【经典珍藏高中物理教师备课必看备课资料卡】经典力学的巨大成就和局限性.doc

【课标内容对照(沪科J)课程标准的要求*(沪科J)初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。*(沪科J)初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化的特点，体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识。*(沪科J)通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义，认识经典力学的实用范围和局限性。 *(沪科J)体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。举例说明物理学的进展对自然科学的促进作用。【版本对照（含选修）】【三维目标】（鲁科J）了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。【知识与能力】（鲁科J） 知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。 认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。【过程与方法】（鲁科J） 经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维方法，从中体验成功的乐趣。 了解物理学的研究方法，认识理想实验、物理模型和数学工具在科学研究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。 认识到发现问题和提出问题的意义，认识到在科学理论建立过程中猜想和假设的重要性，以及科学争论和自由争鸣对科学发展所起的作用，培养学生的质疑能力和想像能力。 能尝试运用物理原理和研究方法解决一些相关的实际问题,培养解决实际问题的能力。【情感态度与价值观】（鲁科J）领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。体会科学、技术与社会之间的互动关系。【相关知识准备】 (沪科K)牛顿啊请原谅我！你所发现的道路，在你那个时代.是一位具有最高思维能力和刨造力的人所能发现的唯一的道路你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理学思想， 虽然我们现在各大道如果要更加深入地理解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。 爱因斯坦(沪科K)自然界的一切现象，全部可以根据力学的原理用相似的推理一一地演绎出牛顿本书引用了马克吐温的话：“根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获!”本书还引用了剧作家萧伯纳诙谐名句“科学总是从正确走向错误”这些出自科学界以外的名人之语，使学生从另一个视角领悟了科学发现的哲理在“牛顿的科学生涯”一文中，教科书引用了牛顿的名言：“我不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜”教科书还引用了爱因斯坦的话：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”在“黑洞”一文中，当代著名宇宙学家霍金自问到：“为什么人们要攀登珠穆朗玛峰?因为它就在那里”这些都是名家们对科学不懈追求的动力的解释，是名家们朴实的科学价值观的体现，对学生科学价值观的形成起到重要作用【教学建议】【学习方法】【导语引入】（鲁科K）导入 迈入新世界 （鲁科K）在19世纪和20世纪之交，许多人陶醉于经典物理学的巨大成功之中，似乎完善的理论和技术的进步给人们这样一种感觉：物理学这座庄严雄伟、动人心弦的美丽殿堂已经建成了。 1900年，英国著名物理学家开尔文踌躇满志地宣告，在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是，就在这尽善尽美之中，也还是有一点小小的遗憾，用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。 这两朵乌云，指的就是当时物理学理论无法解释的两个实验，一个是迈克尔逊一莫雷实验，另一个是热辐射实验。正是这两朵小小的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大变革。 对迈克尔逊莫雷实验的解释及一系列有关的工作，把人们带入了一个以相对论为标志的高速运动世界。对热辐射实验的解释及一系列有关的工作，把人们带人了一个以量子论为标志的微观世界。 与我们所熟悉的低速的宏观世界完全不同的另一个崭新的世界出现在我们的眼前。这崭新世界带来的新观念不但引发了20世纪科技领域以及思想领域的伟大革命，而且还将持久地影响人类文明的漫长进程。现代物理理论具有较深刻的内涵和更抽象的形式。让我们张开想像的翅膀，一起迈人这崭新的世界。(人教J)自远古以来，当人们仰望星空时，天空中壮丽璀璨的现象便吸引了他们的注意.智慧的头脑开始探索星体运动的奥秘.到了17世纪，牛顿以他伟大的工作把天空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地解释了天体运行的规律.时至今日，数千颗人造卫星正在按照万有引力定律为它们“设定”的轨道绕地球运转着.牛顿发现的万有引力定律取得了如此辉煌的成就，以至于阿波罗8号从月球返航的途中，当地面控制中心问及“是谁在驾驶”的时候，指令长这样回答：“我想现在是牛顿在驾驶.”【知识点讲解】经典力学(沪科K)经典力学(classical mechanics)，通常叫牛顿力学，主要研究宏观物体机械运动的规律。牛顿在伽利略、开普勒等人工作的基础上，把地面上物体的运动与行星的运动综合起来进行深入研究，发现了机械运动的基本规律牛顿运动三定律和万有引力定律。他的不朽名著(自然哲学的数学原理)，为经典力学奠定了基础。 (沪科K)步入19世纪末叶，在经典力学基础上发展起来的经典物理学，似乎到了尽善尽美的程度。当时著名的英国物理学家威廉汤姆生(William Thomson)踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成”，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”但他也有所担忧：“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。” 那么他的担忧是不是有根据呢?那两朵乌云指的是什么呢? (沪科K)历史证明，威廉汤姆生的担忧是有道理的。原来，当物理学开始深入扩展到微观、高速领域时，人们发现经典力学在这些领域不冉适用。为此，在20世纪初的几十年中，物理学家创立了相对论和量子论，奠定了现代物理学的基础。 (沪科K)本章在简述经典力学巨大成就及其局限性的基础上，让你学习相对论和量子论的基本观点，了解关于物体高速运动和微观粒子运动的现代物理学方面的初步知识。（注：(沪科J)序言简明扼要地介绍了从经典力学发展到现代物理学的必然趋势，概括了本章的内容，提出了本章的学习要求。 (沪科J)19世纪末到20世纪初是物理学从经典物理向现代物理发展的重要时期，相对论和量子论的建立奠定了现代物理学的基础，它们在物理学上引起的变革是极其深刻的。在教学中，要用典型的事例说明伟大物理学家爱因斯坦、普朗克等在这场变革中敢于向权威挑战，大胆假设，勇于探索的精神，从而激发学生学习相对论和量子力学基本观点的兴趣和初步探究现代物理的热情。）(人教K)经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬.牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就.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.” 是的，从地面上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、飞机等现代交通工具的运动；从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船所有这些都服从经典力学的规律.经典力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力. 但是，像一切科学一样，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”.从低速到高速 上面提到的各种物体的运动，速度都远小于真空中的光速.处理这些运动，经典力学完全适用.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论.狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律.它得出了一些不同于经典力学的观念和结论.(人教K)例如，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，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即式中是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速. 依上式计算，在低速运动中，如地球以的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略，经典力学完全适用.但如果物体的速度接近光速c，如速度v=0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍.这时，经典力学就不适用了. 又如，一条河流中的水以相对于河岸的速度流动，河中的船以相对于河水的速度顺流而下.在经典力学中，船相对于岸的速度即为经验告诉我们，这简直就是天经地义的.但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系.在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立.然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了.(人教J)本节从低速与高速、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这三个方面的具体内容都不要求学生掌握，但是学过本节之后，学生会知道，尽管前面已经体会到了万有引力的辉煌成就，但它没有穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现文中“未知的交响曲”、肖伯纳的幽默话、“相对论和量子力学是哪一种广泛的理论的特殊情形呢?我们现在还不知道”，这些内容安排的着眼点都在情感、态度与价值观方面的教育功能从低速到高速的讨论中，教材提到经典力学的相对运动问题，建议在此之前做一定的补充讲解“科学漫步”的“时间与空间”并没有讲清时问与空间的问题，只是提出问题，激励学生未来的探索它的目的同样在于情感态度与价值观的教育功能(沪科K)牛顿的自然哲学的数学原理(以下简称原理)出版于 1687年，是一部奠定了经典力学基础的划时代著作。它对近、现代科学和科学哲学的发展，产生了无与伦比的影响，是自然科学史上的一座伟大的丰碑。 为什么说原理是自然科学上的一座丰碑?它对近、现代科学产生了怎样的影响?为此，让我们对原理产生的时代背景和概貌作简单介绍。一代科学伟人，一种科学上的革命性的伟大发现，都是时代的产物。(沪科K)原理产生的背景牛顿的科学发现植根于17世纪和18世纪早期，英国乃至欧洲的剧烈社会变革和科学发展的背景之中。社会经济和技术发展的需要、资产阶级革命的深刻影响、逻辑实证主义的启迪、国内外科学交流和英国皇家学会的建立对于牛顿的科学成就起了很大的作用。 (沪科K)原理的概貌 原理)共有两大部分。 第一部分是“定义和注释”、“运动的基本定理或定律(包括三个运动定律)”。这部分篇幅不大，却极为重要，是建立力学逻辑体系的前提。第二部分是这些定律的应用，共包括三卷。第一卷讨论万有引力定律和行星运动；第二卷属于流体力学的开创性研究，讨论物体在有阻力的介质中的运动，包括流体静力学、动力学以及流体和弹性介质波的传播问题等；第三卷的总题目是“论宇宙系统”，是天体力学和宇宙系统的开拓性研究，包括行星绕口运动、卫星绕行星运动、地面上的落体运动、抛体运动、彗星轨道、岁差以及潮汐现象等，这一卷呈现了牛顿那高瞻远瞩的宁宙观。（注：(沪科J)61节从介绍牛顿的自然哲学的数学原理(以下简称原理)人手，肯定了牛顿对物理学发展的巨大贡献和经典力学的重要历史地位，揭示了经典力学方法论的意义，同时又指出了经典力学的局限性，为学习相对论和量子论作铺垫。 (沪科J)在教学中对原理只要作简单介绍就可以了。对原理感兴趣的学生可以通过阅读原理的中译本或查找相关资料进一步了解。重点是经典力学的巨大成就和经典力学方法论的意义。）(沪科K)对原理的评价牛顿的自然哲学的数学原理，第一版用拉丁文于1687年出版，不久，就得到众多学者的盛赞。1819世纪法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯(PS Laplace)对原理的评价是： 原理将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑，它向我们揭示了最伟欠的宇宙定律。这部著作是高于人类一切其他思想产物的杰作，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。牛顿是怎样看待自己巨人成就的呢? 牛顿有句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人的肩膀l：，”他还说过：“我不知道世人怎样看我，但我白认为我不过是像一个在海边玩耍的孩童，不时为找到比常见的更光滑的石子或更美丽的贝壳而欣喜，而展现在我面前的是全然未被发现的浩瀚的真理海洋，”从这两句话中，可以窥见到一个多么博大深邃的精神世界! 读了牛顿的上述名言，你有什么想法? (沪科K)经典力学的巨大成就(沪科K)牛顿运动二定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来是人类对白然界认识的第次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。经典力学的基础，在以后的两百多年里几平统治了物理学的各个领域。 经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力（注：(沪科J)这里的“信息浏览”给出了牛顿运动三定律在原理中的表述。通过与教材中表述的比较，学生将知道教材中的表述在内容上保持了与原理中表述的一致性，但教材中的表述更直接、更易于接受和理解。学生在以后的学习中要阅读一些物理学家的原著时，常常会遇到这种情况。(沪科J)关于对原理的评价，可参阅牛顿的科学发现与科学思想一书(阎康年著，湖南教育出版社1989年出版)。(沪科J)通过回顾、总结物理1和物理2中的力学内容，使学生了解经典力学的理论价值和应用价值，以及对整个物理学发展的巨大影响。）学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就。 18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命。 由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宁宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例。 经典力学是最早形成的物理理论，后来的许多理论，包括相对论和量子力学，它们的形成都受到经典力学的影响。(沪科K)经典力学方法论的意义(沪科K)经典力学方法的典型就是佃利略和牛顿的研究方法。 伽利略关于机械运动的研究，开创了将实验、逻辑(数学)相结合的方法，也就是“自然数学化”的方法。他不仅通过实验进行观察测量，而且用理想实验的方法进行推理。理想实验最能与数学处理相结合。由于在地球止做力学实验，认识力学规律首先要考虑摩擦的影响，这就要有全新的观念来做实验，包括设计、实施、解释结果等。 有人说，全部近代物理都是建立在“自然数学化”基础上的。你对这种说法有什么看法? （注：(沪科J)学习物理学理论的过程应该是接受科学方法教育的过程。牛顿的科学方法不论从治学上来说还是从方法论研究上来说，都具有代表性，它对后来的自然哲学和科学发展产生了很深远的影响。学生通过学习，应认识到科学方法对人们认识自然世界以及对物理学发展的作用。教师要提醒学生注意：物理学中还有类比方法、假设方法等科学方法，在今后的学习中要引起重视。）(沪科K)牛顿的方法可称为“归纳演绎法”。第一个大量运用数学方法系统地整理物理学理论的，是牛顿。他的方法与一般演绎法的不同之处在于：演绎的结果必须诉诸实验验证。 例如，万有引力定律的建立过程，即从第谷的观察到开普勒的运动学描述，再上升到万有引力定律以及进一步的预言、验证等，为后人提供厂建立物理学理论的一种模式，牛顿以后，寻找不同事物之间的联系，建立统一的理论解释，已经成为物理学家锲而不舍的追求。牛顿的(原理)为尔后各种物理学理论体系的建立树立了一个典范，极大地促进了物理学的发展。 伽利略和牛顿的科学方法影响深远，成为后来物理学家的一种朴实的自发倾向，并不断得到发展和完善，逐渐成为种传统，甚至对于社会科学和哲学的方法论，意义也星很大的。(沪科K)经典力学的局限性 经典力学的巨大成就，促使人们用力学观点去理解白然，把切自然现象都归结为机械决定论。这种观点主张自然界是由完全同的微粒组成的，自然界的千差万刈，只是微粒的数量和空间排列不同，一切运动(包括生物的生长)不星什么神秘力的驱使，而是机械位移和碰撞的结果。机械论是物理学发展到一定阶段的必然产物，在当时是认识史上的一个进步。 根据力学原理，若已知一物体在某一时刻的位置和速度，则原则上便可以精确地计算出该物体以后变化的所有细节，甚至可以上溯到它过去历史的全郎细节。机械论因果律的观点认为，世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化。它否定了物质世界的变化和发展。拉普拉斯在说明这图景时说，如果在创造世界的时候，世界状态的细节便被一个有无限精力和勤勉的数学家一一全部录下，这位数学家便能推断出整个世界的未来发展。机械论对时间和空间的认识是经典力学的基础。牛顿认为，时间和空间不依赖人们的意识而存在，也就是说，空间和时间是绝对的。牛顿就是在这样的时间和空间中来描述机械运动的，这对于低速的机械运动是足够精确的，这无疑是人类认识史上的一次飞跃、然而，他把时间、空间割裂丌来，认为它们与物质运动无关。这一观点，在微观与高速领域中就不对了。 请讨论： 上述一些机械论的现点，哪些是有道理的?它们在历史上起了怎样的进步作用?哪些是不正确的?对人们认识世界有哪些负面影响? 19世纪末叶，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。这些事实与经典物理学的基本概念以及一系列基本规律产生了尖锐的矛盾，从而引起了物理学的一场伟大的革命，导致了现代物理学的诞生。（注：(沪科J) “牛顿力学是建立在原子论、绝对时空与相对时空相结合和欧几里得几何的基础上的，其方法论基本上是传统的形式逻辑和因果论。他的这些观念占统治地位的200年间，被普遍认为是正确的，因而得到了公认和发展。但是，在进入19世纪之后，在光的本质和微观领域的科学发现上，不断出现例外的实验现象。由点滴的不足，初步出现一系列的反常现象，至该世纪中叶之后，甚至在场、电磁波、申磁质量、长度收缩和质量因放射性而亏损等等问题上，用牛顿力学无法得到解释，因此呈现了牛顿力学的很大局限性。”(摘自牛顿的科学发现与科学思想第535页)(沪科J)教学中可以从以下几个方面让学生了解经典力学的局限性： 1光的干涉和衍射现象证明了光的波动性。 2电磁相互作用和场的发现及电磁理论。 3质量随速度变化的发现。 4时空的相对性和长度收缩问题。 5X射线、放射性和电子的发现。 6经典力学的因果论受到严重的冲击，必须变革。(人教J)正确评价经典力学“经典力学的局限性”是本章的最后一节课，也是本模块的最后一节课，还是共同必修两个模块的最后一节课物理1和物理2模块所学习的都是经典力学的内容，因此，这节课实际上是对经典力学的总结教科书首先肯定了经典力学的巨大成就，然后从低速到高速、宏观到微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性，这些介绍的具体内容并不要求学生掌握，而是让学生知道科学成就总是在不断发展的，并且给学生一个这样的观念：一个新的科学理论的建立并不意味着原有科学理论的推翻，而是原有科学理论在一定条件下成为新理论的一种局部情况，从这个角度看，科学结论的普适性总是相对的，科学就是在不断探索更广泛适用的理论中得到发展(人教K)从宏观到微观 19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明.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.这就是说，经典力学一般不适用于微观粒子.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.(人教K)从弱引力到强引力 万有引力定律的发现解释了天体运动的规律，并预言和发现了海王星和冥王星，它还首次使地面物体的运动规律与天上的星体运动规律统起来，把经典力学推上了当时科学的顶峰.但是，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.然而，实际的天文观测告诉我们，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如图7.6-1所示. (人教K)经典力学可以对此做出一些解释.不过，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多.自19世纪以来，这个问题就引起了科学界的注意，但得不到令人满意的解释.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的理论.他根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有每百年的附加值，同时还预言光线在经过大质量星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转等现象，这些都被观测证实. (人教K)根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体的总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加.半径减小到原来的二分之一，引力增到原来的四倍.爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加得更快些.天体的半径越小，这种差别越大.根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时，引力趋于无穷大.爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候.这个引力半径的值由天体的质量决定，例如太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m. 因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力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. (人教K)然而，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.当物体的运动速度远小于光速c()时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数” h()可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.相对论与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.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（鲁科J）世纪之交的经典物理学在19和20世纪之交，牛顿力学已能够描述大至恒星、小至超显微粒子的运动过程，甚至部分地解释了有关分子、原子或一些更小的基本粒子的实验。牛顿力学已成为声学、热学、光学、电磁学赖以存在的基础。大多数物理学家认为物理学已非常完美，正如德国物理学家劳厄所说，当时经典力学和经典物理学已经“结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。1894年，迈克尔逊在芝加哥大学赖尔逊实验室的献辞中说道：“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。正是在这里，测量科学显示了它的重要性一定量的结果比定性的工作更为重要。”杰出的物理学家开尔文勋爵(威廉汤姆逊)指出：“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找。”由于经典力学在实践上的巨大成就，阻碍了后人去思考那些基本概念和原理的固有局限性。物理学家们对它顶礼膜拜，以为宇宙秘密无不尽知，后人只需墨守成规、稍加修补。人们不必劳心竭力地去发现新事物，创造新原理。以至于在相当长的时期内，谁也没有想到，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。经典力学基本概念和原理的固有局限性主要表现在：第一,尽管牛顿一再声明“我不做假设”，但他还是引入了超越经验的绝对时间、绝对空间等基本概念。 第二，牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终还是对它做了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实看做是一种直接的、即时传递的超距作用力。经典力学的定律和公式都是机械决定论的。 第三，在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。 第四，经典力学定律只适用于宏观低速世界，对可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。 这些固有的局限性，就是后来引起物理学危机与革命的内在原因。相对论、量子论就是在克服上述局限性的过程中逐步发展起来的。 经典物理学是物理学家自觉运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系。经典物理学的深入发展暴露出经典力学的某些局限性，出现了许多经典力学很难解释的问题。但由于当时物理学家们十分迷恋经典力学，他们以循规蹈矩为至善，以改弦更张为异端，只是习惯地对经典力学修修补补，试图把那些带有革命性的新发现和新思想纳入旧有的理论框架之中。人们绞尽脑汁，臆想出种种“以太”模型，用“以太”这一力学模型来解释力、电、磁、光等现象。汤姆逊曾断言：“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上。”(沪科K)经典力学的时空观(沪科K)公园草坪上的空间，不会因白天如织的游人而存在，也不会出夜晚的寂静而消失，它永远客观地存在着，不管你使用什么计时工具，时间都不会改变它流逝的快慢；也不管你是在学校、汽车或飞机上，或一人在家中，它都在默默地流逝着，对任何人、任何事物都一样。 这就是经典力学的时空观。 (沪科J)本节的引言中用“物理学经历了一场关于时空观的根本性变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论”。这句话把学生引导到对时空相对性的思考中，设置悬念，激发学生进一步探究的兴趣和热情。(沪科J)62节一开始就提出长度和时间的测量跟参考系是否有关这个发人深思的问题。然而，在经典力学范畴这似乎不是个(沪科J)本节的重点和难点在相对论的两条基本公设是如何提出的。光的传播速度问题是这一节的重要线索，紧扣这一线索进行逻辑思考，从牛顿的经典力学跨越到爱因斩坦的相对论也就顺理成章。这一节的教学直接关系到63节的学习，要避免把精力集中在63节中关于长度收缩效应”、“时间延缓效应”的一些公式的教学上。相对论的基本原理足导出63节中一些结论的基础，处理好62节和63节的关系是狭义相对论教学成败的关键所在。） (沪科K)在物理学中把这种时空现叫做绝对时空观。牛顿在原理)中写道：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同和不动的”，“绝对的真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着”。 (沪科K)绝对时空现的特点是：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的。 绝对时空观符合人们对空间和时间的感受，这种观念一直为牛顿以后的物理学研究者所接受，持续了百余年。 按照经典力学的现点，宇宙会有共同的时间，这个时间跟观察者没有关系。通常说北京22点，伦敦14点，华盛顿9点，都是指同一时刻(它们钟点数的不同，是地理时差引起的)即这二个城市可以处在同一个现在，凡是在这一时刻发生的事件，叫做同时事件，这个同时是绝对的：正是有了这个绝对性，全世界，乃至宁宙，才会有统一的时间。空间也一样，比如，一列火车从上海开往北京，有确定的距离，不论是站在地面上不动的观察者，还是乘火车或乘火箭做高速运动的观察者，这段距离对他们都一样，也星绝对的。 绝对时空观是人们在地球范围内凭直觉经验建立起来的，它真是绝对合理并具有普遍意义的吗? (沪科K)请讨论： 1百米赛跑时，发令枪的打响和裁判员的开始计时应谊同时。在用秒表计时的情况下，为了达到这个“同时”的目的，百米之外的裁判员不是根据发令枪的声音按秒表，而是看发令枪冒出的白烟。这是为什么? 22004年1月4日，“勇气”号火星探测器在火星地面着陆-“勇气”号拍摄的火星照片，用电磁波传向地球：电磁波从火星到地球约要10min的时间。地球上的人能看到地球与火星同时发生的事吗?为什么? （注：(沪科J)指出经典力学时空观的绝对性，并用例子说明。这在以往的高中教材中是没有的，目的是让学生更好地实现时空观的跨越。 通过讨论把时空观与光速问题联系起来，过渡到下一段。教学中要组织好学生的讨论，教师不能直接给出结论，而忽视这一教学过程。）【生活应用】【课本习题】家庭作业与活动1(沪科K)利用互联网收集经典力学在科学技术方面的典型应用事例。经典力学在科学技术方面的应用事例很多，在本活动中，学生可以通过互联网收集这方面的资料，较全面地了解经典力学在推动科学技术发展方面的巨大作用。建议根据学校的条件，采用某种形式的学生活动，交流收集的资料。如墙报、电子演示文稿、网页等。 2(沪科K)将枚面值一元的硬币用确定的速度向上抛起，你能否断定(不是猜测)它落地时，是有国徽的一面向上(或者断定是有牡丹花的一面向上)?请试一试，这种现象能用经典力学解释吗? 本题是说明机械论因果律(即决定论)的局限性，同时让学生初步体验概率论在物理学中所起的作用。3(沪科K)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。完成这篇小论文是为了让学生加深对经典力学中科学方法的理解，体会科学的研究方法对人们认识自然的作用，牢固地树立科学的世界观。）【资料链接】(沪科K)信息浏览(沪科K)牛顿运动三定律是经典力学的逻辑基础在(原理)中，牛顿时我们所熟悉的运动三定律是如何表述的呢? 定律l 每个物体继续保持它的静止或沿一直线作等遵运动状态，除非有力加予其上迫使它改变这个状态。 定律2 运动的改变和所加的动力成比例，并且发生在加的力的那个直线方向上。 定律3 每一个作用，总有一个相等的反作用；或者说二物体彼此的相互作用是永远相等的并且指向相反的部分 上面对运动三定律的这种表述，与你学过的是不是一致，(人教K)科学漫步时间和空间是什么？ 物体运动时它的空间位置在随时间变化， 因而要描述物体的运动，就应该对空间(space)和时间(time)有一些认识. 通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广阔无边又硕大无朋的房间，它是容纳一切物体的“容器”.它给物体提供一个运动的“舞台”，但并不干扰物体的“演出”.也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的. 通过生活经验我们还能体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，它计量着物体运动的持续性，而任何物体都影响不了它.也就是说，时间也是独立于物体及其运动而存在的. 令人高兴的是，我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的.人们对时空的这种认识称为牛顿时空观，也叫经典时空观. 牛顿时空观与我们的经验是那样地吻合，以至于我们会情不自禁地想，时间和空间的概念太浅显了，牛顿时空观是天经地义的，而“时空究竟是什么？”似乎是一个多余而又天真的问题! 然而，1905年，爱因斯坦提出了一种崭新的时空观念.他指出，在研究物体的高速运动(速度接近真空中的光速)时，物体的长度即物体占有的空间以及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关.这样，空间和时间不再与物体及其运动无关而独立存在了.你大概难以想像这是什么样的情景!然而，物理学的进展表明，一些看似天真的问题，其答案却是惊天动地的.人们对空间和时间概念的扬弃与修正，推动着物理学研究的深化，扩展着人类的科学视野.即使在今天，还有许多物理学家正在花时间思考和研究时间和空间呢!让我们在今后的学习中去逐渐地领悟吧. (人教K)科学足迹牛顿的科学生涯 牛顿(Issac Newton，16431727)伟大的科学家，经典力学理论体系的建立者，1643年 1月4日(注：现行公历是1582年由格里哥利教皇颁布的.意大利等天王主教国家当即实行新历，但英国仍沿用旧历，即儒略历.牛顿生于新历1643年1月4日，即旧历1642年12月25日.所以一些文献中常以 1643年作为牛顿诞生的的年份，并说他是圣诞日出生的.英国到1752年才改用新历.)诞生在英格兰的林肯郡.他少年时代喜欢摆弄机械，喜欢绘画、雕刻，尤其喜欢刻日晷，用以观看日影的移动，从而得知时刻.12岁进中学，学习成绩并不出众，只是爱好读书，喜欢沉思，爱微小实验，对自然现象有好奇心.他还分门别类地记读书心得笔记，又喜欢别出心裁地做些小工具、小发明.他的中学校长和他的舅父独具慧眼，鼓励牛顿上大学读书.牛顿于1661年进入剑桥大学三一学院，1665年获得学士学位. 10031666年伦敦鼠疫流行，学校停课，牛顿回到故乡.牛顿在剑桥受到数学和自然科学的培养和熏陶，对探索自然现象产生了极浓厚的兴趣.就在躲避鼠疫这两年内，他在自然科学领域思潮奔腾，思考了前人从未想过的问题，创建了惊人的业绩. 1665年初，他创立了级数近似法和把任何幂的二项式化为一个级数的方法.同年11月，创立了微分学.次年1月，牛顿研究颜色理论，5月开始研究积分学.这一年内，牛顿还开始研究重力问题，并把重力与月球的运动、行星的运动联系起来考虑.他通过数学推导从开普勒定律中发现：使行星保持在它们轨道上的力，必定与它们到旋转中心的距离的二次方成反比.由此可见，牛顿一生中最重大的科学思想，是在他二十多岁时思想敏锐的短短两年期间孕育、萌发和形成的. 牛顿于1684年8月-10月先后写了论运动论物体在均匀介质中的运动，1687年出版了自然哲学的数学原理，1704年出版了光学.他在1727年去世前，说了一段有名的话：如果我所见到的比笛卡儿要远些，那是因为我站在巨人的肩上. 牛顿所指的巨人及其成就，包括欧几里得的数学、阿基米德的静力学、开普勒的行星运动定律、伽利略的运动理论和实验结果，还包括惯性概念、笛卡儿的动量守恒、惠更斯的向心力等等.在科学方法上，他以培根的实验归纳方法为基础，又吸收了笛卡儿的数学演绎体系，形成了以下比较全面的科学方法. (1)重视实验，从归纳入手.这是牛顿科学方法论的基础.他曾说过：“为了决定什么是真理而去对可以解释现象的各种说法加以推敲，这种做法我认为是行之有效的探求事物属性的准确方法是从实践中把它们推导出来.”牛顿本人在实验上具有高度的严格性和娴熟的技巧，在原理一书中他描述了大量实验. (2)为了使归纳成功，不仅需要大量的可靠资料与广博的知识，而且要有清晰的逻辑头脑.首先要善于从众多的事实中挑选出几个最基本的要素，形成深刻反映事物本质的概念，然后才能以此为基石找出事物之间的各种联系并得出结论.牛顿在谈到自己的工作方法的奥秘时说，要“不断地对事物深思”. 伽利略和笛卡儿、惠更斯等已经用位移、速度、加速度、动量等一系列科学概念代替了古希腊人模糊不清的自然哲学概念；牛顿的功绩是，在把它们系统化的同时贡献出两个关键性的概念：“力”和“质量”.他把“质量”与“重量”区别开来，并分别与惯性和引力相联系.牛顿综合了天体和地面上物体的运动规律，形成了深刻反映事物本质的科学体系. (3)事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律.牛顿的数学才能帮助他解决了旁人解不开的难题.他把上述基本概念定义为严格的物理量，并且创造出新的数学工具来研究变量与时间的关系，从而建立了运动三定律和万有引力定律. 此外，牛顿勤奋刻苦的学习精神，勤于思索、耐心试验，以及年复一年坚持不懈地把精力集中于某一问题的毅力等优秀品质，也是他取得伟大成就的内在因素. 牛顿还有一句名言：“我不知道世人怎么看，但在我自己看来，我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜.”从这句话中，我们可以窥见他那博大深邃的精神境界. 当然，并非他做的每件事都在科学上值得尊重.他有许多年陷入炼金术、圣经的年代学及其他神秘探索，他犯过的错误和性格上的弱点也许比人们知道的更多，但他仍是一位无与伦比的巨人.1727年3月31日凌晨一点多，牛顿在睡梦中溘然长逝，终年84岁.他被安葬在威斯敏斯特教堂，那是英国人安葬英雄的地方.(人教K)课题研究 潮汐现象很久以前，人们就注意到了大海有节律的潮涨潮落，并把这一现象称为潮汐.有一幅著名的对联，“海水朝朝朝朝朝朝朝落，浮云长长长长长长长消”，它利用中国汉字一字多音多义的特点，描绘了这一变幻多姿的景色，读后使人产生无限遐想.(人教K)第一部分 潮汐的形成(人教K)在大部分地区，潮汐一天涨落两次，称为半日潮.也有的地区一天涨落一次，称为全日潮.半日潮的两次高潮之间的时间间隔约12小时25分.(根据这个数据猜测，潮汐现象可能与什么有关？)高潮时的最大高度减去低潮时的最小高度称为潮差.世界各地的平均潮差约为13m.但有些地方，如加拿大的芬迪湾，潮差可高达近20m. (人教K)很早人们就开始寻求对潮汐节律性变化的解释，并注意到潮汐与月亮的关系，但不能做出深入的解释.直到牛顿发现了万有引力定律，才在其巨著自然哲学的数学原理中解释了潮汐现象.法国天文学家拉普拉斯在天体力学中进一步发展了牛顿的潮汐理论.目前，高速电子计算机的应用推进了潮汐预报技术，但仍没有全面了解潮汐的过程. 1. 请你根据所学的知识并查阅资料，初步解释潮汐形成的原因. 2. 除了每日发生的潮汐之外，每月还会出现两次潮差最大 (称为大潮)和潮差最小(称为小潮)的现象.请尝试说明在什么情况下会出现大潮或小潮.3.如果你生活在海边，还可以自己动手制作一个简单的潮汐表.把一根直杆固定在海滩，每天记录海水最高和最低时的高度以及发生的时间.你的数据能够说明你的理论吗？(人教K)第二部分 潮汐发电 (人教K)古人曾用“来疑沧海尽成空，万面鼓声中”来形容钱塘大潮这一奇观.在这壮丽的现象背后，隐藏着巨大的可以被开发的能量.在古代，我国和西方的沿海居民都有用潮汐力碾磨谷物、切割木材的记载.随着科技的发展，现在潮汐能已经被用来发电. (人教K)图课-3简单说明了利用潮汐发电的过程.请结合这幅图，并查阅相关资料，回答以下问题. 1.潮汐发电包含了哪些能量转化的过程？ 2.要建造一个潮汐电站，需要具备哪些自然条件？我国哪些地区适合建造潮汐电站？如果潮汐能都被利用，电站可以产生多少电能？3.请和同学讨论潮汐电站的优点和缺点.(人教K)课外读物及推荐网站 1.外星人学物理，匈DedeMiklos，IszaSandor著，李琳培译，人民教育出版社 1999年1月第1版. 2.阿西莫夫最新科学指南(上)，美I阿西莫夫著，朱岚等译，江苏人民出版社2000年2月第1版. 3.计算物理基础第一册，计算物理基础编委会编，人民教育出版社2002年10月第1版. 4.大众天文学上册、下册，法C弗拉马里翁著，李珩译，广西师范大学出版社2003年1月第1版. 本书是法国天文学家弗拉马里翁所写的科普经典名著，出版时又由我国天文学家李珩做了补充和修订.作者以文学的笔触、精美的图片将奇妙的宇宙展示在读者面前. 5.轻松话引力，印JV纳里卡著，卢炬甫译，湖南教育出版2000年12月第l版. 本书包罗了几乎所有与引力有关的现象.熟悉的比拟、有趣的轶闻、大量的插图，以及娓娓道来的文字，使读者得以“轻松”认识那些难以理解的概念和规律. 6.宇宙，卡尔萨根著，周秋麟、吴衣悌等译，吉林人民出版社1998年10月第1版. 在萨根笔下，宇宙的秘密不是守着大型望远镜的天文学家们独享的事物，而是紧密交缠在人类的历史与未来、政治与宗教、命运与梦想之中.这是一首真正的宇宙之史诗，它像伟大的文学作品一样触及心灵的深处. 7.中国科普网http：/wwwcpusgovcn/ 这是由中国科学技术部主办的政府网站.它以生动的形式讲述了科学发展的历史，展示最前沿的科学动态，介绍科学常识与基本科学原理. 8.中国航天网http：/wwwspacechinacom/ 由中国航天科技集团航天信息中心主办，是专业的航天网站，介绍了丰富的太空和宇航知识. 9.科学博物馆http：/wwwexploratoriumedu/ 这是最早的在线科学博物馆.合理选取的知识内容，精心安排的交互式活动，设计精美的画面，一定会吸引你走进科学探险的天地.亚里士多德 1（沪科J）生平简介 亚里士多德(Aristotle，前384前322)，古希腊著名的科学家和哲学家，公元前