6.6 经典力学的局限性 优秀教案优秀教学设计 高中物理必修2新课 第六章：万有引力定律 (2)

6.6经典力学的局限性
【教学目标】
知识与技能
1、知道牛顿运动定律的适用范围。

2、了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。

3、知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时间的变化。

过程与方法
通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。

情感、态度与价值观
通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识的知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。

【教学重点】
牛顿运动定律的适用范围
【教学难点】
高速运动的物体，速度和质量之间的关系
【教学课时】
1课时
【探究学习】
引入新课
教师活动：自从17世纪以来，以牛顿定律为基础的经典力学不断发展，取得了巨大的成就，经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，从而证明了牛顿运动定律的正确性。

但是，经典力学也不是万能的，像其它科学一样，它也有一定的适用范围，有自己的局限性。

那么经典力学在什么范围内适用呢？有怎样的局限性呢？这节课我们就来了解这方面的知识。

进行新课
教师活动：请同学们阅读课文，阅读时考虑下列问题[用投影片出示]：
1、经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。

2、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。

3、经典力学的适用范围是什么？自己概括一下。

4、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？
5、怎样理解英国剧作家萧伯纳的话“科学总是从正确走向错误”？
学生活动：阅读教材，并思考上面的问题。

分组讨论，代表发言。

点评：让学生通过自主阅读获取信息，培养学生阅读理解能力，同时培养学生良好的自学习惯。

教师活动：待学生阅读教材后，倾听学生代表的发言，和其他学生一起点评、补充。

点评：可能学生回答的不完整，甚至很幼稚，这都无关紧要。

重要的是给学生提供发表见解的机会，同学之间甚至可以争论，在相互讨论中，明辨真理，掌握知识。

［学生A ］经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。

［学生B ］因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用.
［学生C ］从上面分析知：牛顿运动定律的适用范围是：宏观物体，低速运动。

教师总结：从上面讨论可知，经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用.那么对这些领域的问题又应如何研究呢？下面给大家简单介绍一些近代物理知识。

从经典力学到相对论的发展
以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s 、时间t 和质量m 这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观.
到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论.狭义相对论指出：长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的.长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式：
l =l 0（通称尺缩效应） 22
1c
v
t = （钟慢效应）
m =（质-速效应）
上式中，各式里的v 都是物体的运动速度，c 是真空中的光速，l 0和l 分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；t 和t 0分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间；m 0和m 分别为在相对静止和运动系统中测得的物体质量.
但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（v <<c ），则上面的一些结果就变为l ≈l 0，t ≈t 0，m ≈m 0，因而对于宏观低速运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的.
继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间——时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了.“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论.
（三）课堂总结、点评
教师活动：让学生概括总结本节的内容。

请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。

（四）实例探究
【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?
【提示】 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；从拦河筑坝、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?
220
1c v
t -220
1c v
m -
【提示】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.
课堂练习
1.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了，改变了经典力学的一些结论.在经典力学中，物体的质量是的，而相对论指出质量随着速度变化而。

2.20世纪初期，建立了，它能够正确地描述微观粒子的运动规律。

3.经典力学只适用于解决问题，不能用来处理问题，经典力学只适用于物体，一般不适用于。

参考答案
1. 狭义相对论；固定不变；变化
2. 量子力学
3. 低速运动；高速运动；宏观；微观粒子
【板书设计】
一、经典力学的广泛应用
经典力学在两次工业革命中发挥出巨大作用。

二、经典力学与狭义相对论
1、物体的质量随物体的运行速度而变化
2、物体运动的位移与时间与参考系的选择有关
3、当物体的速度远小于光速C(3×108)时两者结论是一致的。

三、经典力学与量子力学
微观粒子运动的波动性不能用经典力学来解释，但量子力学能正确地描述微观粒子的运动规律。

四、经典力学与广义相对论
牛顿引力理论在强引力作用下不适用，只能用广义相对论的引力场理论来解释强引力作用。

五、经典力学的适用范围
宏观、低速、弱力情况下适用。