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 精品

第六节经典力学的局限性教学设计设计思想本节是全章的终结性内容，属于介绍性的内容。主要引领学生学习认识到经典力学的局限性，领会经典力学的适用范围，初步感受相对论和量子力学的知识。其目的在于使学生拓展知识、开阔视野的同时，正确认识物理学理论的发展与适用范围。本节在经典物理学和近代物理学之间起着承上启下的作用，既有对前面所学知识的回顾、评价，也为后续学习做好了铺垫。不仅在学生知识体系中占有重要的地位，而且在学生的思想、世界观、人生观的形成中也有着重要的地位。本节具体计划沿着教科所书的规划，“从低速到高速”、“从宏观到微观”、“从弱引力到强引力”几个方面提出问题，讨论问题，分析问题，引起学生的思考，激活学生的思维，带领学生从经典力学的教室步入相对论和量子力学的学堂。在“从低速到高速”的讨论中，计划首先让学生阅读课本46页的“科学漫步”，通过讲解、分析、师生讨论，让学生了解狭义相对论中时间与空间的观点，了解在相对论的时空观中，物体的质量和与速度有关系。在“从宏观到微观”的讨论中，通过讲解介绍，让学生了解还有量子力学知识，它能正确地描述微观粒子的规律性。在“从弱引力到强引力”的讨论中，引导学生了解广义相对论是一种新的时空与引力理论，是对牛顿引力理论的修正，但并不否定牛顿引力理论，牛顿引力理论被包括在新的时空与引力理论之中。最后，借助教材提出的问题：“相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？”启发学生继续去深入地思考和研究。教学目标（一）知识与技能1、了解经典力学的发展历程和广泛应用。2、知道牛顿运动定律的适用范围和局限性。3、了解牛顿研究物理问题的思想方法。4、了解爱因斯坦相对论理论的初步知识。（二）过程与方法1、体会科学理论有自己的局限性，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。2、通过怀疑、思考、讨论、分析“从绝对时空观到相对时空观”、“从低速到高速”、“从宏观到微观”、“从弱引力到强引力”的问题，“经历”并体验研究物理问题的思想方法。（三）情感、态度与价值观1、通过学习，认识物理规律一般都有其适用范围，感受真理的相对性和无限性，产生追求科学、献身于科学的愿望。2、通过讲解、讨论，以及阅读“科学漫步”、“科学足迹”等栏目，激励学生对未知科学的探索，领悟科学大师的科学精神、科学思想和科学思维。3、通过学习相对论、量子力学的初步知识，认识物理学对改变人们世界观的巨大作用，形成科学的世界观。教学重点牛顿运动定律的适用范围和局限性。爱因斯坦相对论理论的初步知识。教学难点“经历”并体验研究物理问题的思想方法。教学资源多媒体课件教法设计课前自主学习和合作学习相结合，鼓励和组织学生收集三方面的资料：①经典力学的发展历程及相应的物理学家；②经典力学的伟大成就；③经典力学的适用范围和局限性。让学生相互交流收集到的资料，开始建立对经典力学的整体性认识。课堂采取问题引领式教学，通过对教师提出问题的怀疑、思考、讨论、分析，引起学生的思考，激活学生的思维，带领学生从经典力学的教室步入相对论的学堂。教学过程教师活动学生活动设计意图引入新课新课教学建立对经典力学的整体性认识二、经典力学的适用范围和局限性。1、从低速到高速2、从宏观到微观3、从弱引力到强引力三、科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!布置作业：根据课前自主学习和合作学习，请以小组为单位发言，从以下三方面介绍小组学习的成果：①经典力学的发展历程及相应的物理学家；②经典力学的伟大成就；③经典力学的适用范围和局限性。在学生发言的基础上讲解：(1)经典力学的发展历程。主要发展历程可分四个阶段：a、 哥白尼时代（包括开普勒的工作）,特点为摆脱神学统治；b、 伽利略时代,特点为建立实验方法；c、 牛顿时代,特点为总结出经典力学体系；d、 后牛顿时代,特点为经典力学的广泛应用。（2）经典力学创立的科学思维方法（3）经典力学对人类文明的贡献a、由于经典力学研究的是自然界最基本最普遍的机械运动规律,因此,经典力学成为一系列科学技术发展的基础；b、经典力学推动了数学分析、物理学各分支的发展；c、经典力学成为一系列技术应用的理论基础。从绝对时空观到相对时空观提出问题：1、速度有无极限？2、时间和空间是否是绝对一成不变的？让学生阅读课本46页的“科学漫步”《时间与空间是什么》经典力学受速度限制的分析牛顿力学的绝对时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。——牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿牛顿的局限：1)绝对时空观，认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。2)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。介绍爱因斯坦的狭义相对论中时间与空间的观点。1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879──1955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，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（特定观察）而变化。1）同时的相对性：A、动画课件演示；狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。B、爱因斯坦火车火车上的观测者说:光源在AB的中点,应同时到达A、B两点,地面上的人看见先到达B点，后到A点。2）长度的相对性：动画课件演示；爱尔兰物理学家乔治·佛兹杰拉德（1851──1901）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），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。3）质量的相对性：物体运动时的质量与静止质量的关系结论：经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。提出问题：微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律。讲解:19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现电子、质子等微观粒子既具有粒子性，又具有波动性，这不能用经典力学来解释。1924年，德国物理学家德布罗意大胆地提出，所有的实物都具有波动性，人们把它称为物质波，也叫德布罗意波。20世纪20年代，量子力学建立了，它能正确描述微观粒子的运动规律，并在现代科学技术中发挥着重要作用。结论：经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。提出问题：按照经典力学理论，行星沿椭圆轨道绕太阳运动，有时离太阳近些，有时远些。然而天文观测却告诉我们并非如此。为什么？指导学生阅读课文46－47页。讲解：按照经典力学理论，行星沿椭圆轨道绕太阳运动，有时离太阳近些，有时远些。然而天文观测却告诉我们并非如此。太阳的巨大质量使它周围的空间发生弯曲，其结果是，行星每公转一周它的轨道的长轴都比上一个周期偏转一个角度，这个现象叫做行星轨道的旋进。理论分析表明只有水星轨道的进动比较显著，达到约每世纪°。这个现象早在广义相对论出现之前就已经发现，只是无法解释，所以它实际是广义相对论的最早的佐证。讲解：通常物体的引力场都太弱，在太阳或者行星的引力场中，经典力学与爱因斯坦的理论得出的引力没有和大差别。但是，对于宇宙中的有一些天体，如白矮星，其表面的引力比常见的要强得多，牛顿的引力理论就不再适用了。20世纪初观测到太阳引力场引起的光线弯曲。由于太阳引力场的作用，我们有可能看到太阳后面的恒星（上图）.但是，平时的明亮天空使我们无法观星，所以最好的时机是发生日全食的时候。1919年5月29日恰好有一次日全食，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，其结果完全证实了爱因斯坦的预言。这是广义相对论的最早的验证。结论：经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。提出问题：相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论？总结：历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件之下的局部情形，被包括在新的科学成就之中。启发、讲解、讨论自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。――蒲柏科学总是从正确走向错误。――萧伯纳相对论好像是：“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。”――德布罗意科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!――爱因斯坦相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道。。。。。。课外阅读“科学足迹”。课外阅读相对论及量子力学知识。以小组为单位发言介绍小组学习的成果：回忆思考(1)经典力学的发展历程。②经典力学的伟大成就。学生阅读课本46页的“科学漫步”《时间与空间是什么》同教师一起讨论分析牛顿力学的绝对时空观同教师一起讨论分析爱因斯坦的狭义相对论中时间与空间的观点。观察动画课件演示；分析讨论爱因斯坦火车。观察动画课件演示；分析、讨论。分析记忆物体运动时的质量与静止质量的关系。同教师一起探讨量子力学如何描述微观粒子的运动规律。学生阅读课文46－47页。同教师一起探讨、分析同教师一起探讨、分析同教师一起探讨、分析同教师一起探讨、思考记录作业培养学生自主学习、合作学习、收集资料能力，培养文字表达及语言表达能力。建立对经典力学的整体性认识。通过讲解、分析、师生讨论，让学生了解牛顿的绝对时空观的局限，了解爱因斯坦的狭义相对论中时间与空间的观点。通过实例分析，加深对狭义相对论中时间与空间的观点的理解。激励学生产生了解量子力学知识的愿望。使学生了解广义相对论的观点，认识经典