物理②必修6.6《經(jīng)典力學的局限性》教案.doc

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6.6 經(jīng)典力學的局限性 教學目標 一、知識與技能 1.了解牛頓運動定律及萬有引力定律為基礎的經(jīng)典力學在廣闊的領域里有著廣泛的應用。 2.知道牛頓運動定律的適用范圍。 3.知道物體的質(zhì)量、長度、時間在高速運動中必須考慮它們隨速度變化而變化。 4.明確相對論和量子力學跟經(jīng)典力學的關系。 二、過程與方法 1.通過互聯(lián)網(wǎng)及教材對信息的收集和處理，逐步學會分析、解決問題以及提高與他人交流、合作的能力。 2.根據(jù)學習任務，能計劃安排并調(diào)控自己的學習過程，有一定的自主學習能力。 三、情感態(tài)度與價值觀 1.培養(yǎng)學生交流合作、評價探究結果的初步能力。 2.培養(yǎng)學生對科學的好奇心與求知欲。 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)量之間的關系。 教學過程 一、引入新課 教師：自從17世紀以來，以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學不斷發(fā)展，如，在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域，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)技術中有了廣泛的應用，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、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等各種交通工具，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。 二、新課教學 （一）從低速到高速 教師：請同學們閱讀教材“從低速到高速”部分?；卮鸬退倥c高速的概念、質(zhì)速關系、速度合成與兩個公式。 學生：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)速關系：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m0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。 （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。 教師：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？ 學生：適用于低速運動的物體。 教師：閱讀教材科學漫步部分，體會時間和空間是什么。 學生：“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 教師：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。 學生：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，而且具有波動性，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)代科學技術中發(fā)揮了重要作用。 經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子。 教師：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？ 學生：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 教師：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？ 學生：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。 討論與交流 （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） 學生：按牛頓的萬有引力定律推算，行星的運動應該是一些橢圓或圓，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有43"的附加值，同時還預言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉現(xiàn)象。并且都被觀測證實。 （2）何為天體的引力半徑？ 學生：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稱為“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?！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系是什么？ 學生：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。如：當物體的速度遠小于光速c（3108m／s）時，相對論與經(jīng)典理論的結論沒有區(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)典力學的結論沒有區(qū)別。相對論和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。 課堂訓練 1．20世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學的一些結論。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 三、課堂小結 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。 四、課堂練習 1.牛頓運動定律和萬有引力定律在 、 、 的廣闊的領域，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。 2.經(jīng)典力學的適用范圍：只適合于低速運動， 運動；只適合于宏觀世界， 世界。 3.經(jīng)典力學認為時間是 ，質(zhì)量是 ，空間是 。 經(jīng)典力學深入到高速領域?qū)⒈? 所代替，深入到微觀領域?qū)⒈? ________________所代替。 4.已知地球半徑為，地面處重力加速度為，地球自轉的角速度為ω，則質(zhì)量為的地球同步衛(wèi)星所受的向心力為 。 5.在地球赤道上，質(zhì)量1 kg的物體隨同地球自轉需要的向心力最接近的數(shù)值為（ ）。 A．103N B．10N C．10-2N D．10-4 N 6.兩個質(zhì)量均為M的星體，其連線的垂直平分線為AB。O為兩星體連線的中點，如圖，一個質(zhì)量為M的物體從O沿OA方向運動，則它受到的萬有引力大小變化情況是（ ） A.一直增大 B.一直減小 C.先減小，后增大 D.先增大，后減小 7.如圖所示，有A、B兩個行星繞同一恒星O做圓周運動，運轉方向相同，A行星的周期為T1，B行星的周期為T2，在某一時刻兩行星第一次相遇（即兩行星相距最近）則（ ） A.經(jīng)過時間t=T1+T2兩行星將第二次相遇 B.經(jīng)過時間兩行星將第二次相遇 C.經(jīng)過時間兩行星第一次相距較遠 D.經(jīng)過時間兩行星第一次相距較遠 8.如圖所示，在同一軌道平面上的幾個人造地球衛(wèi)星A、B、C，在某一時刻恰好在同一直線上，下列說法正確的有（ ?。?。 A.根據(jù)，可知vA＜vB＜vC B.根據(jù)萬有引力定律，F(xiàn)A＞FB＞FC C.向心加速度aA＞aB＞aC D.運動一周后，A先回到原地點 答案： 1．宏觀、低速、弱引力 2．不適合高速、不適合微觀 3．絕對的、不變的、三維的、相對論、量子力學 4． 5．C 6．D 7．BD 8．CD 五、布置作業(yè) 看書并思考教材P53問題與練習第1、2題。