高中物理人教版第六章万有引力与航天经典力学的局限性 优质课奖

安图一中物理教案时间：2023年月日课题§经典力学的局限性课型新授课（2课时）教学目标知识与技能1．知道牛顿运动定律的适用范围．2．了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用．3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时过程与方法通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的．情感、态度与价值观通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神．教学重点、难点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．教学方法探究、讲授、讨论、练习教学手段教具准备录像资料，多媒体课件教学活动[新课导入]师：自从17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发晨，如：在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就．经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如，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、飞机等各种交通工其：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。但是，经典力学也不是万能的，像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．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．[新课教学]一、从低速到高速(展示问题)师：请同学们阅读教材“从低速到高速”部分．回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成与两个公设．生：低速到高速的概念，通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等．有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速．质速关系是：在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即其中Db为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速．例如：(1)v＝0．8c时，物体的质量约增大到静止质量的1．7倍，这时经典力学就不再适用了．(2)如地球以v＝30km／s的速度绕太阳公转时，m=l010lOlmo，它的质量增大十分微小，可以忽略不计．速度合成与两个公设．一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下．在经典力学中，船相对于岸的速度即为v船岸=v船水+v水岸经验告诉我们，这简直是天经地义的．但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系．在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立．然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了．(1)相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式．(2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速‘都一样．师：经典力学是适用于低速运动的物体还是适用于高速运动的物体呢?生：适用于低速运动的物体．师：阅读教材科学漫步部分，体会时间和空间是什么．生：时间与空间并没有讲清时间与空间的问题，只是提出问题，激励我们对未来的探索．二、从宏观到微观师：请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。生：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，面且具有波动性，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，并在现代科学技术中发挥了重要作用．经典力学一般不适用于微观粒子．师：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?生：相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义．它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：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(展示问题)师：请同学们阅读教材“从弱引力到强引力”部分，并回答问题：何为弱引力?何为强引力?生：万有引力属于弱引力．利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来．爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m)，天体间的引力就趋于无穷大．[讨论与交流)(展示问题)(1)实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进．经典力学的解释令人满意吗?用什么理论来圆满地进行了解释?(投影)生：按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符．经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多．经典力学的解释不能令人满意．爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43’的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象．并且都被观测证实．(2)何为天体的引力半径?生：假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值——“引力半径”．只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大．但当天体的实际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，牛顿的万有引力理论将不再适用．对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说，‘科学总是从正确走向错误．”这种调佩倒也不失为一种幽默的表述．(3)历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么?生：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．如：当物体的速度远小于光速c(3X108m／s)时，相对论与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h(6．63X10的科学是自己在一定条件下的特殊情形．(例11以牛顿运动定律为基础的经典力学，在科学研究和生产技术中有哪些应用?参考答案：经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用．经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学，材料力学、结构力学等．从地面上各种物体的运动到天体的运动：从大气的流动到地壳的变动：从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律．(例2)以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么?参考答案：经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题．[课堂训练]1．20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了，改变了经典力学的一些结论．在经典力学中，物体的质量是的，而相对论指出质量随着速度变化而2．20世纪初期，建立了，它能够正确地描述微观粒子的运动规律．3．经典力学只适用于解决问题，不能用来处理——问题，经典力学只适用于物体，一般不适用于．4．微观粒子的运动不仅具有性．同时具有波动性．它们的运动规律很多情况下不能用经典力学来说明．要增强正确描述微观粒子的运动规律，需要用．5．牛顿运动规律只适用于物体的运动，狭义相对论阐述物体在以的速度运动时所遵从的规律．参考答案1．狭义相对论固定不变变化2．量子力学3．低速运动高速运动宏观微观粒子4．粒子量子力学5．宏观、低速接近光速[小结]本节学习了经典力学的局限性：(1)从低速到高速：在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随着物体的运动速度的增大而增大．即(2)从宏观到微观：相对论和量子力学的出现，并不说明经典力学失去了意义．只说明它有一定的适用范围：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．(3)从弱引力到强引力：相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性．经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力．学生活动作业[布置作业]认真阅读教材．认识到物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神．[课外训练]阅读教材83页‘科学足迹’栏目中的短文《牛顿的科学生涯，，体会和学习牛顿献身科学的精神．板书设计6．经典力学的局限性一、从低速到高速经典力学只适用于低速运动二、从宏观到微观经典力学只适用于宏观物体三、从弱引力到强引力万有引力定律只适用于弱引力教学后记课后习题1．两颗靠得很近的天体，离其他天体非常遥远，它们以其连线上某—点O为圆心各自做匀速圆周运动时，两者的距离保持不变，科学家把这样的两个天体称为“双星”，如图6—5——l所示．设双星的质量分别为m1和m2，它们之间的距离为L．求双星运行轨道半径r1和r2，以及运行的周期T．练习巩固2．人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法中正确的是()A．半径越大，速率越小，周期越小B．半径越大，速率越小，周期越大C．所有卫星的速率均是相同的，与半径无关D．所有卫星的角速度都相同，与半径无关3．已知地球表面的重力加速度g＝9.8m/sA．9．8m／s2B．4．9m／s2C．2．45m／s2D．39．2m／s4．人造卫星绕地球做圆周运动，若卫星的线速度减小到原来的一半，卫星仍做圆周运动，则()A．卫星的向心加速度减小到原来的1／4B．卫星的角速度减小到原来的1／2C．卫星的周期增大到原来的8倍D．卫星的周期增大3倍5．若两颗行星的质量分别是M和m，它们绕太阳运行的轨道半径分别是R和r，则它们的公转周期之比是（）A．B．C．D．6．一物体在地球表面重16N，它在以5m／sA．1／2B．2倍C．3倍D．4倍7．已知地球和火星的质量比M地：M火＝8：1，半径比R地：R火＝2：1，表面动摩擦因数均为0．5，用—根绳在地球表面上水平拖一个箱子，箱子能获得10m／s2的最大加速度．将此箱子和绳送上火星表面，仍用该绳子水平拖木箱。则木箱产生的最大加速度为(地球表面的重力加速度为10m／s2)()A．10m／s2B．12．5m／s2C．7．510m／s2D．m／s28，已知地球的密度为ρ，假设地球的自转加快，当地球自转周期为下列哪个值时，其赤道上的物体将要飞离地面(地球看成球体，引力常量为G)()A．B．C．D．9．设在地球上和某天体上以相同的初速度竖直上抛一物体的最大高度之比为k(均不计阻力)，且已知地球与该天体的半径之比也为k，则地球与此天体的质量之比为()A．1B．kC．k2D．1／k10．地球表面重力加速度为g地，地球的半径为R地，地球的质量为M地，某飞船飞到火星上测得火星表面的重力加速度g火、火星的半径R火，由此可得火星的质量为()A．B