6.经典力学的局限性课时教学实录

6.经典力学的局限性　 高中物理       人教2003课标版

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他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

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，有一定的自主学习的能力

情感态度价值观

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

在前面的几节学习中，学生了解了牛顿发现万有引力定律，并应用到海王星的发现，再到宇宙航行等万有引力理论成就的介绍，学生已经学习了经典力学的两大定律，但是对高速、微观、强引力情况下经典力学的是否适用情况还没有生活经验，更没有理论认识。

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

通过牛顿的巨作《自然哲学的数学原理》介绍什么是经典力学：英国的物理学家牛顿，在前人的基础上，建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，运用总结和解决实际问题的能力，建立了完整的力学体系—经典力学，其著作《自然哲学的数学原理》被称作近代科学诞生的标志。

通过回顾牛顿的两大定律回顾经典力学的成就： 经典力学用了几个基本的概念和原理，就说明了行星和卫星的轨道、开普勒定律、彗星的运动、海洋的潮汐，伽利略落体的运动、汽车的运动、足球的运动、以及宏观世界中人们看到的种种运动，经典力学能在如此广阔的范围内显示出其正确性，正是牛顿理论的巨大魅力。牛顿曾经谦虚的说：“如果说我看得远，那是因为我站在了巨人的肩膀上” 我们一起来学习，经典力学的局限性！

【自主探究】对比经典力学的成就和局限性

牛顿理论的思想方法远远超过了物理学、天文学，不仅在化学和生物学的学科领域，而且在艺术、政治、哲学的文科领域也都在用牛顿描述宇宙的普遍方式 ，来形成自己的体系，对社会和文化的发展产生了巨大的影响。

任何一种科学理论，都是一个时代的产物，不可避免的存在着历史的局限性，在牛顿的时代，牛顿的成就已经达到顶峰了，但是不能超出他的局限，也就是说，经典力学是在日常的机械运动中总结出来的，超出这个范围经典力学是否适用呢，需要进一步验证。

当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。现代物理学已经揭示了，超出日常生活经验的领域，经典力学就不适用了。

与经典力学体系相适应，牛顿还建立了绝对的时空学说：空间像一个大的容器，他为物体运动提供了一个场所，无论物体放进去还是拿出来，你在与不在，空间都不会发生变化。而时间就像一条川流不息的河流，不管有没有事件发生，河流总是不断的、不变的、均匀的流逝着，时间与空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关，因此也叫做绝对时空观。牛顿的绝对时空观从自然的角度来看割裂了时间、空间、以及物质及其运动之间的联系，因此不能解释很多高速状态下的客观自然现象。

小组发言，讨论生活与绝对时空学说相对应的生活中的例子

【合作探究一】

学生结合课前查阅的资料，以及教材内容，探究爱因斯坦狭义相对论的内容

1  惯性系物理规律相同

2  光速不变

3  时空与运动相关联

【小互动游戏】      看黑板上的黑色条码

有散光的同学看到的线粗细不均匀的，不散光的同学看到各条线粗细是均匀的。我们看到的都是不同感官下的相对的真实。借此让同学们体会事物的相对性。

【合作探究二】小视频 学生结合教材和查阅资料进行合作探究

运动的时钟会变慢 不是钟的本身结构变化，而是时空观概念不同，是时空条件变化了，这个好像很生疏，很不理解，那是因为我们日常生活中的运动速度达不到接近光速，这时这种相对性效应很微小甚至消失，这就还原成经典力学，可以看出来经典力学是低速状态下相对论的近似；比如，两个人打架，到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在参考系1中，B先A后，而在参考系2中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上、亦或者你看到了从前的自己。

这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。

小视频 光速不变，以及光速旅程的障碍---质量随速度变大而变大，学生合作探究

【合作探究三】既然高速运动时时间膨胀长度收缩，是不是太空的高速之旅会很容易呢？还有什么物理量也会随着速度变化而变化呢？

生活中的汽车、飞机、子弹、人造卫星的速度，小于10km/S 误差很小可以看成正确，但是当物体运动速度达到了3万千米每秒，经典力学的结果达到了百分之一，当达到29万千米每秒，接近光速，经典力学与实践的偏差将达到15倍的误差，速度接近光速，经典力学不再适用。

结合质量公式，以及生活中的具体的实例来说明质量的相对性

【合作探究四】

通过视频，让学生了解：19世纪末-20世纪初，人们深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了---这就是著名的量子理论 

结合课前查资料，以及阅读教材，小组合作探究量子论的内容的理解

1光子不连续2轨道不连续 3物质的波粒二象性 4测不准原理

人们对客观世界的认识从宏观世界深入到微观世界，成功揭示了微观世界的基本规律，它和反应宏观规律经典力学存在原则的区别，量子力学已经成为现代科学技术迅猛发展的理论基础。

 【合作探究五】阅读教材，观看视频

   天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m, 如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。黑洞就是这种极端条件下的宇宙天体，它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲，光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。

这真的难以想象，广义相对论中强引力场经典力学不适用，这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。在强引力作用下，时空弯曲，产生偏折，向电磁场产生电磁波一样，引力场也有引力波，现在已经被证实。这便是数学和物理的典范---广义相对论

【情感升华】

小组讨论：通过学习本节课，学习到了哪些科学精神，可以结合课前查阅资料、结合教材，讨论发言

世纪伟人爱因斯坦剖析自己的科学感受时说：

“人只有献身社会,才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义”

“照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真”。

“ 科学的头脑就是去怀疑, 去证实, 去发现的精神! ”

爱因斯坦对待科学的态度是令世人震撼的！著名科学家德布罗意说：相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”

【归纳总结】

学生小组讨论，总结经典力学适用范围：宏观、低速、弱引力

【合作探究六】

教师点拨、学生总结：这四种理论互相补充、互补矛盾，共同撑起物理学科的骨架！

教师引导：相对论一定正确么？量子力学就没有错么？亦或者二者哪个是更广泛的正确呢？这一切还需要不断的被发现和被验证，让学生记住我们这些可爱的科学家们，以及他们永不磨灭的探索精神！进而情感升华，产生共鸣。

教材书后习题

6.经典力学的局限性　

6.经典力学的局限性　

通过牛顿的巨作《自然哲学的数学原理》介绍什么是经典力学：英国的物理学家牛顿，在前人的基础上，建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，运用总结和解决实际问题的能力，建立了完整的力学体系—经典力学，其著作《自然哲学的数学原理》被称作近代科学诞生的标志。

通过回顾牛顿的两大定律回顾经典力学的成就： 经典力学用了几个基本的概念和原理，就说明了行星和卫星的轨道、开普勒定律、彗星的运动、海洋的潮汐，伽利略落体的运动、汽车的运动、足球的运动、以及宏观世界中人们看到的种种运动，经典力学能在如此广阔的范围内显示出其正确性，正是牛顿理论的巨大魅力。牛顿曾经谦虚的说：“如果说我看得远，那是因为我站在了巨人的肩膀上” 我们一起来学习，经典力学的局限性！

【自主探究】对比经典力学的成就和局限性

牛顿理论的思想方法远远超过了物理学、天文学，不仅在化学和生物学的学科领域，而且在艺术、政治、哲学的文科领域也都在用牛顿描述宇宙的普遍方式 ，来形成自己的体系，对社会和文化的发展产生了巨大的影响。

任何一种科学理论，都是一个时代的产物，不可避免的存在着历史的局限性，在牛顿的时代，牛顿的成就已经达到顶峰了，但是不能超出他的局限，也就是说，经典力学是在日常的机械运动中总结出来的，超出这个范围经典力学是否适用呢，需要进一步验证。

当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。现代物理学已经揭示了，超出日常生活经验的领域，经典力学就不适用了。

与经典力学体系相适应，牛顿还建立了绝对的时空学说：空间像一个大的容器，他为物体运动提供了一个场所，无论物体放进去还是拿出来，你在与不在，空间都不会发生变化。而时间就像一条川流不息的河流，不管有没有事件发生，河流总是不断的、不变的、均匀的流逝着，时间与空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关，因此也叫做绝对时空观。牛顿的绝对时空观从自然的角度来看割裂了时间、空间、以及物质及其运动之间的联系，因此不能解释很多高速状态下的客观自然现象。

小组发言，讨论生活与绝对时空学说相对应的生活中的例子

【合作探究一】

学生结合课前查阅的资料，以及教材内容，探究爱因斯坦狭义相对论的内容

1  惯性系物理规律相同

2  光速不变

3  时空与运动相关联

【小互动游戏】      看黑板上的黑色条码

有散光的同学看到的线粗细不均匀的，不散光的同学看到各条线粗细是均匀的。我们看到的都是不同感官下的相对的真实。借此让同学们体会事物的相对性。

【合作探究二】小视频 学生结合教材和查阅资料进行合作探究

运动的时钟会变慢 不是钟的本身结构变化，而是时空观概念不同，是时空条件变化了，这个好像很生疏，很不理解，那是因为我们日常生活中的运动速度达不到接近光速，这时这种相对性效应很微小甚至消失，这就还原成经典力学，可以看出来经典力学是低速状态下相对论的近似；比如，两个人打架，到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在参考系1中，B先A后，而在参考系2中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上、亦或者你看到了从前的自己。

这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。

小视频 光速不变，以及光速旅程的障碍---质量随速度变大而变大，学生合作探究

【合作探究三】既然高速运动时时间膨胀长度收缩，是不是太空的高速之旅会很容易呢？还有什么物理量也会随着速度变化而变化呢？

生活中的汽车、飞机、子弹、人造卫星的速度，小于10km/S 误差很小可以看成正确，但是当物体运动速度达到了3万千米每秒，经典力学的结果达到了百分之一，当达到29万千米每秒，接近光速，经典力学与实践的偏差将达到15倍的误差，速度接近光速，经典力学不再适用。

结合质量公式，以及生活中的具体的实例来说明质量的相对性

【合作探究四】

通过视频，让学生了解：19世纪末-20世纪初，人们深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了---这就是著名的量子理论 

结合课前查资料，以及阅读教材，小组合作探究量子论的内容的理解

1光子不连续2轨道不连续 3物质的波粒二象性 4测不准原理

人们对客观世界的认识从宏观世界深入到微观世界，成功揭示了微观世界的基本规律，它和反应宏观规律经典力学存在原则的区别，量子力学已经成为现代科学技术迅猛发展的理论基础。

 【合作探究五】阅读教材，观看视频

   天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m, 如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。黑洞就是这种极端条件下的宇宙天体，它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲，光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。

这真的难以想象，广义相对论中强引力场经典力学不适用，这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。在强引力作用下，时空弯曲，产生偏折，向电磁场产生电磁波一样，引力场也有引力波，现在已经被证实。这便是数学和物理的典范---广义相对论

【情感升华】

小组讨论：通过学习本节课，学习到了哪些科学精神，可以结合课前查阅资料、结合教材，讨论发言

世纪伟人爱因斯坦剖析自己的科学感受时说：

“人只有献身社会,才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义”

“照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真”。

“ 科学的头脑就是去怀疑, 去证实, 去发现的精神! ”

爱因斯坦对待科学的态度是令世人震撼的！著名科学家德布罗意说：相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”

【归纳总结】

学生小组讨论，总结经典力学适用范围：宏观、低速、弱引力

【合作探究六】

教师点拨、学生总结：这四种理论互相补充、互补矛盾，共同撑起物理学科的骨架！

教师引导：相对论一定正确么？量子力学就没有错么？亦或者二者哪个是更广泛的正确呢？这一切还需要不断的被发现和被验证，让学生记住我们这些可爱的科学家们，以及他们永不磨灭的探索精神！进而情感升华，产生共鸣。

教材书后习题