高中物理萬有引力與航天6.6力學的局限性教案新人教版必修

1、6.6經(jīng)典力學的局限性項目內(nèi)容課題6.6經(jīng)典力學的局限性修改與創(chuàng)新教學目標1、知識與技能（1）知道牛頓運動定律的適用；（2）了解經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用；（3）知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運動中必須考慮速度隨時。2、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。3、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(jié)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、難點教學重點：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(zhì)量之間的關(guān)系。教

2、學準備掛圖、多媒體課件教學過程（一）新課導(dǎo)入自從17世紀以來，以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學不斷發(fā)晨，如：在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括天體力學的研究中取得了巨大的成就，經(jīng)典力學在科學研究和生產(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)典力學也不是萬能的，像一切科學一樣，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理論一樣，是一部“未完成的交響曲”，那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢？

3、有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識。（二）新課教學1、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(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）v0.8c時，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1.7倍，這時經(jīng)典力學就不再適用

4、了。（2）如地球以v30kms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)典力學也就不再

5、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）閱讀教材科學漫步部分，體會時間和空間是什么？2、從宏觀到微觀請同學們閱讀教材“從宏觀到微觀”部分，并說明經(jīng)典力學是適用于宏觀物體還是微觀物體。（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，面且具有波動性，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)代科學技術(shù)中發(fā)

6、揮了重要作用。經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子。相對論和量子力學的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義？（相對論和量子力學的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學失去了意義，它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍：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，當天體半徑減小到一定程度時(太陽

7、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格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，經(jīng)典力學的解釋令人滿意嗎？（用什么理論來圓滿地進行了解釋？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)典力學也能作出一些解釋，但是，水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預(yù)言值多，經(jīng)典力學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

8、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”這種調(diào)佩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(guān)系是什么?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

9、的科學成就之中，如：當物體的速度遠小于光速c(3X108ms)時，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(663X10-34J·s)可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別，相對論和量子力學都沒有否定過去的科學，面只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。實例探究例1：以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學，在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用？參考答案：經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)典力學與天文學相結(jié)合建立了天體力學；經(jīng)典力學和工程實際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學，如水利學，材料力學、結(jié)構(gòu)力學等。從地面上各種物體的運動到天體的運動：從大氣的流動

10、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)典力學規(guī)律。例2：以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學的適用范圍是什么？參考答案：經(jīng)典力學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)典力學只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子：經(jīng)典力學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世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學的一些結(jié)論，在經(jīng)典力學中，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世紀初期，建立了 ，它能夠正確地描述微觀粒子的

11、運動規(guī)律。（3）經(jīng)典力學只適用于解決 問題，不能用來處理問題，經(jīng)典力學只適用于物體，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 （3）低速運動 高速運動 宏觀 微觀粒子（4）粒子 量子力學 （5）宏觀、低速 接近光速小結(jié)本節(jié)學習了經(jīng)典力學的局限性：（1）從低速到高速：在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨著物體的運動速度的增大而增大。即（2）從宏觀到微觀：相對論和量子力學的出現(xiàn)，并不說明經(jīng)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(jīng)典物理學的結(jié)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