云南省峨山彝族自治縣高中物理第六章萬有引力與航天教案(打包7套)新人教版必修2.zip
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6.經(jīng)典力學的局限性
三維目標
知識與技能
1.知道牛頓運動定律的適用范圍;
2.了解經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術中的廣泛應用;
3.知道質(zhì)量與速度的關系,知道高速運動中必須考慮速度隨時。
過程與方法
通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性,新的理論會不斷完善和補充舊的理論,人類對科學的認識是無止境的。
情感、態(tài)度與價值觀
通過對牛頓力學適用范圍的討論,使學生知道物理中的結論和規(guī)律一般都有其適用范圍,認識知識的變化性和無窮性,培養(yǎng)獻身于科學的時代精神。
教學重點
牛頓運動定律的適用范圍。
教學難點
高速運動的物體,速度和質(zhì)量之間的關系。
教學方法
探究、講授、討論、練習
教具準備
多媒體課件
教學過程
[新課導入]
經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律,萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域,包括天體力學的研究中,經(jīng)受了實踐的檢驗,取得了巨大的成就。著名物理學家楊振寧曾贊頌道:“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志,我選牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》在1687年出版的那一天。”
是的,從地面上物體的運動到天體的運動;從大氣的流動到地殼的變動;從攔河筑壩,修建橋梁到設計各種機械;從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動;從投出籃球到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從經(jīng)典力學的規(guī)律。經(jīng)典力學在如此廣闊的領域里與實際相符合,顯示了牛頓運動定律的正確性和經(jīng)典力學的魅力。
但是,像一切科學一樣,經(jīng)典力學沒有也不會窮盡一切真理,它也有自己的局限性,它像一切科學理論一樣,是一部“未完成的交響曲”。 那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢?有怎樣的局限性呢?這節(jié)課我們就來了解這方面的知識。
[新課教學]
一、從低速到高速
請同學們閱讀教材“從低速到高速”部分,回答低速與高速的概念、質(zhì)速關系、速度合成的兩個公式。
1.低速與高速
(1)低速運動
經(jīng)典力學中各種物體的運動,速度都遠小于真空中的光速。處理這些運動,經(jīng)典力學完全適用。通常所見的物體的運動皆為低速運動,如行駛的汽車,發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。
物體運動的速度遠小于光速的運動,稱為低速運動。
(2)高速運動
有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近,這樣的速度稱為高速。
2.質(zhì)速關系
20世紀初,著名物理學家愛因斯坦建立了狹義相對論。狹義相對論闡述物體在以接近光的速度運動時所遵從的規(guī)律。它得出了一些不同于經(jīng)典力學的觀念和結論。
例如,在經(jīng)典力學中,物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的,而狹義相對論指出,質(zhì)量要隨著物體運動速度的增大而增大,即
式中m0是物體靜止時的質(zhì)量,m是物體速度為v時的質(zhì)量,c是真空中的光速。
依上式計算,在低速運動中,如地球以3×104 m/s的速度繞太陽公轉時,它的質(zhì)量增大十分微小,可以忽略,經(jīng)典力學完全適用。但如果物體的速度接近光速c,如速度v=0.8c時,物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1.7倍。這時,經(jīng)典力學就不適用了。
3.速度合成與時空觀
(1)速度合成公式
一條河流中的水以相對河岸的速度v水岸 流動,河中的船以相對于河水的速度v船水順流而下,在經(jīng)典力學中,船相對于岸的速度即為
v船岸=v船水+v水岸
經(jīng)驗告訴我們,這簡直是天經(jīng)地義的,但是,仔細一看,這個關系式涉及兩個不同的慣性參考系,而速度總是與位移(空間長度)及時間間隔的測量相聯(lián)系,在牛頓看來,位移和時間的測量與參考系無關,正是在這種時空的觀念下,上式才成立,然而,相對論認為,同一過程的位移和時間的測量在不同的參考系中是不同的,因而上式不能成立,經(jīng)典力學也就不再適用了。
(2)時空觀
①經(jīng)典力學的絕對時空觀
經(jīng)典力學認為時間和空間是相互獨立的,對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。
②狹義相對論基本原理
A.愛因斯坦相對性原理:物理定律在所有慣性參考系內(nèi)都是等價的。
B.光速不變原理:在所有慣性系中,光在真空中的速度恒等于。
③狹義相對論時空觀
A.同時性的相對性
在一個慣性系中測得是同時發(fā)生的兩件事,在另一慣性系中測量可能不是同時發(fā)生的。
B.時間測量(間隔)的相對性──時間延緩
若在一慣性系內(nèi)同一地點,先后發(fā)生兩事件時間間隔Δt0 (稱原時或固有時),在以相對速率v運動的另一慣性系內(nèi)測得時間間隔為Δt,則有
C.空間測量的相對性──長度收縮
當棒沿兩個慣性系相對運動方向放置,在相對棒靜止的慣性系內(nèi)測得棒的長度為Δl0(稱原長或固有長度),在相對棒以v運動的慣性系里測得棒的長度為Δl,則有
二、從宏觀到微觀
1.經(jīng)典力學只適用于宏觀世界,量子力學適用于微觀世界
19世紀末和20世紀初,物理學研究深入到微觀世界,發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子,而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學來說明。20世紀20年代,建立了量子力學,它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性,并在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮了重要作用。這就是說,經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子。
2.經(jīng)典力學有它的適用范圍
相對論和量子力學的出現(xiàn),說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入,而不表示經(jīng)典力學失去了意義,它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍。
經(jīng)典力學只適用于低速運動,不適用于高速運動;只適用于宏觀世界,不適用于微觀世界。
三、從弱引力到強引力
萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運動的規(guī)律,并預言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星,它還首次使地面物體的運動規(guī)律與天上的星體運動規(guī)律統(tǒng)一起來,把經(jīng)典力學推上了當時科學的頂峰。
1.行星軌道的旋進
按牛頓的萬有引力定律推算,行星的運動應該是一些橢圓或圓,行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動。然而,實際的天文觀測告訴我們,行星的軌道并不是嚴格閉合的,它們的近日點在不斷地旋進,如圖所示。
經(jīng)典力學可以對此做出一些解釋。不過,水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預言值多。自19世紀以來,這個問題就引起了科學界的注意,但得不到令人滿意的解釋。1915年,愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論,這是一種新的時空與引力的理論。他根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應有每百年43″的附加值,同時還預言光線在經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時,如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉等現(xiàn)象,這些都被觀測證實。
2.天體的引力半徑
假定一個球形天體的質(zhì)量不變,并通過壓縮減小它的半徑,天體表面上的引力將會增加,當引力趨于無窮大時,被壓縮天體半徑接近的值──“引力半徑”。
根據(jù)牛頓萬有引力定律,假定一個球形天體的總質(zhì)量不變,并通過壓縮減小它的半徑,天體表面上的引力將會增加。半徑減小到原來的二分之一,引力增到原來的四倍。愛因斯坦引力理論表明,這個力實際上增加得更快些。天體的半徑越小,這種差別越大。根據(jù)牛頓的理論,當天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個點時,引力趨于無窮大。愛因斯坦的理論則不然,引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個“引力半徑”的時候。這個引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定,例如太陽的引力半徑為3 km,地球的引力半徑為1 m。
因此,只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑,那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大。但當天體的實際半徑接近引力半徑時,這種差異將急劇增大。這就是說,在強引力的情況下,牛頓引力理論將不再適用。所以,萬有引力定律只適用于弱引力。
對于這樣的科學發(fā)展過程,英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說:“科學總是從正確走向錯誤。”這種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述。
3.歷史上的科學成就與新的科學成就的關系
歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否定,而是作為某些條件下的局部情形,被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c(3×108 m/s)時,相對論物理學與經(jīng)典物理學的結論沒有區(qū)別;當另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6.63×10-34J·s)可以忽略不計時,量子力學和經(jīng)典力學的結論沒有區(qū)別。相對論與量子力學都沒有否定過去的科學,而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。
相對論和量子力學是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢?我們現(xiàn)在還不知道……
[小結]
本節(jié)學習了經(jīng)典力學的局限性:
(1)從低速到高速:在經(jīng)典力學中,物體的質(zhì)量m是不隨運動狀態(tài)改變的,而狹義相對論指出,質(zhì)量要隨著物體的運動速度的增大而增大。
(2)從宏觀到微觀:相對論和量子力學的出現(xiàn),并不說明經(jīng)典力學失去了意義,只說明它有一定的適用范圍:只適用于低速運動,不適用于高速運動;只適用于宏觀世界,不適用于微觀世界。
(3)從弱引力到強引力:相對論物理學與經(jīng)典物理學的結論沒有區(qū)別.相對論與量子力學都沒有否定過去的科學,而只是認為科學在一定條件下有其特殊性,經(jīng)典力學只適用于弱引力,不適用于強引力。
[布置作業(yè)]
略。
板書設計
6.經(jīng)典力學的局限性
一、從低速到高速
1.低速與高速
(1)低速運動
物體運動的速度遠小于光速的運動,稱為低速運動。
(2)高速運動
有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近,這樣的速度稱為高速。
2.質(zhì)速關系
3.速度合成與時空觀
(1)速度合成公式
v船岸=v船水+v水岸
(2)時空觀
①經(jīng)典力學的絕對時空觀
經(jīng)典力學認為時間和空間是相互獨立的,對時間間隔和空間間隔的測量不會因為參考系的運動而改變。
②狹義相對論基本原理
A.愛因斯坦相對性原理:物理定律在所有慣性參考系內(nèi)都是等價的。
B.光速不變原理:在所有慣性系中,光在真空中的速度恒等于。
③狹義相對論時空觀
A.同時性的相對性
B.時間測量(間隔)的相對性──時間延緩
C.空間測量的相對性──長度收縮
二、從宏觀到微觀
1.經(jīng)典力學只適用于宏觀世界,量子力學適用于微觀世界
2.經(jīng)典力學有它的適用范圍
經(jīng)典力學只適用于低速運動,不適用于高速運動;只適用于宏觀世界,不適用于微觀世界。
三、從弱引力到強引力
1.行星軌道的旋進
2.天體的引力半徑
假定一個球形天體的質(zhì)量不變,并通過壓縮減小它的半徑,天體表面上的引力將會增加,當引力趨于無窮大時,被壓縮天體半徑接近的值──“引力半徑”。
3.歷史上的科學成就與新的科學成就的關系
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