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1、2022年高中物理 《廣義相對論簡介》教學設(shè)計 新人教版選修3-4 適用教材 人教版選修3-5第十五章第4節(jié) 教學目標 1．了解廣義相對性原理和等效原理。 2．了解廣義相對論的幾個結(jié)論及主要觀測證據(jù)。 3．通過本節(jié)學習，激發(fā)學生探索宇宙奧秘的興趣，形成初步的相對論時空觀。 教學重點 廣義相對性原理和等效原理。 教學難點 理解廣義相對論的幾個結(jié)論。 教學方法 在教師的引導下，共同分析、研究得出結(jié)論。 教學用具： 投影儀及投影片。 教學過程 （一）引入新課 師：1915年，繼狹義相對論發(fā)表10年之后，愛因斯坦又發(fā)表了廣義相對論。這節(jié)課我們來了解一下廣義相對論的基

2、本原理和幾個結(jié)論。 （二）進行新課 1．超越狹義相對論的思考 師：請大家閱讀教材，回答狹義相對論中無法解釋的兩個問題是什么？ 學生閱讀、思考。 生：第一個問題，狹義相對論無法解釋引力作用以什么速度傳遞，沒有辦法把萬有引力理論納入狹義相對論的理論框架；第二個問題，狹義相對論只適用于慣性參考系，為什么狹義相對論只在慣性參考系適用而在非慣性系不適用？狹義相對論本身無法解釋。 師：愛因斯坦認真思考了以上兩個問題，又向前邁進了一大步，把相對性原理推廣到包括非慣性系在內(nèi)的任意參考系，提出了廣義相對性原理。 2．廣義相對性原理和等效原理 師：廣義相對性原理的內(nèi)容：“在任何參考系中，物理規(guī)律都

3、是相同的”，也可以理解為：“物理學定律必須對于無論哪種方式運動著的參考系都成立”。 師：在廣義相對論中還有另一個基本原理這就是著名的等效原理。請大家閱讀教材，看看什么是等效原理，它是如何提出來的。 學生閱讀、思考。 師：（投影下圖，做簡要講解。） 停泊在行星表面的飛船里，沒有支撐的物體會做自由落體運動即勻加速運動，這是因為飛船處在行星表面空間的引力場中；如果飛船遠離行星表面做勻加速運動，也會觀察到?jīng)]有支撐的物體的自由落體運即勻加速運動。我們不能根據(jù)飛船內(nèi)的自由落體運動來判斷飛船到底在加速運動，還是停在一個行星的表面。這說明一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價，這就是等效原

4、理。 3．廣義相對論的幾個結(jié)論 師：從廣義相對論的兩個基本原理出發(fā)，可以直接得到一些“意想不到”的結(jié)論。請大家閱讀教材，說明得到了哪些結(jié)論，這些結(jié)論的實驗驗證是什么？ 學生閱讀，思考。 生1：第一個結(jié)論，物質(zhì)的引力使光線彎曲。20世紀初，人們觀測到了太陽引力場引起的光線彎曲。觀測到了太陽后面的恒星。 生2：第二個結(jié)論，引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別。例如在強引力場的星球附近，時間進程會變慢。天文觀測到了引力紅移現(xiàn)象，驗證了這一結(jié)論的成立。 師：（投影下圖，引導學生分析上述結(jié)論。） 觀察圖15.4-2，如果飛船做勻速直線運動，在光向右傳播的同時，因為飛船的速度保

5、持不變，船上觀察者記錄下的光的徑跡會是一條傾斜的直線。如果飛船做勻加速直線運動，在光向右傳播的同時，飛船的速度在不斷地增加，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條曲線。根據(jù)等效原理，航天員完全可以認為飛船沒有加速運動，而是在船尾方向存在一個行星，它的引力場影響了飛船內(nèi)的物理進程。因此我們可以認為：物質(zhì)的引力使光線彎曲。 觀察圖15.4-3，圖左下方是地球，中間是太陽，上端是太陽背后的恒星，如果按照光的直線傳播，這顆恒星發(fā)的光不會傳到地球上，因為太陽擋住了它。但這顆恒星發(fā)的光在經(jīng)過太陽附近時由于它的引力而彎曲了，就能夠到達地球表面，人們就會看到這顆行星，圖中右上方的那顆行星就是我們看到的這顆行星

6、的位置，實際上是它的像。但由于平時太陽光的強度較大，人眼就無法清楚地看到這顆行星，只有在發(fā)生日全食的時候才能清楚地觀察到它。 廣義相對論還告訴我們，引力場的存在會使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別，在強引力場的星球附近，時間進程會變慢。矮星表面的引力很強，那里的時間進程慢，那里原子發(fā)射的光的頻率會比地球上同種原子發(fā)射的光的頻率低。因為在可見光范圍內(nèi)，紅光頻率是最低的。這種發(fā)射光的頻率變低的現(xiàn)象就認為是紅移。 （三）課堂總結(jié) 本節(jié)我們了解了愛因斯坦在對狹義相對論無法解釋的兩個問題進行思考的基礎(chǔ)上，提出了廣義相對性原理和等效原理，從而創(chuàng)立了廣義相對論。我們還了解了廣義相對論的兩個結(jié)論：一是物質(zhì)的引力使光線彎曲，二是引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別。雖然這些原理既基本又簡單，從中體會愛因斯坦帶給我們啟迪的新思想、新觀念卻顯得非常重要。 課后作業(yè) 閱讀課本內(nèi)容和“科學漫步”， 完成課本中本節(jié)“問題與練習”的題目。