高中物理第6章经典力学与现代物理6.1经典力学的巨大成就和局限性教案.docx

6.1 经典力学的巨大成就和局限性教研中心教学指导一、课标要求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.4.通过对以牛顿为代表的经典力学的总结与回顾，体会前人的研究途径与方法，认识到经典力学的巨大成就以及对人类的影响.5.从认识论和方法论的角度介绍经典力学的局限性，培养学生的思想、方法.二、教学建议1.怎样介绍原理的产生背景、内容，怎样对原理进行评价？教材中安排了原理这部分内容目的是让学生了解在当时的社会背景、知识背景下，牛顿等科学家是怎样得到对整个物理学产生巨大影响的包括运动三定律的物理规律.教学中应该把重点放在让学生感受前人坚忍不拔的探索精神、科学严谨的思维方法和谦虚的态度，不要过多地介绍原理中的其他内容，对一些感兴趣的学生可以推荐其通过阅览室、互联网查阅更多的相关资料.2.对经典力学的巨大成就的教学，不能变成知识的总结和规律的整理，应该把重点放在让学生知道经典力学的重要地位、对人类产生的积极影响，他们的方法论对自然科学甚至社会科学都有重大的意义.3.经典力学的局限性的教学，应该在充分肯定经典力学的重要地位的前提下，从认识论的角度去引导学生，注意通过教学活动以达到培养学生科学的思想方法、正确的世界观.4.本节的教学应该自始至终地渗透科学观点和思维方法的培养，激发学生发现问题的兴趣，敢于向困难挑战的精神，能客观地、科学地对自己的研究成果进行评价.5.教学中可以结合牛顿、伽利略的杰出贡献，从他们超人的智慧、坚强的毅力的角度适时、适当地介绍一点物理学史.6.建议认真组织并评价课后作业3：撰写一篇题为“关于伽利略、牛顿的科学研究方法对物理学发展的意义”的小论文，鼓励学生通过各种渠道获取相关的信息.资源参考牛顿的绝对时空观 在牛顿力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的.在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体无关的，然而运动状态及其改变则与参考物体有密切关系.牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事.不过，他还是提出了判据.譬如，用绳子将两个球系在一起，让它们保持在一定距离上，绕共同的质心旋转，从绳子的张力可以得知其绝对运动角速度的大小. “水桶实验”是牛顿提出的另一个更著名的实验.实验的大意如下：一个盛水的桶挂在一条扭得很紧的绳子上，然后放手，于是如图所示：牛顿“水桶实验”（1）开始时，桶旋转得很快，但水几乎静止不动.在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样.（2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面.（3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面.牛顿就此分析道，在第（1）（3）阶段里，水和桶都有相对运动，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）（3）阶段里，无论水和桶有无相对运动，水面都是凹下的.牛顿由此得到结论，桶和水的相对运动不是水面凹下的原因.这个现象的根本原因是水在空间里绝对运动的加速度. 绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方.他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间.从现今的观点来看，牛顿的绝对时空观是不对的.不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来.爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”. 当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念.据考证，这想法是德国物理学家朗格（L.Lange）提出的.在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是做匀速直线运动的.若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？回答说，此物体离开别的物体都足够远，它在惯性系中做匀速直线运动.这里似乎出现了一个逻辑循环.然而，仔细推敲我们的表述，是可在教科书中避免这种逻辑循环的.实验表明，在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其他物体成立.我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，这时再说惯性定律成立的条件是惯性系，就不构成逻辑循环了.从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质.下文即将论述，用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了牛顿力学的困难，作为阶段性的教学考虑是可取的，但是并没有真正解决问题. 这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其他牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立.在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的.在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象.请看下面这段描述. 上文提到，惯性定律是不能直接用实验严格地验证的.设想有一位很严格的科学家，他相信惯性定律是可以用实验来证明或推翻的.他在水平的桌面上推动一个小球，并设法尽量消除摩擦（现代可以用气桌相当好地实现这一点），他观察到，小球确实相当精确地做匀速直线运动.正当他要宣布验证惯性定律成功时，忽然发现一切突然变得反常了.原来沿直线运动的小球偏向了一边，朝房子的墙壁滚去，他自己也感到有一种奇怪的力把他推向墙去.究竟发生了什么事？原来有人和他开玩笑.这位科学家的实验室没有窗户，与外界完全隔绝.开玩笑的人安装了一种机械，可以使整个房子旋转起来.旋转一开始，就出现上述各种反常现象，于是惯性定律被推翻了. 我们都看到，在非惯性参考系内的“反常”现象，是出现了一些莫名其妙的“力”，即“惯性力”.在通常的教科书中对“惯性力”的解释大意是这样的，如果在非惯性系中的观察者要坚持用牛顿定律来解释他所观察到的力学现象，他必须假想有某种“惯性力”存在. 惯性力是惯性在非惯性系里的表现，它与“真实力”有区别.“真实的”力是物体间的相互作用，施力的物体必受到受力物体给它的反作用.我们说惯性力是“虚假的”，因为不存在施加此力的物体，从而也就不存在反作用力.我们在形容词“真实的”和“虚假的”上打了引号.是因为这只是牛顿力学的说法，在广义相对论的理论中，这种说