高二物理人教版必修2 6.6经典力学的局限性教案

经典力学的局限性
重/难点
重点：牛顿运动定律的适用范围。

难点：高速运动的物体，速度和质量之间的关系。

重/难点分析
重点分析：让学生从多种途径了解经典力学的发展过程和相关的物理学家以及他们的思想。

难点分析：高速运动的物体，速度和质量之间的关系是极其抽象的。

力争让学生有一个大概的感性轮廓。

让学生了解经典力学的伟大成就和它的局限性，体会历史与逻辑、继承与发展的统一，领悟科学精神和体会科学研究的思想方法。

突破策略
1、从低速到高速
低速到高速的概念：通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等，有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。

质速关系是：在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即：其中Db为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。

例如：（1）v＝0.8c时，物体的质量约增
大到静止质量的1.7倍，这时经典力学就不再适用了。

（2）如地球以v＝30km／s的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略不计。

速度合成与两个公设。

一条河流中的水以相对河岸的速度v
水岸
流动，河中的
船以相对于河水的速度v
船水顺流而下，在经典力学中，船相对于岸的速度即为v
船岸
=v
水岸+v
船水。

经验告诉我们，这简直是天经地义的，但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系，在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立，然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了。

（1）相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。

（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速都一样。

经典力学是适用于低速运动的物体还是适用于高速运动的物体呢？（适用于低速运动的物体）
阅读教材科学漫步部分，体会时间和空间是什么？
2、从宏观到微观
19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。

20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

经典力学一般不适用于微观粒子。

相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义？相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义，它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。

3、从弱引力到强引力
万有引力属于弱引力，利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来。

爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m)，天体间的引力就趋于无穷大。

讨论与交流
（1）实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，经典力学的解释令人满意吗？（用什么理论来圆满地进行了解释？按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符，经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多，经典力学的解释不能令人满意。

）
爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43“的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象，并且都被观测证实。

（2）何为天体的引力半径？
假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值——“引力半径”。

只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，这就是说，在强引力的情况下，牛顿的万有引力理论将不再适用。

对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说，“科学总是从正确走向错误”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述。

（3）历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么?
历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中，如：当物体的速度远小于光速c时，相对论与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别，相对论和量子力学都没有否定过去的科学，面只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。

例1：以牛顿运动定律为基础的经典力学，在科学研究和生产技术中有哪些应用？
解析：经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用，经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学，材料力学、结构力学等。

从地面上各种物体的运动到天体的运动：从大气的流动到地壳的变动：从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律。

例2：以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么？
解析：经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子；经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。

突破反思
本节课的教学中，通过图片、动画和视频引入，引起学生强烈的求知欲，再通过层层深入的分析引导学生搞清楚相对论和量子力学都没有否定过去的科学，面只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。