1、第六章 万有引力与航天第6节经典力学的局限性学习目标：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.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象4.知道相对论、量子力学和经典力学的关系.学习过程：任务一：阅读课本P48的1-3段，说出经典力学的成就答案1.经典力学的基础是牛顿运动定律.牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就.2.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面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.任务二：阅读课本P48-50的“从低速到
2、高速”内容，思考并小组讨论下面的问题：1.在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？2.在经典力学和狭义相对论中，位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别？答案1.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增大而增大.2.在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的. 教师概括 1.低速与高速的概念(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体.(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与
3、光速相接近，这样的速度称为高速.2.速度对质量的影响(1)在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变.(2)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m，其中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速.在高速运动时，质量的测量结果是与运动状态密切相关的.3.速度对物理规律的影响(1)经典力学认为位移和时间的测量结果都与参考系无关.相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中是不同的.(2)对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理.对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理.任务三：阅读课本P50的“从宏观
4、到微观”内容，写出经典力学的适用范围是什么？答案适用于宏观世界、低速运动.教师概括1.在经典力学中，物体的粒子性和波动性是对立的、不相容的，而电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性同时还具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学来说明，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律.2.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：只适用于宏观世界，不适用于微观世界，只适用于低速运动，不适用于高速运动.任务四：阅读课本P50-51的“从弱引力到强引力”内容，思考并小组讨论下面的问题：1. 经典力学与行星轨道的矛盾是什
5、么？答案按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动.2. 由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？答案经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场.3.归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异.答案牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：(1)行星的运动，在近日点和远日点，引力的变化规律不完全相同，导致轨道不闭合、近日点旋进.(2)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，对于半径接近于零的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大.爱因斯坦引
6、力理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比“平方反比”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.只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的引力的差异并不很大，但当天体的半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，也就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用.4.经典力学和相对论及量子力学的关系如何？答案经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学.教师概括1.1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论.在强引力的情况下，牛顿的引力
7、理论不再适用.2.经典力学的适用范围(1)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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况.(2)对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论.当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.(3)对于微观世界，需要应用量子力学.当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.(4)对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论.当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大.任务五：完成下列练习，检测
8、本堂课学习效果1、下列服从经典力学规律的是(ABD)A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.地壳的变动2、关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是(AD)A.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)B.狭义相对论只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，不适用于低速运动C.经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)D.狭义相对论既适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，也适用于低速运动3、一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v6106 m/s.问电子的质量是增大了还是减小了？改变了百分之几？解析根据爱因斯坦的狭义相对论得，运动后的质量增大了，且m1.000 2m0所以改变的百分比为100%0.02%.答案增大了0.02%课堂总结：经典力学的局限性课后作业：完成成才之路小本
