物理②必修6.6《经典力学的局限性》教案

6.6 经典力学的局限性

教学目标

一、知识与技能

1.了解牛顿运动定律及万有引力定律为基础的经典力学在广阔的领域里有着广泛的应

用。

2.知道牛顿运动定律的适用范围。

3.知道物体的质量、长度、时间在高速运动中必须考虑它们随速度变化而变化。

4.明确相对论和量子力学跟经典力学的关系。

二、过程与方法

1.通过互联网及教材对信息的收集和处理，逐步学会分析、解决问题以及提高与他人交

流、合作的能力。

2.根据学习任务，能计划安排并调控自己的学习过程，有一定的自主学习能力。

三、情感态度与价值观

1.培养学生交流合作、评价探究结果的初步能力。

2.培养学生对科学的好奇心与求知欲。

教学重点

牛顿运动定律的适用范围。

教学难点

高速运动的物体，速度和质量之间的关系。

教学过程

一、引入新课

教师：自从17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展，如，在宏观、

低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就。经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如，从地面物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等各种交通工具，从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船……从而证明了牛顿运动定律的正确性。但是，经典力学也不是万能的，像一切科学一样，它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”。那么经典力学在什么范围内适用呢？有怎样的局限性呢？这节课我们就来了解这方面的知识。

二、新课教学

（一）从低速到高速

教师：请同学们阅读教材“从低速到高速”部分。回答低速与高速的概念、质速关系、

速度合成与两个公式。

学生：低速到高速的概念，通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射

的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。

质速关系：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

220

1c v

m m -=

其中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。

（1）相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。

（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速都一样。

教师：经典力学是适用于低速运动的物体还是适用于高速运动的物体呢？

学生：适用于低速运动的物体。

教师：阅读教材科学漫步部分，体会时间和空间是什么。

学生：“时间与空间”并没有讲清时间与空间的问题，只是提出问题，激励我们对未来的探索。

（二）从宏观到微观

教师：请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。

学生：19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。

20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

经典力学一般不适用于微观粒子。

教师：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义？

学生：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。

（三）从弱引力到强引力

教师：请同学们阅读教材“从弱引力到强引力”部分，并回答问题：何为弱引力？何为强引力？

学生：万有引力属于弱引力。利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来。

讨论与交流

（1）实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进。经典力学的解释令人满意吗？用什么理论来圆满地进行了解释？（投影）学生：按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符。经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多。经典力学的解释不能令人满意。

爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43"的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象。并且都被观测证实。

（2）何为天体的引力半径？

学生：假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值称为“引力半径”。

只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大。这就是说，在强引力的情况下，牛顿的万有引力理论将不再适用。

对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说，“科学总是从正确走向错误。”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述。

（3）历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么？

学生：历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中。如：当物体的速度远小于光速c（3×108m／s）时，相对论与

经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.63×10-34J·s）可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。

课堂训练

1．20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是的，而相对论指出质量随着速度变化而________。

2．20世纪初期，建立了，它能够正确地描述微观粒子的运动规律。

3．经典力学只适用于解决问题，不能用来处理问题，经典力学只适用于物体，一般不适用于。

4．微观粒子的运动不仅具有性，同时具有波动性。它们的运动规律很多情况下不能用经典力学来说明。要增强正确描述微观粒子的运动规律，需要用__________。

5．牛顿运动规律只适用于物体的运动，狭义相对论阐述物体在以的速度运动时所遵从的规律。

参考答案

1．狭义相对论固定不变变化

2．量子力学

3．低速运动高速运动宏观微观粒子

4．粒子量子力学

5．宏观、低速接近光速

三、课堂小结

本节学习了经典力学的局限性：

（1）从低速到高速：在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随着物体的运动速度的增大而增大。

（2）从宏观到微观：相对论和量子力学的出现，并不说明经典力学失去了意义。只说明它有一定的适用范围：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。

（3）从弱引力到强引力：相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性，经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。

四、课堂练习

1.牛顿运动定律和万有引力定律在、、的广阔的领域，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.经典力学的适用范围：只适合于低速运动，运动；只适合于宏观世界，世界。

3.经典力学认为时间是，质量是，空间是。

经典力学深入到高速领域将被所代替，深入到微观领域将被________________所代替。

4.已知地球半径为R，地面处重力加速度为g，地球自转的角速度为ω，则质量为m的

地球同步卫星所受的向心力为。

5.在地球赤道上，质量1 kg的物体随同地球自转需要的向心力最接近的数值为（）。

A．103N B．10N

C．10-2N D．10-4 N

6.两个质量均为M 的星体，其连线的垂直平分线为AB 。O 为两星体连线的中点，如图，一个质量为M 的物体从O 沿OA 方向运动，则它受到的万有引力大小

变化情况是（ ）

A .一直增大

B .一直减小

C .先减小，后增大

D .先增大，后减小

7.如图所示，有A 、B 两个行星绕同一恒星O 做圆周运动，运转方向相同，A 行星的周期为T 1，B 行星的周期为T 2，在某一时刻两行星第

一次相遇（即两行星相距最近）则（ ）

A .经过时间t =T 1+T 2两行星将第二次相遇

B .经过时间1

221T T T T t -=两行星将第二次相遇 C .经过时间221T T t +=

两行星第一次相距较远 D .经过时间)

(21221T T T T t -=两行星第一次相距较远 8.如图所示，在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A 、B 、C ，在某一时刻恰好在同一直线上，下列说法正确的有（ ）。

A .

根据，可知v A ＜v B ＜v C

B .根据万有引力定律，F A ＞F B ＞F

C C .向心加速度a A ＞a B ＞a C

D .运动一周后，A 先回到原地点

答案：

1．宏观、低速、弱引力 2．不适合高速、不适合微观 3．绝对的、不变的、三维的、

相对论、量子力学 4

．5．C 6．D 7．BD 8．CD

五、布置作业

看书并思考教材P53问题与练习第1、2题。