高中物理-6 经典力学的局限性教学设计学情分析教材分析课后反思

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①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．②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．③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①19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．②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①1915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．②当物体的运动速度远小于光速c(3×108

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、速度对质量的影响【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．速度对质量的影响（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．速度对物理规律的影响对于低速运动问题，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＝6×106

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6×106

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1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0.5cD．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．

学生尚未学习相对论、量子理论的基本内容,本节教学也不需要学生真正领会现代物理学的内涵,只需要初步了解现代物理学涉及的几个具体问题的具体结论即可。尽管要求不高,但实际上因为新鲜生疏信息量过大、知识过于抽象和不合学生生活经验,学生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教师的观点,形成初步印象,为后续学习奠定一个心理印象基础。同时,教材设计了“科学漫步”、“科学足迹”这两个栏目,分别介绍了狭义相对论的时空观和牛顿科学研究的生涯与方法。节是第六章的总结性的内容，也是介绍性质的内容，以万有引力定律的发现为核心，向宇宙学发展历史的两头延伸。经典力学的基础是牛顿运动定律，而万有引力定律更是建立在牛顿物理学的基础上。教学过程中应先向学生介绍什么是经典力学，就以前的学习内容，包括整个高中阶段所学习的范围都属于经典力学：宏观，低速，弱引力。考试要考的也就是这句话，学生掌握就可以了，但作为扩展知识面的课还得细说。从低速到高速，我们的世界就是低速世界即速度远小于光速世界，同时让学生了解物理学的体系中还有爱因斯坦的狭义相对论知识即接近光速甚至大于光速的世界，以故事趣味性让学生了解三大效应：质量增大，长度收缩，时间延缓。从宏观到微观，让学生了解还有量子力学的知识。经典力学是从日常生活中的机械运动中总结出来的规律,因此所观察到的物体都是宏观的.19世纪末到20世纪初,人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子,超出宏观的日常生活经验的领域,发现它们不仅具有粒子性,而且具有波动性,它们的运动规律不能用经典力学描述.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,并在现代科技中发挥了重要作用.相对论和量子力学的出现,使人们认识到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.从弱引力到强引力的内容中，引导学生了解爱因斯坦的广义相对论，这是一种新的时空观与引力理论，这是对牛顿万有引力的修正，从而体会任何一个知识都是在修修补补中逐渐完善的。第六节经典力学的局限性一、教材及学情分析本节书在整个高中物理一到六章“运动和力”部分的最后一节,对于经典力学的基础部分——牛顿定律和万有引力定律,学生都有了较为熟悉的了解,为了让学生对经典力学的适用范围和现代物理学的成就有一个总体性的了解,教材设计了这一节书。因此,本节书的教学目的在于让学生接触和了解相关内容,防止学生对经典力学形成迷信,同时也对物理学理论发展的逻辑有初步的认知。由于学生尚未学习相对论、量子理论的基本内容,本节教学也不需要学生真正领会现代物理学的内涵,只需要初步了解现代物理学涉及的几个具体问题的具体结论即可。尽管要求不高,但实际上因为新鲜生疏信息量过大、知识过于抽象和不合学生生活经验,学生只可能在似懂非懂的情形下,接受教材和教师的观点,形成初步印象,为后续学习奠定一个心理印象基础。一、单项选择题(本题包括6小题)

1.经典力学不能适用于下列哪些运动(

)

A.京沪高铁在疾驰

B.神舟号飞船绕地球的运动

C.“萤火一号”火星探测器着陆

D.微观粒子的高速运动

2.下列说法正确的是(

)

A.在不同的惯性系中，物理规律可能不同

B.不论在何种参考系中，牛顿定律都是适用的

C.在真空中，光的速度与光源的运动状态有关

D.在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同

3.(2011•南京高一检测)下列说法正确的是(

)

A.光速不变原理是狭义相对论的两个基本假设之一

B.由相对论知：m=

，则物体的速度可以达到光速，此时其质量为无穷大

C.在地面附近有一高速飞过的火箭，地面上的人观察到火箭长度变长了

D.根据狭义相对论，力学规律在不同参考系中是不同的

4.如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb<vc，则地面的观察者认为走得最慢的时钟为(

)

A.a

B.b

C.c

D.无法确定

5.在正负电子对撞实验中，需将电子加速到很大的速度，下列有关说法正确的是(

)

A.电子在加速过程中质量不变

B.电子在加速过程中质量减小

C.电子的速度可以达到1.9c

D.电子的速度不可能达到c

6.关于爱因斯坦质能关系式,下列说法中正确的是(

)

A.E=mc2中的E是物体以光速c运动的动能

B.E=mc2是物体的核能

C.E=mc2是物体各种形式能的总和

D.由ΔE=Δmc2知,减少的质量Δm转化成能量ΔE放出

二、非选择题(本题包括2小题，要有必要的文字叙述)

7.(挑战能力)在某惯性系中测得相对该惯性系静止的立方体的边长为L0，另一惯性系以相对速度v平行于立方体的一边运动.问在后一惯性系中的观察者测得的该立方体体积是多少？8.用质子轰击锂核，生成两个α粒子，若用mp表示质子的静止质量，m表示锂核的静止质量，mα表示α粒子的静止质量，则此核反应释放的能量为多少？答案解析

1.【解析】选D.经典力学适用于宏观物体的低速运动,故经典力学对A、B、C都能适用,对D不适用.

2.【解析】选D.在任何惯性参考系中，物理规律都是相同的，A错误.牛顿定律仅适用于惯性系，B错误.在任何惯性系中，光在真空中的传播速度都一样，与光源的运动状态无关，故C错误，D正确.

3.【解析】选A.光速不变原理是狭义相对论的两个基本假设之一，A正确.物体运动的速度不可能达到光速，物体质量也就不可能为无穷大，B错误.地面上的人观察高速飞过的火箭，火箭长度应变短了，C错误.根据狭义相对论，力学规律在不同惯性参考系中是相同的，D错误.

4.【解析】选C.根据公式Δt=

可知，相对于观察者的速度v越大，其时间进程越慢，由vc>vb>va=0，知c时钟走得最慢.

独具【方法技巧】

时间延缓效应的分析方法

在狭义相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系为

Δt=

，由于v<c，故Δt>Δt′，即运动产生时间的延缓效应.在分析该类问题时，首先应分清哪是运动时钟，然后再根据时间延缓效应公式进行分析，另外，只有在运动速度接近光速时，这种效应才有明显的效果，而在宏观物体的低速运动情况下，此效应几乎显示不出来，也就没有必要考虑了.

5.【解析】选D.由狭义相对论质速关系知，速度越大，质量越大，A、B错误.由于电子的运动速度不可能达到光速c，故C错误、D正确.

6.【解析】选D.爱因斯坦的质能关系式E=mc2,只是说明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大了,质量也增大;能量减小了,质量也减小,故A、B、C错误,D正确.

7.【解析】由狭义相对论知，在运动方向上，观察者测得的立方体的长度L=

L0

，而在垂直于运动方向上，测得的立方体的长度不变，所以立方体的体积V=

.

答案：

8.【解析】核反应中有能量放出，因此有质量亏损，由爱因斯坦质能方程得

ΔE=Δmc2

而Δm=mp+m-2mα

所以ΔE=(mp+m-2mα)c2

答案：(mp+m-2mα)c2本节课的授课内容特殊，并不是物理常规的课程，而是重在物理学史，所以教学模式的可复制性不强，但这是一个很好的开始，课堂拉近了学生与老师的距离，激发起学生对知识的渴望，让学生产生强烈的求知欲望，这是所有老师都很享受的一种教学状态，它并不只作用于这一节课上，还会延续到下一节，甚至整章的学习中让学生的学习变成一种良好的自主学习模式。在今后