第六节 经典力学的局限性

第六节经典力学的局限性湖北省恩施高中陈恩谱一、教材及学情分析本节书在整个高中物理一到六章“运动和力”部分的最后一节，对于经典力学的基础部分——牛顿定律和万有引力定律，学生都有了较为熟悉的了解，为了让学生对经典力学的适用范围和现代物理学的成就有一个总体性的了解，教材设计了这一节书。因此，本节书的教学目的在于让学生接触和了解相关内容，防止学生对经典力学形成迷信，同时也对物理学理论发展的逻辑有初步的认知。由于学生尚未学习相对论、量子理论的基本内容，本节教学也不需要学生真正领会现代物理学的内涵，只需要初步了解现代物理学涉及的几个具体问题的具体结论即可。尽管要求不高，但实际上因为新鲜生疏信息量过大、知识过于抽象和不合学生生活经验，学生只可能在似懂非懂的情形下，接受教材和教师的观点，形成初步印象，为后续学习奠定一个心理印象基础。同时，教材设计了“科学漫步”、“科学足迹”这两个栏目，分别介绍了狭义相对论的时空观和牛顿科学研究的生涯与方法。第一个栏目与正文目的相同，旨在初步了解相关内容；第二个栏目则是旨在对学生进行科学方法教育和科学人物经历精神教育，属于本节教学的重要补充。二、教学三维目标1、知识与技能：了解经典物理学的局限和现代物理学的超越，了解物理学理论发展的逻辑和现代物理学发展的两个方向，了解牛顿的科学研究经历、科学研究方法和科学精神。2、过程与方法：通过本节学习，理解任何物理学理论都有其适用范围与条件，理解物理学理论的发展是不断开拓、深入并将过往理论包容、扬弃的逻辑，理解牛顿科学研究方法要点。3、情感、态度与价值观：通过本节学习，使学生视野更开阔，防止无知导致迷信，促成学生形成开放、创造性学习的心态，激发学生进一步学习的欲望，使学生形成勤奋、严谨、坚毅、执着的科学品质观。三、教学重点难点1、经典物理学的局限与适用范围2、物理学理论发展的逻辑3、现代物理学发展的两个方向4、牛顿科学研究的方法与精神四、教学媒体方式1、教学媒体：PPT2、教学方式：自学，讲授法五、教学过程设计（一）回顾引入课本第一至六章，我们学习了以伽利略变换和牛顿定律为基础的运动学、动力学、曲线运动和天体运动相关知识，我们基本上将经典力学最基础的部分基本学习完毕，本节课我们将进行一个全面的总结，同时，本节更重要的任务是让大家了解这些知识内容的局限性和适用范围，明白我们目前所学内容在整个物理学理论体系中的确切位置。（二）自学教材下面给大家10分钟左右的时间，自主阅读课本第六节正文内容，阅读过程中思考以下问题：1、经典力学包含哪些基本内容？2、经典力学的适用范围是怎样的？3、物体运动接近光速时，什么理论才是适用的？微观到原子、电子尺度时，什么理论才是适用的？强引力场中呢？4、站在现代物理学的基础上反观经典力学，你认为经典物理学被否定了吗？现代物理学理论和经典物理学理论是什么关系？5、物理学有终极理论吗？（三）教师讲解1、19世纪末的经典物理学大厦从文艺复兴时期伽利略打开近代物理学的大门，到17世纪牛顿建立三大运动定律和发现万有引力定律，经典力学的核心基础基本建立，随后的两百多年里，物理学家们深入挖掘牛顿定律的内涵和外延，建立起了完整的严谨的经典力学体系；同时，物理学家们也在牛顿力学的基础上进一步建立了热学、光学、电磁学的经典体系，这些理论彼此相符而相互包容，形成了一个经典物理学的大同盟，从天上到地下、从运动到热的、光的、电的、磁的现象，都毕恭毕敬的遵循着这一理论体系的规则。到了19世纪末，当时的绝大部分物理学家认为，物理学的理论大厦基本完工，物理学家们剩下的事情不过是对理论进行细枝末节的修正和在各个具体领域的应用，开尔文被广为流传一句话极为夸张表达了那时物理学家们的基本看法：物理学的未来，将只有在小数点后第六位后面去寻找……人们普遍认为，物理学已经终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何激动人心的发现了。2、19世纪末漂浮在经典物理学上空的两朵乌云及现代物理学的建立也同样是这位开尔文，在1900年4月的一次演讲中，将19世纪末最后几年物理实验发现的一些新现象概括为漂浮在经典物理学上空的两朵乌云，其中一朵乌云是实验发现不同参考系下光速不变现象的发现，另一朵乌云是热辐射实验和热学理论的不协调。也许当时物理学家们都没有意识到，正是这两朵看起来并不起眼的乌云，将给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨式的革命，彻底改变人们对物理学从基础到整个体系的认识，物理学在其后将近30年内的烈火和暴雨中实现了涅槃，并重新建立起了两幢更加壮观美丽的城堡来。其中第一朵乌云最终导致爱因斯坦建立起了相对论，第二朵乌云最终导致量子力学的建立。3、经典力学的局限和现代物理学的超越（1）经典力学是局限和适用范围：经典力学在宏观、低速、弱引力场的广阔领域与实际精确相符，但是在物体速度接近光速时、物理研究深入到原子、电子尺度时，物理研究进入强引力场领域时，伽利略变换、牛顿运动定律和牛顿引力定律就不再适用了。（2）现代物理学的超越现在我们知道，在物体速度接近光速时，只有狭义相对论才能胜任；在强引力场领域，则是广义相对论的舞台；而深入到原子、电子、中子、质子等微观领域，只有量子力学才是符合实际的。时间和空间是物理学研究的基础，而相对论却改变了人们对时间、空间的基本认知，在这个参考系中同时发生的两件事，在另一个参考系中不再是同时发生的了，在这个参考系中的时钟和另一个参考系的时钟测量的同一过程的时间也不同了，在这个参考系中物体的长度和物体之间的距离与另一个参考系中物体的长度和物体之间的距离也不相同了，不同参考系下速度的变换规则不再是，而是；经典力学中物体的位置和速度严格按动力学、运动学所确定的轨迹和规律连续变化，而量子力学认为物体的能量和状态不再是连续变化的，而只能是一个一个分立的值，分立的值之间没有中间状态，物体的空间位置也不再是连续变化，这一瞬间在这里，下一瞬间在那里，物体从这里到那里并没有经历中间过程，而且下一瞬间具体在何处无法准确确定，只能说下一瞬间物体可能在哪个位置，这种可能性有多大，轨迹的概念不再有意义……4、物理学理论发展的逻辑和现代物理学发展的两个方向不过，当我们研究的问题退回到宏观、低速、弱引力场时，相对论和量子力学的结论和经典力学的结论就基本一致了，也就是说可以把经典力学的内容作为相对论和量子力学在宏观、低速、弱引力场情况的近似。新的物理学理论重构了物理学的基础和体系，但是并没有否定原来的物理学理论，而是包容了原来的旧理论——把它作为自己在一定条件下的特殊情形，并明确限定了旧理论的适用范围——经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场情形。相对论和量子力学尽管能解决目前几乎所有的物理问题，但是他们也不是物理学的终极理论，而且到现在为止，广义相对论和量子力学之间的相互协调的工作还远没有完成，物理学还在追求这更为根本的理论，这是物理学发展的一个方向。现代物理学发展的另一个方向就是将现有理论与化学、生物、材料、宇宙演化等领域相融合，发展出物理学广阔的深入的应用领域。这两个方面，我们在座的各位都有可能会作出自己相应的贡献，尤其是应用领域，将是绝大部分理工科学生将来毕生工作的方向。（四）自主阅读高中物理的绝大部分问题都是宏观低速弱引力场中的问题，因此了解了经典物理学的局限和适用条件之后，我们就可以在其可使用的范围内放心大胆的使用经典物理学的理论了。那么，经典物理学这一伟大体系的开创者，到底有着怎样的特殊经历和精神力量，以至于能够创造出到300余年后的今天我们初中、高中和大学阶段都还在作为物理学基本内容来学习的理论呢？下面请自行阅读课本“科学足迹-牛顿的科学生涯”部分，阅读的过程中注意思考如下几个问题：1、牛顿在青少年时期为未来的科学研究准备了一些什么？2、牛顿科学研究的黄金时期在什么年龄段？3、牛顿科学研究所需要的外部条件有哪些？4、牛顿科学研究的方法有哪些？5、牛顿科学研究所需要的内在因素有哪些？6、牛顿是一个十全十美的人吗？（五）课后练习1、完成课后习题1、2；2、完成资料相关部分内容。六、教学生成记录1、学生对经典力学所不包含的内容很感兴趣并存在着很多疑问，在自主阅读和下课期间，很多学生问及速度变化时，物体质量何以会发生改变，不同参考系下时间间隔、空间距离为什么不相等了，速度的洛伦兹变换是怎么回事，微观粒子为什么能量不能连续变化，微观粒子从一个位置到另一个位置真的没有经历一个有轨迹的连续变化……说实在的，这一系列问题，在这节课后我几乎无法回答，我基本上用“以后学习了选修3-4、选修3-5相关部分知识后，自然就明白了”搪塞过去。2、学生在自学教材后，基本上能够背书上的话——新的理论包容了旧的理论，但是并没有具体感受，他们其实是认为相对论、量子力学推翻了牛顿力学，但又不敢理直气壮的说出来……因此有很多学生问及教材上最后两段话的具体意思是什么，可否举例说明。我仅仅以相对论的质量变换公式、速度变换公式在低速情况下退化为质量基本不变、伽利略变换做一个代表性说明，学生基本满意。3、有学生看过一些科普读物，知道牛顿最终痴迷于《圣经》和炼金术的研究，他就问我知道与否，怎么评价这件事？我说，其实，牛顿认为自然界的物体运动之所以遵循如此规律，其背后必定有着一个原因，这个原因在牛顿体系之中找不到，于是牛顿就回到的当时的生活信仰之中，把这一切归结于造物主指定的规则。牛顿还有一个疑问，这个世界到底是怎样开始运动起来的？这巨大的能量来自何处？他的理论体系中也没有相关解释，牛顿就解释为上帝的第一推动……而牛顿从事炼金术研究，则是出于其认为力学的理论应该是普遍适用的，他根据其力学理论研究了光学，为