教师用书2018版 第6章 6.经典力学的局限性

6.6 经典力学的局限性教学目标一、知识与技能1.了解牛顿运动定律及万有引力定律为基础的经典力学在广阔的领域里有着广泛的应用。

2.知道牛顿运动定律的适用范围。

3.知道物体的质量、长度、时间在高速运动中必须考虑它们随速度变化而变化。

4.明确相对论和量子力学跟经典力学的关系。

二、过程与方法1.通过互联网及教材对信息的收集和处理，逐步学会分析、解决问题以及提高与他人交流、合作的能力。

2.根据学习任务，能计划安排并调控自己的学习过程，有一定的自主学习能力。

三、情感态度与价值观1.培养学生交流合作、评价探究结果的初步能力。

2.培养学生对科学的好奇心与求知欲。

教学重点牛顿运动定律的适用范围。

教学难点高速运动的物体，速度和质量之间的关系。

教学过程一、引入新课教师：自从17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展，如，在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就。

经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如，从地面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、飞机等各种交通工具，从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船……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，像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。

它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。

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、新课教学（一）从低速到高速教师：请同学们阅读教材“从低速到高速”部分。

回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成与两个公式。

学生：低速到高速的概念，通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。

有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。

质速关系：在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即221cv m m -=其中m0为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。

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经典力学的局限性一、从低速到高速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、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，取得了巨大的成就．2．狭义相对论阐述的是物体以接近光的速度运动时所遵从的规律．3．在经典力学中，物体的质量是不变的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即m＝m01－v2c2，两者在速度远小于光速的条件下是统一的．4．经典力学认为位移和时间的测量与参考系无(填“有”或“无”)关，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中测量结果不同．想一想对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加怎样变化？答案在经典力学中，一个物体的质量在任何时候都不变，但在相对论中，某物体的质量随着速度的增加而变大．二、从宏观到微观1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．2．经典力学只适用于宏观、低速运动，不适用于微观、高速运动．想一想牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗？答案不再适用．在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用．三、从弱引力到强引力1．1915年，爱因斯坦创立了广义相对论．在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用．2．当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．想一想相对论与量子力学的出现是否否定了经典力学？答案相对论与量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学已失去了意义，它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围，经典力学是相对论与量子力学的特例．一、对经典力学的认识1．成就：经典力学是以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速、宏观物体机械运动的经典力学体系．经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生，形成了一个以实验为基础，以数学为表达形式的力学科学体系．2．运用范围：在弱引力的情况下，牛顿引力理论适用；在强引力的情况下，牛顿引力理论不再适用．低速运动的宏观物体，经典力学适用；而高速微观领域，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理．3．低速与高速：通常所见物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等，速度可以与光速相接近的速度称为高速．【例1】20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，这说明()A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律【例2】以下说法正确的是()A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B．经典力学理论具有一定的局限性C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变D．相对论和量子力学否定了经典力学理论二、对质量和速度关系的认识质量是物体的固有属性，是相对不变的，这一结论成立的前提是物体做低速运动，但当物体的速度接近光速时，物体的运动质量m与静止质量m0可能存在较大差别．当物体运动的速度为v时，其运动质量m＝m01－v2 c2 .【例3】一个原来静止的电子，经电场加速后速度为v＝6×106 m/s.问电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？针对训练在粒子对撞机中，有一个电子经过高电压加速，速度达到0.5c，则此时电子的质量变为静止时的________倍．巩固练习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所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题2．牛顿定律不适用于下列哪些情况() A．研究原子中电子的运动B．研究“神舟”七号飞船的高速发射C．研究地球绕太阳的运动D．研究飞机从北京飞往纽约的航线3．日常生活中，我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化，其原因是()A．运动中物体无法称量质量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的变化而变化4．如果真空中的光速为c＝3.0×108m/s，当一个物体的运动速度为v1＝2.4×108m/s时，质量为3 kg.当它的速度为1.8×108 m/s时，质量为多少？5．关于经典力学的伟大成就，下列论述正确的是() A．经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合B．经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在C．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性D．人们借助于经典力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系6．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是() A．经典力学没有局限性B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象D．经典力学的时间和空间分离的观点不对7．经典力学不能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”宇宙探测器的运动D．以99%倍光速运行的电子束8．继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在前人的肩膀上，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() A．世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分B．人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界C．人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化D．每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识9．下列说法正确的是() A．经典力学中物体的质量是不变的B．经典力学中的时间和空间是独立于物体及其运动的C．万有引力定律适用于强作用力D．物体的速度可以是任意值10．通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是()A．根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动B．电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动C．电子开始近似于匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释11．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步．下列表述正确的是()A．牛顿发现了万有引力定律B．牛顿通过实验证实了万有引力定律C．相对论的创立表明经典力学已不再适用D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推广到高速领域12．关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是() A．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)B．狭义相对论只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，不适用于低速运动C．经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)D．狭义相对论既适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，也适用于低速运动13．下列说法中正确的是() A．经典力学适用于任何情况下的任何物体B ．狭义相对论否定了经典力学C ．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D ．万有引力定律也适用于强相互作用力14．对于公式m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2，下列说法中正确的是 ( ) A ．公式中的m 0是物体以速度v 运动时的质量B ．当物体运动速度v >0时，物体的质量m >m 0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用C ．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动D ．通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化15．电子的静止质量为m e ，加速后的电子相对实验室的速度是45c (c 为光速)，在实验室中观察到的电子的质量是多大？16．一个静止质量m 0＝1 kg 的物体，与地球一起绕太阳公转的速度为30 m/s ，在相应的惯性参考系中，观测者测得该物体的质量为多少？。

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。