人教版高中物理必修二 第六章 万有引力与航天 第六节 经典力学的局限性 教学设计

第六节经典力学的局限性教学设计
设计思想
本节是全章的终结性内容，属于介绍性的内容。主要引领学生学习认识到经典力学的局限性，领会经典力学的适用范围，初步感受相对论和量子力学的知识。其目的在于使学生拓展知识、开阔视野的同时，正确认识物理学理论的发展与适用范围。本节在经典物理学和近代物理学之间起着承上启下的作用，既有对前面所学知识的回顾、评价，也为后续学习做好了铺垫。不仅在学生知识体系中占有重要的地位，而且在学生的思想、世界观、人生观的形成中也有着重要的地位。
20世纪20年代，量子力学建立了，它能正确描述微观粒子的运动规律，并在现代科学技术中发挥着重要作用。
结论：经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
提出问题：按照经典力学理论，行星沿椭圆轨道绕太阳运动，有时离太阳近些，有时远些。然而天文观测却告诉我们并非如此。为什么？
指导学生阅读课文46－47页。
课堂采取问题引领式教学，通过对教师提出问题的怀疑、思考、讨论、分析，引起学生的思考，激活学生的思维，带领学生从经典力学的教室步入相对论的学堂。
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
引入新课
新课教学
一、建立对经典力学的整体性认识
二、经典力学的适用范围和局限性。
1、从低速到高速
2、从宏观到微观
3、从弱引力到强引力
本节具体计划沿着教科所书的规划，“从低速到高速”、“从宏观到微观”、“从弱引力到强引力”几个方面提出问题，讨论问题，分析问题，引起学生的思考，激活学生的思维，带领学生从经典力学的教室步入相对论和量子力学的学堂。
在“从低速到高速”的讨论中，计划首先让学生阅读课本46页的“科学漫步”，通过讲解、分析、师生讨论，让学生了解狭义相对论中时间与空间的观点，了解在相对论的时空观中，物体的质量和与速度有关系。
a、哥白尼时代（包括开普勒的工作）,特点为摆脱神学统治；
b、伽利略时代,特点为建立实验方法；
c、牛顿时代,特点为总结出经典力学体系；
d、后牛顿时代,特点为经典力学的广泛应用。
（2）经典力学创立的科学思维方法
（3）经典力学对人类文明的贡献
a、由于经典力学研究的是自然界最基本最普遍的机械运动规律,因此,经典力学成为一系列科学技术发展的基础；
b、经典力学推动了数学分析、物理学各分支的发展；
c、经典力学成为一系列技术应用的理论基础。
从绝对时空观到相对时空观
提出问题：1、速度有无极限？2、时间和空间是否是绝对一成不变的？
让学生阅读课本46页的“科学漫步”《时间与空间是什么》
经典力学受速度限制的分析
牛顿力学的绝对时空观
绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。——牛顿
教学目标
（一）知识与技能
1、了解经典力学的发展历程和广泛应用。
2、知道牛顿运动定律的适用范围和局限性。
3、了解牛顿研究物理问题的思想方法。
4、了解爱因斯坦相对论理论的初步知识。
（二）过程与方法
1、体会科学理论有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。
2、通过怀疑、思考、讨论、分析“从绝对时空观到相对时空观”、“从低速到高速”、“从宏观到微观”、“从弱引力到强引力”的问题，“经历”并体验研究物理问题的思想方法。
激励学生产生追求科学、献身于科学的愿望。
板书设计
二、建立对经典力学的整体性认识。
三、经典力学的适用范围和局限性。
1、从低速到高速：经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
2、从宏观到微观：经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
3、从弱引力到强引力：经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。
三、科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!
三、科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!
布置作业：
根据课前自主学习和合作学习，请以小组为单位发言，从以下三方面介绍小组学习的成果：
①经典力学的发展历程及相应的物理学家；
②经典力学的伟大成就；
③经典力学的适用范围和局限性。
在Байду номын сангаас生发言的基础上讲解：
(1)经典力学的发展历程。主要发展历程可分四个阶段：
相对论好像是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”――德布罗意
科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!――爱因斯坦
相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道。。。。。。
1、课外阅读“科学足迹”。
2、课外阅读相对论及量子力学知识。
教学重点
1、牛顿运动定律的适用范围和局限性。
2、爱因斯坦相对论理论的初步知识。
教学难点
“经历”并体验研究物理问题的思想方法。
教学资源
多媒体课件
教法设计
课前自主学习和合作学习相结合，鼓励和组织学生收集三方面的资料：①经典力学的发展历程及相应的物理学家；②经典力学的伟大成就；③经典力学的适用范围和局限性。让学生相互交流收集到的资料，开始建立对经典力学的整体性认识。
讲解：通常物体的引力场都太弱，在太阳或者行星的引力场中，经典力学与爱因斯坦的理论得出的引力没有和大差别。但是，对于宇宙中的有一些天体，如白矮星，其表面的引力比常见的要强得多，牛顿的引力理论就不再适用了。
20世纪初观测到太阳引力场引起的光线弯曲。由于太阳引力场的作用，我们有可能看到太阳后面的恒星（上图）.但是，平时的明亮天空使我们无法观星，所以最好的时机是发生日全食的时候。1919年5月29日恰好有一次日全食，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，其结果完全证实了爱因斯坦的预言。这是广义相对论的最早的验证。
1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879──1955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。
1）同时的相对性：A、动画课件演示；
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。
3）质量的相对性：物体运动时的质量与静止质量的关系
结论：经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
提出问题：微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律。
讲解:19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现电子、质子等微观粒子既具有粒子性，又具有波动性，这不能用经典力学来解释。
1924年，德国物理学家德布罗意大胆地提出，所有的实物都具有波动性，人们把它称为物质波，也叫德布罗意波。
（三）情感、态度与价值观
1、通过学习，认识物理规律一般都有其适用范围，感受真理的相对性和无限性，产生追求科学、献身于科学的愿望。
2、通过讲解、讨论，以及阅读“科学漫步”、“科学足迹”等栏目，激励学生对未知科学的探索，领悟科学大师的科学精神、科学思想和科学思维。
3、通过学习相对论、量子力学的初步知识，认识物理学对改变人们世界观的巨大作用，形成科学的世界观。
以小组为单位发言介绍小组学习的成果：
回忆思考(1)经典力学的发展历程。②经典力学的伟大成就。
学生阅读课本46页的“科学漫步”《时间与空间是什么》
同教师一起讨论分析
牛顿力学的绝对时空观
同教师一起讨论分析爱因斯坦的狭义相对论中时间与空间的观点。
观察动画课件演示；
分析讨论爱因斯坦火车。
观察动画课件演示；分析、讨论。
通过讲解、分析、师生讨论，让学生了解牛顿的绝对时空观的局限，了解爱因斯坦的
狭义相对论中时间与空间的观点。
通过实例分析，加深对狭义相对论中时间与空间的观点的理解。
激励学生产生了解量子力学知识的愿望。
使学生了解广义相对论的观点，认识经典力学的局限性。
通过探讨，认识物理规律一般都有其适用范围，感受真理的相对性和无限性。
结论：经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。
提出问题：相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论？
总结：历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件之下的局部情形，被包括在新的科学成就之中。
启发、讲解、讨论
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。――蒲柏
科学总是从正确走向错误。――萧伯纳
在“从宏观到微观”的讨论中，通过讲解介绍，让学生了解还有量子力学知识，它能正确地描述微观粒子的规律性。
在“从弱引力到强引力”的讨论中，引导学生了解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。
最后，借助教材提出的问题：“相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？”启发学生继续去深入地思考和研究。
绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿
牛顿的局限：1)绝对时空观，认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。2)当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。
介绍爱因斯坦的狭义相对论中时间与空间的观点。
讲解：
按照经典力学理论，行星沿椭圆轨道绕太阳运动，有时离太阳近些，有时远些。然而天文观测却告诉我们并非如此。
太阳的巨大质量使它周围的空间发生弯曲，其结果是，行星每公转一周它的轨道的长轴都比上一个周期偏转一个角度，这个现象叫做行星轨道的旋进。理论分析表明只有水星轨道的进动比较显著，达到约每世纪0.01°。这个现象早在广义相对论出现之前就已经发现，只是无法解释，所以它实际是广义相对论的最早的佐证。