2024-2024年高中物理 第六章 万有引力与航天 6.6经典力学的局限
性教学案 新人教版必修2
班级________姓名________学号_____
学习目标:
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。 4、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。
5、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。
学习重点:
牛顿运动定律的适用范围
学习难点:
高速运动的物体，速度和质量之间的关系
主要内容:
（一）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，向其它科学一样，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。
（二）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=l0（通称尺缩效应）
1?vc2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，l0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t0分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间；m0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< 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 t0t= （钟慢效应） 2 1?vm0c2m=（质—速效应） 2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? 【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 基础巩固 1．下列说法正确的是（ ） ①爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律 ②爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律 ③牛顿力学的运动定律研究的是物体在低速运动时所遵循的规律 ④牛顿力学的运动定律研究的是物体在高速运动时所遵循的规律 A.①③ B.②④ C.①④ D.②③ 2．下列说法正确的是（ ） 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，物体的质量随运动速度的增加而减小，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的增大而增大 D.上述说法都是错误的 3．关于狭义相对论和经典力学，下面说法中正确的是（ ） A．狭义相对论和经典力学是相互对立，互不相容的两种理论 B．狭义相对论和经典力学其实是同一理论 C．在物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律 D.上述说法都是错误的 4．关于经典力学和量子力学，下面说法中正确的是（ ） 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 强化提高 5．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验结果之间出现了较大的偏差 6．对于时空观的认识，下列说法正确的是（ ） A．相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律 B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例 C．经典物理学在自己的适用范围内还将继续发挥作用 D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验 7．下列关于经典力学说法正确的是（） A．实证科学方法的建立标志着自然科学从哲学形态中分离出来了 B．现代科学依赖实验科学方法取得了辉煌的成就与胜利 C．伟大的科学成就总是伴随着独特的研究方法和崇高的科学精神 D．牛顿在科学研究中采用的重要的科学方法为：分析方法和综合方法 参考答案： 基础巩固 1．D．爱因斯坦的狭义相对论对高速运动和低速运动都适用，牛顿力学只适用于低速运动。 2．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的增大而增大，二者在速度远小于光速时是统一的。 3．B．狭义相对论和经典力学在速度远小于光速时是统一的。爱因斯坦的狭义相对论对高速运动和低速运动都适用，牛顿力学只适用于低速运动。 4．C．在微观世界里，粒子的波粒二象性牛顿力学无能为力。5. A在球体的实际半径远大于引力半径时，根据爱因斯坦 的理论和牛顿的引力理论计算出的力差异并不很大。 强化提高 5．ABCD．点拨：经典力学理论的历程曲折及成果显著，也存在一些局限性． 6．ABCD．点拨：相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用． 7．ABCD点拨：经典力学的科学思想和科学方法是崇高的科学精神和实证科学方法，牛顿在科学研究中采用的重要的科学方法为：分析方法－和综合方法． 课后作业 阅读教材48页“科学足迹”栏目中的短文《牛顿的科学生涯》体会和学习牛顿献身科学的精神。 阅读材料： 爱因斯坦的主要科学成就 1创立了狭义相对论．这个理论揭示了空间和时间的联系，引起了物理学的革命．同年 又提出了质能相当关系，在理论上为原子能时代开辟了道路． 2发展了量子理论．他在1905年提出了光的量子论，并因此获得了l921年的诺贝尔物理学奖．以后他又陆续发表文章提出受激辐射理论(1916年)，并发展了量子统计理论(1924年)． 3·建立了广义相对论．他在1915年建立的广义相对论，揭示了空间、时间、物质、运动的统一性，以及几何学和物理学的统一性，解释了引力的本质，从而为现代天体物理学和宇宙学的发展打下了重要的基础 此外，他对布朗运动的研究(1905年)，为气体动理论的最后胜利做出了贡献．他还开创 了现代宇宙学，他努力探索统一场论的思想，指明了现代物理学发展的一个重要方向． 爱因斯坦之所以能取得这样伟大的科学成就，应该归因于他那勤奋、刻苦的工作态度和 求实、严谨的科学作风，更应该归因于他那对一切传统和现成的知识所采取的独立的批判精 神他不因循守旧，不迷信权威，敢于离经叛道，敢于创新．他提出科学假设的胆略之大，令人惊奇，但这些假设又都是他的科学作风和创新精神的结晶．除了他非凡的科学理论贡献之 外，这种伟大革新家的创新精神也是他给人们留下的一份宝贵的遗产． 爱因斯坦的精神境界高尚．在巨大的荣誉面前，他从不把自己的成就全部归功于自己， 总是强调前人的工作为他创造了条件．他曾说过：“人是为别人而生存的．”．-人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义．“一个获得成功的人，从他的同胞那里所取得的总无可比拟地超过他对他们所作的贡献．然而看一个人的价值，应当看他贡献什么，而不应当看他取得什么．” 量子力学的应用 量子理论不仅使人们对自然的认识发生了又一次重大变革，而且也延伸到微观领域研究的各个方面．在这个理论指导下形成的技术产品，既有力地帮助了人们有效地进行科学研究和经济建设，也改善和丰富了人们的社会生活。 利用光电效应中光电流与入射光强度成正比的特性，可以制造光电转换器，实现光信号 与电信号之间的相互转换．这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记 录、电影、电视、自动控制，以及遥感、遥测等诸多方面．光电池也是一种光电转换器，它是人造卫星和飞船的主要电源，也是人类正在开发的新能源． 量子理论的发展，不但使人们对激光产生机理的认识愈加深入，而且为寻求具有更加优 异特性的新型光电子材料，充分利用成熟的微电子工艺制造出功耗低、响应快、寿命长、兼容性好的激光器提供了理论依据，使激光被更加广泛地应用于科研、生产和生活．没有激光技术的发展，我们现在就不会拥有CD、VCD、DVD，计算机中也不会有大容量的光存储器． 利用无线电波通信是众所周知的．光既是粒子，又具有电磁波的特性，由于频率高，如果用作通信，其容量将比无线电波更大．激光器问世后，科学家就对利用激光通信进行了艰苦的探索．l966年，英籍华裔学者高锟提出用光导纤维取代传统的电缆传送信息的设想，从此奠定了光纤通信的物质基础．而光纤通信的理论基础，则与量子理论有关． 根据量子理论制造的扫描隧道显微镜，可看到单个原子图像． 此外，核能的利用也与量子理论有关． 可以说，当今世界离不开量子理论，现代科学技术也离不开量子理论的支持．
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