高中物理必修2《经典力学的局限性》教案

高中物理必修2经典力学的局限性教案 教学目标 1、知识与技能 (1)知道牛顿运动定律的适用范围; (2)了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用; (3)知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时。 2、过程与方法：通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，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。 3、情感、态度与价值观：通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。 教学重难点 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 新课导入 自从17世纪以来，以牛顿定律为基础的经典力学不断发展，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，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，像其他科学一样，它也有一定的适用范围，有自己的局限性.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. 一、经典力学及其局限性 1.基本知识 (1)从低速到高速 经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，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. 狭义相对论阐述物体以接近光的速度运动时所遵从的规律. 在经典力学中，物体的质量是不变的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即，两者在速度远小于光速的条件下是统一的. (2)从宏观到微观 19世纪末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.20世纪20年代，量子力学建立，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 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.在强引力的情况下，牛顿引力理论不再适用. 当物体的运动速度远小于光速c(3108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别. 2.思考判断 (1)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，此速度在相对论中属于高速.() (2)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变.() (3)对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大.() 探究交流 (1)牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗? (2)相对论、量子力学否定了经典力学吗? 【提示】 (1)在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用. (2)相对论、量子力学没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例. 二、速度对质量 * 【问题导思】 1.低速、高速是如何界定的? 2.物体在高速状态下，质量与速度是什么关系? 3.速度对物理规律有什么影响? 1.低速与高速的概念 (1)低速：远小于光速的速度为低速，通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动. (2)高速：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. 2.速度对质量 * (1)在经典力学中，物体的质量不随速度而变.根据牛顿第二定律F=ma知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速c. (2)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 其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速.在高速运动时，质量的测量是与运动状态密切相关的. 3.速度对物理规律 * 对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理.对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理. 1.狭义相对论中，物体在静止时质量最小，随着运动速度的增加，它的质量也在不断变大，对于高速运动物体，牛顿定律已不再适用. 2.根据相对论的质速关系，若某物体的运动速度达到光速c，它的质量应是无穷大，这显然不符合事实，光速c是所有物体的最大速度. 例：一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度v=6106 m/s.关于电子的质量的变化，下列说法正确的是( ) A.不变 B.减少 C.增大了0.02% D.增大了0.2% 【审题指导】 电子的速度6106 m/s已接近光速，由爱因斯坦狭义相对论可知，电子的质量将有所增加，越接近光速越显著. 【答案】 C 误区警示 物体的质量与速度的关系 从爱因斯坦的相对论可知：物体的速度越大，它的质量就越大.当物体的速度远小于光速时，其质量的变化可以忽略;当物体的速度接近光速时，质量变化将很明显，其质量变化不可忽略. 三、经典力学与相对论、量子力学的比较 【问题导思】 1.经典力学与量子力学的适用范围一样吗? 2.在经典力学与相对论中，速度对质量有什么影响? 3.经典力学与相对论、量子力学有什么联系? 例：以下说法正确的是( ) A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B.经典力学理论的成立具有一定的局限性 C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变 D.相对论与量子力学否定了经典力学理论 【答案】 BC 四、光速不变原理的应用 例：设某人在以速度0.5c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( ) A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0.5c D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 【答案】 D 规律总结 1.光速不变原理：爱因斯坦的狭义相对论指出，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速. 2.速度合成的关系式v船岸=v船水+v水岸只适用于低速运动的惯性参考系，对于接近光速的高速运动物体，该关系式已不再适用，此时应根据光速不变原理去解决问题. 课后小结 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。即 (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