经典力学的巨大成就和局限性
(一)教学目标
1．知识与技能
(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。
2．过程与方法
(1)通过收集对经典力学建立作出重要贡献的物理学家的故事，把科学成果的发现过程展现为历史的过程，即科学家是如何在前人的基础上进行求索的，并将科学家的成果放在特定的历史背景下去评说，从而让学生认识到历史的发展有承接，科学的发展也一样。
(2)通过收集和交流具体实例来分析说明经典力学所取得的伟大成就，培养学生就某一观点或结论收集例证的能力，培养学生获取和评价信息的能力。
(3)通过对比亚里士多德、伽利略、牛顿所采用的科学研究方法，了解科学研究方法不断发展的过程，学习科学实验研究方法的思想。
(4)通过查阅文献或网络资料撰写小论文，更多地了解经典力学的成就、局限性与适用范围，培养学生查阅文献的能力，筛选和组织信息的能力、交流和表述信息的能力。
3．情感、态度与价值观
(1)通过查阅、对比、举例、交流等学习活动，培养学生自主学习的习惯和善于合作的意识；培养学生懂得尊重他人的成果、与他人合作交流的能力与习惯，锻炼学生在讨论与交流活动中敢于发表自己的感想和看法，共同探讨交流与合作学习的途径。
(2)使学生领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义，体会经典力学在人类认识自然以及物理学发展中的重要影响和作用。
(3)感受物理学家充满着艰巨性和创造性的科学探究过程，体会科学家们忘我的献身精神和刻意追求的严谨作风，从而让学生更好地把握科学探究的本质，帮助学生建立起像科学家从事科学探究那样来学习科学的意识，领悟科学探究的真谛。
(4)感受物理学所揭示的自然规律中蕴藏着和谐、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，唤起人的真、善、美的自然天性，达到认识和情感的完美统一。
(二)本节特点
(1)展示经典力学的发展历程、成就和局限性，体现历史与逻辑、继承与发展的统一．
(2)渗透科学精神、科学研究的思想和方法。
(3)突出学生的自主合作学习。
（三）教法与学法
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。
(四)教材说明与教学建议
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趣。
1．经典力学的发展历程
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。
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(可参见课程资源《阿基米德》)，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(可参见课程资源《三大守恒原理的确立》)．
(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。
2．经典力学的伟大成就
首先要引导学生从教材中提炼经典力学的伟大成就体现在哪些方面：
(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(参见课程资源《经典力学在科学史上的成就》)。
(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。
教材此处设置的“讨论与交流”栏目意在结合具体实例使学生体会经典力学的伟大成就，可以在学生收集资料和例证的基础上在课堂让学生讨论与交流，也可以分小组讨论交流，将小组成果制作成手抄报或其他作品在班内展示。
3．经典力学的局限性和适用范围
这部分内容可以结合本节“实践与拓展”第3题展开教学，组织学生在班内相互交流自己撰写的小论文．在认识经典力学的局限性和适用范围时建议了解19世纪末经典物理学与实验发现的矛盾，由理论与实验的矛盾去联系经典力学的局限性和适用范围，也是为第二、第三节的新物理学革命作铺垫(可参见课程资源《经典力学的局限性》)。
课后训练
1．根据经典物理学知识，人们对时间和空间的认识，下列说法正确的是（ ）
A．时间和空间是绝对的，与物质的存在和物质的运动都无关
B．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间也无联系
C．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系
D．时间和空间不能脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系
2．下列服从经典力学规律的是（ ）
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．能量的不连续现象
3．关于经典力学和相对论，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容
B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的
C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系
D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
4．经典力学不适用于下列哪些运动（ ）
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
5．关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是（ ）
A．宏观高速问题 B．微观低速问题
C．宏观低速问题 D．微观高速问题
6．19世纪和20世纪之交，经典物理已达到了完整、成熟的阶段，但“在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云”，人们发现了经典物理学也有无法解释的实验事实，“两朵乌云”是指（ ）
A．宏观问题 B．高速问题
C．微观问题 D．低速问题
7．________关于机械运动的研究，开创了将________、________相结合的方法，也就是________的方法。
8．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_____________________。
参考答案
1答案：AB 解析：经典时空观认为时间、空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，是绝对的时空观。故选项A、B正确。
2答案：AB 解析：经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象涉及量子论，不适合用经典力学来解释，所以选项D错误。
3答案：D 解析：人们对客观世界的认识，要受到所处时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。故选D。
4答案：D 解析：经典力学适用于宏观、低速运动的物体。这里所说的低速是相对光速而言的，由此判断经典力学适用于A、B、C而不适用于D。
5答案：C 解析：经典力学局限于运动速率远小于真空中光速（低速）的宏观物体，对高速运动的物体和微观粒子不适用，所以只有C项正确。
6答案：BC 解析：由伽利略和牛顿创立的经典力学及物理学的各个分支，在19世纪相继进入鼎盛时期，它的完美和威力使物理学家深信，天地四方，古往今来的一切现象都能够用经典力学来描述，但是当人们用来解释原子内部结构微观世界和接近光速的高速运动的物体时，发现与实际情况有很大的出入，这令许多物理学家感到困惑，成为“令人不安的乌云”。故选B、C。
7答案：伽利略 实验 逻辑（数学） 自然数学化
8答案：高速运动 微观 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
