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1、名师精编优秀教案第 6 章 万有引力与航天第 6 节经典力学的局限性（冯朝霞）课题经典力学的局限性学情分析学生在本章学习即将结束时简单认识经典力学一些总体知识，让学生的认知从低速到高速，从宏观到微观，从若引力到强引力转变，对他们来讲这一节的学习仅仅是一个简单的了解。学习目标细化描述水平层次知识与技能1.知道牛顿运动定律的适用范围了解2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用；了解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了解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
2、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， 认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。教材分析本节课在本章的倒数第一节是在学生已经了解了很多关于天体运动的知识以后才开设的，目的使学生初步了解关于相对论的有关知识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。教学资源挂图、多媒体课件教学建议学生自学、结合教师的点拨总结教学流程教师活动学生活动时间安排精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页名师精编优秀教案一、引入：自从 17 世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学
3、不断发晨，如：在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就，经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如从地面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、飞机等各种交通工其：从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船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，像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲” ，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。学生根据自己平时听新闻以及从其他渠道得到
4、关于航天的信息讨论关于宇宙航行的问题。5 二、新课教学1、从低速到高速请同学们阅读教材“从低速到高速”部分，回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成与两个公设。（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）v0.8c 时，物体的质量约增大到静止质量的1.7 倍， 这时经典
5、力学就不再适用了。 （2）如地球以v30kms 的速度绕太阳公转时，m=l 010 lOlmo，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船水+v水岸经验告诉我们，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，正是在这种讨论、推导、探究师生共同总结结论10 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
6、- - - -第 2 页，共 6 页名师精编优秀教案时空的观念下，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、从宏观到微观请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。（19 世纪末到 20 世纪初，人们相继发现了电子
7、、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、从弱引力到强引力请同学们阅读教材 “从弱引力到强引力”部分，并回答问题：何为弱引力？何为强
8、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页名师精编优秀教案讨论与交流（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
9、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
10、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”这种调佩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(3X108ms)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(663X10-34Js)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
11、过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页名师精编优秀教案三、巩固训练实例探究例 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？参考答案： 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
12、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？参考答案： 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。课堂训练（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。（4）微观粒子的运动不
13、仅具有性同时具有波动性它们的运动规律很多情况下不能用经典力学来说明要增强正确描述微观粒子的运动规律，需要用。（5）牛顿运动规律只适用于物体的运动，狭义相对论阐述物体在以的速度运动时所遵从的规律。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学 生 独 立 完成，可以提出问题5 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页名师精编优秀教案（4） 粒子量子力学（5） 宏观、 低速接近光速四、小结本节学习了经典力学的局限性：（1）从低速到高速：在经典力学中，物体的质量 m 是不随运动状态改变的，
14、而狭义相对论指出，质量要随着物体的运动速度的增大而增大。即（2）从宏观到微观：相对论和量子力学的出现，并不说明经典力学失去了意义，只说明它有一定的适用范围：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：相对论物理学与经典物理学的结论没有区别相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性，经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。学生总结五：作业有兴趣的同学可以在网上搜索一些关于狭义相对论的内容知识，丰富自己的物理知识。教学反思本节课的知识学生可以自己认真阅读课文，自己理解其中的一些需要注意的问题。本节属于了解的内容，对学生的要求不高，但是对以后进一步学习物理有着很好的铺垫作用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页