高中物理第6章經(jīng)典力學與現(xiàn)代物理教案(打包4套)滬科版必修2.zip
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6.1 經(jīng)典力學的巨大成就和局限性
教研中心
教學指導
一、課標要求
1.了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程,知道經(jīng)典力學發(fā)展歷程中有哪些物理學家作出了突出貢獻;
2.了解經(jīng)典力學所取得的偉大成就及其對當時自然科學、社會發(fā)展的影響;
3.認識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍.
4.通過對以牛頓為代表的經(jīng)典力學的總結(jié)與回顧,體會前人的研究途徑與方法,認識到經(jīng)典力學的巨大成就以及對人類的影響.
5.從認識論和方法論的角度介紹經(jīng)典力學的局限性,培養(yǎng)學生的思想、方法.
二、教學建議
1.怎樣介紹《原理》的產(chǎn)生背景、內(nèi)容,怎樣對《原理》進行評價?教材中安排了《原理》這部分內(nèi)容目的是讓學生了解在當時的社會背景、知識背景下,牛頓等科學家是怎樣得到對整個物理學產(chǎn)生巨大影響的包括運動三定律的物理規(guī)律.教學中應(yīng)該把重點放在讓學生感受前人堅忍不拔的探索精神、科學嚴謹?shù)乃季S方法和謙虛的態(tài)度,不要過多地介紹《原理》中的其他內(nèi)容,對一些感興趣的學生可以推薦其通過閱覽室、互聯(lián)網(wǎng)查閱更多的相關(guān)資料.
2.對經(jīng)典力學的巨大成就的教學,不能變成知識的總結(jié)和規(guī)律的整理,應(yīng)該把重點放在讓學生知道經(jīng)典力學的重要地位、對人類產(chǎn)生的積極影響,他們的方法論對自然科學甚至社會科學都有重大的意義.
3.經(jīng)典力學的局限性的教學,應(yīng)該在充分肯定經(jīng)典力學的重要地位的前提下,從認識論的角度去引導學生,注意通過教學活動以達到培養(yǎng)學生科學的思想方法、正確的世界觀.
4.本節(jié)的教學應(yīng)該自始至終地滲透科學觀點和思維方法的培養(yǎng),激發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題的興趣,敢于向困難挑戰(zhàn)的精神,能客觀地、科學地對自己的研究成果進行評價.
5.教學中可以結(jié)合牛頓、伽利略的杰出貢獻,從他們超人的智慧、堅強的毅力的角度適時、適當?shù)亟榻B一點物理學史.
6.建議認真組織并評價課后作業(yè)3:撰寫一篇題為“關(guān)于伽利略、牛頓的科學研究方法對物理學發(fā)展的意義”的小論文,鼓勵學生通過各種渠道獲取相關(guān)的信息.
資源參考
牛頓的絕對時空觀
在牛頓力學定律(包括慣性定律)的表達里沒有明確指明,所謂“靜止”“勻速直線運動”和“運動狀態(tài)的改變”是對什么參考物體而言的.在牛頓力學中“力”是物體間的相互作用,這是與參考物體無關(guān)的,然而運動狀態(tài)及其改變則與參考物體有密切關(guān)系.牛頓完全了解自己理論中存在的這一薄弱環(huán)節(jié),他的解決辦法是引入一個客觀標準——絕對空間,用以判斷各物體是處于靜止、勻速運動,還是加速運動狀態(tài).牛頓承認,區(qū)分特定物體的絕對運動(即相對于絕對空間的運動)和相對運動,也非易事.不過,他還是提出了判據(jù).譬如,用繩子將兩個球系在一起,讓它們保持在一定距離上,繞共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn),從繩子的張力可以得知其絕對運動角速度的大小.
“水桶實驗”是牛頓提出的另一個更著名的實驗.實驗的大意如下:一個盛水的桶掛在一條扭得很緊的繩子上,然后放手,于是如圖所示:
牛頓“水桶實驗”
(1)開始時,桶旋轉(zhuǎn)得很快,但水幾乎靜止不動.在粘滯力經(jīng)過足夠的時間使它旋轉(zhuǎn)起來之前,水面是平的,完全與水桶轉(zhuǎn)動前一樣.
(2)水和桶一起旋轉(zhuǎn),水面變成凹的拋物面.
(3)突然使桶停止旋轉(zhuǎn),但桶內(nèi)的水還在轉(zhuǎn)動,水面仍然保持凹的拋物面.
牛頓就此分析道,在第(1)(3)階段里,水和桶都有相對運動,而在前者水是平的,后者水面凹下;在(2)(3)階段里,無論水和桶有無相對運動,水面都是凹下的.牛頓由此得到結(jié)論,桶和水的相對運動不是水面凹下的原因.這個現(xiàn)象的根本原因是水在空間里絕對運動的加速度.
絕對空間在哪里?牛頓曾經(jīng)設(shè)想,在恒星所在的遙遠的地方,或許在它們之外更遙遠的地方.他提出假設(shè),宇宙的中心是不動的,這就是他所想象的絕對空間.從現(xiàn)今的觀點來看,牛頓的絕對時空觀是不對的.不過,牛頓當時清楚地意識到,要想給慣性原理以一個確切的意義,那就必須把空間作為獨立于物體慣性行為之外的原因引進來.愛因斯坦認為,牛頓引入絕對空間,對于建立的力學體系是必要的,這是在那個時代“一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路”.
當代的物理教科書在講牛頓力學時,為避免“絕對空間”的提法,都采用“慣性參考系”的概念.據(jù)考證,這想法是德國物理學家朗格(L.Lange)提出的.在牛頓力學的框架中,給慣性系下的定義是慣性定律在其中成立的一類參考系,即在此類參考系中,一個不受外力作用的物體總是做勻速直線運動的.若要再問,怎樣知道一個物體沒有受到外力呢?回答說,此物體離開別的物體都足夠遠,它在慣性系中做勻速直線運動.這里似乎出現(xiàn)了一個邏輯循環(huán).然而,仔細推敲我們的表述,是可在教科書中避免這種邏輯循環(huán)的.實驗表明,在一個參考系中,只要某個物體符合慣性定律,則慣性定律將對其他物體成立.我們把慣性參考系定義為“對某一特定物體慣性定律成立的參考系”,這時再說慣性定律成立的條件是慣性系,就不構(gòu)成邏輯循環(huán)了.從這里我們再次看到,慣性不是個別物體的性質(zhì),而是參考系,或者說,時空的性質(zhì).下文即將論述,用“慣性參考系”替代“絕對空間”,只是回避了牛頓力學的困難,作為階段性的教學考慮是可取的,但是并沒有真正解決問題.
這樣,在牛頓力學的框架里,我們必須嚴格地區(qū)分“慣性”和“非慣性”兩類參考系,在慣性參考系內(nèi),慣性定律和其他牛頓力學定律成立;在非慣性參考系內(nèi),牛頓三定律不成立.在所有慣性參考系之間,伽利略相對性原理成立,從而它們都是平權(quán)的.在非慣性參考系內(nèi)則會出現(xiàn)一些“反?!爆F(xiàn)象.請看下面這段描述.
上文提到,慣性定律是不能直接用實驗嚴格地驗證的.設(shè)想有一位很嚴格的科學家,他相信慣性定律是可以用實驗來證明或推翻的.他在水平的桌面上推動一個小球,并設(shè)法盡量消除摩擦(現(xiàn)代可以用氣桌相當好地實現(xiàn)這一點),他觀察到,小球確實相當精確地做勻速直線運動.正當他要宣布驗證慣性定律成功時,忽然發(fā)現(xiàn)一切突然變得反常了.原來沿直線運動的小球偏向了一邊,朝房子的墻壁滾去,他自己也感到有一種奇怪的力把他推向墻去.究竟發(fā)生了什么事?原來有人和他開玩笑.這位科學家的實驗室沒有窗戶,與外界完全隔絕.開玩笑的人安裝了一種機械,可以使整個房子旋轉(zhuǎn)起來.旋轉(zhuǎn)一開始,就出現(xiàn)上述各種反?,F(xiàn)象,于是慣性定律被推翻了.
我們都看到,在非慣性參考系內(nèi)的“反?!爆F(xiàn)象,是出現(xiàn)了一些莫名其妙的“力”,即“慣性力”.在通常的教科書中對“慣性力”的解釋大意是這樣的,如果在非慣性系中的觀察者要堅持用牛頓定律來解釋他所觀察到的力學現(xiàn)象,他必須假想有某種“慣性力”存在.
慣性力是慣性在非慣性系里的表現(xiàn),它與“真實力”有區(qū)別.“真實的”力是物體間的相互作用,施力的物體必受到受力物體給它的反作用.我們說慣性力是“虛假的”,因為不存在施加此力的物體,從而也就不存在反作用力.我們在形容詞“真實的”和“虛假的”上打了引號.是因為這只是牛頓力學的說法,在廣義相對論的理論中,這種說法就不那么絕對了.
在平動的加速參考系中,質(zhì)點所受的慣性力f慣=-ma,在轉(zhuǎn)動的參考系中靜止的原點受到慣性離心力,以速度v運動的質(zhì)點除受到慣性離心力外,還受到一個科里奧利力fc=2mv×ω.例如,上面談到牛頓的兩球和水桶實驗,涉及的是慣性離心力,使傅科擺擺面運動的是因地球自轉(zhuǎn)引起的科里奧利力.
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