6.经典力学的局限性教学实录与评析

6.经典力学的局限性　 高中物理       人教2003课标版

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．

了解经典力学的局限性

导入新课

    情景导入

    情境l《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．

    ——l8、19世纪法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯

  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．”

    ——l9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loo 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iio km／h．

    可是，如果打开前车灯，按照常识，光速是1．079 145×10 9 km／h，加上车的运动速度，光的实际速度应该大于1．079 145×10。km／h，日，实际测量光速还是1 079 145×10。km／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9

    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-R-,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X-业革命

    5．由4-顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守-巨定律等，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4-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．狭义相对沧中物体的质量表达式足怎样的?

  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，分组讨沧、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

：物体静止时的质量，卅：物体速度为u时的质量，r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

    例一：如果真空中的光速为c一3．0×10 8 m／s，当一个物体的运动速度为u。一2．4×

10 8 m／s时，质量为3 k9．当它的速度为1．8X 10 s m／s时，质量为多少’

解答：根据狭义相对论

由题意知：

所以

    例２：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．①②③④t3．①②③    c．①③④D．②③

    解答：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．

课堂训练

    1．一个粒子，原来静止时对应的质量为卅。．则：

    (1)当这个粒子的速度为3×10 7 m／s时，它增大的质量占原来质量的百分比是多少?

    (2)当这个粒子的速度为2．4×i08 m／s时，它增大的质量占原来质量的百分比又是

多少?

  答案：(1)0．5％(2)66．7％

  2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

  解答：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

  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，对于半径接近于零质点的物体，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，英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．

    ;例３：20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的时代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

6.经典力学的局限性　

6.经典力学的局限性　

导入新课

    情景导入

    情境l《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．

    ——l8、19世纪法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯

  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．”

    ——l9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loo 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iio km／h．

    可是，如果打开前车灯，按照常识，光速是1．079 145×10 9 km／h，加上车的运动速度，光的实际速度应该大于1．079 145×10。km／h，日，实际测量光速还是1 079 145×10。km／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9

    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-R-,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X-业革命

    5．由4-顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守-巨定律等，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4-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．狭义相对沧中物体的质量表达式足怎样的?

  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，分组讨沧、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

：物体静止时的质量，卅：物体速度为u时的质量，r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

    例一：如果真空中的光速为c一3．0×10 8 m／s，当一个物体的运动速度为u。一2．4×

10 8 m／s时，质量为3 k9．当它的速度为1．8X 10 s m／s时，质量为多少’

解答：根据狭义相对论

由题意知：

所以

    例２：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．①②③④t3．①②③    c．①③④D．②③

    解答：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．

课堂训练

    1．一个粒子，原来静止时对应的质量为卅。．则：

    (1)当这个粒子的速度为3×10 7 m／s时，它增大的质量占原来质量的百分比是多少?

    (2)当这个粒子的速度为2．4×i08 m／s时，它增大的质量占原来质量的百分比又是

多少?

  答案：(1)0．5％(2)66．7％

  2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

  解答：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

  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，对于半径接近于零质点的物体，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，英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．

    ;例３：20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的时代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