6.6经典力学的局限性

教学课题： 6.6经典力学的局限性课时：一课时教师：教学重点了解经典力学的局限性．教学难点了解相对论、量子力学与经典力学的关系．三维目标知识与技能1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围．2．知道相对论、量子力学和经典力学的关系．过程与方法经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义．情感态度与价值观1．了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与摒弃．2．通过时间与空间的问题，激励学生对未来的探索．教学过程导入新课情景导入情境1《原理》将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑，它向我们揭示了最伟大的宇宙定律．这部著作是高于人类一切其他思想产物的杰作，这个简单而普遍的定律的发现，因为它囊括对象之巨大和多样性，给予人类智慧以光荣．——18、19世纪法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯拉普拉斯威廉·汤姆生情境2“科学大厦已经基本建成”，“后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了．”“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云．”——19世纪著名的英国物理学家威廉·汤姆生踌躇满志地宣告情境3牛顿啊，请原谅我！你所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路．你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理学思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地理解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念．——爱因斯坦情境4科学总是从正确走向错误．——英国剧作家萧伯纳诙谐地说以上名人名言，对你有何启示？问题导入假如你驾驶一辆时速为100 km/h的越野车，一位乘客以相对你10 km/h的速度用弹弓射击前面的岩石，那么弹珠的实际速度就应该是110 km/h.可是，如果打开前车灯，按照常识，光速是1.079 145×109 km/h，加上车的运动速度，光的实际速度应该大于1.079 145×109km/h，可实际测量光速还是1.079 145×109km/h，为什么同样的参考系光和实际物体得到的结果不同呢？学了本节内容后，你便知道其原因了．推进新课教师利用多媒体展示课件，使学生带着问题阅读课文，然后解决问题．问题：经典力学的成就有哪些？学生阅读课文，交流、讨论、回答．总结：1.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃．2．经典力学的基础，在以后的二百多年里几乎统治了物理学的各个领域．3．经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就．4．18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命．5．由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例．点评：通过该问题探究促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勤于思考，培养其学科探究能力，使其逐步形成科学态度．教师引导学生领悟任何科学都不会穷尽一切真理，都有其局限性．经典力学也一样，从而引出经典力学的局限性．一、从低速到高速问题：1.在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？2．狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？3．在经典力学和狭义相对论中，位移和时间的测量在不同参考系中有何区别？学生带着问题阅读课文，分组讨论、归纳．明确：1.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增大而增大．2．m ＝m 01－v 2c2 .m 0：物体静止时的质量，m ：物体速度为v 时的质量，c 是真空中的光速．3．在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的．练习1如果真空中的光速为c ＝3.0×108 m/s ，当一个物体的运动速度为v 1＝2.4×108 m/s 时，质量为3 kg.当它的速度为1.8×108 m/s 时，质量为多少？解析：根据狭义相对论，m ＝m 01－v 2c2，由题意知： m 1＝m 01－(v 1c )2，m 2＝m 01－(v 2c)2， 所以m 1m 2＝1－v 22c 21－v 21c 2＝4535＝43，所以m 2＝34m 1＝94 kg ＝2.25 kg. 答案：2.25 kg练习2继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论．这说明( )．①世界无限广大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分 ②人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界 ③人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化④每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识A ．①②③④B ．①②③C ．①③④D ．②③解析：发现总是来自于认识过程，观点总是为解释发现而提出的．主动认识世界，积极思考问题，追求解决(解释)问题，这是科学研究的基本轨迹．任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的制约，所以所形成的“正确理解”都有一定的局限性．爱因斯坦的相对论理论是对牛顿力学的理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战．所以正确选项为D.答案：D练习3．下列说法中正确的是( )．A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题．搞清牛顿运动定律和经典力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围，才能正确解决此类问题．所以选B.答案：B二、从宏观到微观问题：经典力学的适用范围是什么？学生活动：阅读课文，寻找答案，回答问题．结论：19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，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，并在现代科技中发挥了重要作用．相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围：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．三、从弱引力到强引力问题：(课件展示)1．经典力学与行星轨道的矛盾是什么？2．由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？3．归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异．4．经典力学和相对论及量子力学的关系如何？学生阅读课文，分组讨论，合作探究，代表发言．教师活动：点评学生的发言，因课本上内容并不全面，教师在点评过程中要补充一些内容．归纳：1.经典力学与行星轨道的矛盾按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动．实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合得很好．2．经典力学只适用于弱引力，而不适用于强引力．3．牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异(1)牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大．(2)爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候．(3)只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的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，牛顿引力理论将不再适用．(4)行星的运动，在近日点和远日点，引力的变化规律不完全相同，导致轨道不闭合，近日点旋进．4．经典力学和相对论及量子力学的关系经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学之中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学．练习4、20世纪以来，人们发现了一些事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于解决物体的______问题，不能用来处理______运动问题；只适用于______物体，一般不适用于______粒子．这说明人们对客观事物的具体认识在广度上是有______的，人们应当____________________________________．解析：人们对客观世界的认识要受到他所处时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．答案：低速运动高速宏观微观局限性不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律练习5、19世纪末和20世纪初以来，物理学的研究深入到________，发现______、______、______等微观粒子不仅有______，而且有______，它们的运动规律不能用经典力学来说明．答案：微观世界电子质子中子粒子性波动性课堂小结通过对万有引力定律的学习，我们了解了万有引力定律的辉煌成就，但是通过本节的学习，我们又了解到它并没有穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现．在本节的学习过程中，我们从三个方面体会经典力学的局限性：①从低速到高速；②从宏观到微观；③从弱引力到强引力．布置作业1．阅读教材科学足迹中牛顿的科学生涯．2．从网上查阅有关经典力学、量子力学、相对论的资料．板书设计6.6经典力学的局限性1．从低速到高速：经典力学适用于低速2．从宏观到微观：经典力学适用于宏观物体3．从弱力到强力：万有引力定律适用于弱力。

6.6 《经典力学的局限性》学案【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。

【重点难点】1.牛顿运动定律的适用范围。

2.高速运动的物体，速度和质量之间的关系。

【课前预习】1．经典力学认为，物体的质量与物体的运动状态；而狭义相对沦认为，物体的质量随着它的速度的增大而，若一个物体静止时的质量为，则当它以速度运动时，共质量m= 。

2.每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由决定；只要天体实际半径它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异。

但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异。

3.19世纪末和20世纪以来，物理学的研究深入到，发现、、等微观粒子不仅有、，而且有，它们的运动规律不能用经典力学来说明。

[堂中互动][问题探究1]经典力学发展和伟大成就[教师点拨]经典力学发展经历了三个阶段：第一阶段是在伽利略、牛顿时代之前，人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学；第二阶段是从伽利略到牛顿，是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础。

如伽利略、笛卡儿对惯性的研究发现了惯性定律和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想，开普勒对天体运动的研究发现了行星运动三定律，为万有引力定律奠定基础，惠更斯对碰撞问题的研究等。

第三阶段是牛顿之后经典力学的新发展，后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善。

经过几百年的发展和完善，经典力学取得了伟大成就：1.1687年，牛顿在前人的基础上发表了《自然哲学的数学原理》，这是一部奠定了经典力学基础的划时代的著作。

在这本书中，牛顿用数学方法证明了万有引力定律和三大运动定律，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”。

6.6经典力学的局限性一． 经典力学的局限性1. 经典力学的成就。

2. 经典力学的局限性：19世纪末，出现一些经典力学无法解释的实验事实，引发了物理学上的伟大革命，导致现代物理学的诞生。

——相对论和量子力学。

二． 从低速到高速1. 低速与高速的概念。

速度接近光速，称为高速。

常见物体运动是低速运动。

2. 速度对质量的影响。

经典力学：物体质量不变；狭义相对论：物体的质量随速度增大而增大。

m =，0m —静止质量，m —运动质量3. 两个假设。

经典力学中=v v v +船岸船水水岸，但在高速领域，爱因斯坦认为该式不成立。

1905年，提出两条假设：（1）相对性原理：物理规律在一切参惯性考系中都具有相同的形式；（2）光速不变原理：在一切惯性参照系中，光速相同，都为c.三．从宏观到微观19世纪末20世纪初，人们相继发现电子、质子、中子等微观粒子，既有粒子性，又有波动性，不能用经典物理描述。

建立量子力学，解决微观粒子运动的问题。

四． 从弱引力到强引力1. 万有引力成功解释一些天体问题，但有一些还不能完全解释。

直到爱因斯坦创立广义相对论，才圆满解决了经典力学不能解释的问题。

2. 强引力： 爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时，天体间引力会非常大。

3. 弱引力下，经典力学和爱因斯坦引力理论结果相差无几。

但经典力学不适用于强引力。

五． 经典力学和相对论及量子力学的关系。

1. 经典力学适用于宏观、低速、弱引力的情况；而微观粒子的运动可用量子力学解释，高速运动和强引力的问题可由相对论解决。

2. 相对论和量子力学没有否定经典力学，经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的近似。

六．例题分析例1. 下列说法中正确的是( )A.牛顿运动定律就是经典力学；B.经典力学的基础是牛顿运动定律；C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题；D.经典力学可以解决自然界中的所有问题。

例2. 经典力学不适用于下列哪些运动（ ）A.火箭的发射；B.宇宙飞船绕地球的运动；C.“勇气号”宇宙探测器；D.微观粒子的波动性 例3. 关于经典力学和相对论.下列说法正确的是( )A.经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C.相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例例4. 日常生活中我们并没有发现物体的质量随物体随物体的运动速度变化而变化，其原因是（）A. 运动中物体无法称量其质量；B. 物体的速度远小于光速，质量变化极小；C. 物体的质量太大；D. 物体的质量不随速度变化而变化。

第六节 经典力学的局限性一、经典力学的局限性1、经典力学受到参考系的限制：经典力学在惯性参考系中成立，在非惯性参考系中不成立。

2、经典力学受到速度的限制：①经典力学中物体的质量不随运动状态的改变而改变。

②狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即m ＝m 01－v 2c2， ③两者在速度远小于光速的条件下是统一的．3、经典力学受到微观世界的限制：①19世纪末20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性。

②20世纪20年代，量子力学建立，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．4、经典力学受到强引力的限制：1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论．在强引力的情况下，牛顿引力理论不再适用．5、几点说明：①经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就．②经典力学和狭义相对论、广义相对论、量子力学等互为补充、互不矛盾、互不否定，共同建立起了物理学科的骨架。

6、牛顿的科学方法：重视实验、逻辑推理、科学归纳二、两种时空观1、牛顿的时空观：经典的时空观、绝对的时空观①同时的绝对性、时间间隔的绝对性②空间的绝对性、空间变换的绝对性③时间、空间、质量这三者与参考系及运动无关。

2、相对论的时空观：①两条基本假设：A 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c 都一样，即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速．B 不同的惯性系中物理规律均相同。

②相对论效应：A 钟慢效应，B 尺缩效应，C 时间与空间的相对性，D 运动物体质量变大专题：卫星的发射、变轨、回收问题一、卫星发射、变轨、回收的步骤以发射同步卫星为例1、发射2、变轨3、回收二、变轨问题中的比较1、速度比较2、加速度比较3、周期比较三、卫星的追及交回1、同轨道2、不同轨道。

6.6经典⼒学的局限性6.6 经典⼒学的局限性教学⽬标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。

引⼊新课⾃从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。

⼀、经典⼒学的成就1、⽜顿三定律和万有引⼒定律把天体的运动与地上物体的运动统⼀起来，是⼈类对⾃然界认识的第⼀次⼤综合，是⼈类认识史上的第⼀次重⼤飞跃。

2、经典⼒学和以经典⼒学为基础发展起来的天体⼒学、材料⼒学和结构⼒学等得到了⼴泛应⽤，并取得了巨⼤成就。

3、18世纪60年代，⼒学和热⼒学的发展及其与⽣产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推⼴，引发了第⼀次⼯业⾰命。

4、由⽜顿⼒学导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础。

⽕箭、⼈造卫星、航天飞机、宇宙飞船、⾏星探测器等航天器的发射，都是⽜顿⼒学规律的应⽤范例。

⼆、经典⼒学的局限和任何理论⼀样，经典⼒学也有它的局限性，有它的适⽤范围。

1、从低速到⾼速——狭义相对论：1)在经典⼒学中，物体的质量不随运动状态⽽改变，⽽在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增⼤⽽增⼤。

2）在经典⼒学中，同⼀过程的位移和时间的测量在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同⼀过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的。

当物体运动的速度⽐真空中的光速⼩得多时，质量、时间和长度的变化很⼩，可以忽略，经典⼒学完全适⽤。

但如果物体运动速度可以和光速相⽐较时，质量、时间和长度的变化就很⼤，经典⼒学就不再适⽤，狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律。