高中物理萬有引力與航天6.6力學(xué)的局限性教案新人教版必修

1、6.6經(jīng)典力學(xué)的局限性項(xiàng)目內(nèi)容課題6.6經(jīng)典力學(xué)的局限性修改與創(chuàng)新教學(xué)目標(biāo)1、知識(shí)與技能（1）知道牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用；（2）了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用；（3）知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運(yùn)動(dòng)中必須考慮速度隨時(shí)。2、過程與方法：通過閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無止境的。3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍。教學(xué)難點(diǎn)：高速運(yùn)動(dòng)的物體，速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。教

2、學(xué)準(zhǔn)備掛圖、多媒體課件教學(xué)過程（一）新課導(dǎo)入自從17世紀(jì)以來，以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)不斷發(fā)晨，如：在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括天體力學(xué)的研究中取得了巨大的成就，經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應(yīng)用，如從地面物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械；從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等各種交通工其：從投出的籃球到發(fā)射火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船從而證明了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性。但是，經(jīng)典力學(xué)也不是萬能的，像一切科學(xué)一樣，它沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”，那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢？

3、有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識(shí)。（二）新課教學(xué)1、從低速到高速請同學(xué)們閱讀教材“從低速到高速”部分，回答低速與高速的概念、質(zhì)速關(guān)系、速度合成與兩個(gè)公設(shè)。（低速到高速的概念，通常所見的物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車，發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等，有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。）質(zhì)速關(guān)系是：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即：其中Db為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速。例如：（1）v0.8c時(shí)，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1.7倍，這時(shí)經(jīng)典力學(xué)就不再適用

4、了。（2）如地球以v30kms的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，m=l 010 lOlmo，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略不計(jì)。 速度合成與兩個(gè)公設(shè)。一條河流中的水以相對河岸的速度v水岸 流動(dòng)，河中的船以相對于河水的速度v船水順流而下，在經(jīng)典力學(xué)中，船相對于岸的速度即為v船岸=v船水+v水岸 經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這簡直是天經(jīng)地義的，但是，仔細(xì)一看，這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè)不同的慣性參考系，而速度總是與位移(空間長度)及時(shí)間間隔的測量相聯(lián)系，在牛頓看來，位移和時(shí)間的測量與參考系無關(guān)，正是在這種時(shí)空的觀念下，上式才成立，然而，相對論認(rèn)為，同一過程的位移和時(shí)間的測量在不同的參考系中是不同的，因而上式不能成立，經(jīng)典力學(xué)也就不再

5、適用了。（1）相對性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。（2）光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速都一樣。經(jīng)典力學(xué)是適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體還是適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體呢？（適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體）閱讀教材科學(xué)漫步部分，體會(huì)時(shí)間和空間是什么？2、從宏觀到微觀請同學(xué)們閱讀教材“從宏觀到微觀”部分，并說明經(jīng)典力學(xué)是適用于宏觀物體還是微觀物體。（19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，面且具有波動(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年代，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)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)

6、揮了重要作用。經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子。相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義？（相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識(shí)更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義，它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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。）3、從弱引力到強(qiáng)引力請同學(xué)們閱讀教材“從弱引力到強(qiáng)引力”部分，并回答問題：何為弱引力？何為強(qiáng)引力？（萬有引力屬于弱引力，利用萬有引力定律可以解釋天體的運(yùn)動(dòng)，并預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星，首次把天上的星體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與地面物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來。）愛因斯坦引力理論表明，當(dāng)天體半徑減小到一定程度時(shí)(太陽

7、的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m)，天體間的引力就趨于無窮大。討論與交流（1）實(shí)際的天文觀測，行星的運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)，經(jīng)典力學(xué)的解釋令人滿意嗎？（用什么理論來圓滿地進(jìn)行了解釋？按牛頓的萬有引力定律推算，行星的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際觀測結(jié)果不符，經(jīng)典力學(xué)也能作出一些解釋，但是，水星旋進(jìn)的實(shí)際觀測值比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多，經(jīng)典力學(xué)的解釋不能令人滿意。）愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計(jì)算出水星近日點(diǎn)的旋進(jìn)還應(yīng)有43的附加值，同時(shí)還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時(shí)，如經(jīng)過太陽附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且都被觀測證實(shí)。（2）何

8、為天體的引力半徑？假定一個(gè)球形天體的質(zhì)量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會(huì)增加，當(dāng)引力趨于無窮大時(shí)，被壓縮天體半徑接近的值“引力半徑”。 只要天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的理論計(jì)算出的力的差異并不很大，但當(dāng)天體的實(shí)際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)引力的情況下，牛頓的萬有引力理論將不再適用。 對于這樣的科學(xué)發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說，科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤”這種調(diào)佩倒也不失為一種幽默的表述。（3）歷史上的科學(xué)成就與新的科學(xué)成就的關(guān)系是什么?歷史上的科學(xué)成就不會(huì)被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新

9、的科學(xué)成就之中，如：當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c(3X108ms)時(shí)，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(663X10-34J·s)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別，相對論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，面只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。實(shí)例探究例1：以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用？參考答案：經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合建立了天體力學(xué)；經(jīng)典力學(xué)和工程實(shí)際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學(xué)，如水利學(xué)，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。從地面上各種物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)：從大氣的流動(dòng)

10、到地殼的變動(dòng)：從攔柯筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械；從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。例2：以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么？參考答案：經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)問題，不能用來處理高速運(yùn)動(dòng)問題，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子：經(jīng)典力學(xué)只適用于解決弱引力問題，不能用來處理強(qiáng)引力問題。課堂訓(xùn)練（1）20世紀(jì)初，著名物理學(xué)家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學(xué)的一些結(jié)論，在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是 的，而相對論指出質(zhì)量隨著速度變化而 。（2）20世紀(jì)初期，建立了 ，它能夠正確地描述微觀粒子的

11、運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（3）經(jīng)典力學(xué)只適用于解決 問題，不能用來處理問題，經(jīng)典力學(xué)只適用于物體，一般不適用于 。（4）微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不僅具有 性同時(shí)具有波動(dòng)性它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明要增強(qiáng)正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要用 。（5）牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于 物體的運(yùn)動(dòng)，狹義相對論闡述物體在以 的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律。參考答案（1）狹義相對論 固定不變 變化 （2）量子力學(xué) （3）低速運(yùn)動(dòng) 高速運(yùn)動(dòng) 宏觀 微觀粒子（4）粒子 量子力學(xué) （5）宏觀、低速 接近光速小結(jié)本節(jié)學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的局限性：（1）從低速到高速：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量m是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨著物體的運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。即（2）從宏觀到微觀：相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并不說明經(jīng)典力學(xué)失去了意義，只說明它有一定的適用范圍：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。（3）從弱引力到強(qiáng)引力：相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只是認(rèn)為科學(xué)