高一物理 必修二 相对论时空观与牛顿力学的局限性

1、经典力学的局限性教学设计郑欣【教材分析】1.本节课的地位和作用 本节课是人教版物理必修二第六章第六节的内容，是学习完经典力学之后所做的介绍性的内容，可以拓展学生的知识面，体会经典力学到量子学、广义、狭义相对论的发展过程，让学生经历物理知识发展、完善的过程，从中培养科学精神和科学的思维方式。2.教材的编写思路教材先介绍从低速到告诉，高速运动的物体运动时的规律在牛顿力学体系的时空观中并不成立，并给出了质量随时间变化的关系。接下来介绍从宏观到微观的变化，发现了电子、质子、中子等微观粒子，这种粒子具有粒子性和波动性，提出了量子力学。最后介绍从弱引力到强引力，提出了广义相对论。本节课将通过介绍，让学生体

2、会任何的科学都具有局限性，强调了牛顿力学并非过时，历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中，要理解理论定律的适用条件。3.教材的处理 在讲授本节课时我先介绍牛顿运动定律和万有引力定律的广阔适用性，以至于当时人们认为物理学已经发展到很完善地步，接下来从19世纪末物理学大厦的“两朵乌云”出发，介绍了物理学是如何从实验数据中一步步修改理论研究，发展出了相对论和量子力学。从物理学发展的角度一边讲授物理知识一边介绍物理学史，让学生更好的体会知识的慢慢完善过程和物理学严谨的科学态度和刻苦的求知精神。【学情分析】本节课的授课对象的高一的学生。这个阶段的

3、学生已经学习了牛顿运动定律和万有引力定律，对于经典力学的基本理论以及应用也有了基本的认识和理解。学生或许有听闻过相对论和量子力学，但是缺乏正确的认识或者理论不清楚，但对于这部分的知识是感兴趣的。此外，本节课主要介绍相对论和量子力学理论，较为抽象。而高一的学生思维活跃、求知欲强，思维方式已经从初中时形象思维慢慢地过度到抽象思维。【教学目标】经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围，相对论、量子力学和经典力学的关系。通过时间与空间的问题，激励学生对未来的探索。【教学重难点】重点：了解经典力学的局限性。难点：了解相对论、量子力学与经典力学的关系。【教学

4、过程】一、新课引入牛顿作为一个集大成者，建立了完整的经典力学体系，包括牛顿运动定律和万有引力定律。经典力学是牛顿运动定律，万有引力定律更是建立了人们对牛顿物理学的尊敬。牛顿运动了和网友引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经手了时间的检验，取得了巨大的成就。从地面物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等各种交通工具：从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船从而证明了牛顿运动定律的正确性。经典力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动的正确性和经典力学的魅力，以至于到了十九世纪末期人们对物

5、理学的发展有着极大的自信，认为物理学已经很完善。而十九世纪末的“两朵乌云”揭示了经典力学也不是万能的，它也有自己的局限性。那么经典力学在什么范围内适用呢？有怎样的局限性呢？这节课我们就来了解这方面的知识。新课讲授19世纪著名的英国物理学家威廉汤姆生在回顾物理学时踌躇满志地宣告“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。”但是他在展望二十世纪物理学的发展时也提到“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。”这两朵乌云引起了物理学思想的大风暴。第一朵乌云：迈克尔逊莫雷实验。在经典力学中，认为运动的合成是这样的：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下的速

6、度1m/s，则船相对于岸的速度为3m/s。按照这个逻辑，如果发出一束光的速度与地球自转的方向相同，测出来光的速度要大于3.0X108m/s。反之，发出一束光的速度与地球自转的方向相反，测出来光的速度要小于3.0X108m/s。但是迈克尔逊莫雷实验的结果表明：无论地球运动的方向与光束的方向一致或者相反，测出来的光速都相同。这个实验结果用经典力学无法完美的解释，因为经典力学具有绝对的时空观，认为同一个物体运动的时间和长度在不同的参考系中测量结果是相同的。1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论：在宇宙中唯一不变的是光在真空中的速度，其它任何事物速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系而变化。他

7、认为时空和运动相关联，质量与速度的定量关系是 。第二多乌云：黑体辐射。黑体辐射的实验结果表明：黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。直到1900年普朗克提出一种能对热辐射进行准确描述的新理论，引入“能量子”的概念，提出了能量具有粒子性。由此物理学研究深入到了微观世界，微观粒子不仅具有粒子性，同时要具有波动性。20世纪20年代量子留学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律。我们知道了，在高速的微观的世界里，经典力学是不适用的。那么那么经典力学，还有哪些局

8、限性呢？一开始我们讲到了万有引力定律，解释了天体运动的规律，并预言了海王星的存在。他首次使地面物体的运动规律与天上星体的运动规律统一起来，把经典力学推上了当时科学的顶峰。但是按牛顿的万有引力定律推算行星的运动，应该是一些椭圆,行星沿着这些椭圆做周期性的运动。然而，实际的天文观测告诉我们行星的轨道并不是严格闭合的。比如水星的公转轨道在不断地进行旋进。1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，理论与实际十分吻合。 牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：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。爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其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。在某些天体表面的引力比我们常见的引力强得多，即强引力场中牛顿引力理论已