1、 6.6经典力学的局限性 江苏省南通第一中学 倪建忠整体设计本节从低速到高速、宏观与微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性，但均属于介绍性质，具体内容均不要求学生掌握，但是学过本节之后，要学生知道，尽管前面已经体会到了万有引力理论的辉煌成就，但是真理具有相对性，任何理论都不会穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现。教材中经典力学是“一部未完成的交响曲”；”科学总是从正确走向错误“；”相对论和量子力学是哪一种广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道“安排这些内容的着眼点都在展示科学探究的无限可能，使教材在培养学生学科素养上发挥它的教育功能。在学习了牛顿的万有引力定律及万有引
2、力理论的成就后，学生体会到了经典物理带来的巨大成功，产生了对牛顿力学的敬仰之情。从物理学科素养实施的角度来看，为了使学生拓展知识、开阔视野；正确认识物理学理论的发展和适用范围，有必要介绍经典力学的局限性，以完善学生的知识体系，培养学生全面正确看待已成功的物理理论，养成正确的科学观和世界观。那么什么是经典力学？学生从高一入学到现在所学的物理知识与经典力学什么关系？课堂首先进行破题，目的是让学生站在知识的高度来概括和总结，让学生知道我们的学习由浅入深，从直线到曲线，从简单运动到复杂运动，从本质上说都是牛顿定律的应用，符合我们的认识遵从螺旋式上升的规律。局限不等于失败，是要搞清经典力学的适用范围，培
3、养学生会用一分为二的观点看待世界。在讲局限性之前我们还是先讲成绩，课堂让学生通过视频、图片等不断加深经典物理带来的成就感，让经典力学的魅力进一步感染学生的情怀，激发学生热爱科学、崇尚科学的价值热情。但是，像其它一切科学一样，经典力学也有自己的局限性。从19世纪末到20世纪初物理学天空的两朵乌云以及以及物体的速度无法加速到任意速度切入，观察实验，两支粉笔同步下落的运动，以地面为参考系遵守牛顿定律，但若以同步下落的人为参考系时，另一个球或粉笔的运动还遵守牛顿定律吗的疑惑，科学家们诚实地面对经典力学的窘境，但不畏艰难，努力寻找新的理论来完善。在这样的背景下，爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论可以说是应
4、运而生。爱因斯坦的相对论阐述了物体在接近光速运动时所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论；量子力学正确地描绘了微观粒子运动的规律，并引顀了现代科技的发展，从而得出经典力学的适用范围是宏观、低速、弱引力。经典力学与相对论和量子力学的关系是，在宏观、低速、弱引力的范畴内它们的结论是一致的，但是当物体的速度接过光速时及以在微观领域内，经典力学就不成立了。爱因斯坦1915年创立的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，但它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。教学重点：了解经典力学的局限性教学难点：了解相对论、量子力学及其与经典力学的关系课时
5、安排：1课时三维目标：知识与技能1. 知道以牛顿定律为基础的经典力学的适用范围2. 知道相对论、量子力学与经典力学的关系过程与方法1. 通过视频、图片进一步体会经典力学的成就与局限性2. 问题引导经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程情感、态度与价值观1. 从科学理论的局限性培养学生正确对待事物的态度，学习科学家不畏失败努力追求的精神2. 激发学生对未来的探索，培养学生正确的价值观教学过程导入新课情景导入情景1. 德国著名的物理学家冯劳厄说：没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国“。怎么理解科学家的
6、肺腑之言？通过这段话，让学生回顾万有引力理论的巨大成就，体会经典力学的魅力。牛顿的万有引力理论使人类实现了飞天梦想；“称出了”地球、太阳等天体的质量、发现未知天体；让人们知道彗星和小行星什么时候“按时回归” 情景2.新闻链接:四百年一擦肩，一行星掠过地球。经典力学让我们对天体的行踪进行精确追踪，正是对情景一的有力佐证！情景3.著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿自然哲学的数学原理在1687年出版的那一天。”18、19世纪法国著名天文家和天体力学家拉普拉斯也说：“原理将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑，它向我们提示了最伟大的宇宙定律。这部著
7、作是高于人类一切思想产物的杰作，这个简单而普遍的定律的发现，因为它囊括对象之巨大和多样性，给予人类智慧以光荣”新课教学阅读本节教材第一段，讨论回答下列问题：1. 经典力学就是牛顿运动定律吗？2. 牛顿力学在哪些领域取得了巨大成就？结论：1.经典力学的基础是牛顿力学，牛顿力学的核心是牛顿运动定律和万有引力定律。2.牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。图片展示1.从天体运动、大气流动到地壳的变动都服从经典力学的规律；图片展示2. 拦河筑坝、修建桥梁、各种交通工具、各种机械建筑、卫星飞船都服从经典力学规律。经典力学在如此广阔的领域里与实际
8、相符，显示了牛顿定律的正确性和经典力学的魅力。情景4.美国的阿波罗8号从月球返航途中，地面控制中心问：“是谁在驾驶？”，指令长弗兰克博尔曼回答道：“我想现在是牛顿在驾驶！”情景5.18世纪英国诗人蒲柏在牛顿的墓志铭上写道：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。 但是，像一切其它科学一样，经典力学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”。情景5.19世纪末，在迎接新世纪到来的时候，著名英国物理学家威廉汤姆生踌躇满志地宣告：“科学的大厦已经基本建成，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了，在物理学睛朗天空的远处，
9、还有两朵小小的、令人不安的乌云！“但正是这两朵经典力学不能解释的乌云导致了相对论和量子力学的诞生！思考与讨论：1.在一个无限大的光滑水平面上，质量为m的物体，在水平恒力F作用下静止开始运动。物体的速度会增大到任意速度吗？由运动学公式：物体的速度v=at，随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。但事实并非如此，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度，这是经典力学无法解答的。这是什么原因造成的呢？是否经典力学的错误？2. 同一运动在不同的参考系中都遵守牛顿定律吗？如两个小球从同一高度自由落体运动，对地面参考系来说，两小球的运动遵守
10、牛顿运动定律，但是如果以其中一个小球为参考系，那另一个小球的运动还遵守牛顿运动定律吗？可以做实验观察。原因是因为牛顿定律成立的前提是惯性参考系，而另一个小球不是惯称参考系，所以牛顿定律就不成立了。 通过以上问题的探究，促进学生的自主学习和思考，引导学生经典力学确实在这些问题上遇到了困难，它不能处理所有的问题，这像其它任何科学一样没有穷尽一切真理，从而引出经典力学的局限性。使学生养成诚实地面对困难，积极探索勇于探索的科学态度。 一、从低速到高速 阅读教材，思考讨论下列问题：1. 经典力学中物体的质量和相对论中物体的质量有什么不同？2. 狭义相对论中物体的质量和速度之间有怎样的关系？3. 在经典力
11、学和狭义相对论中位移和时间的测量在不同参考系中有什么不同？总结：1.在经典力学中物体的质量不随物体运动速度的改变而改变；但在相对论中物体的质量随速度的增大而增大；2.狭义相对论中物体的质量和速度的关系式为 式中m0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。3.经典力学中位移和时间的测量在不同的参考系中是相同的，狭义相对论认为，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。 例题1.质量为m0=5103Kg的宇宙飞船，以v=7.5103m/s的速度绕地球运动时，它的质量可以认为没有任何变化；但是如果飞船的速度达到v=7.5107m/s时，飞船的质量就会变为m=5.164103
12、Kg，质量增加了3.3%。如果物体以光速运动，质量就会趋于无穷大！可见，当物体以常规速度运动时，质量变化是非常小的，完全不用考虑；但当物体速度接近光速时，相对论效应带来的质量变化就不得不考虑了。例题2.下列说法中正确的是（ ）A、 牛顿运动定律就是经典力学B、 经典力学的基础是牛顿运动定律C、 牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题D、 经典力学可以解决经典力学中的所有问题 分析：经典力学并不等于牛顿运动定律，但牛顿运动定律是经典力学的基础，牛顿运动定律也好、经典力学也好，都不能解决自然界中的所有问题。科学发展至今，没有任何一个理论能解决自然界中的所有问题，所以选 B。 二、从宏观到微观阅读教
13、材，思考讨论下列问题：1.19世纪末20世纪初，人们发现了哪些微观粒子？2.经典力学不能描述微观粒子的什么特性？3.什么理论能正确描述微观粒子的运动规律？4.经典力学的适用范围是什么？总结：1. 19世纪末20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子；2.微观粒子不仅具有粒子性还具有波动性，这种兼具波料二象性的运动规律经典力学不能正确地描述；3.在20世纪20年代，德国物理学家普朗克建立了量子力学，它能正确地描述微观粒子的运动规律，而且在现代科学技术中发挥着重要作用。从而使人们认识到，经典力学存在一定的适用范围，即只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
14、例题3.19世纪末20世纪初以来，物理学的研究从 领域深入到了 领域，相继发现了 、 、 等微观粒子，微观粒子不仅具有 性，而且具有 性；它们的运动规律不能用 来描述，但 可以正确地描述。答案：宏观 微观 电子 质子 中子 粒子性 波动性 经典力学 量子力学三、从弱引力到强引力阅读教材，思考讨论下列问题：1. 经典力学描述的行星运动轨道和实际观测的轨道有什么矛盾？2. 归纳万有引力理论和爱因斯坦广义相对论引力理论的主要差异；3. 经典力学和相对论、量子力学之间是什么关系？ 总结：1.按牛顿的万有引力理论，行星绕太阳周期性运动的轨道是一些圆或椭圆；而天文观测表明，行星运动的轨道并不是严格闭合的，
15、它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动。2.1915年爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力理论，实际观测到的水星的运动特点与爱因斯坦广义相对论的结果符合得很好！牛顿的万有引力理论与爱因斯坦广义相对论的主要差异是，按牛顿的万有引力理论，当质量一定的球形天体的半径减少时，它表面的万有引力随半径按“平方反比”规律增大，半径减为0时，引力无穷大；但爱因斯坦引力理论表明，这个引力实际增加得更快些，半径越小，这个引力差别越大，这说明牛顿定律不适用于强引力的情况。3.在弱引力的时候，牛顿定律和相对论的结果是一致的；当另一个重要常数“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。所
16、以经典力学是量子力学和相对论在一定条件下的特例，经典力学包含在相对论和量子力学中，所以相对论和量子力学并没有否定经典力学。 对于这样的科学发展过程，爱尔兰作家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误。”所以，相对论和量子力学又是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道例题4.20世纪以来，人们发现了一些事实，经典力学不能作出解释；经典力学只适用于解决物体的 运动问题，不能用来处理 运动问题；只适用于 物体，不适用于 粒子；只适用于解决 问题，不适用于解决 问题。答案：低速 高速 宏观 微观 弱引力 强引力课堂训练1.对于经典力学理论，下列说法中正确的是（ ）A.经典力学是物理学和天文学
17、的基础，也是现代工程技术的理论基础B.经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索、历经曲折建立起来的C.经典力学是相对论和量子力学在一定条件下的特例D.在高速、微观、强引力的条件下，经典力学的结论与实际出现了较大的偏差答案：ABCD2.有些情况下，经典力学的结论会与事实有很大的偏差，以至于不再适用。请说出哪些情况 下经典力学显现了这样的局限性？答案：例如研究微观粒子的加速、碰撞及结构等问题时，经典力学就不适用 了。课堂小结:通过本节的学习，我们了解到，尽管以牛顿运动定律和万有引力定律为基础的经典力学在很多领域都取得了辉煌的成就，但它没有也不可能穷尽一切真理；同样相对论和量子力学尽管在更广阔的
18、领域和实际符合，但也不可能穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现。本节我们主要从三个方面体会了经典力学的局限性：从低速到高速，从宏观到微观，从弱引力到强引力。布置作业：1. 阅读教材“科学漫步 时间和空间是什么”和“科学足迹 牛顿的科学生涯”。2. 网上查阅相对论和量子力学的资料板书设计：6.6经典力学的局限性牛顿力学是经典力学的基础1. 从低速到高速 经典力学适用于低速2. 从宏观到微观 经典力学适用于宏观3. 从弱引力到强引力 万有引力定律适用于弱引力课后反思本节课内容学生比较生疏，学生反映相对论、量子力学深奥难懂，课堂比较沉闷。尽管不要求学生掌握，但应提前让学生预习，增加一些更有趣味性的话题激发学生的学习热情，实现物理素养的提升。
