高中物理-6 經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)情分析教材分析課后反思

新課導(dǎo)入自從17世紀(jì)以來(lái)，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)不斷發(fā)展，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，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(wàn)能的，像其他科學(xué)一樣，它也有一定的適用范圍，有自己的局限性．那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢？有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來(lái)了解這方面的知識(shí)．一、經(jīng)典力學(xué)及其局限性1.基本知識(shí)（1）從低速到高速①經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就．②狹義相對(duì)論闡述物體以接近光的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律．③在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，而狹義相對(duì)論指出，質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，即，兩者在速度遠(yuǎn)小于光速的條件下是統(tǒng)一的．（2）從宏觀到微觀①19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性.20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立，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)揮了重要作用．②經(jīng)典力學(xué)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①1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這是一種新的時(shí)空與引力的理論．在強(qiáng)引力的情況下，牛頓引力理論不再適用．②當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108

m/s)時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．2．思考判斷（1）洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6

000

m/s，此速度在相對(duì)論中屬于高速．(×)（2）質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時(shí)候都不會(huì)變．(×)（3）對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大．(√)探究交流（1）牛頓第二定律屬經(jīng)典力學(xué)理論，它在高速世界還適用嗎？（2）相對(duì)論、量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)嗎？【提示】（1）在高速世界中，物體的質(zhì)量隨著速度的增加而變大，物體的加速度不一定與它所受的外力成正比，牛頓第二定律不再適用．（2）相對(duì)論、量子力學(xué)沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論、量子力學(xué)在一定條件下的特例.二、速度對(duì)質(zhì)量的影響【問(wèn)題導(dǎo)思】1．低速、高速是如何界定的？2．物體在高速狀態(tài)下，質(zhì)量與速度是什么關(guān)系？3．速度對(duì)物理規(guī)律有什么影響？1．低速與高速的概念（1）低速：遠(yuǎn)小于光速的速度為低速，通常所見(jiàn)物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)．（2）高速：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．2．速度對(duì)質(zhì)量的影響（1）在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨速度而變．根據(jù)牛頓第二定律F＝ma知，物體在力F作用下做勻變速運(yùn)動(dòng)，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，物體的運(yùn)動(dòng)速度就可以增加到甚至超過(guò)光速c.（2）愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即其中m0為物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速．在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量的測(cè)量是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)的．3．速度對(duì)物理規(guī)律的影響對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來(lái)處理．對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)典力學(xué)已不再適用，需要用相對(duì)論知識(shí)來(lái)處理．1．狹義相對(duì)論中，物體在靜止時(shí)質(zhì)量最小，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，它的質(zhì)量也在不斷變大，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體，牛頓定律已不再適用．2．根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)速關(guān)系，若某物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速c，它的質(zhì)量應(yīng)是無(wú)窮大，這顯然不符合事實(shí)，光速c是所有物體的最大速度．例：一個(gè)原來(lái)靜止的電子，經(jīng)電壓加速后，獲得的速度v＝6×106

m/s.關(guān)于電子的質(zhì)量的變化，下列說(shuō)法正確的是()A．不變B．減少C．增大了0.02%

D．增大了0.2%【審題指導(dǎo)】電子的速度6×106

m/s已接近光速，由愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論可知，電子的質(zhì)量將有所增加，越接近光速越顯著．【答案】C誤區(qū)警示物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系從愛(ài)因斯坦的相對(duì)論可知：物體的速度越大，它的質(zhì)量就越大．當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，其質(zhì)量的變化可以忽略；當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，質(zhì)量變化將很明顯，其質(zhì)量變化不可忽略．三、經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)的比較【問(wèn)題導(dǎo)思】1．經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的適用范圍一樣嗎？2．在經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論中，速度對(duì)質(zhì)量有什么影響？3．經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)有什么聯(lián)系？例：以下說(shuō)法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B．經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變D．相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論【答案】BC四、光速不變?cè)淼膽?yīng)用例：設(shè)某人在以速度0.5c飛行的飛船上打開一個(gè)光源，則下列說(shuō)法正確的是()A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是0.5cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【答案】D規(guī)律總結(jié)1．光速不變?cè)恚簮?ài)因斯坦的狹義相對(duì)論指出，在一切慣性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣，即光在所有的慣性參考系中的傳播速度均是光速．2．速度合成的關(guān)系式v船岸＝v船水＋v水岸只適用于低速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系，對(duì)于接近光速的高速運(yùn)動(dòng)物體，該關(guān)系式已不再適用，此時(shí)應(yīng)根據(jù)光速不變?cè)砣ソ鉀Q問(wèn)題．

學(xué)生尚未學(xué)習(xí)相對(duì)論、量子理論的基本內(nèi)容,本節(jié)教學(xué)也不需要學(xué)生真正領(lǐng)會(huì)現(xiàn)代物理學(xué)的內(nèi)涵,只需要初步了解現(xiàn)代物理學(xué)涉及的幾個(gè)具體問(wèn)題的具體結(jié)論即可。盡管要求不高,但實(shí)際上因?yàn)樾迈r生疏信息量過(guò)大、知識(shí)過(guò)于抽象和不合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn),學(xué)生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教師的觀點(diǎn),形成初步印象,為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定一個(gè)心理印象基礎(chǔ)。同時(shí),教材設(shè)計(jì)了“科學(xué)漫步”、“科學(xué)足跡”這兩個(gè)欄目,分別介紹了狹義相對(duì)論的時(shí)空觀和牛頓科學(xué)研究的生涯與方法。節(jié)是第六章的總結(jié)性的內(nèi)容，也是介紹性質(zhì)的內(nèi)容，以萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)為核心，向宇宙學(xué)發(fā)展歷史的兩頭延伸。經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，而萬(wàn)有引力定律更是建立在牛頓物理學(xué)的基礎(chǔ)上。教學(xué)過(guò)程中應(yīng)先向?qū)W生介紹什么是經(jīng)典力學(xué)，就以前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括整個(gè)高中階段所學(xué)習(xí)的范圍都屬于經(jīng)典力學(xué)：宏觀，低速，弱引力。考試要考的也就是這句話，學(xué)生掌握就可以了，但作為擴(kuò)展知識(shí)面的課還得細(xì)說(shuō)。從低速到高速，我們的世界就是低速世界即速度遠(yuǎn)小于光速世界，同時(shí)讓學(xué)生了解物理學(xué)的體系中還有愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論知識(shí)即接近光速甚至大于光速的世界，以故事趣味性讓學(xué)生了解三大效應(yīng)：質(zhì)量增大，長(zhǎng)度收縮，時(shí)間延緩。從宏觀到微觀，讓學(xué)生了解還有量子力學(xué)的知識(shí)。經(jīng)典力學(xué)是從日常生活中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的規(guī)律,因此所觀察到的物體都是宏觀的.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,超出宏觀的日常生活經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域,發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性,而且具有波動(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)代科技中發(fā)揮了重要作用.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)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.從弱引力到強(qiáng)引力的內(nèi)容中，引導(dǎo)學(xué)生了解愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，這是一種新的時(shí)空觀與引力理論，這是對(duì)牛頓萬(wàn)有引力的修正，從而體會(huì)任何一個(gè)知識(shí)都是在修修補(bǔ)補(bǔ)中逐漸完善的。第六節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性一、教材及學(xué)情分析本節(jié)書在整個(gè)高中物理一到六章“運(yùn)動(dòng)和力”部分的最后一節(jié),對(duì)于經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)部分——牛頓定律和萬(wàn)有引力定律,學(xué)生都有了較為熟悉的了解,為了讓學(xué)生對(duì)經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和現(xiàn)代物理學(xué)的成就有一個(gè)總體性的了解,教材設(shè)計(jì)了這一節(jié)書。因此,本節(jié)書的教學(xué)目的在于讓學(xué)生接觸和了解相關(guān)內(nèi)容,防止學(xué)生對(duì)經(jīng)典力學(xué)形成迷信,同時(shí)也對(duì)物理學(xué)理論發(fā)展的邏輯有初步的認(rèn)知。由于學(xué)生尚未學(xué)習(xí)相對(duì)論、量子理論的基本內(nèi)容,本節(jié)教學(xué)也不需要學(xué)生真正領(lǐng)會(huì)現(xiàn)代物理學(xué)的內(nèi)涵,只需要初步了解現(xiàn)代物理學(xué)涉及的幾個(gè)具體問(wèn)題的具體結(jié)論即可。盡管要求不高,但實(shí)際上因?yàn)樾迈r生疏信息量過(guò)大、知識(shí)過(guò)于抽象和不合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn),學(xué)生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教師的觀點(diǎn),形成初步印象,為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定一個(gè)心理印象基礎(chǔ)。一、單項(xiàng)選擇題(本題包括6小題)

1.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)(

)

A.京滬高鐵在疾馳

B.神舟號(hào)飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)

C.“螢火一號(hào)”火星探測(cè)器著陸

D.微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)

2.下列說(shuō)法正確的是(

)

A.在不同的慣性系中，物理規(guī)律可能不同

B.不論在何種參考系中，牛頓定律都是適用的

C.在真空中，光的速度與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)

D.在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速率都相同

3.(2011?南京高一檢測(cè))下列說(shuō)法正確的是(

)

A.光速不變?cè)硎仟M義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)之一

B.由相對(duì)論知：m=

，則物體的速度可以達(dá)到光速，此時(shí)其質(zhì)量為無(wú)窮大

C.在地面附近有一高速飛過(guò)的火箭，地面上的人觀察到火箭長(zhǎng)度變長(zhǎng)了

D.根據(jù)狹義相對(duì)論，力學(xué)規(guī)律在不同參考系中是不同的

4.如圖所示，a、b、c為三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，則地面的觀察者認(rèn)為走得最慢的時(shí)鐘為(

)

A.a

B.b

C.c

D.無(wú)法確定

5.在正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，需將電子加速到很大的速度，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(

)

A.電子在加速過(guò)程中質(zhì)量不變

B.電子在加速過(guò)程中質(zhì)量減小

C.電子的速度可以達(dá)到1.9c

D.電子的速度不可能達(dá)到c

6.關(guān)于愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系式,下列說(shuō)法中正確的是(

)

A.E=mc2中的E是物體以光速c運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能

B.E=mc2是物體的核能

C.E=mc2是物體各種形式能的總和

D.由ΔE=Δmc2知,減少的質(zhì)量Δm轉(zhuǎn)化成能量ΔE放出

二、非選擇題(本題包括2小題，要有必要的文字?jǐn)⑹?

7.(挑戰(zhàn)能力)在某慣性系中測(cè)得相對(duì)該慣性系靜止的立方體的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0，另一慣性系以相對(duì)速度v平行于立方體的一邊運(yùn)動(dòng).問(wèn)在后一慣性系中的觀察者測(cè)得的該立方體體積是多少？8.用質(zhì)子轟擊鋰核，生成兩個(gè)α粒子，若用mp表示質(zhì)子的靜止質(zhì)量，m表示鋰核的靜止質(zhì)量，mα表示α粒子的靜止質(zhì)量，則此核反應(yīng)釋放的能量為多少？答案解析

1.【解析】選D.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng),故經(jīng)典力學(xué)對(duì)A、B、C都能適用,對(duì)D不適用.

2.【解析】選D.在任何慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的，A錯(cuò)誤.牛頓定律僅適用于慣性系，B錯(cuò)誤.在任何慣性系中，光在真空中的傳播速度都一樣，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤，D正確.

3.【解析】選A.光速不變?cè)硎仟M義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)之一，A正確.物體運(yùn)動(dòng)的速度不可能達(dá)到光速，物體質(zhì)量也就不可能為無(wú)窮大，B錯(cuò)誤.地面上的人觀察高速飛過(guò)的火箭，火箭長(zhǎng)度應(yīng)變短了，C錯(cuò)誤.根據(jù)狹義相對(duì)論，力學(xué)規(guī)律在不同慣性參考系中是相同的，D錯(cuò)誤.

4.【解析】選C.根據(jù)公式Δt=

可知，相對(duì)于觀察者的速度v越大，其時(shí)間進(jìn)程越慢，由vc>vb>va=0，知c時(shí)鐘走得最慢.

獨(dú)具【方法技巧】

時(shí)間延緩效應(yīng)的分析方法

在狹義相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘與靜止時(shí)鐘的關(guān)系為

Δt=

，由于v<c，故Δt>Δt′，即運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間的延緩效應(yīng).在分析該類問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)分清哪是運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘，然后再根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)公式進(jìn)行分析，另外，只有在運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，這種效應(yīng)才有明顯的效果，而在宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)情況下，此效應(yīng)幾乎顯示不出來(lái)，也就沒(méi)有必要考慮了.

5.【解析】選D.由狹義相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系知，速度越大，質(zhì)量越大，A、B錯(cuò)誤.由于電子的運(yùn)動(dòng)速度不可能達(dá)到光速c，故C錯(cuò)誤、D正確.

6.【解析】選D.愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=mc2,只是說(shuō)明物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系.物體的能量增大了,質(zhì)量也增大;能量減小了,質(zhì)量也減小,故A、B、C錯(cuò)誤,D正確.

7.【解析】由狹義相對(duì)論知，在運(yùn)動(dòng)方向上，觀察者測(cè)得的立方體的長(zhǎng)度L=

L0

，而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上，測(cè)得的立方體的長(zhǎng)度不變，所以立方體的體積V=

.

答案：

8.【解析】核反應(yīng)中有能量放出，因此有質(zhì)量虧損，由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程得

ΔE=Δmc2

而Δm=mp+m-2mα

所以ΔE=(mp+m-2mα)c2

答案：(mp+m-2mα)c2本節(jié)課的授課內(nèi)容特殊，并不是物理常規(guī)的課程，而是重在物理學(xué)史，所以教學(xué)模式的可復(fù)制性不強(qiáng)，但這是一個(gè)很好的開始，課堂拉近了學(xué)生與老師的距離，激發(fā)起學(xué)生對(duì)知識(shí)的渴望，讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望，這是所有老師都很享受的一種教學(xué)狀態(tài)，它并不只作用于這一節(jié)課上，還會(huì)延續(xù)到下一節(jié)，甚至整章的學(xué)習(xí)中讓學(xué)生的學(xué)習(xí)變成一種良好的自主學(xué)習(xí)模式。在今后