【精选】高中物理第六章万有引力与航天第6节经典力学的局限性学案新人教版必修2

6.5 宇宙航行一、教材分析“宇宙航行”是人教版—一般高中《物理》教材·必修2—第六章“万有引力与航天”的第五小节。

主要介绍了万有引力定律的实践成就，及航天事业的发展及其巨大成就。

教材不仅介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在此中浸透了很多研究本质物理问题的物理方法。

所以，本节课是“万有引力与航天”中的要点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。

人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是学生学习、认识现代科技知识的一个极好素材。

经过对人造卫星原理、宇宙速度等宇宙航行知识的学习，学生不但可以对万有引力定律有个更全面、更深入的认识，对人类进行宇宙航行有一个更为系统的认识，还有助于培育学生利用所学知识分析、解决本质问题的能力。

同时，也会让学生产生对航天科学的热爱，增强民族骄傲感和自信心。

二、教课方案思路1.本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，惹起学生兴趣。

同时注意方法的培育，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，防备套公式的不良习惯。

环绕第一宇宙速度的谈论，让学生形成较正确的卫星运动图景。

2.本课的教课方案中教师的主导作用表现为：踊跃创建问题情境、启示学生思想；学生的主体作用为：动脑、动口、着手。

而电教媒体则为这全部供应丰富的信息资源和交互平台。

3.运用现代教育技术可以扩展可视性，实现对现实的形象模拟。

本电教设计精心优选了多媒体素材，对媒体的运用，力求表现指引认知性、表现逻辑性和现实模拟的真实性。

在每个环节，先用媒体让学生形成感性认知，以问题为中心，学生在观察与体验中思虑，自觉地由浅入深，由感性到理性分层研究，再经过师生的谈论、分析、概括及应用，实现由感性认识上涨为理性认识的飞驰。

将思想的发展贯穿于知识认知的全过程，是本课的一条主线。

多媒体素材的使用：图片（由嫦娥奔月、飞天壁画、神舟七号飞船等图片切入课题，增强学生对物理学科的平和感，引发学习动机）；Flash 课件（ 1：牛顿关于人造卫星的猜想；2：在动向变化过程中认知三种宇速；3：卫星的运动特色）；视频录像（神七出仓、“嫦娥一号”发射全程：激发学生热忱和兴趣，实现对现实的形象模拟，让学生体验科学的整体感）。

第五节 宇宙航行第六节 经典力学的局限性[学习目标] 1.会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度． 2.了解人造卫星的有关知识，知道近地卫星、同步卫星的特点． 3.了解经典力学的发展历程和伟大成就，知道经典力学与相对论、量子力学的关系．[学生用书P 50]一、宇宙速度(阅读教材P 44～P 45)1．人造地球卫星的发射原理(1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星．(2)的万有引力提供，即G Mm r 2＝m v 2r 2．宇宙速度(1)第一宇宙速度v Ⅰ：卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，v Ⅰ＝7.9 km/s. (2)第二宇宙速度v Ⅱ：使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度，v Ⅱ＝11.2 km/s. (3)第三宇宙速度v Ⅲ：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度，v Ⅲ＝16.7 km/s. 拓展延伸►———————————————————(解疑难)第一宇宙速度的两种推导方法方法1：根据GMm r 2＝mv 2r，应用近地条件r ＝R (R 为地球半径)，R ＝6 400 km ，地球质量M ＝6×1024 kg ，代入数据得v ＝GMR＝7.9 km/s.方法2：在地球表面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力．(已知地球半径为R 、地球表面处的重力加速度为g )由mg ＝m v 2R，得v ＝gR ＝9.8×6 400×103 m/s ＝7.9 km/s.1.(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s.( )(2)在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s<v <16.7 km/s.( )(3)要发射离开太阳系进入银河系的探测器，所需发射速度至少为16.7 km/s.( ) (4)要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s.( ) 提示：(1)√ (2)√ (3)√ (4)×二、从低速到高速、从宏观到微观、从弱引力到 强引力(阅读教材P 48～P 51)1．经典力学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．2．从低速到高速(1)狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律． (2)经典力学认为，物体的质量m 不随运动状态改变，长度和时间的测量与参考系无关． (3)狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大．位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的．3．从宏观到微观电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，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，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律．4．从弱引力到强引力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．在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用．5．经典力学与近代物理学的关系当物体的运动速度远小于光速c (3×108m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．当“普朗克常量h (6.63×10－34J·s)”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．2.(1)第三宇宙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，它的质量随速度的增大而变大．( ) (4)万有引力定律对强相互作用也适用．( ) 提示：(1)× (2)× (3)√ (4)×第一宇宙速度的计算[学生用书P 51]第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是近地圆轨道上卫星的运行速度．计算第一宇宙速度有两种方法：(1)由G Mm R 2＝m v 2R 得：v ＝GMR；(2)由mg ＝m v 2R得：v ＝gR .——————————(自选例题，启迪思维)(2015·衡水高一检测)某人在一星球上以速率v 竖直上抛一物体，经时间t 后，物体以速率v 落回手中．已知该星球的半径为R ，求该星球上的第一宇宙速度．[思路探究] (1)物体做什么性质的运动？该星球表面的重力加速度为多少？ (2)计算第一宇宙速度用公式________较为简单．[解析] 根据匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g ＝2vt，该星球的第一宇宙速度，即为卫星在其表面附近绕星球做匀速圆周运动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力，则mg ＝m v 21R，该星球表面的第一宇宙速度为v 1＝gR ＝2vR t. [答案] 2vRt(2014·高考江苏卷)已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为( )A ．3.5 km/sB ．5.0 km/sC ．17.7 km/sD ．35.2 km/s[解析] 由G Mm r 2＝m v 2r 得，对于地球表面附近的航天器有：G Mm r 2＝mv 21r，对于火星表面附近的航天器有：GM ′m r ′2＝mv 22r ′，由题意知M ′＝110M 、r ′＝r2，且v 1＝7.9 km/s ，联立以上各式得v 2≈3.5 km/s，选项A 正确．[答案] A[规律总结] 推导地球上第一宇宙速度的方法也可以推广运用到其他星球上去．即知道了某个星球的质量M 和半径R ，或该星球的半径R 及星球表面的重力加速度g ，可以用同样的方法，求得该星球上的第一宇宙速度．人造地球卫星[学生用书P 52] 1．卫星轨道卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道． 卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心位于椭圆的一个焦点上，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心．卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任意角度，如图所示．2．人造地球卫星的线速度v 、角速度ω、周期T 、加速度a 与轨道半径r 的关系如下： 项目 推导式 关系式 结论v 与r 的关系G Mm r 2＝m v 2r v ＝GM r r 越大，v 越小 ω与r 的关系G Mmr2＝mr ω2 ω＝GM r 3 r 越大，ω越小 T 与r 的关系 G Mm r 2＝mr ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2 T ＝2πr 3GMr 越大，T 越大 a 与r 的关系G Mmr2＝ma a ＝GM r2r 越大，a 越小加速度越小．——————————(自选例题，启迪思维)在圆轨道上质量为m 的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球的半径R ，地球表面的重力加速度为g ，则( )A ．卫星运动的线速度为2RgB ．卫星运动的周期为4π2RgC ．卫星的向心加速度为12gD ．卫星的角速度为12 g2R[解析] 万有引力提供向心力，有G Mm R ＋R 2＝m v 22R. 又g ＝GM R2，故v ＝ GM 2R ＝gR2，选项A 错误．T ＝2π×2R v ＝4πR 2gR ＝4π2R g ，选项B 正确．a ＝v 2r ＝v 22R ＝g4，选项C 错误．ω＝2πT ＝12 g 2R，选项D 正确．[答案] BD如图所示是在同一轨道平面上的三颗不同的人造地球卫星，关于各物理量的关系，下列说法正确的是( )A ．根据v ＝gr ，可知v A <vB <v CB ．根据万有引力定律，可知卫星所受地球引力F A >F B >FC C ．角速度ωA >ωB >ωCD ．向心加速度a A <a B <a C[解析] 设地球质量为M ，卫星质量为m ，卫星做圆周运动的半径为r ，由G Mm r 2＝m v 2r＝m ω2r＝ma 得v ∝1r，ω∝1r 3，a ∝1r2.因为r A <r B <r C ，所以v A >v B >v C ，A 错．ωA >ωB >ωC ，C对．a A >a B >a C ，D 错．而F ∝mr2，由于三个卫星的质量关系未知，故无法确定卫星所受地球引力的大小关系，B 错．[答案] C(2013·高考海南卷)“北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成．地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍．下列说法正确的是( )A ．静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B ．静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C ．静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的17D ．静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的17[思路点拨] 对两卫星，结合万有引力定律和牛顿第二定律导出周期、线速度、角速度、向心加速度的决定式，进行比较．[解析] 根据G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，可得T ＝2πr 3GM ，代入数据，A 正确；根据G Mm r 2＝m v 2r，可得v ＝GM r ，代入数据，B 错误；根据G Mm r 2＝m ω2r ，可得ω＝GMr 3，代入数据，C 错误；根据G Mm r 2＝ma ，可得a ＝GMr2，代入数据，D 错误．[答案] A[名师点评] (1)地球卫星的a 、v 、ω、T 由地球的质量M 和卫星的轨道半径r 决定，当r 确定后，卫星的a 、v 、ω、T 便确定了，与卫星的质量、形状等因素无关，俗称“一(r )定四(a 、v 、ω、T )定”．(2)在处理卫星的v 、ω、T 与半径r 的关系问题时，常用公式“gR 2＝GM ”来替换出地球的质量M 会使问题解决起来更方便．同步卫星[学生用书P 52]同步卫星是指相对于地面静止的卫星，又叫通讯卫星，其特点如下： (1)同步卫星的运行方向和地球自转方向一致；(2)同步卫星的运转周期和地球自转周期相同，即T ＝24 h ； (3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度；(4)所有的同步卫星都在赤道的正上方，因为要与地球同步，同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合；(5)同步卫星的高度固定不变，由G Mm R ＋h 2＝m 4π2T 2(R ＋h )，mg ＝G MmR 2，得离地高度h ＝3.6×104km.——————————(自选例题，启迪思维)据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”于4月25日在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77°赤道上空的同步轨道．关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是( )A ．运行速度大于7.9 km/sB ．离地面高度一定，相对地面静止C ．绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D ．向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 [解析] 由题中描述知“天链一号01星”是地球同步卫星，所以它运行的速度小于7.9 km/s ，离地高度一定，相对地面静止，故选项A 错误，选项B 正确．由于“天链一号01星”的周期(T 同＝1天)小于月球公转的周期(T 月＝27.3天)，由GMm r 2＝m 4π2T 2r ，ω＝2πT，运行的半径比月球绕地球运行的半径小知，绕行的角速度比月球绕地球运行的角速度大，故选项C正确．由a ＝ω2r 知，其向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度，故选项D 错误．[答案] BC我国发射的“中星2A”通信广播卫星是一颗地球同步卫星．在某次实验中，某飞船在空中飞行了36 h ，环绕地球24圈．那么，该同步卫星与飞船在轨道上正常运转时相比较( )A ．同步卫星运转周期比飞船大B ．同步卫星运转速率比飞船大C ．同步卫星运转加速度比飞船大D ．同步卫星离地高度比飞船大[解析] 由万有引力定律和牛顿第二定律得G MmR ＋h 2＝⎩⎪⎨⎪⎧m v 2R ＋h ①m 4π2T R ＋h ②ma ③飞船的运行周期T ′＝3624 h ＝1.5 h<T ＝24 h ，故A 正确；由②得 R ＋h 3T 2＝GM 4π2，为恒量，得同步卫星离地高度h 大，故D 正确；由①得v ＝GM R ＋h ，所以同步卫星运转的速率小，B 错误；由③得a ＝GMR ＋h2，所以同步卫星运转的加速度小，C 错误． [答案] AD(2014·高考天津卷)研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时．假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )A ．距地面的高度变大B ．向心加速度变大C ．线速度变大D ．角速度变大[解析] 地球的自转周期变大，则地球同步卫星的公转周期变大．由GMm R ＋h ＝m 4π2T (R ＋h )，得h ＝3GMT 24π2－R ，T 变大，h 变大，A 正确．由GMm r 2＝ma ，得a ＝GMr2，r 增大，a 减小，B 错误．由GMm r 2＝mv 2r ，得v ＝GM r ，r 增大，v 减小，C 错误．由ω＝2πT可知，角速度减小，D 错误．[答案] A[方法总结] 比较卫星运行参数的方法，利用结论“一定四定，越高越慢”判断．两个典型问题[学生用书P 52]1．卫星中的超、失重现象 (1)在卫星发射和回收过程中，具有向上的加速度，因此卫星中的物体处于超重状态(注意不是与物体在地面时所受重力相比)．(2)卫星进入轨道后，不论是圆周运动还是椭圆运动，卫星中的物体对其他物体不再有挤压或牵拉作用，处于完全失重状态，卫星中的仪器，凡是使用原理与重力有关的均不能使用．2．卫星的发射速度与绕行速度(1)发射速度是指将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度．要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度．卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度即第一宇宙速度．(2)绕行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．根据v ＝GM r可知，卫星越高，半径越大，卫星的绕行速度(环绕速度)就越小．——————————(自选例题，启迪思维)关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中正确的是( ) A ．在发射过程中向上加速时，产生超重现象 B ．在降落过程中向下减速时，产生超重现象 C ．进入轨道做匀速圆周运动时，产生失重现象D ．失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的[解析] 超重、失重是从重力和弹力的大小关系而定义的，当向上加速时超重，向下减速时(加速度方向向上)也超重，故选项A 、B 正确；卫星做匀速圆周运动时，万有引力(或重力)完全提供向心力，使卫星及卫星内的物体产生向心加速度，并处于完全失重状态，故选项C 正确，选项D 错误．[答案] ABC(2015·莆田高一检测)航天员王亚平在“神舟十号”飞船中进行了首次太空授课．下列关于飞船发射和在圆轨道上运行时的说法中，正确的是( )A ．飞船的发射速度和运行速度都等于7.9 km/sB ．飞船的发射速度大于7.9 km/s ，运行速度小于7.9 km/sC ．飞船比同步卫星的发射速度和运行速度都大D ．王亚平空中授课中的水球实验是在发射过程进行的 [解析] 由于飞船的轨道半径r >R ，则发射速度大于7.9 km/s ，运行速度小于7.9 km/s ，故A 错B 对．飞船的轨道半径比同步卫星的小，故飞船的发射速度小，运行速度大，C 错．水球实验只能在完全失重状态下完成，D 错．[答案] B地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为F 1，向心加速度为a 1，线速度为v 1，角速度为ω1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)所受的向心力为F 2，向心加速度为a 2，线速度为v 2，角速度为ω2；地球同步卫星所受的向心力为F 3，向心加速度为a 3，线速度为v 3，角速度为ω3.地球表面重力加速度为g ，第一宇宙速度为v ，假设三者质量相等，则( )A ．F 1＝F 2>F 3B ．a 1＝a 2＝g >a 3C ．v 1＝v 2＝v >v 3D ．ω1＝ω3<ω2[解析] 赤道上物体随地球自转的向心力为万有引力与支持力的合力，近地卫星的向心力等于万有引力，同步卫星的向心力为同步卫星所在处的万有引力，故有F 1<F 2，F 2>F 3，加速度：a 1<a 2，a 2＝g ，a 3<a 2；线速度：v 1＝ω1R ，v 3＝ω3(R ＋h )，其中ω1＝ω3，因此v 1<v 3，而v 2>v 3；角速度ω＝v r，故有ω1＝ω3<ω2.[答案] D[规律总结] 同步卫星、近地卫星、赤道上的物体的比较 (1)相同点①都以地心为圆心做匀速圆周运动．②同步卫星与赤道上的物体具有相同的周期和角速度． (2)不同点 ①同步卫星、近地卫星均由万有引力提供向心力；而赤道上的物体是万有引力的一个分力提供向心力．②三者的向心加速度各不相同．近地卫星的向心加速度a ＝GM R2，同步卫星的向心加速度可用a ＝GM r2或a ＝r ω2求解，而赤道上物体的向心加速度只可用a ＝R ω2求解．③三者的线速度大小也各不相同．近地卫星v ＝GMR ＝gR ，同步卫星v ＝GM r＝r ·ω，而赤道上的物体v ＝R ·ω.[学生用书P 53]典型问题——卫星变轨问题卫星在运动中的“变轨”有两种情况：离心运动和向心运动．当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即G Mm r 2＝m v 2r时，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变．1．制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即G Mm r 2>m v 2r，卫星做近心运动，轨道半径将变小．所以要使卫星的轨道半径变小，需开动反冲发动机使卫星做减速运动．2．加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即G Mm r 2<m v 2r，卫星做离心运动，轨道半径将变大．所以要使卫星的轨道半径变大，需开动反冲发动机使卫星做加速运动．[范例]2013年12月10日21时20分，“嫦娥三号”发动机成功点火，开始实施变轨控制，由距月面平均高度100 km 的环月轨道成功进入近月点高度15 km 、远月点高度100 km 的椭圆轨道．关于“嫦娥三号”，下列说法正确的是( )A ．“嫦娥三号”的发射速度大于7.9 km/sB ．“嫦娥三号”在环月轨道上的运行周期大于在椭圆轨道上的运行周期C ．“嫦娥三号”变轨前沿圆轨道运动的加速度大于变轨后通过椭圆轨道远月点时的加速度D ．“嫦娥三号”变轨前需要先点火加速[解析] 7.9 km/s 是人造卫星的最小发射速度，要想往月球发射人造卫星，发射速度必须大于7.9 km/s ，A 对；“嫦娥三号”距月面越近运行周期越小，B 对；飞船变轨前沿圆轨道运动时只有万有引力产生加速度，变轨后通过椭圆轨道远月点时也是只有万有引力产生加速度，所以两种情况下的加速度相等，C 错；“嫦娥三号”变轨前需要先点火减速，才能做近心运动，D 错．[答案] AB在发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最后将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q 点，2、3相切于P 点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是( )A ．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B ．卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度C ．卫星在轨道2上经过P 点时的加速度等于它在轨道3上经过P 点时的加速度D ．卫星在轨道3上的加速度小于在轨道1上的加速度解析：选CD.由G Mm r ＝m v 2r ＝mr ω2得，v ＝ GM r ，ω＝ GM r 3，由于r 1＜r 3，所以v 1＞v 3，ω1＞ω3，A 、B 错误；轨道1上的Q 点与轨道2上的Q 点是同一点，到地心的距离相同，根据万有引力定律及牛顿第二定律知，卫星在轨道1上经过Q 点时的加速度等于它在轨道2上经过Q 点时的加速度，同理，卫星在轨道2上经过P 点时的加速度等于它在轨道3上经过P 点时的加速度，C 正确．由a ＝ GMr2知，D 正确．[学生用书P 54][随堂达标]1．下列说法中正确的是( )A ．经典力学适用于任何情况下的任何物体B ．狭义相对论否定了经典力学C ．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D ．万有引力定律也适用于强相互作用力解析：选C.经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，故A 项是错误的；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，故B 项是错误的；量子力学正确描述了微观粒子运动的规律性，故C 项是正确的；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用的，故D 项是错误的．2. 关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是( ) A ．它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度 B ．它是人造地球卫星在近地圆轨道上的绕行速度 C ．它是能使卫星进入近地圆轨道的最小发射速度 D ．它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度解析：选BC.第一宇宙速度是卫星的最小发射速度，也是卫星环绕地球做圆周运动的最大绕行速度，选项A 错误，选项B 、C 正确；卫星沿椭圆轨道运行时，在近地点做离心运动，说明近地点的速度大于第一宇宙速度，选项D 错误．3．我国发射的“天宫一号”和“神舟八号”在对接前，“天宫一号”的运行轨道高度为350 km ，“神舟八号”的运行轨道高度为343 km.它们的运行轨道均视为圆周，则( )A ．“天宫一号”比“神舟八号”速度大B ．“天宫一号”比“神舟八号”周期长C ．“天宫一号”比“神舟八号”角速度大D ．“天宫一号”比“神舟八号”加速度大解析：选B.由题知“天宫一号”运行的轨道半径r 1大于“神舟八号”运行的轨道半径r 2，天体运行时万有引力提供向心力．根据G Mm r 2＝m v 2r ，得v ＝GMr .因为r 1＞r 2，故“天宫一号”的运行速度较小，选项A 错误；根据G Mm r 2＝m ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2r ，得T ＝2π r 3GM ，故“天宫一号”的运行周期较长，选项B 正确；根据G Mm r2＝m ω2r ，得ω＝GMr 3，故“天宫一号”的角速度较小，选项C 错误；根据G Mm r 2＝ma ，得a ＝GM r2，故“天宫一号”的加速度较小，选项D 错误．4.(2015·高考山东卷)如图，拉格朗日点L 1位于地球和月球连线上，处在该点的物体在地球和月球引力的共同作用下，可与月球一起以相同的周期绕地球运动．据此，科学家设想在拉格朗日点L 1建立空间站，使其与月球同周期绕地球运动．以a 1、a 2分别表示该空间站和月球向心加速度的大小，a 3表示地球同步卫星向心加速度的大小．以下判断正确的是( )A ．a 2>a 3>a 1B ．a 2>a 1>a 3C ．a 3>a 1>a 2D ．a 3>a 2>a 1解析：选D.空间站和月球绕地球运动的周期相同，由a ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2r 知，a 2>a 1；对地球同步卫星和月球，由万有引力定律和牛顿第二定律得GMmr 2＝ma ，可知a 3>a 2，故选项D 正确． 5．(选做题)已知地球质量为M ，半径为R ，自转周期为T ，地球同步卫星质量为m ，引力常量为G .有关同步卫星，下列表述正确的是( )A ．卫星距地面的高度为 3GMT 24π2B ．卫星的运行速度小于第一宇宙速度C ．卫星运行时受到的向心力大小为G Mm R2D ．卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度解析：选BD.天体运动的基本原理为万有引力提供向心力，地球的引力使卫星绕地球做匀速圆周运动，即F 引＝F 向＝m v 2r ＝4π2mr T 2.当卫星在地表运行时，F 引＝GMmR2＝mg (此时R 为地球半径)，设同步卫星离地面高度为h ，则F 引＝GMmR ＋h2＝F 向＝ma 向<mg ，所以C 错误，D正确．由GMm R ＋h 2＝mv 2R ＋h 得，v ＝GM R ＋h < GM R ，B 正确，由GMm R ＋h 2＝4π2m R ＋h T 2，得R ＋h ＝3GMT 24π2，即h ＝3GMT 24π2－R ，A 错误．[课时作业]一、选择题1．(多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道( ) A ．与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆 B ．与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆C ．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D ．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的解析：选CD.人造卫星运行时，由于地球对卫星的引力是它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向圆心，即指向地心．也就是说，人造卫星所在轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不可能是地轴上(除地心外)的某一点，故选项A 错误．由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和某一经度线所决定的平面共面，选项B 错误．相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度，这个高度约为3.6×104km ，而低于或高于这个轨道的卫星也可以在赤道平面内运动，不过由于它们绕地球运转的周期和地球自转的周期不同，就会相对于地面运动，选项C 、D 正确．2．(2015·哈尔滨高一检测)当人造卫星进入轨道做匀速圆周运动后，下列叙述正确的是( )A ．在任何轨道上运动时，地球球心都在卫星的轨道平面内B ．卫星运动速度一定等于7.9 km/sC ．卫星内的物体仍受重力作用，并可用弹簧测力计直接测出所受重力的大小D ．因卫星处于完全失重状态，所以在卫星轨道处的重力加速度等于零解析：选A.由于地球对卫星的万有引力提供向心力，所以球心必然是卫星轨道的圆心，A 正确．只有贴近地面做匀速圆周运动的卫星的速度才等于7.9 km/s ，其他卫星的线速度小于7.9 km/s ，B 错误．卫星绕地球做匀速圆周运动，其内部的物体处于完全失重状态，弹簧测力计无法测出其重力，地球在卫星轨道处产生的重力加速度等于其向心加速度，并不等于零，C 、D 错误．3．(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是( ) A ．第一宇宙速度v 1＝7.9 km/s ，第二宇宙速度v 2＝11.2 km/s ，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v 1，小于v 2B ．美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度C ．第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度D ．第一宇宙速度7.9 km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度解析：选CD.根据v ＝GMr可知，卫星的轨道半径r 越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，v 1＝7.9 km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D 正确；实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A 错误；美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B 错误；第二宇宙速度是在地面附近使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C 正确．4．探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比( )A ．轨道半径变小B ．向心加速度变小C ．线速度变小D ．角速度变小解析：选A.由GMm r2＝mr ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2可知，变轨后探测器轨道半径变小，由a ＝GM r 2、v ＝GM r、ω＝GMr 3可知，探测器向心加速度、线速度、角速度均变大，只有选项A 正确． 5．若取地球的第一宇宙速度为8 km/s ，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为( )A ．16 km/sB ．32 km/sC ．4 km/sD ．2 km/s解析：选A.第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，对于近地卫星，其轨道半径近似等于星球半径，所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力，根据万有引力定律和牛顿第二定律得G Mm r 2＝m v 2r，解得v ＝GMr .因为行星的质量M ′是地球质量M 的6倍，半径R ′是地球半径R 的1.5倍，则v ′v ＝GM ′R ′GMR＝M ′RMR ′＝2，故v ′＝2v ＝2×8 km/s＝16 km/s ，A正确．6．星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为第二宇宙速度．星球的第二宇宙速度v 2与第一宇宙速度v 1的关系是v 2＝2v 1.已知某星球的半径为r ，它表面的重力加速度为。

第六节 经典力学的局限性教学过程：（一）引入新课师：自从17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展，如：在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就．经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如，从地面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、飞机等各种交通工其：从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船……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，像一切科学一样，它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．（二）新课教学一、从低速到高速(展示问题)师：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、速度合成与两个公设．生：低速到高速的概念，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．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．质速关系是：在经典力学中，物体的质量是不变的，但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m =2201c vm其中m 0为静止质量，m 是物体速度为v 时的质量，c 是真空中的光速．例如：(1)v ＝0．8c 时，物体的质量约增大到静止质量的1．7倍，这时经典力学就不再适用了．(2)如地球以v ＝30km ／s 的速度绕太阳公转时，m=l.010 lOl m 0，它的质量增大十分微小，可以忽略不计．速度合成与两个公设．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．(1)相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式．(2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速‘都一样．二、从宏观到微观师：请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。

第六节经典力学局限性课时：一课时教师：教学重点了解经典力学局限性．教学难点了解相对论、量子力学与经典力学关系．三维目标知识与技能1．知道以牛顿运动定律为根底经典力学适用范围．2．知道相对论、量子力学与经典力学关系．过程与方法经历科学家建立相对论与量子论思维探索过程，认识科学思维意义．情感态度与价值观1．了解科学理论相对性，知道科学理论开展过程继承与摒弃．2．通过时间与空间问题，鼓励学生对未来探索．教学过程导入新课情景导入情境1 ?原理?将成为一座永垂不朽深邃智慧纪念碑，它向我们提醒了最伟大宇宙定律．这部著作是高于人类一切其他思想产物杰作，这个简单而普遍定律发现，因为它囊括对象之巨大与多样性，给予人类智慧以荣耀．——18、19世纪法国著名天文学家与天体力学家拉普拉斯拉普拉斯威廉·汤姆生情境2 “科学大厦已经根本建成〞，“后代物理学家只要做一些零碎修补工作就行了．〞“在物理学晴朗天空远处，还有两朵小小令人不安乌云．〞——19世纪著名英国物理学家威廉·汤姆生踌躇满志地宣告情境3 牛顿啊，请原谅我！你所发现道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力与创造力人所能发现唯一道路．你所创造概念，甚至今天仍然指导着我们物理学思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地理解各种联系，那就必须用另外一些离直接经历领域较远概念来代替这些概念．——爱因斯坦情境4 科学总是从正确走向错误．——英国剧作家萧伯纳诙谐地说以上名人名言，对你有何启示？问题导入假设你驾驶一辆时速为100 km/h越野车，一位乘客以相对你10 km/h速度用弹弓射击前面岩石，那么弹珠实际速度就应该是110 km/h.可是，如果翻开前车灯，按照常识，光速是1.079 145×109 km/h，加上车运动速度，光实际速度应该大于1.079 145×109 km/h，可实际测量光速还是1.079 145×109 km/h，为什么同样参考系光与实际物体得到结果不同呢？学了本节内容后，你便知道其原因了．推进新课教师利用多媒体展示课件，使学生带着问题阅读课文，然后解决问题．问题：经典力学成就有哪些？学生阅读课文，交流、讨论、答复．总结：1.牛顿运动三定律与万有引力定律把天体运动与地上物体运动统一起来，是人类对自然界认识第一次大综合，是人类认识史上一次重大飞跃．2．经典力学根底，在以后二百多年里几乎统治了物理学各个领域．3．经典力学与以经典力学为根底开展起来天体力学、材料力学与构造力学等得到了广泛应用，并取得了巨大成就．4．18世纪60年代，力学与热力学开展及其与生产结合，使机器与蒸汽机得到改良与推广，引发了第一次工业革命．5．由牛顿力学定律导出动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术理论根底．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器发射，都是牛顿力学规律应用范例．点评：通过该问题探究促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勤于思考，培养其学科探究能力，使其逐步形成科学态度．教师引导学生领悟任何科学都不会穷尽一切真理，都有其局限性．经典力学也一样，从而引出经典力学局限性．一、从低速到高速问题：1.在经典力学与狭义相对论中，物体质量有何不同？2．狭义相对论中物体质量表达式是怎样？3．在经典力学与狭义相对论中，位移与时间测量在不同参考系中有何区别？学生带着问题阅读课文，分组讨论、归纳．明确：1.在经典力学中，物体质量不随运动状态而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度增大而增大．2．m ＝m 01－v 2c 2 .m 0：物体静止时质量，m ：物体速度为v 时质量，c 是真空中光速．3．在经典力学中，同一过程位移与时间测量在不同参考系中是一样；在狭义相对论中，同一过程位移与时间测量在不同参考系中是不同．练习1如果真空中光速为c ＝3.0×108 m/s ，当一个物体运动速度为v 1＝2.4×108 m/s 时，质量为3 kg.当它速度为1.8×108 m/s 时，质量为多少？解析：根据狭义相对论，m ＝m 01－v 2c2，由题意知： m 1＝m 01－v 1c 2，m 2＝m 01－v 2c 2， 所以m 1m 2＝1－v 22c 21－v 21c2＝4535＝43，所以m 2＝34m 1＝94 kg ＝2.25 kg. 答案：2.25 kg练习2继哥白尼提出“太阳中心说〞、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人肩膀上，创立了经典力学，提醒了包括行星在内宏观物体运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学缺乏，又进一步开展了牛顿经典力学，创立了相对论．这说明( )．①世界无限广阔，人不可能认识世界，只能认识世界一局部 ②人意识具有能动性，能够正确地反映客观世界 ③人对世界每一个正确认识都有局限性，需要开展与深化④每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确认识A ．①②③④B ．①②③C ．①③④D ．②③解析：发现总是来自于认识过程，观点总是为解释发现而提出．主动认识世界，积极思考问题，追求解决(解释)问题，这是科学研究根本轨迹．任何一个人对客观世界认识都要受当时客观条件与科学水平制约，所以所形成“正确理解〞都有一定局限性．爱因斯坦相对论理论是对牛顿力学理论开展与深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战．所以正确选项为D.答案：D练习3．以下说法中正确是( )．A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学根底是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有问题D．经典力学可以解决自然界中所有问题解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学根底；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有问题．搞清牛顿运动定律与经典力学隶属关系，明确经典力学适用范围，才能正确解决此类问题．所以选B.答案：B二、从宏观到微观问题：经典力学适用范围是什么？学生活动：阅读课文，寻找答案，答复以下问题．结论：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，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们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规律性，并在现代科技中发挥了重要作用．相对论与量子力学出现，使人们认识到经典力学适用范围：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．三、从弱引力到强引力问题：(课件展示)1．经典力学与行星轨道矛盾是什么？2．由经典力学与行星轨道矛盾说明了什么？3．归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论主要差异．4．经典力学与相对论及量子力学关系如何？学生阅读课文，分组讨论，合作探究，代表发言．教师活动：点评学生发言，因课本上内容并不全面，教师在点评过程中要补充一些内容．按牛顿万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动，而天文观测说明，行星轨道并不是严格闭合，它们近日点在不断地旋进，如水星运动．实际观测到水星运动情况与爱因斯坦广义相对论计算结果吻合得很好．2．经典力学只适用于弱引力，而不适用于强引力．3．牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论主要差异(1)牛顿万有引力定律认为：物体半径减小时，其外表上万有引力与半径二次方成反比地增大，对于半径接近于零物体，其外表上万有引力接近于无穷大．(2)爱因斯坦理论认为：物体半径减小时，其外表上万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径〞时候．(3)只要天体实际半径远大于它们引力半径，那么由爱因斯坦与牛顿引力理论计算出力差异并不很大，但当天体半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，这就是说，在强引力情况下，牛顿引力理论将不再适用．(4)行星运动，在近日点与远日点，引力变化规律不完全一样，导致轨道不闭合，近日点旋进．4．经典力学与相对论及量子力学关系经典力学是相对论及量子力学在一定条件下特例，它包含于相对论与量子力学之中，相对论与量子力学建立并没有否认经典力学．练习3、20世纪以来，人们发现了一些事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于解决物体______问题，不能用来处理______运动问题；只适用于______物体，一般不适用于______粒子．这说明人们对客观事物具体认识在广度上是有______，人们应当____________________________________．解析：人们对客观世界认识要受到他所处时代客观条件与科学水平制约，所以形成看法也都具有一定局限性，人们只有不断扩展自己认识，才能掌握更广阔领域内不同事物本质与规律；新科学诞生并不意味着对原来科学全盘否认，只能认为过去科学是新科学在一定条件下特殊情形．答案：低速运动高速宏观微观局限性不断扩展认识，在更广阔领域内掌握不同事物本质与规律练习4、19世纪末与20世纪初以来，物理学研究深入到________，发现______、______、______等微观粒子不仅有______，而且有______，它们运动规律不能用经典力学来说明．练习5．对于经典力学理论，以下说法中正确是( )．A．经典力学是物理学与天文学根底，也是现代工程技术理论根底B．经典力学理论体系是经过几代科学家长期探索，历经曲折才建立起来C．经典力学具有丰富理论成果，也建立了实证科学方法体系D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得结果与实际结果之间出现了较大偏差练习6．以下说法正确是( )．A．在经典力学中，物体质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体质量也不随运动状态而改变B．在经典力学中，物体质量随物体运动速度增大而减小，在狭义相对论中，物体质量随物体速度增大而增大C．在经典力学中，物体质量是不变，在狭义相对论中，物体质量随物体速度增大而增大D．上述说法都是错误练习7．关于经典力学与量子力学，以下说法中正确是( )．A．不管是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学与量子力学都是适用B．量子力学适用于宏观物体运动；经典力学适用于微观粒子运动C．经典力学适用于宏观物体运动；量子力学适用于微观粒子运动D．上述说法都是错误参考答案：课堂小结通过对万有引力定律学习，我们了解了万有引力定律辉煌成就，但是通过本节学习，我们又了解到它并没有穷尽一切真理，在新领域还有新规律等待我们去发现．在本节学习过程中，我们从三个方面体会经典力学局限性：①从低速到高速；②从宏观到微观；③从弱引力到强引力．布置作业1．阅读教材科学足迹中牛顿科学生涯．2．从网上查阅有关经典力学、量子力学、相对论资料．板书设计6 经典力学局限性1．从低速到高速：经典力学适用于低速2．从宏观到微观：经典力学适用于宏观物体3．从弱力到强力：万有引力定律适用于弱力。

第六节经典力学的局限性课堂探究探究一经典力学与相对论、量子理论的比较问题导引如图为设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器(或称同步回旋加速器)，电子经加速器加速后，能量可达到100 GeV，电子速度达到0.999 999 999 987倍的光速。

这时经典力学的规律还适用吗？提示：经典力学在低速运动的广阔领域(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，但在高速领域不再适用。

名师精讲1．经典力学适用于低速运动的物体，不适用于高速(接近光速)运动的物体，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。

2．经典力学适用于宏观世界，一般不适用于微观粒子，而量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律。

3．在弱引力的情况下，牛顿万有引力定律与实验结果符合的很好，而在强引力的情况下，万有引力定律不再适用。

而爱因斯坦的广义相对论则能够解释强引力情况下的作用规律。

4．相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。

警示经典力学的适用范围是宏观，低速，弱引力等，但对于微观、高速、强引力问题却不适用。

量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律，而高速、强引力问题则要用相对论去解释。

【例1】 (多选)关于经典力学和狭义相对论，以下说法中正确的是( )A．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近真空中的光速)B．狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，不适用于低速运动C．经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近真空中的光速)D．狭义相对论既适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，也适用于低速运动解析：狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，只适用于低速运动的物体。

答案：AD题后反思 要比较经典力学和相对论的区别，关键不但要知道各自的适用范围，还要区分开两个速度：速度远小于真空中光速的，称为低速；速度接近于真空中光速的，称为高速。

安徽省长丰县高中物理第六章万有引力与航天6.6 经典力学的局限性教案新人教版必修2
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6.6经典力学的局限性。

第6节经典力学的局限性【学习目标】1.知道经典力学的局限性和适用范围.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,知道高速运动中物体的质量随速度的增大而增大.4.了解相对论、量子力学的建立对人类深入认识客观世界的作用,知道物理学改变人们世界观的作用.【重点难点】【导学提示】1先看目标再通读教材，掌握实验方法。

2通读教材，进行知识梳理，勾划重难点将疑问记录下来，并写下提示语，熟记基础知识完成预习案。

3进一步思考完成探究案问题及练习。

注：带★C层选做，带★★B、C层选做。

【预习案】1.经典力学的基础是,牛顿运动定律和万有引力定律在、、的广阔区域,包括的研究中,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时所遵从的规律.3.在经典力学中,物体的质量是的,而狭义相对论指出,质量要随物体运动速度的增大而,即.4.经典力学认为位移和时间的测量与参考系,相对论认为,同一过程的位移和时间的测量与参考系,在不同的参考系中是.5.经典力学有它的适用范围:只适用于运动,不适用于运动;只适用于世界,不适用于世界.6.1915年,爱因斯坦创立了,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.当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/s)时,相对论物理学与经典物理学的结论.当另一个重要常数即“普朗克常数”(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论,相对论与量子力学都没有否定经典力学,而是认为经典力学是自己在一定条件下的特殊情形.【我的疑惑】【探究案】一、对议【探究1】从低速到高速阅读教材,思考:1.在经典力学和狭义相对论中,物体的质量有何不同?2.狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的?3.在经典力学和狭义相对论中,位移和时间的测量在不同参考系中有何区别?4.从物体运动速度的方面看,经典力学的适用范围是什么?结论:经典力学只适用于运动,不适用于运动.【例】如果真空中的光速为c=3.0×108m/s,当一个物体的运动速度为v1=2.4×108m/s 时,质量m1=3kg.当它的速度为v2=1.8×108m/s时,质量m2为多少?【探究2】从宏观到微观阅读教材,思考:1.微观世界里面有哪些微观粒子?2.经典力学能否解释微观粒子的运动规律?3.哪种科学能很好地解释微观粒子的运动规律?4.相对论和量子力学的出现否定了经典力学吗?5.经典力学的适用范围是什么?结论:经典力学只适用于运动,不适用于运动;只适用于世界,不适用于世界.三、从弱引力到强引力【自主探究3】阅读教材,思考:1.经典力学与行星轨道的矛盾是什么?2.由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么?3.归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异.4.经典力学和相对论及量子力学的关系如何?结论:经典力学只适用于,而不适用于.【课堂小结】经典力学的局限性1.从低速到高速:经典力学只适用于,不适用于;2.从宏观到微观:经典力学只适用于,不适用于;3.从弱引力到强引力:经典力学只适用于,不适用于【训练案】1.19世纪末和20世纪初,物理学的研究深入到,发现、、等微观粒子不仅有,而且有,它们的运动规律不能用经典力学来说明.2.对于经典力学理论,下列说法中正确的是( )A.经典力学是物理学和天文学的基础,也是现代工程技术的理论基础B.经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索,历经曲折才建立起来的C.经典力学具有丰富的理论成果,也建立了实证科学的方法体系D.当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时,经典力学理论所得的结果与实际结果之间偏差不大3.以下说法正确的是( )A.在经典力学中,物体的质量不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的质量也不随运动状态而改变B.在经典力学中,物体的质量随物体运动速度增大而减小,在狭义相对论中,物体的质量随物体速度的增大而增大C.在经典力学中,物体的质量是不变的,在狭义相对论中,物体的质量随物体速度增大而增大D.上述说法都是错误的4.关于经典力学和量子力学,下列说法中正确的是( )A.不论是对宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的B.量子力学适用于宏观物体的运动,经典力学适用于微观粒子的运动C.经典力学适用于宏观物体的运动,量子力学适用于微观粒子的运动D.上述说法都是错误的5.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而改变D.相对论与量子力学否定了经典力学理论【自主区】【使用说明】教师书写二次备课，学生书写收获与总结百度文库是百度发布的供网友在线分享文档的平台。

经典力学的局限性整体设计本节从低速到高速、宏观与微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性，但均属于介绍性质，具体内容均不要求学生掌握，但是学过本节之后，要学生知道，尽管前面已经体会到了万有引力理论的辉煌成就，但是真理具有相对性，任何理论都不会穷尽一切真理，在新的领域还有新的规律等待我们去发现。

教材中经典力学是“一部未完成的交响曲”；”科学总是从正确走向错误“；”相对论和量子力学是哪一种广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道‥‥“安排这些内容的着眼点都在展示科学探究的无限可能，使教材在培养学生学科素养上发挥它的教育功能。

在学习了牛顿的万有引力定律及万有引力理论的成就后，学生体会到了经典物理带来的巨大成功，产生了对牛顿力学的敬仰之情。

从物理学科素养实施的角度来看，为了使学生拓展知识、开阔视野；正确认识物理学理论的发展和适用X围，有必要介绍经典力学的局限性，以完善学生的知识体系，培养学生全面正确看待已成功的物理理论，养成正确的科学观和世界观。

那么什么是经典力学？学生从高一入学到现在所学的物理知识与经典力学什么关系？课堂首先进行破题，目的是让学生站在知识的高度来概括和总结，让学生知道我们的学习由浅入深，从直线到曲线，从简单运动到复杂运动，从本质上说都是牛顿定律的应用，符合我们的认识遵从螺旋式上升的规律。

局限不等于失败，是要搞清经典力学的适用X围，培养学生会用一分为二的观点看待世界。

在讲局限性之前我们还是先讲成绩，课堂让学生通过视频、图片等不断加深经典物理带来的成就感，让经典力学的魅力进一步感染学生的情怀，激发学生热爱科学、崇尚科学的价值热情。

但是，像其它一切科学一样，经典力学也有自己的局限性。

从19世纪末到20世纪初物理学天空的两朵乌云以及以及物体的速度无法加速到任意速度切入，观察实验，两支粉笔同步下落的运动，以地面为参考系遵守牛顿定律，但若以同步下落的人为参考系时，另一个球或粉笔的运动还遵守牛顿定律吗的疑惑，科学家们诚实地面对经典力学的窘境，但不畏艰难，努力寻找新的理论来完善。

第6节 经典力学的局限性[学习目标]：1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.2.认识经典力学的局限性和适用范围.3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象4.知道相对论、量子力学和经典力学的关系.[学习过程]：任务一：阅读课本P48的1-3段，说出经典力学的成就答案 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.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.任务二：阅读课本P48-50的“从低速到高速”内容，思考并小组讨论下面的问题：1.在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？2.在经典力学和狭义相对论中，位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别？答案 1.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增大而增大.2.在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的.[教师概括]1.低速与高速的概念(1)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皆为低速运动物体.(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，物体的质量不随运动状态的改变而改变.(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m ＝m 01－v 2c 2，其中m 0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.在高速运动时，质量的测量结果是与运动状态密切相关的.3.速度对物理规律的影响(1)经典力学认为位移和时间的测量结果都与参考系无关.相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中是不同的.(2)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.任务三：阅读课本P50的“从宏观到微观”内容，写出经典力学的适用范围是什么？答案适用于宏观世界、低速运动.[教师概括]1.在经典力学中，物体的粒子性和波动性是对立的、不相容的，而电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性同时还具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学来说明，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律.2.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：只适用于宏观世界，不适用于微观世界，只适用于低速运动，不适用于高速运动.任务四：阅读课本P50-51的“从弱引力到强引力”内容，思考并小组讨论下面的问题：1.经典力学与行星轨道的矛盾是什么？答案按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，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，如水星的运动.2.由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？答案经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场.3.归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异.答案牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：(1)行星的运动，在近日点和远日点，引力的变化规律不完全相同，导致轨道不闭合、近日点旋进.(2)牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大.爱因斯坦引力理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比“平方反比”规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的引力的差异并不很大，但当天体的半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，也就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用.4.经典力学和相对论及量子力学的关系如何？答案经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学.[教师概括]1.1915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.在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用.2.经典力学的适用范围(1)经典力学有它的适用范围：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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况.(2)对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论.当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.(3)对于微观世界，需要应用量子力学.当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.(4)对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论.当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大.任务五：完成下列练习，检测本堂课学习效果1、下列服从经典力学规律的是( ABD )A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.地壳的变动2、关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是( AD )A.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(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，也适用于高速运动(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3、一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v ＝6×106m/s.问电子的质量是增大了还是减小了？改变了百分之几？解析 根据爱因斯坦的狭义相对论得，运动后的质量增大了，且 m ＝m 01－v 2c 2＝m 01－6282≈1.000 2m 0 所以改变的百分比为m －m 0m 0×100%＝0.02%. 答案 增大了 0.02%[课堂总结]：经典力学的局限性⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ 从低速到高速：速度对质量的影响m ＝m 01－v c 2， 经典力学适用于低速运动从宏观到微观：微观粒子的运动适用量子力学，经典力 学适用于宏观物体从弱引力到强引力：强引力时应用爱因斯坦引力理论， 经典力学适用于弱引力。