|
課 題 |
經(jīng)典力學的局限性 |
課 型 |
新授課（2課時） | ||
|
教 學 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、難點 |
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 學 手 段 |
教具準備 錄像資料，多媒體課件 | ||||
|
教 學 活 動 [新課導(dǎo)入] 師：自從17世紀以來，以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學不斷發(fā)晨，如：在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括天體力學的研究中取得了巨大的成就．經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應(yīng)用，如，從地面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、飛機等各種交通工其：從投出的籃球到發(fā)射火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……從而證明了牛頓運動定律的正確性。但是，經(jīng)典力學也不是萬能的，像一切科學一樣，它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 (展示問題) 師：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、速度合成與兩個公設(shè)． 生：低速到高速的概念，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(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等．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． 質(zhì)速關(guān)系是：在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即 其中Db為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速． 例如：(1)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)典力學就不再適用了． (2)如地球以v＝30km／s的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時，m=l 010 lOlmo，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略不計． 速度合成與兩個公設(shè)．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． (1)相對性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式． (2)光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速‘都一樣． 師：經(jīng)典力學是適用于低速運動的物體還是適用于高速運動的物體呢? 生：適用于低速運動的物體． 師：閱讀教材科學漫步部分，體會時間和空間是什么． 生：時間與空間并沒有講清時間與空間的問題，只是提出問題，激勵我們對未來的探索． 二、從宏觀到微觀 師：請同學們閱讀教材“從宏觀到微觀”部分，并說明經(jīng)典力學是適用于宏觀物體還是微觀物體。 生：19世紀末到20世紀初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，面且具有波動性，它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學描述． 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． 經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子． 師：相對論和量子力學的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義? 生：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：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 (展示問題) 師：請同學們閱讀教材“從弱引力到強引力”部分，并回答問題：何為弱引力?何為強引力? 生：萬有引力屬于弱引力．利用萬有引力定律可以解釋天體的運動，并預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星，首次把天上的星體運動規(guī)律與地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來． 愛因斯坦引力理論表明，當天體半徑減小到一定程度時(太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m)，天體間的引力就趨于無窮大． [討論與交流) (展示問題) (1)實際的天文觀測，行星的運行軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進．經(jīng)典力學的解釋令人滿意嗎?用什么理論來圓滿地進行了解釋?(投影) 生：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，與實際觀測結(jié)果不符．經(jīng)典力學也能作出一些解釋，但是，水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預(yù)言值多．經(jīng)典力學的解釋不能令人滿意． 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應(yīng)有43’的附加值，同時還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象．并且都被觀測證實． (2)何為天體的引力半徑? 生：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”． 只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的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，牛頓的萬有引力理論將不再適用． 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．”這種調(diào)佩倒也不失為一種幽默的表述． (3)歷的科學成就與新的科學成就的關(guān)系是什么? 生：歷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．如：當物體的速度遠小于光速c(3X108m／s)時，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6．63X10-34J·s)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．相對論和量子力學都沒有否定過去的科學，面只認為過去 的科學是自己在一定條件下的特殊情形． (例11以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學，在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用? 參考答案：經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用．經(jīng)典力學與天文學相結(jié)合建立了天體力學；經(jīng)典力學和工程實際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學，如水利學，材料力學、結(jié)構(gòu)力學等．從地面上各種物體的運動到天體的運動：從大氣的流動到地殼的變動：從攔柯筑壩、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(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學規(guī)律． (例2)以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學的適用范圍是什么? 參考答案：經(jīng)典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，經(jīng)典力學只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子：經(jīng)典力學只適用于解決弱引力問題，不能用來處理強引力問題． [課堂訓練] 1．20世紀初，物理學家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學的一些結(jié)論．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是 的，而相對論指出質(zhì)量隨著速度變化而 2．20世紀初期，建立了 ，它能夠正確地描述微觀粒子的運動規(guī)律． 3．經(jīng)典力學只適用于解決 問題，不能用來處理——問題，經(jīng)典力學只適用于物體，一般不適用于 ． 4．微觀粒子的運動不僅具有 性．同時具有波動性．它們的運動規(guī)律很多情況下不能用經(jīng)典力學來說明．要增強正確描述微觀粒子的運動規(guī)律，需要用 ． 5．牛頓運動規(guī)律只適用于 物體的運動，狹義相對論闡述物體在以 的速度運動時所遵從的規(guī)律． 參考答案 1．狹義相對論 固定不變 變化 2．量子力學 3．低速運動 高速運動 宏觀 微觀粒子 4．粒子 量子力學 5．宏觀、低速 接近光速 [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．即 (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． |
學 生 活 動 | ||||
|
作 業(yè) |
[布置作業(yè)] 認真閱讀教材．認識到物理中的結(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． [課外訓練] 閱讀教材83頁‘科學足跡’欄目中的短文《牛頓的科學生涯，，體會和學習牛頓獻身科學的精神． | ||||
|
板 書 設(shè) 計 |
6．經(jīng)典力學的局限性 一、從低速到高速 經(jīng)典力學只適用于低速運動 二、從宏觀到微觀 經(jīng)典力學只適用于宏觀物體 三、從弱引力到強引力 萬有引力定律只適用于弱引力 | ||||
|
教 學 后記 |
| ||||
|
|
|
|
|
|
|