高中物理-6 經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)設(shè)計學(xué)情分析教材分析課后反思

新課導(dǎo)入自從17世紀(jì)以來，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)不斷發(fā)展，取得了巨大的成就，經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應(yīng)用，從而證明了牛頓運動定律的正確性．但是，經(jīng)典力學(xué)也不是萬能的，像其他科學(xué)一樣，它也有一定的適用范圍，有自己的局限性．那么經(jīng)典力學(xué)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．一、經(jīng)典力學(xué)及其局限性1.基本知識（1）從低速到高速①經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就．②狹義相對論闡述物體以接近光的速度運動時所遵從的規(guī)律．③在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，而狹義相對論指出，質(zhì)量要隨物體運動速度的增大而增大，即，兩者在速度遠(yuǎn)小于光速的條件下是統(tǒng)一的．（2）從宏觀到微觀①19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)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.20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立，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(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用．②經(jīng)典力學(xué)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①1915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．在強引力的情況下，牛頓引力理論不再適用．②當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108

m/s)時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．2．思考判斷（1）洲際導(dǎo)彈的速度有時可達到6

000

m/s，此速度在相對論中屬于高速．(×)（2）質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時候都不會變．(×)（3）對于高速運動的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大．(√)探究交流（1）牛頓第二定律屬經(jīng)典力學(xué)理論，它在高速世界還適用嗎？（2）相對論、量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)嗎？【提示】（1）在高速世界中，物體的質(zhì)量隨著速度的增加而變大，物體的加速度不一定與它所受的外力成正比，牛頓第二定律不再適用．（2）相對論、量子力學(xué)沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論、量子力學(xué)在一定條件下的特例.二、速度對質(zhì)量的影響【問題導(dǎo)思】1．低速、高速是如何界定的？2．物體在高速狀態(tài)下，質(zhì)量與速度是什么關(guān)系？3．速度對物理規(guī)律有什么影響？1．低速與高速的概念（1）低速：遠(yuǎn)小于光速的速度為低速，通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動．（2）高速：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．速度對質(zhì)量的影響（1）在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨速度而變．根據(jù)牛頓第二定律F＝ma知，物體在力F作用下做勻變速運動，只要時間足夠長，物體的運動速度就可以增加到甚至超過光速c.（2）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．在高速運動時，質(zhì)量的測量是與運動狀態(tài)密切相關(guān)的．3．速度對物理規(guī)律的影響對于低速運動問題，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理．對于高速運動問題，經(jīng)典力學(xué)已不再適用，需要用相對論知識來處理．1．狹義相對論中，物體在靜止時質(zhì)量最小，隨著運動速度的增加，它的質(zhì)量也在不斷變大，對于高速運動物體，牛頓定律已不再適用．2．根據(jù)相對論的質(zhì)速關(guān)系，若某物體的運動速度達到光速c，它的質(zhì)量應(yīng)是無窮大，這顯然不符合事實，光速c是所有物體的最大速度．例：一個原來靜止的電子，經(jīng)電壓加速后，獲得的速度v＝6×106

m/s.關(guān)于電子的質(zhì)量的變化，下列說法正確的是()A．不變B．減少C．增大了0.02%

D．增大了0.2%【審題指導(dǎo)】電子的速度6×106

m/s已接近光速，由愛因斯坦狹義相對論可知，電子的質(zhì)量將有所增加，越接近光速越顯著．【答案】C誤區(qū)警示物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系從愛因斯坦的相對論可知：物體的速度越大，它的質(zhì)量就越大．當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時，其質(zhì)量的變化可以忽略；當(dāng)物體的速度接近光速時，質(zhì)量變化將很明顯，其質(zhì)量變化不可忽略．三、經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子力學(xué)的比較【問題導(dǎo)思】1．經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的適用范圍一樣嗎？2．在經(jīng)典力學(xué)與相對論中，速度對質(zhì)量有什么影響？3．經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子力學(xué)有什么聯(lián)系？例：以下說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B．經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)的改變而改變D．相對論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論【答案】BC四、光速不變原理的應(yīng)用例：設(shè)某人在以速度0.5c飛行的飛船上打開一個光源，則下列說法正確的是()A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是0.5cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【答案】D規(guī)律總結(jié)1．光速不變原理：愛因斯坦的狹義相對論指出，在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，即光在所有的慣性參考系中的傳播速度均是光速．2．速度合成的關(guān)系式v船岸＝v船水＋v水岸只適用于低速運動的慣性參考系，對于接近光速的高速運動物體，該關(guān)系式已不再適用，此時應(yīng)根據(jù)光速不變原理去解決問題．

學(xué)生尚未學(xué)習(xí)相對論、量子理論的基本內(nèi)容,本節(jié)教學(xué)也不需要學(xué)生真正領(lǐng)會現(xiàn)代物理學(xué)的內(nèi)涵,只需要初步了解現(xiàn)代物理學(xué)涉及的幾個具體問題的具體結(jié)論即可。盡管要求不高,但實際上因為新鮮生疏信息量過大、知識過于抽象和不合學(xué)生生活經(jīng)驗,學(xué)生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教師的觀點,形成初步印象,為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定一個心理印象基礎(chǔ)。同時,教材設(shè)計了“科學(xué)漫步”、“科學(xué)足跡”這兩個欄目,分別介紹了狹義相對論的時空觀和牛頓科學(xué)研究的生涯與方法。節(jié)是第六章的總結(jié)性的內(nèi)容，也是介紹性質(zhì)的內(nèi)容，以萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)為核心，向宇宙學(xué)發(fā)展歷史的兩頭延伸。經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，而萬有引力定律更是建立在牛頓物理學(xué)的基礎(chǔ)上。教學(xué)過程中應(yīng)先向?qū)W生介紹什么是經(jīng)典力學(xué)，就以前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括整個高中階段所學(xué)習(xí)的范圍都屬于經(jīng)典力學(xué)：宏觀，低速，弱引力?？荚囈嫉囊簿褪沁@句話，學(xué)生掌握就可以了，但作為擴展知識面的課還得細(xì)說。從低速到高速，我們的世界就是低速世界即速度遠(yuǎn)小于光速世界，同時讓學(xué)生了解物理學(xué)的體系中還有愛因斯坦的狹義相對論知識即接近光速甚至大于光速的世界，以故事趣味性讓學(xué)生了解三大效應(yīng)：質(zhì)量增大，長度收縮，時間延緩。從宏觀到微觀，讓學(xué)生了解還有量子力學(xué)的知識。經(jīng)典力學(xué)是從日常生活中的機械運動中總結(jié)出來的規(guī)律,因此所觀察到的物體都是宏觀的.19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子,超出宏觀的日常生活經(jīng)驗的領(lǐng)域,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(xué)描述.20世紀(jì)20年代,建立了量子力學(xué),它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性,并在現(xiàn)代科技中發(fā)揮了重要作用.相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使人們認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)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.從弱引力到強引力的內(nèi)容中，引導(dǎo)學(xué)生了解愛因斯坦的廣義相對論，這是一種新的時空觀與引力理論，這是對牛頓萬有引力的修正，從而體會任何一個知識都是在修修補補中逐漸完善的。第六節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性一、教材及學(xué)情分析本節(jié)書在整個高中物理一到六章“運動和力”部分的最后一節(jié),對于經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)部分——牛頓定律和萬有引力定律,學(xué)生都有了較為熟悉的了解,為了讓學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和現(xiàn)代物理學(xué)的成就有一個總體性的了解,教材設(shè)計了這一節(jié)書。因此,本節(jié)書的教學(xué)目的在于讓學(xué)生接觸和了解相關(guān)內(nèi)容,防止學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)形成迷信,同時也對物理學(xué)理論發(fā)展的邏輯有初步的認(rèn)知。由于學(xué)生尚未學(xué)習(xí)相對論、量子理論的基本內(nèi)容,本節(jié)教學(xué)也不需要學(xué)生真正領(lǐng)會現(xiàn)代物理學(xué)的內(nèi)涵,只需要初步了解現(xiàn)代物理學(xué)涉及的幾個具體問題的具體結(jié)論即可。盡管要求不高,但實際上因為新鮮生疏信息量過大、知識過于抽象和不合學(xué)生生活經(jīng)驗,學(xué)生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教師的觀點,形成初步印象,為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定一個心理印象基礎(chǔ)。一、單項選擇題(本題包括6小題)

1.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運動(

)

A.京滬高鐵在疾馳

B.神舟號飛船繞地球的運動

C.“螢火一號”火星探測器著陸

D.微觀粒子的高速運動

2.下列說法正確的是(

)

A.在不同的慣性系中，物理規(guī)律可能不同

B.不論在何種參考系中，牛頓定律都是適用的

C.在真空中，光的速度與光源的運動狀態(tài)有關(guān)

D.在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速率都相同

3.(2011?南京高一檢測)下列說法正確的是(

)

A.光速不變原理是狹義相對論的兩個基本假設(shè)之一

B.由相對論知：m=

，則物體的速度可以達到光速，此時其質(zhì)量為無窮大

C.在地面附近有一高速飛過的火箭，地面上的人觀察到火箭長度變長了

D.根據(jù)狹義相對論，力學(xué)規(guī)律在不同參考系中是不同的

4.如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，則地面的觀察者認(rèn)為走得最慢的時鐘為(

)

A.a

B.b

C.c

D.無法確定

5.在正負(fù)電子對撞實驗中，需將電子加速到很大的速度，下列有關(guān)說法正確的是(

)

A.電子在加速過程中質(zhì)量不變

B.電子在加速過程中質(zhì)量減小

C.電子的速度可以達到1.9c

D.電子的速度不可能達到c

6.關(guān)于愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式,下列說法中正確的是(

)

A.E=mc2中的E是物體以光速c運動的動能

B.E=mc2是物體的核能

C.E=mc2是物體各種形式能的總和

D.由ΔE=Δmc2知,減少的質(zhì)量Δm轉(zhuǎn)化成能量ΔE放出

二、非選擇題(本題包括2小題，要有必要的文字?jǐn)⑹?

7.(挑戰(zhàn)能力)在某慣性系中測得相對該慣性系靜止的立方體的邊長為L0，另一慣性系以相對速度v平行于立方體的一邊運動.問在后一慣性系中的觀察者測得的該立方體體積是多少？8.用質(zhì)子轟擊鋰核，生成兩個α粒子，若用mp表示質(zhì)子的靜止質(zhì)量，m表示鋰核的靜止質(zhì)量，mα表示α粒子的靜止質(zhì)量，則此核反應(yīng)釋放的能量為多少？答案解析

1.【解析】選D.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運動,故經(jīng)典力學(xué)對A、B、C都能適用,對D不適用.

2.【解析】選D.在任何慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的，A錯誤.牛頓定律僅適用于慣性系，B錯誤.在任何慣性系中，光在真空中的傳播速度都一樣，與光源的運動狀態(tài)無關(guān)，故C錯誤，D正確.

3.【解析】選A.光速不變原理是狹義相對論的兩個基本假設(shè)之一，A正確.物體運動的速度不可能達到光速，物體質(zhì)量也就不可能為無窮大，B錯誤.地面上的人觀察高速飛過的火箭，火箭長度應(yīng)變短了，C錯誤.根據(jù)狹義相對論，力學(xué)規(guī)律在不同慣性參考系中是相同的，D錯誤.

4.【解析】選C.根據(jù)公式Δt=

可知，相對于觀察者的速度v越大，其時間進程越慢，由vc>vb>va=0，知c時鐘走得最慢.

獨具【方法技巧】

時間延緩效應(yīng)的分析方法

在狹義相對論時空觀中，運動時鐘與靜止時鐘的關(guān)系為

Δt=

，由于v<c，故Δt>Δt′，即運動產(chǎn)生時間的延緩效應(yīng).在分析該類問題時，首先應(yīng)分清哪是運動時鐘，然后再根據(jù)時間延緩效應(yīng)公式進行分析，另外，只有在運動速度接近光速時，這種效應(yīng)才有明顯的效果，而在宏觀物體的低速運動情況下，此效應(yīng)幾乎顯示不出來，也就沒有必要考慮了.

5.【解析】選D.由狹義相對論質(zhì)速關(guān)系知，速度越大，質(zhì)量越大，A、B錯誤.由于電子的運動速度不可能達到光速c，故C錯誤、D正確.

6.【解析】選D.愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=mc2,只是說明物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡單的正比關(guān)系.物體的能量增大了,質(zhì)量也增大;能量減小了,質(zhì)量也減小,故A、B、C錯誤,D正確.

7.【解析】由狹義相對論知，在運動方向上，觀察者測得的立方體的長度L=

L0

，而在垂直于運動方向上，測得的立方體的長度不變，所以立方體的體積V=

.

答案：

8.【解析】核反應(yīng)中有能量放出，因此有質(zhì)量虧損，由愛因斯坦質(zhì)能方程得

ΔE=Δmc2

而Δm=mp+m-2mα

所以ΔE=(mp+m-2mα)c2

答案：(mp+m-2mα)c2本節(jié)課的授課內(nèi)容特殊，并不是物理常規(guī)的課程，而是重在物理學(xué)史，所以教學(xué)模式的可復(fù)制性不強，但這是一個很好的開始，課堂拉近了學(xué)生與老師的距離，激發(fā)起學(xué)生對知識的渴望，讓學(xué)生產(chǎn)生強烈的求知欲望，這是所有老師都很享受的一種教學(xué)狀態(tài)，它并不只作用于這一節(jié)課上，還會延續(xù)到下一節(jié)，甚至整章的學(xué)習(xí)中讓學(xué)生的學(xué)習(xí)變成一種良好的自主學(xué)習(xí)模式。在今后