1. 经典力学的成就与局限性教学设计(教案)

第五章

经典力学的成就与局限性

一、经典力学的成就与局限性

教学目标

1.了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献．

2.了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响．

3.认识经典力学的局限性和适用范围．

重点难点

重点：让学生从多种途径了解经典力学的发展过程和相关的物理学家以及他们的思想

难点：让学生了解经典力学的伟大成就和它的局限性，体会历史与逻辑、继承与发展的统一，领悟科学精神和体会科学研究的思想方法。

设计思想

教学方法上建议多采用引导学生自主学习和合作学习的方法，鼓励和组织学生在收集资料的基础上进行讨论和交流，建立起对经典力学的整体性认识．本节引入先对学生前面所学内容进行了简要概括，接着指出学生所学知识是多位物理学家的重要贡献，从而使学生产生了解这些物理学家，了解所学知识由来的兴对经典力学发展历程的了解。以学生自主学习和合作学习为主，可以课前将学生分小组，布置学生收集、查阅相关资料和书籍。在学生自学及小组内相互交流的基础上引导学生理清经典力学理论形成和发展的线索．对于经典力学的伟大成就，要引导学生从教材中提炼体现在哪些方面。

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教学设计

【课堂引入】

由伽利略、牛顿等科学家创立的经典力学，在18、19世纪得到全面、迅速的发展，经典物理学的各个分支如研究热现象、光现象、电磁现象的理论相继进入鼎盛时期，至19世纪未达到了完整、成熟的阶段，似乎人类对自然的认识已达到完美的境地，但在19、20世纪之交，却发现了许多经典物理学无法解释的实验事实，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，解决这些矛盾引发了物理学的革命，导致了现代物理学的诞生，使人类对自然的认识由宏观领域进入微观领域，由低速运动领域进入高速运动领域，从更深的层次上揭示了物质的基本性质和运动的规律，本节我们将在领略经典力学取得的伟大成就和科学家严谨的科学思想的同时，认识经典力学的局限性，从辩证的角度认识科学的发展历程。

【课堂学习】

学习活动一：经典力学的成就

问题1：经典力学的发展历程是什么？

对经典力学发展历程的了解建议以学生自主学习和合作学习为主，可以课前将学生分小组，布置学生收集、查阅相关资料和书籍，有条件的学校可以组织学生上网查找经典力学发展史，在学生自学及小组内相互交流的基础上引导学生理清经典力学理论形成和发展的线索，建议从以下几个角度进行提炼和分析：

1、领会力学体系得以建立的原因

一是生产需要的推动，由于生产实践为力学研究提出了许多问题，促使许多科学家投身于地上物体运动和天体运动规律的研究．

红中

二是科学自身发展的要求．

三是因为力学研究的对象最简单，它抛开物体的物理、化学性质，只把它作为一个有质量的实体来看待，研究物体间的作用及在这一作用下物体运动状态的变化规律．

四是有一系列科学家为牛顿力学的建立打下了重要的科学基础，特别是：（1）伽利略发现了惯性定律和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想．（2）“天空的立法者”——开普勒所发现的行星运动三定律，是牛顿万有引力定律产生的最重要的前提．

2、明确力学发展的三个阶段

第一阶段是在伽利略、牛顿时代之前，人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学．在这个阶段对力学作出突出贡献的是阿基米德，在本节“实践和拓展”第l题中要求收集、整理阿基米德在力学方面取得的成就以及有关他的故事，并在班上和同学交流或展示．合作、交流在科学探究中有助于对科学过程的理解，当今科学的发展都是人们合作探索的结果，教学中要利用这类交流活动培养学生善于合作的意识和沟通、交往的能力，懂得尊重他人的成果．

第二阶段是从伽利略到牛顿，是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础．要让学生知道伽利略、笛卡儿、惠更斯、开普勒、牛顿各自有怎样的发现，他们对科学的杰出贡献与意义所在，可查询《中国科普》网站“科学人物”网页．例如法国物理学家笛卡儿(1596—1650)补充和完善了伽利略的观点；强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性．他在《哲学原理》一书中这样描述：“所有的运动，其本身都是沿直线的．”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而且包括一切方向上的运动．又如荷兰物理学家惠更斯((~hristiaan Huygens 1629一1695)，全面细致地解决完全弹性碰撞问题，则为牛顿第三定律的表述奠定了基础．相关内容教材作了简要介绍，但最好能让学生查询和收集更多的这些科学家进行科学研究的故事，并相互交流，使学生在了解物理学史的过程中更深地体会科学家们忘我的献身精神和刻意追求的严谨作风，而了解科学家是如何在前人的基础上进行求索的，可以让学生更好地把握科学探究的本质．

第三个阶段是牛顿之后，经典力学又有新的发展，这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善．

3、分析科学研究方法的发展

在本节“实践和拓展”第2题中要求比较亚里士多德、伽利略、牛顿所采用的科学研究方法的特点和区别以及对科学发展的意义．实际上他们所采用的科学方法也是科学研究方法发展的三个阶段．可建议学生列表来进行对比，这里是学生在课余自学、收集和查询资料之后一个进行相互交流的机会，也是学生在教材内容指引下进一步了解经典力学的发展历程的一个小结，在进行成果交流当中，注意使学生在归纳问题、表述、口头表达、交往、自信心、宽容心等一系列方面得到充分的锻炼．

学生在了解这些科学家的故事和贡献时，也完全可能了解到对某些科学家有褒有贬的评价，对此应指导学生看待科学家的成果要放在特定的历史背景下去评说，应用历史的观点进行科学教育．例如在力学发展历程中，以往人们容易把亚里士多德看成是阻碍科学进步的反动或落后势力的代表而进行批判，而实际上亚里士多德是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家．在人类科学史上，亚里士多德是第一个阐明各学科研究对象和基本概念的人，他对混沌一团的科学进行了分类，为科学的发展奠定了基础．虽然亚里士多德对很多问题处理是错误的，但每个人的认识均受其所处时代科技水平的影响，和所有科学家一样，亚里士多德的一些

观点存在错误是难免的．我们应该在历史背景下客观评价科学家的贡献和科学的发展，要知道历史的发展有承接，科学的发展也一样．包括认识经典力学的成就和局限性也要联系当时的历史和科学背景，以史为镜，更好地认识科学事业的前景．

问题2：经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。

（1）把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性．这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合．它开辟了一个新时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响．这里可结合学生学习运动学与动力学的情况对经典力学的成就做简单补充介绍．

（2）经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范．牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法极其明晰地得出了完美的力学体系，被后人称为科学美的典范，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐与自洽的体系，追求最简洁、最理想的形式．教学中应有意识地引导学生去领会在物理学揭示的自然规律中所蕴藏的和谐、有序、简单、统一的科学美，培养学生对科学的审美能力，领悟自然界的内在秩序与和谐，陶冶学生的情操，达到认识和情感的完美统一．

（3）经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响．这部分的教学思路应突出以下三个层面：一是经典力学形成的科学研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大．二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展．三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进社会文明的发展．

学习活动二：经典力学的局限性

问题：经典力学在哪些领域不能适用？

（经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。）

（因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用.）

学习活动三：经典力学的适用范围

问题1：牛顿运动定律的适用范围是什么？

（宏观物体，低速运动）

问题2：经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用，那么对这些领域的问题又应如何研究呢？

（给大家简单介绍一些近代物理知识）

从经典力学到相对论的发展：以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s、时间t和质量m这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观。

到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难。在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论

文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论.狭义相对论指出：长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的。长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式：

2vl=l01（通称尺缩效应）

t=2ct01vc22

（钟慢效应）

m=m01vc22（质—速效应）

上式中，各式里的v都是物体的运动速度，c是真空中的光速，l0和l分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；t和t0分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间；m0和m分别为在相对静止和运动系统中测得的物体质量。但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（v<

继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间——时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了。“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论。

【课堂小结】

【板书设计】

第一节

经典力学的成就与局限性

一、经典力学的成就

1．经典力学的发展历程

2．经典力学取得了哪些辉煌的成就

二、经典力学的局限性

三、经典力学的适用范围

1．牛顿运动定律的适用范围是什么？

2．“狭义相对论”和“广义相对论”

2vl=l01（通称尺缩效应）

t=2ct01vc22

（钟慢效应）

m=m01vc22（质—速效应）

课后测评

1、关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是（

）

A．经典力学只适用于低速运动，不适用于与高速运动（速度接近于真空中的光速）

B．狭义相对论只适用于高速运动（速度接近于真空中的光速），不适用于低速运动

C．经典力学既适用于低速运动，也适用与高速运动（速度接近于真空中的光速）

D．狭义相对论既适用于高速运动（速度接近于真空中的光速），也适用于低速运动

2、相对论告诉我们，物体运动时的质量与其静止时的质量相比：（

）

A．运动时的质量比静止时的质量大

B．运动时的质量比静止时的质量小

C．运动时的质量与静止时的质量相等

D．是两个不同的概念无法比较

3、经典力学不能适用下列哪些运动（

）

A．火箭的发射

B．宇宙飞船绕地球的运动

C．“勇气号”宇宙探测器

D．微观粒子的波动性

4、日常生活我们并没发现物体的质量随物体的运动的速度变化而变化，其原因是（

）

A．运动中物体无法称量质量

B．物体的速度远小于光速，质量变化极小

C．物体的质量太大

D．物体的质量不随速度的变化而变化

5、以下关于物体的质量的说法中正确的是（

）

A．质量是物体固有的属性，其大小与物体运动的速度无关

B．只有当物体运动的速度远小于光速时，才可以认为质量不变

C．只有当物体运动的速度远小于光速时，物体的质量才增大

D.物体速度大，说明受力大，同时物体的质量也增大

6、下列说法正确的是（

）

A.物质、时间、空间是紧密联系的统一体

B.在某参考系中观察某一物理现象是同时发生的，但在另一参考系中，仍观察该物理现象也一定是同时发生

C.关经过大质量的星体附近时会发生偏转等现象

D.当天体的半径接近“引力半径”时，引力趣于无穷大，牛顿引力理论只要在实际半径大于他们的“引力半径”时才适应

7相对论给出了物体在

状态下所遵循的规律，量子力学给出了

世界所遵循的规律，爱因斯坦引力理论解决了

作用下的相关问题，而经典力学只适用于

，不适用于

。

9、在蓝天翱翔的飞机，高耸的大厦其设计与制造的原理基础就是经典力学，而如果经典力学是有局限性的，那么是否意味着制造出来的飞机，制造出来的高楼是不安全的，你对此有何见解？利用所学的知识加以讨论。

参考答案：

1、AD

2、A

3、D

4、B

5、B

6、ACD 7、高速运动，微观世界所遵循的规律，强引力，低速运动、宏观世界和弱引力作用，高速运动、微观世界和强引力作用。

8、略