【優(yōu)教通-備課參考】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)：6.6《經(jīng)典力學(xué)的局限性》4(人教版必修2)

6經(jīng)典力學(xué)的局限性整體設(shè)計(jì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、低速、弱引力的寬敞領(lǐng)域，包括天體力學(xué)的爭(zhēng)辯中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就.但是，像一切科學(xué)一樣，經(jīng)典力學(xué)也有自己的局限性.當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)完全適用.20世紀(jì)初，出名物理學(xué)家愛因斯坦建立了狹義相對(duì)論.狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律，它得出了一些不同于經(jīng)典力學(xué)的觀念和結(jié)論.經(jīng)典力學(xué)不適用于高速運(yùn)動(dòng)問題，并且經(jīng)典力學(xué)對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)也束手無策.量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)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(xué)的適用范圍：低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；量子力學(xué)的爭(zhēng)辯對(duì)象：高速、微觀物體的運(yùn)動(dòng).本節(jié)從低速與高速、宏觀與微觀、弱引力到強(qiáng)引力三個(gè)方面介紹了經(jīng)典力學(xué)的局限性.這三個(gè)方面的具體內(nèi)容都不要求同學(xué)把握，但是學(xué)過本節(jié)之后，同學(xué)會(huì)知道盡管前面已經(jīng)體會(huì)到了萬(wàn)有引力的輝煌成就，但它沒有窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)覺，文中“未完成的交響曲”“相對(duì)論和量子力學(xué)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)容支配的著眼點(diǎn)都在情感態(tài)度與價(jià)值觀方面的訓(xùn)練功能.從低速到高速的爭(zhēng)辯中，教材提到經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，建議在此之前做確定的補(bǔ)充講解.“科學(xué)閑逛”的“時(shí)間與空間”并沒有講清時(shí)間與空間的問題，只是提出問題，激勵(lì)同學(xué)將來的探究，它的目的同樣在于情感態(tài)度與價(jià)值觀的訓(xùn)練功能.教學(xué)重點(diǎn)了解經(jīng)典力學(xué)的局限性.教學(xué)難點(diǎn)了解相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系.課時(shí)支配1課時(shí)三維目標(biāo)學(xué)問與技能1.知道以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍.2.知道相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系.過程與方法經(jīng)受科學(xué)家建立相對(duì)論和量子論的思維探究過程，生疏科學(xué)思維的意義.情感態(tài)度與價(jià)值觀1.了解科學(xué)理論的相對(duì)性，知道科學(xué)理論進(jìn)展過程的繼承與摒棄.2.通過時(shí)間與空間的問題，激勵(lì)同學(xué)對(duì)將來的探究.教學(xué)過程導(dǎo)入新課情景導(dǎo)入情境1《原理》將成為一座永垂不朽的深邃才智的紀(jì)念碑，它向我們揭示了最宏大的宇宙定律.這部著作是高于人類一切其他思想產(chǎn)物的杰作，這個(gè)簡(jiǎn)潔而普遍的定律的發(fā)覺，由于它囊括對(duì)象之巨大和多樣性，賜予人類才智以光榮——18、19世紀(jì)法國(guó)出名天文學(xué)家和天體力學(xué)家拉普拉斯拉普拉斯威廉·湯姆生情境2“科學(xué)大廈已經(jīng)基本建成”，“后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了.”“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人擔(dān)憂的烏云.”——19世紀(jì)出名的英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆生躊躇滿志地宣告情境3牛頓啊，請(qǐng)?jiān)徫?！你所發(fā)覺的道路，在你那個(gè)時(shí)代，是一位具有最高思維力氣和制造力的人所能發(fā)覺的唯一的道路.你所制造的概念，甚至今日照舊指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想，雖然我們現(xiàn)在知道，假如要更加深化地理解各種聯(lián)系，那就必需用另外一些離直接閱歷領(lǐng)域較遠(yuǎn)的概念來代替這些概念.——愛因斯坦情境4科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤.——英國(guó)劇作家蕭伯納詼諧地說以上名人名言，對(duì)你有何啟示？問題導(dǎo)入假如你駕駛一輛時(shí)速為100km/h的越野車，一位乘客以相對(duì)你10km/h的速度用彈弓射擊前面的巖石，那么彈珠的實(shí)際速度就應(yīng)當(dāng)是110km/h.可是，假如打開前車燈，依據(jù)常識(shí)，光速是1.079145×109km/h，加上車的運(yùn)動(dòng)速度，光的實(shí)際速度應(yīng)當(dāng)大于1.079145×109推動(dòng)新課老師利用多媒體呈現(xiàn)課件，使同學(xué)帶著問題閱讀課文，然后解決問題.問題：經(jīng)典力學(xué)的成就有哪些？同學(xué)閱讀課文，溝通、爭(zhēng)辯、回答.總結(jié)：1.牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律把天體的運(yùn)動(dòng)與地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，是人類對(duì)自然界生疏的第一次大綜合，是人類生疏史上的一次重大飛躍.2.經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，在以后的二百多年里幾乎統(tǒng)治了物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域.3.經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)展起來的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的成就.4.18世紀(jì)60年月，力學(xué)和熱力學(xué)的進(jìn)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合，使機(jī)器和蒸汽機(jī)得到改進(jìn)和推廣，引發(fā)了第一次工業(yè)革命.5.由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等，是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ).火箭、人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)器等航天器的放射，都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范例.點(diǎn)評(píng)：通過該問題探究促進(jìn)同學(xué)自主學(xué)習(xí)，讓同學(xué)樂觀參與、樂于探究、勤于思考，培育其學(xué)科探究力氣，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度.老師引導(dǎo)同學(xué)領(lǐng)悟任何科學(xué)都不會(huì)窮盡一切真理，都有其局限性.經(jīng)典力學(xué)也一樣，從而引出經(jīng)典力學(xué)的局限性.一、從低速到高速問題：1.在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量有何不同？2.狹義相對(duì)論中物體的質(zhì)量表達(dá)式是怎樣的？3.在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論中，位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中有何區(qū)分？同學(xué)帶著問題閱讀課文，分組爭(zhēng)辯、歸納.明確：1.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而轉(zhuǎn)變，而在狹義相對(duì)論中，質(zhì)量要隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大.2.m=.m0:物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m:物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速.3.在經(jīng)典力學(xué)中，同一過程的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是相同的；在狹義相對(duì)論中，同一過程的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是不同的.例1假如真空中的光速為c=3.0×108m/s,當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度為v1=2.4×108m/s時(shí)，質(zhì)量為解答：依據(jù)狹義相對(duì)論，m=,由題意知：m1=,m2=,所以,所以m2=kg=2.25kg.例2繼哥白尼提出“太陽(yáng)中心說”、開普勒提出行星運(yùn)動(dòng)三定律后，牛頓站在巨人的肩膀上，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)，揭示了包括行星在內(nèi)的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學(xué)的不足，又進(jìn)一步進(jìn)展了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，創(chuàng)立了相對(duì)論.這說明（）①世界無限寬敞，人不行能生疏世界，只能生疏世界的一部分②人的意識(shí)具有能動(dòng)性，能夠正確地反映客觀世界③人對(duì)世界的每一個(gè)正確生疏都有局限性，需要進(jìn)展和深化④每一個(gè)生疏都可能被后人推翻，人不行能獲得正確的生疏A.①②③④B.①②③C.①③④D.②③解答：發(fā)覺總是來自于生疏過程，觀點(diǎn)總是為解釋發(fā)覺而提出的.主動(dòng)生疏世界，樂觀思考問題，追求解決（解釋）問題，這是科學(xué)爭(zhēng)辯的基本軌跡.任何一個(gè)人對(duì)客觀世界的生疏都要受當(dāng)時(shí)的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以所形成的“正確理解”都有確定的局限性.愛因斯坦的相對(duì)論理論是對(duì)牛頓力學(xué)的理論的進(jìn)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(xiàng)為D.課堂訓(xùn)練1.一個(gè)粒子，原來靜止時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為m0.則：（1）當(dāng)這個(gè)粒子的速度為3×107（2）當(dāng)這個(gè)粒子的速度為2.4×108答案：(1)0.5%(2)66.7%2.下列說法中正確的是（）A.牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是經(jīng)典力學(xué)B.經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律C.牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中全部的問題D.經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中全部的問題解答：經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)；經(jīng)典力學(xué)并非萬(wàn)能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中全部的問題，沒有哪個(gè)理論可以解決自然界中全部的問題.搞清牛頓運(yùn)動(dòng)定律和經(jīng)典力學(xué)的隸屬關(guān)系，明確經(jīng)典力學(xué)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(xué)的適用范圍是什么？同學(xué)活動(dòng)：閱讀課文，查找答案，回答問題.結(jié)論：19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)覺了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)覺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.20世紀(jì)20年月，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)代科技中發(fā)揮了重要作用.相對(duì)論和量子力學(xué)的毀滅，使人們生疏到經(jīng)典力學(xué)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.三、從弱引力到強(qiáng)引力問題：（課件呈現(xiàn)）1.經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的沖突是什么？2.由經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的沖突說明白什么？3.歸納牛頓萬(wàn)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(xué)和相對(duì)論及量子力學(xué)的關(guān)系如何？同學(xué)閱讀課文，分組爭(zhēng)辯，合作探究，代表發(fā)言.老師活動(dòng)：點(diǎn)評(píng)同學(xué)的發(fā)言，因課本上內(nèi)容并不全面，老師在點(diǎn)評(píng)過程中要補(bǔ)充一些內(nèi)容.歸納：1.經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的沖突按牛頓的萬(wàn)有引力理論，行星應(yīng)當(dāng)沿著一些橢圓或圓做周期性運(yùn)動(dòng)，而天文觀測(cè)表明，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)，如水星的運(yùn)動(dòng).實(shí)際觀測(cè)到的水星的運(yùn)動(dòng)狀況與愛因斯坦廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果吻合得很好.2.經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力，而不適用于強(qiáng)引力.3.牛頓萬(wàn)有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異（1）牛頓的萬(wàn)有引力定律認(rèn)為：物體的半徑減小時(shí)，其表面上的萬(wàn)有引力與半徑的二次方成反比地增大，對(duì)于半徑接近于零質(zhì)點(diǎn)的物體，其表面上的萬(wàn)有引力接近于無窮大.（2）愛因斯坦理論認(rèn)為：物體的半徑減小時(shí)，其表面上的萬(wàn)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(gè)“引力半徑”的時(shí)候.（3）只要天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大，但當(dāng)天體的半徑接近引力半徑時(shí)，這種差異將急劇增大，這就是說，在強(qiáng)引力的狀況下，牛頓引力理論將不再適用.（4）行星的運(yùn)動(dòng)，在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)，引力的變化規(guī)律不完全相同，導(dǎo)致軌道不閉合，近日點(diǎn)旋進(jìn).4.經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論及量子力學(xué)的關(guān)系經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論及量子力學(xué)在確定條件下的特例，它包含于相對(duì)論和量子力學(xué)之中，相對(duì)論和量子力學(xué)的建立并沒有否定經(jīng)典力學(xué).例320世紀(jì)以來，人們發(fā)覺了一些事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無法解釋，經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的__________問題，不能用來處理__________運(yùn)動(dòng)問題；只適用于__________物體，一般不適用于__________粒子.這說明人們對(duì)客觀事物的具體生疏在廣度上是有__________的，人們應(yīng)當(dāng)__________.解析：人們對(duì)客觀世界的生疏要受到他所處的時(shí)代客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有確定的局限性，人們只有不斷擴(kuò)展自己的生疏，才能把握更寬敞領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)誕生并不意味著對(duì)原來科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在確定條件下的特殊情形.答案：低速運(yùn)動(dòng)高速宏觀微觀局限性不斷擴(kuò)展生疏，在更寬敞的領(lǐng)域內(nèi)把握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律課堂訓(xùn)練1.19世紀(jì)末和20世紀(jì)初以來，物理學(xué)的爭(zhēng)辯深化到__________，發(fā)覺__________、__________、__________等微觀粒子不僅有__________，而且有__________，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)來說明.答案：微觀世界電子質(zhì)子中子粒子性波動(dòng)性2.對(duì)于經(jīng)典力學(xué)理論，下列說法中正確的是（）A.經(jīng)典力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)B.經(jīng)典力學(xué)的理論體系是經(jīng)過幾代科學(xué)家長(zhǎng)期的探究，歷經(jīng)曲折才建立起來的C.經(jīng)典力學(xué)具有豐富的理論成果，也建立了實(shí)證科學(xué)的方法體系D.當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度很大（v→c）、引力很強(qiáng)、活動(dòng)空間很?。ㄎ⒂^）時(shí)，經(jīng)典力學(xué)理論所得的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間毀滅了較大的偏差答案：ABCD3.以下說法正確的是（）A.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而轉(zhuǎn)變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而轉(zhuǎn)變B.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度增大而減小，在狹義相對(duì)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(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，在狹義相對(duì)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(cuò)誤的答案：C4.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，下列說法中正確的是（）A.不論是對(duì)宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的B.量子力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)C.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D.上述說法都是錯(cuò)誤的答案：C課堂小結(jié)通過對(duì)萬(wàn)有引力定律的學(xué)習(xí)，我們了解了萬(wàn)有引力定律的輝煌成就，但是通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，我們又了解到它并沒有窮盡一切真理，在新的領(lǐng)域還有新的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)覺.在本節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，我們從三個(gè)方面體會(huì)經(jīng)典力學(xué)的局限性：①?gòu)牡退俚礁咚伲虎趶暮暧^到微觀；③從弱引力到強(qiáng)引力.布置作業(yè)1.閱讀教材科學(xué)腳印?????中牛頓的科同學(xué)涯.2.從網(wǎng)上查閱有關(guān)經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)、相對(duì)論的資料.板書設(shè)計(jì)6經(jīng)典力學(xué)的局限性1.從低速到高速：經(jīng)典力學(xué)適用于低速2.從宏觀到微觀：經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體3.從弱力到強(qiáng)力：萬(wàn)有引力定律適用于弱力活動(dòng)與探究課題：中國(guó)有兩句古詩(shī)：“洞中方七日，世上幾千年”，假如把詩(shī)中的“洞”看作是高速飛行的宇宙飛船.探究是否會(huì)毀滅兩句詩(shī)句所寫的情景.目的：不要求同學(xué)得出結(jié)論，目的在于加深對(duì)相對(duì)論的理解，熬煉同學(xué)發(fā)散思維、創(chuàng)新思維，利用新學(xué)問解決新問題的力氣.參考資料：在相對(duì)論物理學(xué)的教科書中，通常描寫一個(gè)使人難以理解的故事：一對(duì)年輕孿生兄弟，哥哥乘坐一艘接近光速運(yùn)動(dòng)的宇宙飛船，從地球動(dòng)身，在太空巡游一圈之后返回地球.使人瞠目結(jié)舌的怪事發(fā)生了：他的弟弟已是兩鬢花白、皺紋滿面的古稀老人，而他自己卻還是一