《经典力学的局限性》名师教案

3/116.6《经典力学的局限性》教学设计浙江省绍兴市越州中学张惠作（一）教学目标浙江省普通高中学科指导意见中，关于第六节《经典力学的局限性》的教学要求、教学建议和课标内容如下。（1）教学要求：基本要求1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。2.认识经典力学的局限性和适用范围。3.体会科学理论总是在不断发展的。发展要求1.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。2.初步了解相对论、量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用。说明1.不要求用相对论中质量随速度变化的公式进行计算。2.不要求识记证明经典力学局限性的有关事实。（2）教学建议：《经典力学的局限性》这一节，并不要求学生掌握具体的知识，但应该让学生体会到，尽管经典力学取得了辉煌的成就，但它还没有穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等着我们去发现。本节的教育功能着眼点应在核心素养方面。（3）课标内容：初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响；初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识；通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义，认识经典力学的适用范围和局限性；体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用，举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。（4）三维目标分析：教学要求表中，三条基本要求和两条发展要求，从行为动词上划分，基本要求的1、2和发展要求的1、2都属于三维目标中的知识维度，基本要求中的3，是情感态度价值观维度的目标。实现知识维度和情感态度价值观维度，离不开过程和方法维度的教学目标。基于指导意见中的基本教学要求和发展要求，笔者设计以下过程与方法目标：①经历经典力学发展历程和成就的文字展示过程；②经历观察、对比有关现象、模型和概念的图片的过程。（二）核心素养高中物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面。物理观念包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素。结合本节的内容和学生的基础，笔者认为，应重点落实物理观念和科学态度与责任这两大方面核心素养导向的目标，兼顾落实科学思维和科学探究的某些要素导向目标。（1）物理观念导向目标分析。本节内容对学生提炼物理观念具有催化剂的作用，是点化经典物理物质观、运动观、能量观和相互作用观向现代物理观念转化的重要素材。（2）科学态度与责任导向目标分析。了解经典力学的发展历程和局限性，能够体会科学理论的发展性和相对性，了解巨大成就，体会经典力学的科学方法、理论严密、体系完整、实践性、绝对性等科学本质特征，从而感悟科学态度和科学精神。了解巨大成就，还可以感受科学价值，激发学习物理兴趣，增强立志运用物理知识服务社会的责任感。（3）科学思维导向的目标分析。了解物理史中模型的发展和基于解决矛盾的观念变化，潜移默化，形成建模意识和质疑创新等科学思维素养。（4）科学探究导向的目标分析。了解物理史中的科学探究的问题、证据、解释等要素，潜移默化为科学探究素养。（三）教材和学情分析1.教材分析：本节课型从教学时序上看属于新授课，从教学内容上看是物理学史教学课，不是概念课但会涉及许多新概念，新观念，内容广阔博大，所涉及的内容都是现代物理的观念和现象，都十分抽象、怪异，和学生已获得的生活经验积累差异很大。本节内容主要的教育功能是培养学生科学态度和责任，渗透现代物理观念等学科核心素养。对照教学目标，不难发现，人教版教材这一节的教学内容编写太过简约，如若照本宣科，是无法实现教学目标的。比如，经典力学的发展史料，教材内容没有编写，经典力学的巨大成就的材料，教材内容单薄，高速与低速，宏观与微观，弱引力和强引力这几个概念，教材内容中没有明确的介绍，从宏观到微观部分的内容更是严重不足，微观粒子在微观运动的具体事例一个也没有，而以上内容，对实现教学目标具有重要的作用。2.学情分析：学生对经典力学的认识也十分有限，对现代物理的两大支柱相对论和量子力学了解就更加稀少，较好的学生通过科普资料对一些现代物理概念术语也知一鳞半爪，很多学生一无所知。学生自己阅读相关资料，会遇到许多新观念、新概念和规律，难以理解，盲目阅读，阅读信心会受到打击，丧失学习兴趣。（四）教学重点和难点分析1．教学重点：经典力学的发展历程、巨大成就和局限性。2．教学难点：教材缺乏经典力学发展历程、巨大成就的史料，缺乏典型的经典力学事例与相对论和量子理论的事例对比，学生对宏观与微观、高速与低速和强引力与弱引力概念容易模糊，对微观、高速和强引力的现象知之甚少，理解上难度大。突破难点，必须增补史料，增补对比事例，运用直观化、兴趣化、显性化、幼稚化、有序化策略措施。（五）教学方法分析1.学生自主合作学习不适合教材内容和学情，从课标内容和指导意见的教学要求来看，人教版的这节教学内容设置是不够的，需要收集补充：经典力学的发展史料，从思想、方法、和理论实践三个层面来挖掘伟大成就，补充了解、认识局限性和适用范围的现象对比，观念差异等实例。如何收集补充？翻转课堂，安排学生课外收集？不妥。其一，我们似乎很容易忘却课时的限制，翻转课堂实际上是抢占课时，学生学习的课程有很多门学科，如果各学科，每一节，都翻转过来，让学生课外先学，课上再后教，教后再布置相关作业巩固，学生课外有多少时间哪？这节的内容广博，深奥，需要花费学生不少课外时间。教师必须关注课时限制，教学建议，这节课程是1课时！其二，学生对经典力学都难以消化，却让他们去探究现代物理知识，真是强人所难啊！有很多学生根本不理解，会在收集过程产生畏难情绪，降低学习物理兴趣。所以，适合由老师收集补充，老师要提取好这一节的“一杯水”，教师不要打着新潮的冠冕堂皇的口号，由学生去完成教师的工作。课堂学生自主探究合作学习适合吗？教师做份导学案，引导学生阅读教材，填几个考试内容，这样也不妥。其一，教材内容简约，需要补足资料，就教材而言，学生读的再认真，目标也难达成。其二，这样做法，只是培养学生的阅读习惯和能力！这似乎缺乏物理学科特点，什么学科都好用，所以不能实现物理学科核心素养导向的目标。2．讲授法比较适合教学内容和学情，浩瀚博大精深的物理学知识，取个概貌给学生，最适合的还是让学生站在教师的肩膀上！根据教学内容特点和学生学情，合适的教学方法是讲授法。教师应当发挥自己的专业水平，从博大的物理学知识海洋，取出一杯适合学生水平的物理学概貌之水，点化学生的物理观念，激发学习物理的兴趣，了解科学本质，催化学生科学态度和科学精神。教学内容的处理运用直观化、兴趣化、显性化、幼稚化、有序化策略措施，恰当设置适合学生知识水平的问题，确保讲授生动、有趣，富有启发性和吸引力。通过教师讲授，使所有学生对物理学的见识站在教师的肩膀上，望的更远、更广些，对部分好的学生，激发他们的浓厚兴趣，课外主动涉猎相关物理知识。（六）教学过程设计课前：登陆优教平台，发送预习任务。根据优教平台上学生反馈的预习情况，发现薄弱点，针对性教学。（优教提示：请登陆优教平台，发送本节预习任务）一、经典力学1．经典力学是力学的分支，是20世纪前的力学；2．研究什么？研究物体机械运动现象和规律；3．基本规律：牛顿运动定律和万有引力定律；4．发展历程和巨大成就。牛顿居功至伟（是经典力学体系的建立者）牛顿原著：《自然哲学的数学原理》，1687年出版《原理》是经典力学的基础，在以后的200多年里几乎统治了物理学的各个领域。思想成就：牛顿运动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。法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯的评价：《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。给予人类智慧以光荣。杨振宁：《原理》出版是近代科学诞生的标志科学方法，影响深远。经典力学方法的典型就是伽利略和牛顿的研究方法。伽利略开创了将实验、逻辑（数学）相结合的方法，也就是“自然数学化”的方法。不仅通过实验进行观察测量，而且用理想实验的方法进行推理。牛顿的方法可称为“归纳-演绎法“。牛顿第一个大量运用数学方法系统地整理物理学理论的。他的方法与一般演绎法的不同指出在于：演绎的结果必须诉诸实验验证。伽利略和牛顿的科学方法影响深远，成为后来物理学家的一种朴实的自发倾向，并不断得到发展和完善，逐渐成为一种传统。甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义也是很大的。后来的许多理论，包括相对论和量子力学，它们的形成都受到《原理》的影响。爱因斯坦：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。前有“巨人”奠定基石牛顿名言：如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人的肩上。笛卡儿、伽利略、开普勒、哥白尼、阿基米德等惠更斯、培根等后有“大师”发展完善1736年，欧拉写成了《力学》一书，把牛顿的质点力学推广到刚体的场合，引入了惯量的概念，论述了刚体运动的问题。1738年，伯努利出版了《流体力学》，解决了流体运动问题。达朗贝尔进而于1743年出版了《力学研究》，把动力学问题化为静力学来处理，提出了达朗贝尔原理。莫培督接着在1744年提出了最小作用原理。拉格朗日1788年完成的《分析力学》一书，没有画一张图，自始至终采用的都是纯粹的解析法，因而十分出名。拉普拉斯在1799～1825年间完成的《天体力学》，专门用牛顿力学处理天体问题，解决了各种各样的疑难。成为现代高度发达的航空航天技术的理论基础。1827年，英国科学家哈密顿提出哈密顿函数，1834年发表了《动力学的一种普遍方法》的论文，成为建立哈密顿函数表述分析力学的里程碑。还有许多在牛顿定律基础上建立的诸如弹性力学、材料力学和结构力学等多门工程力学学科。应用广泛，成就巨大。十九世纪末，以经典力学为基础的经典物理学已达到前所未有的顶峰，随着电磁波的发现，认识到热辐射是电磁波，光也是电磁波，物理学再次实现光、热、电的大统一。然而，正是这高速的电磁波的运动规律，黑体热辐射的“紫外灾难”，揭示了经典力学的局限性。二十世纪初，随着电子发现，物理学进入到原子内部的微观领域，经典力学的规律也不适用。5.经典力学的局限性和适用范围：不适用范围：微观、高速、强引力领域适用范围：宏观、低速、弱引力的广阔领域适用高速的理论为狭义相对论，适用微观的是量子力学，适用强引力领域的是广义相对论。它们之间互为补充，互不矛盾，互不否定，新兼容旧6.科学特征：方法科学，理论严密，体系完整，经受实践检验，相对性、发展性和兼容性。据此，我们应持实事求是，严密论证，密切联系实际的科学态度；应发扬勇于创新，大胆质疑的科学精神。二、经典力学的局限性1.从低速到高速。理论变迁：经典力学发展为狭义相对论，观念转化：经典力学时空观发展为狭义相对论时空观。（1）什么是“高速”？光速或接近光速什么物质“高速”运动？电磁波，等于光速高能微观粒子，接近光速宏观物体的运动都是低速的（2）低速和高速事例对比：子弹相对飞船速度多少？如图1。子弹相对于飞船速度为图1光相对飞船的速度多少？如图2。光相对于飞船速度仍然为C。图2实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。爱因斯坦发现经典力学的时空观念需要修正（3）神化故事中时空观•西游记：•天上一日，地上一年•西天七日，人间千年（4）牛顿的经典时空观（绝对时空观）：时间、长度和质量都与参考系的运动无关。（5）爱因斯坦的狭义相对论时空观:时间、长度和质量都与参考系的运动有关。①同时是相对的②运动的时钟变慢(钟慢效应)③运动的尺子缩短(尺缩效应)④运动的物体质量变大（优教提示：请打开素材“动画演示：爱因斯坦的长度缩短理论”）（优教提示：请打开素材“动画演示：时钟变慢”）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，即当v≪c时，m≈m0；当v趋近于c时，m趋近于无穷大。因此，当物体的速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。2．从宏观到微观理论变迁：经典物理发展为量子力学观念变化：确定性、连续性向随机性、量子化转变（1）认识微观和宏观的尺度如图3，芝麻粒、小米粒、细沙粒等小颗粒，尺寸数量级为10-3m，裸眼看的见的尺寸，以及更大的尺寸，都是宏观尺度。600倍显微镜下，观察到悬浮在水面的花粉颗粒，做无规则运动。原子，大小的数量级为10-10m，以及更小的原子核、质子、中子，极其小的电子，肯定是微观物体和微观世界。宏观宇宙，很空旷，微观世界，也很空旷。图3（2）确定性和不确定性宏观运动的确定性。如图4，近距离射击，子弹穿越略大于子弹的孔，子弹打到靶子上位置确定。图4微观粒子在微观世界运动的不确定性。如图5，电子快速通过“微观孔”打到靶上，位置不确定，具有波动性。如图6。图5图6原子内部（微观世界）电子的运动。如图7，经典力学模型不适用，电子云模型适用。图7（3）能量的连续性和量子化经典力学认为，能量是连续的。量子力学认为，能量是不连续的。普朗克从1894年起投入对黑体辐射的研究，奋斗了6年。在用经典理论无法解释实验结果的情况下，提出了崭新的量子假说，成功的解决了“紫外灾难”的问题。普朗克的量子假说认为：物质辐射的能量是一份一份的，就像物体是由一个一个原子构成的一样。一份能量就是一个能量子，大小取决于波长，与频