三维目标 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。 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。
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。 教学方法
探究、讲授、讨论、练习 教具准备 多媒体课件 教学过程 ［新课导入］
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，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。著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
是的，从地面上物体的运动到天体的运动；从大气的流动到地壳的变动；从拦河筑坝，修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动；从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……所有这些都服从经典力学的规律。经典力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力。
但是，像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性，它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。 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。
［新课教学］ 一、从低速到高速
请同学们阅读教材“从低速到高速”部分，回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成的两个公式。
1．低速与高速 （1）低速运动
经典力学中各种物体的运动，速度都远小于真空中的光速。处理这些运动，经典力学完全适用。通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。
物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。 （2）高速运动
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．质速关系
20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。它得出了一些不同于经典力学的观念和结论。
例如，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，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即
式中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。 依上式计算，在低速运动中，如地球以3×10 m/s的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略，经典力学完全适用。但如果物体的速度接近光速c，如速度v＝0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍。这时，经典力学就不适用了。
3．速度合成与时空观 （1）速度合成公式
一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸 流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下，在经典力学中，船相对于岸的速度即为
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v船岸＝v船水＋v水岸
经验告诉我们，这简直是天经地义的，但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移（空间长度）及时间间隔的测量相联系，在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立，然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了。
（2）时空观
①经典力学的绝对时空观
经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。
②狭义相对论基本原理
A．爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。 B．光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。 ③狭义相对论时空观 A．同时性的相对性
在一个惯性系中测得是同时发生的两件事，在另一惯性系中测量可能不是同时发生的。 B．时间测量（间隔）的相对性──时间延缓
若在一惯性系内同一地点，先后发生两事件时间间隔Δt0 （称原时或固有时），在以相对速率v运动的另一惯性系内测得时间间隔为Δt，则有
ΔtΔt01vc22
C．空间测量的相对性──长度收缩
当棒沿两个惯性系相对运动方向放置，在相对棒静止的惯性系内测得棒的长度为Δl0（称原长或固有长度），在相对棒以v运动的惯性系里测得棒的长度为Δl，则有
ΔlΔl01vc22
二、从宏观到微观
1．经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界
19世纪末和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，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。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，并在现代科学技术中发挥了重要作用。这就是说，经典力学一般不适用于微观粒子。
2．经典力学有它的适用范围
相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义，它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围。
经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力
万有引力定律的发现解释了天体运动的规律，并预言和发现了海王星和冥王星，它还首次使地面物体的运动规律与天上的星体运动规律统一起来，把经典力学推上了当时科学的顶峰。
1．行星轨道的旋进
按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动。然而，实际的天文观测告诉我们，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如图所示。
经典力学可以对此做出一些解释。不过，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多。自19世纪以来，这个问题就引起了科学界的注意，但得不到令人满意的解释。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。他根据
广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有每百年43″的附加值，同时还预言光线在经过大质量星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转等现象，这些都被观测证实。
2．天体的引力半径
假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值──“引力半径”。
根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体的总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加。半径减小到原来的二分之一，引力增到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加得更快些。天体的半径越小，这种差别越大。根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时，引力趋于无穷大。爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。这个引力半径的值由天体的质量决定，例如太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m。
因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大。这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用。所以，万有引力定律只适用于弱引力。
对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误。”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述。
3．历史上的科学成就与新的科学成就的关系
历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度远小于光速c（3×10 m/s）时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.63×10
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J·s）可以
忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道…… ［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。
（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．相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性，经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。
［布置作业］ 略。 板书设计
6．经典力学的局限性
一、从低速到高速 1．低速与高速 （1）低速运动
物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。 （2）高速运动
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．质速关系
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3．速度合成与时空观 （1）速度合成公式
v船岸＝v船水＋v水岸
（2）时空观
①经典力学的绝对时空观
经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。
②狭义相对论基本原理
A．爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。 B．光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。 ③狭义相对论时空观 A．同时性的相对性
B．时间测量（间隔）的相对性──时间延缓
ΔtΔt01vc22
C．空间测量的相对性──长度收缩
ΔlΔl01vc22
二、从宏观到微观
1．经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界 2．经典力学有它的适用范围
经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力 1．行星轨道的旋进 2．天体的引力半径
假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值──“引力半径”。
3．历史上的科学成就与新的科学成就的关系
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