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2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第6節(jié) 經(jīng)典力學的局限性 教案 三維目標 知識與技能 1．知道牛頓運動定律的適用范圍； 2．了解經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用； 3．知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運動中必須考慮速度隨時。 過程與方法 通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學的認識是無止境的。 情感、態(tài)度與價值觀 通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神。 教學重點 牛頓運動定律的適用范圍。 教學難點 高速運動的物體，速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。 教學方法 探究、講授、討論、練習 教具準備 多媒體課件 教學過程 ［新課導入］ 經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括天體力學的研究中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。著名物理學家楊振寧曾贊頌道：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》在1687年出版的那一天?！? 是的，從地面上物體的運動到天體的運動；從大氣的流動到地殼的變動；從攔河筑壩，修建橋梁到設(shè)計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動；從投出籃球到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從經(jīng)典力學的規(guī)律。經(jīng)典力學在如此廣闊的領(lǐng)域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和經(jīng)典力學的魅力。 但是，像一切科學一樣，經(jīng)典力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性，它像一切科學理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。 那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢？有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識。 ［新課教學］ 一、從低速到高速 請同學們閱讀教材“從低速到高速”部分，回答低速與高速的概念、質(zhì)速關(guān)系、速度合成的兩個公式。 1．低速與高速 （1）低速運動 經(jīng)典力學中各種物體的運動，速度都遠小于真空中的光速。處理這些運動，經(jīng)典力學完全適用。通常所見的物體的運動皆為低速運動，如行駛的汽車，發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。 物體運動的速度遠小于光速的運動，稱為低速運動。 （2）高速運動 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．質(zhì)速關(guān)系 20世紀初，著名物理學家愛因斯坦建立了狹義相對論。狹義相對論闡述物體在以接近光的速度運動時所遵從的規(guī)律。它得出了一些不同于經(jīng)典力學的觀念和結(jié)論。 例如，在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨著物體運動速度的增大而增大，即 式中m0是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。 依上式計算，在低速運動中，如地球以3104 m/s的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略，經(jīng)典力學完全適用。但如果物體的速度接近光速c，如速度v＝0.8c時，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1.7倍。這時，經(jīng)典力學就不適用了。 3．速度合成與時空觀 （1）速度合成公式 一條河流中的水以相對河岸的速度v水岸 流動，河中的船以相對于河水的速度v船水順流而下，在經(jīng)典力學中，船相對于岸的速度即為 v船岸＝v船水＋v水岸 經(jīng)驗告訴我們，這簡直是天經(jīng)地義的，但是，仔細一看，這個關(guān)系式涉及兩個不同的慣性參考系，而速度總是與位移（空間長度）及時間間隔的測量相聯(lián)系，在牛頓看來，位移和時間的測量與參考系無關(guān)，正是在這種時空的觀念下，上式才成立，然而，相對論認為，同一過程的位移和時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)典力學也就不再適用了。 （2）時空觀 ①經(jīng)典力學的絕對時空觀 經(jīng)典力學認為時間和空間是相互獨立的，對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。 ②狹義相對論基本原理 A．愛因斯坦相對性原理：物理定律在所有慣性參考系內(nèi)都是等價的。 B．光速不變原理：在所有慣性系中，光在真空中的速度恒等于。 ③狹義相對論時空觀 A．同時性的相對性 在一個慣性系中測得是同時發(fā)生的兩件事，在另一慣性系中測量可能不是同時發(fā)生的。 B．時間測量（間隔）的相對性──時間延緩 若在一慣性系內(nèi)同一地點，先后發(fā)生兩事件時間間隔Δt0 （稱原時或固有時），在以相對速率v運動的另一慣性系內(nèi)測得時間間隔為Δt，則有 C．空間測量的相對性──長度收縮 當棒沿兩個慣性系相對運動方向放置，在相對棒靜止的慣性系內(nèi)測得棒的長度為Δl0（稱原長或固有長度），在相對棒以v運動的慣性系里測得棒的長度為Δl，則有 二、從宏觀到微觀 1．經(jīng)典力學只適用于宏觀世界，量子力學適用于微觀世界 19世紀末和20世紀初，物理學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，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學來說明。20世紀20年代，建立了量子力學，它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。這就是說，經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子。 2．經(jīng)典力學有它的適用范圍 相對論和量子力學的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學失去了意義，它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍。 經(jīng)典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。 三、從弱引力到強引力 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運動的規(guī)律，并預言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星，它還首次使地面物體的運動規(guī)律與天上的星體運動規(guī)律統(tǒng)一起來，把經(jīng)典力學推上了當時科學的頂峰。 1．行星軌道的旋進 按牛頓的萬有引力定律推算，行星的運動應(yīng)該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動。然而，實際的天文觀測告訴我們，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，如圖所示。 經(jīng)典力學可以對此做出一些解釋。不過，水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預言值多。自19世紀以來，這個問題就引起了科學界的注意，但得不到令人滿意的解釋。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這是一種新的時空與引力的理論。他根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應(yīng)有每百年43″的附加值，同時還預言光線在經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，這些都被觀測證實。 2．天體的引力半徑 假定一個球形天體的質(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增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值──“引力半徑”。 根據(jù)牛頓萬有引力定律，假定一個球形天體的總質(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增加。半徑減小到原來的二分之一，引力增到原來的四倍。愛因斯坦引力理論表明，這個力實際上增加得更快些。天體的半徑越小，這種差別越大。根據(jù)牛頓的理論，當天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個點時，引力趨于無窮大。愛因斯坦的理論則不然，引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個“引力半徑”的時候。這個引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定，例如太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m。 因此，只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大。但當天體的實際半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大。這就是說，在強引力的情況下，牛頓引力理論將不再適用。所以，萬有引力定律只適用于弱引力。 對于這樣的科學發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說：“科學總是從正確走向錯誤?！边@種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述。 3．歷史上的科學成就與新的科學成就的關(guān)系 歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c（3108 m/s）時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別；當另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h（6.6310－34Js）可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別。相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。 相對論和量子力學是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道…… ［小結(jié)］ 本節(jié)學習了經(jīng)典力學的局限性： （1）從低速到高速：在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨著物體的運動速度的增大而增大。 （2）從宏觀到微觀：相對論和量子力學的出現(xiàn)，并不說明經(jīng)典力學失去了意義，只說明它有一定的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。 （3）從弱引力到強引力：相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別．相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只是認為科學在一定條件下有其特殊性，經(jīng)典力學只適用于弱引力，不適用于強引力。 ［布置作業(yè)］ 略。 板書設(shè)計 6．經(jīng)典力學的局限性 一、從低速到高速 1．低速與高速 （1）低速運動 物體運動的速度遠小于光速的運動，稱為低速運動。 （2）高速運動 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．質(zhì)速關(guān)系 3．速度合成與時空觀 （1）速度合成公式 v船岸＝v船水＋v水岸 （2）時空觀 ①經(jīng)典力學的絕對時空觀 經(jīng)典力學認為時間和空間是相互獨立的，對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。 ②狹義相對論基本原理 A．愛因斯坦相對性原理：物理定律在所有慣性參考系內(nèi)都是等價的。 B．光速不變原理：在所有慣性系中，光在真空中的速度恒等于。 ③狹義相對論時空觀 A．同時性的相對性 B．時間測量（間隔）的相對性──時間延緩 C．空間測量的相對性──長度收縮 二、從宏觀到微觀 1．經(jīng)典力學只適用于宏觀世界，量子力學適用于微觀世界 2．經(jīng)典力學有它的適用范圍 經(jīng)典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。 三、從弱引力到強引力 1．行星軌道的旋進 2．天體的引力半徑 假定一個球形天體的質(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增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值──“引力半徑”。 3．歷史上的科學成就與新的科學成就的關(guān)系