经典力学与现代物理

经典力学与现代物理

物理2第6章

安徽合肥十中钟建和

本章概述这一章是在学生学习了宏观物体机械运动的规律、牛顿运动定律、机械功与机械能之后，使学生进一步了解经典力学的伟大成就与不足，通过对一些物理现象的分析与研究，使学生初步接触到现代物理的研究方法、思想和理论。

这一章是以肯定牛顿运动三定律是整个经典力学的基础、肯定了当时牛顿等科学家的思想方法的重大意义为背景，指出了经典力学存在着局限性，引出爱因斯坦的狭义相对论、普朗克的量子理论、光电效应及其规律和玻尔的原子结构模型。

这一章涉及到的教学内容较新，知识跨度较大，特别是相对论一节对学生的数学思维能力、空间想象能力要求较高，光电效应中光子、光电子、光电流、光子的能量、光的强度、极限频率等物理概念都很抽象，玻尔的原子结构模型的产生以及用它解释线状光谱的产生机理对学生的理解能力要求也很高。教学中应该充分考虑到学生的知识水平与思维能力，适当介绍一些科普知识、物理学史，适时地运用多媒体来辅助教学，使学生在欣赏着前人的研究方法与成果的同时，在充满着激情和追求气氛中学习这一章。

课时划分本章可划分为4课时

第一课时讲授6.1经典力学的巨大成就和局限性

第二课时讲授6.2狭义相对论的基本原理

第三课时讲授6.3爱因斯坦心目中的宇宙

第四课时讲授6.4微观世界与量子论

6.1经典力学的巨大成就和局限性

教学要求

1.通过对以牛顿为代表的经典力学的总结与回顾，体会前人的研究途径与方法，

认识到经典力学的巨大成就以及对人类的影响。

2.从认识论和方法论的角度介绍经典力学的局限性，培养学生的思想、方法。教学建议

1.怎样介绍《原理》的产生背景、内容，怎样对《原理》进行评价？教材中安排

了《原理》这部分内容目的是让学生了解在当时的社会背景、知识背景下，牛顿等科学家是怎样得到对整个物理学产生巨大影响的包括运动三定律的物理规律。教学中应该把重点放在让学生感受前人坚忍不拔的探索精神、科学严谨的思维方法和谦虚的态度，不要过多地介绍《原理》中的其它内容，对一些感兴趣的学生可以推荐其通过阅览室、互联网查阅更多的相关资料。

2.对经典力学的巨大成就的教学，不能变成知识的总结和规律的整理，应该把重

点放在让学生知道经典力学的重要地位、对人类产生的积极影响，他们的方法论对自然科学甚至社会科学都有重大的意义。

3.经典力学的局限性的教学，应该在充分肯定经典力学的重要地位的前提下，从

认识论的角度去引导学生，注意通过教学活动以达到培养学生科学的思想方法、正确的世界观。

4.本节的教学应该自始至终地渗透科学观点和思维方法的培养，激发学生发现问

题的兴趣，敢于向困难挑战的精神，能客观地科学地对自己的研究成果进行评价。

5.教学中可以结合牛顿、伽利略的杰出贡献，从他们超人的智慧、坚强的毅力的

角度适时、适当的介绍一点物理学史。

6.建议认真组织并评价课后作业3：撰写一篇题为“关于伽利略、牛顿的科学研

究方法对物理学发展的意义”的小论文，鼓励学生通过各种渠道获取相关的信息。

6.2狭义相对论的基本原理

教学要求

1.通过学生熟悉的物理事例让学生理解经典力学中的时空观（绝对时空观），使学

生首次对时空进行研究。

2.通过对追光问题的思考，结合伽利略性原理提出惯性系的概念，从对实际问题的

研究中发现并思考问题。

3.了解狭义相对论两个基本公设的产生基础，它与经典时空观的矛盾，知道爱因斯

坦就是在解决这一矛盾的过程中提出了狭义相对论。

教学建议

1.在介绍经典力学的绝对时空观时应该使学生明白这种时空观特点是时间和空间

是分离的、绝对的，与物质的运动形式无关，而得出这些观点的主要渠道是直觉和经验。在教学中应该注意到这种时空观已经被学生所接受，不能急着说这种观点不正确，相反可以肯定这些观点对于跑动、乘车甚至与乘坐高速运动的火箭的观察者来说，时间和空间都是同一的。

2.追光问题的思考在本节中的地位相当重要，教学中可以运用所学过的知识作简要

的分析和说明，可以组织学生讨论、设想、相互评价，没有必要涉及更深的理论，但应该使学生知道两种结论似乎都不能令人满意。这也就提出了问题，科学家是怎样寻求答案的。

3.伽利略相对性原理中首先提出了惯性系的概念，指出了惯性系中的力学规律都相

同，所有的惯性系都等价。在教学中应该处理好教材中给出的讨论题，可以让学生讨论出在三种情况下得到三种不同的结果，都与“光速不变”产生矛盾，而“光速不变”这一结论只能用“大量的事实证明”来直接告诉学生。

4.狭义相对论的两个基本公设的提出，是针对伽利略的相对性原理与光速不变这一

事实发生矛盾时，爱因斯坦在寻求二者的统一。在教学中应该把重点放在介绍爱因斯坦超人的智慧和独特的思维方式上，在要求上只能作为科普知识，没有必要作过多的要求。

5.狭义相对论的相关知识很多学生只是了解一点点，本节教学中可以让学生相互交

流、讨论，可以介绍一点有关狭义相对论的小故事，目的是激发学生的学习兴趣，但不能过多的理论。

6.3爱因斯坦心目中的宇宙

教学要求

1. 通过对同时的相对性实验的研究使学生进一步理解同时的相对性与光速不变原

理之间的关系，认识到时间不能绝对定义而与物体的运动速度有关，认识到经典的绝对时空观存在着缺陷。

2. 在光速不变的前提下，通过对不同参考系中的坐标变换，介绍爱因斯坦的相对的

时空观，使学生了解到时间和空间都与物质的运动有关。

3. 能根据爱因斯坦的时空观得到长度收缩效应和时间延缓效应这两个重要的结论，

使学生进一步认识到牛顿的经典时空观只是爱因斯坦相对论的时空观在低速情形下的近似。

4. 使学生了解物体的质量也与物体的速度有关，介绍并解释爱因斯坦的质能关系

E=mc 2，并说明在相对论中质量与能量之间是相互联系的。

5. 通过对具体问题的研究使学生认识到相对论思想的重要意义，同时也应该使学生

知道在物体的速度不太高的情况下，经典力学的规律仍然是解决实际问题的基本理论。

教学建议

1. 同时的相对性实验的研究是本节的重点内容，正是由于对这个实验的研究才否定

了同时的绝对性。在教材的处理上应该力求让学生感受到有必要对时间和空间进行研究，没有必要在对A 、B 两观察者的观察结果去作详细的计算，可以让学生去阅读、质疑、讨论。

2. 时空的相对性是具体研究时间和空间与物体的速度有怎样关系，因此是本节的重

点也是个难点，教学中对变换式子（1）、（2）和变换式子（3）、（4）只要说出它们建立的前提条件不同，不要对式子中的系数的物理意义过多地加以分析，可以直接告诉学生爱因斯坦从变换式子（3）、（4）导出关系22

1c v t v x x -'

+'=和2221c v x c v t t -'+

'= 这两个式子给出了时间和空间与速度之间的定量关系，同时要告诉学生当v 远小

于C时就近似式子（1）、（2）。

3.对两个效应的教学应该注意这几点：（1）只要给出结论不要推导过程，使学生知

道“动尺变短，动钟变慢”；（2）要多例举一些相关例子让学生感受相对论的两个奇特的效应；（3）应该说明在低速情形下时间和空间随物体速度的变化是很小很小的，但在高速（可以与光速比较）时就不能忽略了。

4.爱因斯坦的质量公式告诉人们物体的质量也是随物体的速度而变化的，这与经典

力学中“物体的质量不随物体的运动状态而改变”的观点不一致，应该告诉学生在低速时这种影响很小，可以让学生根据质量公式作个简单的分析，当物体的速度v≈c时，物体的质量达无穷大。

5.在进行质能关系E=mc2的教学时，不能以学生会用此关系式计算为目的，而是要

向学生灌输一种新的相对论的质能思想，了解到质量和能量之间存在着这种内在的联系。

6.做好本节的小结在教学中也十分的重要，可以按照从发现问题→研究问题→提出

假设→理论研究→实验验证的物理研究方法的顺序进行整理，应该再一次强调本节所得到的这些结论都是以狭义相对论的两个基本公设为基础的。

6.4微观世界与量子论

教学要求

1.初步认识量子物理学与经典物理学的区别，了解量子物理学对人类社会的进步产

生的影响。

2.了解光电效应的实验规律，从中感受光的粒子性，通过对实验的研究和分析使学

E=、极限频率、光电子和光电流的基本概念。

生了解光子、光子的能量νh

3.了解光谱、氢原子光谱，知道用玻尔的原子模型来解释原子的线状光谱，知道原

νh︱E m-E N︱决定。

子的能级以及原子跃迁时发射或吸收光子的频率由=

4.介绍光的波粒二象性和物质波，进一步开拓学生的视野，能够更全面地认识整个

物理学的发展、人类对整个自然的认识。

教学建议

1. 光电效应是人类认识到光具有粒子性的重要实验，也是量子物理学产生的实验基

础，在对这部分内容的教学时应该注意以下几点：（1）赫兹等科学家发现光电子是人们进一步研究光电效应的开始，在这里可以暗示学生光可能有能量；（2）实验探究——光电效应的实验规律是本节的重点，要使学生在实验探究过程中认识光电管、光电流，感受到光具有能量并且与其频率有关，理解极限频率、光的强度等概念。（3）在上面实验的基础上介绍爱因斯坦的光量子理论，让学生用E=νh 去感受不同频率的光所具有的能量不同。

2. 实验指导：（1）介绍光电管以及实验电路；（2）引导学生使用正确的探究方法（包

括如何改变条件、控制变量）；（3）提示观察目标：电流表示数的变化；（4）指导学生做好记录；（5）组织学生针对实验中的现象进行讨论。

3. 实验规律的分析论证实际上是在总结实验现象的同时介绍爱因斯坦的光量子理

论，教学中要注意现象与理论的对应关系，如：从紫光能产生光电效应而红光不能→提出极限频率→不同金属的极限频率不同；从光电效应产生的瞬时性→提出光量子→光子的能量νh E =；从照射光的强度增加光电流增大→光的强度越大代表单位时间内发射的光子数越多。

4. 玻尔原子模型的教学可以从下面几个环节进行：（1）从线状光谱的产生原因提出

问题；（2）简要介绍卢瑟福的原子核式结构，并说明它不能解释线状光谱的产生；

（3）介绍玻尔原子模型的能量量子化与轨道半径量子化、能级、跃迁规律，它很好地解释了线状光谱的产生，并经过了实验验证。

5. 在介绍实物粒子与波的时候应该注意总结光的波粒二象性，从德布罗意的物质波

长λ=p

h 进一步认识到物理学的奇妙与和谐，还应该告诉学生人类认识自然永无止境，物理学的明天会更加绚丽。