高中物理 经典力学的局限性

6 经典力学的局限性整体设计牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就.但是，像一切科学一样，经典力学也有自己的局限性.当物体的运动速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论.狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律，它得出了一些不同于经典力学的观念和结论.经典力学不适用于高速运动问题，并且经典力学对微观粒子的运动也束手无策.量子力学能够正确描述微观粒子运动的规律性，并在现代科技中发挥了重要作用.经典力学的适用范围：低速、宏观物体的运动；量子力学的研究对象：高速、微观物体的运动.本节从低速与高速、宏观与微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性.这三个方面的具体内容都不要求学生掌握，但是学过本节之后，学生会知道尽管前面已经体会到了万有引力的辉煌成就，但它没有穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现，文中“未完成的交响曲”“相对论和量子力学是哪一种广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道……”，这些内容安排的着眼点都在情感态度与价值观方面的教育功能.从低速到高速的讨论中，教材提到经典力学的相对运动问题，建议在此之前做一定的补充讲解.“科学漫步”的“时间与空间”并没有讲清时间与空间的问题，只是提出问题，激励学生未来的探索，它的目的同样在于情感态度与价值观的教育功能.教学重点了解经典力学的局限性.教学难点了解相对论、量子力学与经典力学的关系.课时安排1课时三维目标知识与技能1.知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围.2.知道相对论、量子力学和经典力学的关系.过程与方法经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义.情感态度与价值观1.了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与摒弃.2.通过时间与空间的问题，激励学生对未来的探索.教学过程导入新课情景导入情境1 《原理》将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑，它向我们揭示了最伟大的宇宙定律.这部著作是高于人类一切其他思想产物的杰作，这个简单而普遍的定律的发现，因为它囊括对象之巨大和多样性，给予人类智慧以光荣.——18、19世纪法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯拉普拉斯威廉·汤姆生情境2 “科学大厦已经基本建成”，“后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了.”“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云.”——19世纪著名的英国物理学家威廉·汤姆生踌躇满志地宣告情境3 牛顿啊，请原谅我！你所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路.你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理学思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地理解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念.——爱因斯坦情境4 科学总是从正确走向错误.——英国剧作家萧伯纳诙谐地说以上名人名言，对你有何启示？问题导入假如你驾驶一辆时速为100 km/h的越野车，一位乘客以相对你10 km/h的速度用弹弓射击前面的岩石，那么弹珠的实际速度就应该是110 km/h.可是，如果打开前车灯，按照常识，光速是1.079 145×109 km/h，加上车的运动速度，光的实际速度应该大于1.079 145×109 km/h，可实际测量光速还是1.079 145×109 km/h，为什么同样的参考系光和实际物体得到的结果不同呢？学了本节内容后，你便知道其原因了. 推进新课教师利用多媒体展示课件，使学生带着问题阅读课文，然后解决问题.问题：经典力学的成就有哪些？学生阅读课文，交流、讨论、回答.总结：1.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.2.经典力学的基础，在以后的二百多年里几乎统治了物理学的各个领域.3.经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就.4.18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命.5.由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础.火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例.点评：通过该问题探究促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勤于思考，培养其学科探究能力，使其逐步形成科学态度.教师引导学生领悟任何科学都不会穷尽一切真理，都有其局限性.经典力学也一样，从而引出经典力学的局限性.一、从低速到高速问题：1.在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？2.狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？3.在经典力学和狭义相对论中，位移和时间的测量在不同参考系中有何区别？学生带着问题阅读课文，分组讨论、归纳.明确：1.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增大而增大. 2.m=2201c vm -.m 0:物体静止时的质量，m:物体速度为v 时的质量，c 是真空中的光速.3.在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的.例1 如果真空中的光速为c=3.0×108 m/s,当一个物体的运动速度为v 1=2.4×108 m/s 时，质量为3 kg.当它的速度为1.8×108 m/s 时，质量为多少？解答：根据狭义相对论，m=2201c vm -,由题意知：m 1=210)(1cv m -,m 2=220)(1c v m -, 所以3453541122122221==--=c v c v m m ,所以m 2=49431=m kg=2.25 kg. 例2 继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论.这说明（）①世界无限广大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分②人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界③人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化④每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识A.①②③④B.①②③C.①③④D.②③解答：发现总是来自于认识过程，观点总是为解释发现而提出的.主动认识世界，积极思考问题，追求解决（解释）问题，这是科学研究的基本轨迹.任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的制约，所以所形成的“正确理解”都有一定的局限性.爱因斯坦的相对论理论是对牛顿力学的理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战.所以正确选项为D.课堂训练1.一个粒子，原来静止时对应的质量为m0.则：（1）当这个粒子的速度为3×107 m/s时，它增大的质量占原来质量的百分比是多少？（2）当这个粒子的速度为2.4×108 m/s时，它增大的质量占原来质量的百分比又是多少？答案：(1)0.5% (2)66.7%2.下列说法中正确的是（）A.牛顿运动定律就是经典力学B.经典力学的基础是牛顿运动定律C.牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D.经典力学可以解决自然界中所有的问题解答：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题.搞清牛顿运动定律和经典力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围，才能正确解决此类问题.所以选B.二、从宏观到微观问题：经典力学的适用范围是什么？学生活动：阅读课文，寻找答案，回答问题.结论：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，而且具有波动性，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，并在现代科技中发挥了重要作用.相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围：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.三、从弱引力到强引力问题：（课件展示）1.经典力学与行星轨道的矛盾是什么？2.由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？3.归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异.4.经典力学和相对论及量子力学的关系如何？学生阅读课文，分组讨论，合作探究，代表发言.教师活动：点评学生的发言，因课本上内容并不全面，教师在点评过程中要补充一些内容. 归纳：1.经典力学与行星轨道的矛盾按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动.实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合得很好.2.经典力学只适用于弱引力，而不适用于强引力.3.牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异（1）牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零质点的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大. （2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.（3）只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的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，牛顿引力理论将不再适用.（4）行星的运动，在近日点和远日点，引力的变化规律不完全相同，导致轨道不闭合，近日点旋进.4.经典力学和相对论及量子力学的关系经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学之中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学.例3 20世纪以来，人们发现了一些事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于解决物体的__________问题，不能用来处理__________运动问题；只适用于__________物体，一般不适用于__________粒子.这说明人们对客观事物的具体认识在广度上是有__________的，人们应当__________.解析：人们对客观世界的认识要受到他所处的时代客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形.答案：低速运动高速宏观微观局限性不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律课堂训练1.19世纪末和20世纪初以来，物理学的研究深入到__________，发现__________、__________、__________等微观粒子不仅有__________，而且有__________，它们的运动规律不能用经典力学来说明.答案：微观世界电子质子中子粒子性波动性2.对于经典力学理论，下列说法中正确的是（）A.经典力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础B.经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的C.经典力学具有丰富的理论成果，也建立了实证科学的方法体系D.当物体运动速度很大（v→c）、引力很强、活动空间很小（微观）时，经典力学理论所得的结果与实际结果之间出现了较大的偏差答案：ABCD3.以下说法正确的是（）A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B.在经典力学中，物体的质量随物体运动速度增大而减小，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大C.在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度增大而增大D.上述说法都是错误的答案：C4.关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是（）A.不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B.量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动C.经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动D.上述说法都是错误的答案：C课堂小结通过对万有引力定律的学习，我们了解了万有引力定律的辉煌成就，但是通过本节的学习，我们又了解到它并没有穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现.在本节的学习过程中，我们从三个方面体会经典力学的局限性：①从低速到高速；②从宏观到微观；③从弱引力到强引力.布置作业1.阅读教材科学足迹中牛顿的科学生涯.2.从网上查阅有关经典力学、量子力学、相对论的资料.板书设计6 经典力学的局限性1.从低速到高速：经典力学适用于低速2.从宏观到微观：经典力学适用于宏观物体3.从弱力到强力：万有引力定律适用于弱力活动与探究课题：中国有两句古诗：“洞中方七日，世上几千年”，如果把诗中的“洞”看作是高速飞行的宇宙飞船.探究是否会出现两句诗句所写的情景.目的：不要求学生得出结论，目的在于加深对相对论的理解，锻炼学生发散思维、创新思维，利用新知识解决新问题的能力.参考资料：在相对论物理学的教科书中，通常描写一个使人难以理解的故事：一对年轻孪生兄弟，哥哥乘坐一艘接近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，在太空遨游一圈之后返回地球.使人瞠目结舌的怪事发生了：他的弟弟已是两鬓斑白、皱纹满面的古稀老人，而他自己却还是一个十七、八岁的英俊青年.但是，在基本粒子世界，这已不是幻想了，而是由实验观测到的事实.根据相对论观点，运动粒子的寿命（Δt ）要比该粒子静止的寿命（τ）长，两者的关系是：Δt=2)(1c v -τ，其中v 表示粒子运动速度，c 为光速.对于一个速度较小的粒子，由于2)/(1c v -≈1，这种效应极其微小，我们根本观测不到，因此，在日常生活中我们并没有感觉到这种效应的存在.但对基本粒子世界就不一样了.由于基本粒子的速度极大，可以非常接近光速，因此，这种时间效应也就极为明显了.例如，实验测定静止μ子的平均寿命为2.197×10-6 s,因此，即使它以光速运动，它也只能跑过660 m ，可是在实际观察中，它跑得比这一路程远得多，假设μ子以0.996 6c 的速度运动，则：Δt=2)(1c v -τ=12.14τ.即以这一速度运动的μ子，其寿命比原来长了12.14倍.这样，μ子跑得比660 m 远得多也就不难理解了.设计点评本节课由于内容限制，以教师提问、学生探究为主，教师适当补充课外知识.本教学设计把问题作为学习的动力、起点和贯穿于学习过程的主线.教师是科学问题的开发者，对一些问题创设情境，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，在解决问题过程中提高逻辑思维能力.提出的问题具有针对性、目的性，表达简明扼要，问题浅显但不明显，使学生易寻找答案，易归纳、易口头表达.在保证一定难度的同时兼顾广度，考虑到大多数学生的知识智力水平，面向全体学生设计问题.。