经典力学与时空观

第五章经典力学与物理学的革命第一节经典力学的成就与局限性一．三维目标知识与技能：1、了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献．2、了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响．3、认识经典力学的局限性和适用范围．过程与方法：1、通过收集对经典力学建立作出重要贡献的物理学家的故事，把科学成果的发现过程展现为历史的过程，即科学家是如何在前人的基础上进行求索的，并将科学家的成果放在特定的历史背景下去评说，从而让学生认识到历史的发展有承接，科学的发展也一样．2、通过收集和交流具体实例来分析说明经典力学所取得的伟大成就，培养学生就某一观点或结论收集例证的能力，培养学生获取和评价信息的能力．情感、态度与价值观：1、通过查阅、对比、举例、交流等学习活动，培养学生自主学习的习惯和善于合作的意识；培养学生懂得尊重他人的成果、与他人合作交流的能力与习惯，锻炼学生在讨论与交流活动中敢于发表自己的感想和看法，共同探讨交流与合作学习的途径．2、使学生领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义，体会经典力学在人类认识自然以及物理学发展中的重要影响和作用．二、教学重难点：1、经典力学的概念，研究范围。

2、经典力学渗透的研究方法。

三、教学过程：1．经典力学的发展历程对经典力学发展历程的了解建议以学生自主学习和合作学习为主，可以课前将学生分小组，布置学生收集、查阅相关资料和书籍，有条件的学校可以组织学生上网查找经典力学发展史，在学生自学及小组内相互交流的基础上引导学生理清经典力学理论形成和发展的线索，建议从以下几个角度进行提炼和分析：(1)领会力学体系得以建立的原因．一是生产需要的推动，由于生产实践为力学研究提出了许多问题，促使许多科学家投身于地上物体运动和天体运动规律的研究．二是科学自身发展的要求．三是因为力学研究的对象最简单，它抛开物体的物理、化学性质，只把它作为一个有质量的实体来看待，研究物体间的作用及在这一作用下物体运动状态的变化规律．四是有一系列科学家为牛顿力学的建立打下了重要的科学基础，特别是：(1)伽利略发现了惯性定律和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想．②“天空的立法者”——开普勒所发现的行星运动三定律，是牛顿万有引力定律产生的最重要的前提．(2)明确力学发展的三个阶段．第一阶段是在伽利略、牛顿时代之前，人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学．在这个阶段对力学作出突出贡献的是阿基米德，在本节“实践和拓展”第l题中要求收集、整理阿基米德在力学方面取得的成就以及有关他的故事(可参见课程资源《阿基米德》)，并在班上和同学交流或展示．合作、交流在科学探究中有助于对科学过程的理解，当今科学的发展都是人们合作探索的结果，教学中要利用这类交流活动培养学生善于合作的意识和沟通、交往的能力，懂得尊重他人的成果．第二阶段是从伽利略到牛顿，是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础．要让学生知道伽利略、笛卡儿、惠更斯、开普勒、牛顿各自有怎样的发现，他们对科学的杰出贡献与意义所在，可查询《中国科普》网站“科学人物”网页．例如法国物理学家笛卡儿(1596—1650)补充和完善了伽利略的观点；强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性．他在《哲学原理》一书中这样描述：“所有的运动，其本身都是沿直线的．”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而且包括一切方向上的运动．又如荷兰物理学家惠更斯((~hristiaan Huygens 1629一1695)，全面细致地解决完全弹性碰撞问题，则为牛顿第三定律的表述奠定了基础．相关内容教材作了简要介绍，但最好能让学生查询和收集更多的这些科学家进行科学研究的故事，并相互交流，使学生在了解物理学史的过程中更深地体会科学家们忘我的献身精神和刻意追求的严谨作风，而了解科学家是如何在前人的基础上进行求索的，可以让学生更好地把握科学探究的本质．第三个阶段是牛顿之后，经典力学又有新的发展，这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善(可参见课程资源《三大守恒原理的确立》)．2．经典力学的伟大成就(1)把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性．这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合．它开辟了一个新时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响．这里可结合学生学习运动学与动力学的情况对经典力学的成就做简单补充介绍(参见课程资源《经典力学在科学史上的成就》)．(2)经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范．牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法极其明晰地得出了完美的力学体系，被后人称为科学美的典范，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐与自洽的体系，追求最简洁、最理想的形式。

(3)经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响．这部分的教学思路应突出以下三个层面：一是经典力学形成的科学研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大．二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展．三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进社会文明的发展．3．经典力学的局限性和适用范围（五）小结（六）作业：课本练习3第二节经典时空观与相对论时空观一，三维目标知识与技能：1、了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系．2、了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因．3、了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响．4、知道经典时空观与相对论时空观的主要区别．过程与方法：1、通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理．2、解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾．3、通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”．4、解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性．5、对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别．情感、态度与价值观：1、通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神．2、通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用．二、教学重难点：1知道狭义相对论的实验基础，基本原理和主要结论。

2、了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。

三、教学过程：1．经典时空观从参考系的概念引入经典时空观，是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发点，使学生领会经典时空观是经典力学的理论基础．[讨论与交流](1)我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系，物体不受外力或者所受合外力为零时的惯性运动．(2)一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说，速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的．了解牛顿引入绝对时空观的缘由，教学中要注意理清以下思路：(1)经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的，而所有的运动都是在一定的时间、空间中进行的，机械运动是物体的位置移动，位置涉及空间概念，移动涉及速度，涉及时间概念，所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系．(2)机械运动的描述离不开参考系，然而牛顿定律并不适用于所有的参考系(后人把牛顿定律适用的参考系叫做惯性参考系)，但是经典力学的理论框架本身并不能能明确给出什么是惯性参考系，牛顿的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体足处于静止、匀速运动还是加速运动状态．参见课程资源——《牛顿对绝对空间的设想》．对绝对时空观及其三个推论的教学建议采用举例和联想、比喻的方式，使学生结合生活经验了解和领会．对经典时空观的几个具体结论，教材没有做更多的介绍，教学中可举例说明：(1)同时的绝对性．绝对时空观中的同时是绝对的．就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的，例如，有一辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的，反过来说也如此．在这点上，经典时空观与人们的日常生活经验似乎是一致的．(2)时间间隔的绝对性．例如一个人看到自己的手表走过一分钟，往往以为世界上所的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟．这就是时间间隔的绝对性．(3)空间距离的绝对性．例如一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺．那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关．显然以上结论与我们的日常生活经验相符，所以绝对时空观很容易被人们接受；而且绝对时空观与经典力学是一致的，所以在经典力学广泛应用的过程中，牛顿的绝对时空观也广为流传，在大约一个世纪的时间里，人们都以绝对时空观去认识和思考世界．2．相对论时空观相对论时空观的教学可分三个层次：狭义相对论的提出、相对论时空观、相对论对人类认识世界的影响．本节开篇直接指出：光在空间是如何传播的?对这一问题的研究和思考引发了物理学的革命，改变了人们的时空观；目的是交代理论变革的线索，教学时应使学生对19世纪末物理实验与理论的矛盾有所了解，可参见课程资源《以太危机》、《相对论“出世”》．教学中应结合教材图5—2—1、图5—2—2使学生理解光的传播与经典力学的矛盾，使学生体会科学强调和尊重经验事实对理论的检验，实验验证是物理学的生命线．视学生程度来把握对“同时的相对性”探讨的深度，可参见课程资源——《关于“同时”的概念》及《同时的相对性》．“运动的时钟变慢、运动的尺子缩短、物体质量随速度的增加而增大”这三种相对论效应利用教材插图进行解释．(1)运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了．时钟飞驰得越快，钟的时间走得越慢；在与光速相等的时候，钟将似乎完全停止，时间就会停顿了．这种效应得到了实验的验证．(2)运动的尺子缩短．在对教材图5—2—6解释时，应注意指出左图中A尺相对于B 尺静止，右图中A尺相对于B尺运动，在B尺看来A尺长度缩短，尺缩和钟慢一样，是对称的．即如果A、B之间有相对运动，那么，A看B的尺缩短了，B看A的尺缩短了．这个结论表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的．(3)物体质量随速度的增加而增大．爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大．他给出了著名的质能关系式：E=mc。