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2019-2020年高中物理 《廣義相對論簡介》教學(xué)設(shè)計(jì) 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(xué)目標(biāo) 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(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生探索宇宙奧秘的興趣，形成初步的相對論時空觀。 教學(xué)重點(diǎn) 廣義相對性原理和等效原理。 教學(xué)難點(diǎn) 理解廣義相對論的幾個結(jié)論。 教學(xué)方法 在教師的引導(dǎo)下，共同分析、研究得出結(jié)論。 教學(xué)用具： 投影儀及投影片。 教學(xué)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本原理和幾個結(jié)論。 （二）進(jìn)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(xué)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(rèn)真思考了以上兩個問題，又向前邁進(jìn)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)律都是相同的”，也可以理解為：“物理學(xué)定律必須對于無論哪種方式運(yùn)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(xué)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(yùn)動即勻加速運(yùn)動，這是因?yàn)轱w船處在行星表面空間的引力場中；如果飛船遠(yuǎn)離行星表面做勻加速運(yùn)動，也會觀察到?jīng)]有支撐的物體的自由落體運(yùn)即勻加速運(yùn)動。我們不能根據(jù)飛船內(nèi)的自由落體運(yùn)動來判斷飛船到底在加速運(yùn)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(yùn)動的參考系等價，這就是等效原理。 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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是什么？ 學(xué)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(jì)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(jìn)程出現(xiàn)差別。例如在強(qiáng)引力場的星球附近，時間進(jìn)程會變慢。天文觀測到了引力紅移現(xiàn)象，驗(yàn)證了這一結(jié)論的成立。 師：（投影下圖，引導(dǎo)學(xué)生分析上述結(jié)論。） 觀察圖15.4-2，如果飛船做勻速直線運(yùn)動，在光向右傳播的同時，因?yàn)轱w船的速度保持不變，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(yùn)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(rèn)為飛船沒有加速運(yùn)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(jìn)程。因此我們可以認(rèn)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?yàn)樘枔踝×怂?。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(dá)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的位置，實(shí)際上是它的像。但由于平時太陽光的強(qiáng)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(jìn)程出現(xiàn)差別，在強(qiáng)引力場的星球附近，時間進(jìn)程會變慢。矮星表面的引力很強(qiáng)，那里的時間進(jìn)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?yàn)樵诳梢姽夥秶鷥?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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(xué)漫步”， 完成課本中本節(jié)“問題與練習(xí)”的題目。