議

學(xué)生自學(xué)、結(jié)合教師的點撥總結(jié)

教學(xué)流程

教師活動

學(xué)生活動

時間

安排

一、引入：

自從17世紀(jì)以來，以牛頓運動定律為基礎(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(shè)計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等各種交通工其：從投出的籃球到發(fā)射火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……從而證明了牛頓運動定律的正確性。但是，經(jīng)典力學(xué)也不是萬能的，像一切科學(xué)一樣，它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(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)課我們就來了解這方面的知識。

學(xué)生根據(jù)自己平時聽新聞以及從其他渠道得到關(guān)于航天的信息討論關(guān)于宇宙航行的問題。

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二、新課教學(xué)

1、從低速到高速

請同學(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、速度合成與兩個公設(shè)。（低速到高速的概念，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(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。）

質(zhì)速關(guān)系是：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：其中Db為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。例如：（1）v＝0.8c時，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1.7倍，這時經(jīng)典力學(xué)就不再適用了。（2）如地球以v＝30km／s的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時，m=l 010 lOlmo，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略不計。

速度合成與兩個公設(shè)。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(jīng)典力學(xué)中，船相對于岸的速度即為v_船岸=v_船水+v_水岸

經(jīng)驗告訴我們，這簡直是天經(jīng)地義的，但是，仔細(xì)一看，這個關(guān)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(lián)系，在牛頓看來，位移和時間的測量與參考系無關(guān)，正是在這種時空的觀念下，上式才成立，然而，相對論認(rèn)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(jīng)典力學(xué)也就不再適用了。

（1）相對性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。

（2）光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速都一樣。

經(jīng)典力學(xué)是適用于低速運動的物體還是適用于高速運動的物體呢？（適用于低速運動的物體）

閱讀教材科學(xué)漫步部分，體會時間和空間是什么？

2、從宏觀到微觀

請同學(xué)們閱讀教材“從宏觀到微觀”部分，并說明經(jīng)典力學(xué)是適用于宏觀物體還是微觀物體。（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，面且具有波動性，它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述。）

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動的規(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。相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義？（相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義，它只是使人們認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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

請同學(xué)們閱讀教材“從弱引力到強引力”部分，并回答問題：何為弱引力？何為強引力？（萬有引力屬于弱引力，利用萬有引力定律可以解釋天體的運動，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動規(guī)律與地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來。）

愛因斯坦引力理論表明，當(dāng)天體半徑減小到一定程度時(太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m)，天體間的引力就趨于無窮大。

討論與交流

（1）實際的天文觀測，行星的運行軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進(jìn)，經(jīng)典力學(xué)的解釋令人滿意嗎？（用什么理論來圓滿地進(jìn)行了解釋？按牛頓的萬有引力定律推算，行星的運動應(yīng)該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動，與實際觀測結(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)的實際觀測值比經(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。）

愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進(jìn)還應(yīng)有43’的附加值，同時還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且都被觀測證實。

（2）何為天體的引力半徑？

假定一個球形天體的質(zhì)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(dāng)引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值——“引力半徑”。

只要天體的實際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的理論計算出的力的差異并不很大，但當(dāng)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，牛頓的萬有引力理論將不再適用。

對于這樣的科學(xué)發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說，‘科學(xué)總是從正確走向錯誤”這種調(diào)佩倒也不失為一種幽默的表述。

（3）歷史上的科學(xué)成就與新的科學(xué)成就的關(guān)系是什么?

歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(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，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6．63X10^-34Js)可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別，相對論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，面只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。

討論、推導(dǎo)、探究

師生共同總結(jié)結(jié)論

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三、鞏固訓(xùn)練

實例探究

例1：以牛頓運動定律為基礎(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動到天體的運動：從大氣的流動到地殼的變動：從攔柯筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，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：以牛頓運動定律為基礎(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動問題，不能用來處理高速運動問題，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題，不能用來處理強引力問題。

課堂訓(xùn)練

（1）20世紀(jì)初，著名物理學(xué)家愛因斯坦提出了 ，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動規(guī)律。

（3）經(jīng)典力學(xué)只適用于解決 問題，不能用來處理——問題，經(jīng)典力學(xué)只適用于物體，一般不適用于 。

（4）微觀粒子的運動不僅具有性．同時具有波動性．它們的運動規(guī)律很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明．要增強正確描述微觀粒子的運動規(guī)律，需要用。

（5）牛頓運動規(guī)律只適用于 物體的運動，狹義相對論闡述物體在以 的速度運動時所遵從的規(guī)律。

參考答案

（1）狹義相對論 固定不變 變化 （2）量子力學(xué) （3）低速運動 高速運動 宏觀 微觀粒子

（4）粒子 量子力學(xué) （5）宏觀、低速 接近光速

學(xué)生獨立完成，可以提出問題

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