人教版高中物理选修- 广义相对论简介-“十校联赛”一等奖

广义相对论教学设计
第一部分：广义相对论两个基本原理的引入及讲解
教师活动部分：
1.阐述广义相对论原理提出背景
前面已经对狭义相对论进行了简要的了解，但爱因斯坦对它并不满意。

他认为狭义相对论还存在两个问题。

首先在1922年爱因斯坦在京都大学访问期间的演讲中，讲到：“我对广义相对论的最初想法，出现在两年之后的1907年，思想是突然产生的，我对狭义相对论并不满意，因为它严格的限制在一个相互具有恒定速度的参照系中，它不适用于一个做任意运动的参照系，于是我努力把这一限制取消，这一理论能在更为一般的情况下讨论。

”教师把这个话翻译一下。

就是狭义相对论，只在惯性参考系下适用。

2展开叙述讲解广义相对论的两个基本原理
接下来过度：但爱因斯坦认为一切自然规律不应局限于惯性系。

在这个想法下，他提出了广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。

另一个问题是引力问题。

牛顿的万有引力理论是指两个物体相互作用的引力是一种超距的瞬时传递，也就是说不需要时间，传递的作用速度为无穷大。

这与狭义相对论依据的自然界中一切物体的运动，包括电磁相互作用不超过极限光速c的基本原理冲突。

为了解决这个问题，他回忆强调，在伯尔尼专利局办公室的椅子上爱因斯坦想到了另一个重要的原理。

下面我来介绍一下。

同学们假设你正在乘坐一个宇宙飞船。

飞船是全封闭的，你与外界没有任何联系。

你唯一能见到的东西就是你手中的小球。

然后你由静止释放这个小球，你发现这个小球在做自由落体运动。

这个现象有可能是什么原因造成的呢？
学生活动部分：小组合作讨论密闭宇宙飞船内小球做竖直向下的加速运动原因。

并派出代表发言。

学生讨论结果分析第一种可能就是这个宇宙飞船停留在某一个星球表面，比方说，在地球表面静止，由于地球表面的物体要受到地球的吸引，这个小球就做自由落体运动。

还有一种可能就是你和这个飞船在一起以一定的加速度匀加速向上行驶。

这样的话，以你和宇宙飞船为参考系，这个小球就会做竖直向下的加速运动。

这就使我们想到，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。

爱因斯坦把它作为广义相对论的第二个基本原理，这就是著名的等效原理。

第二部分：广义相对论的两个结论及验证
（一）物质的引力使光线弯曲
教师活动部分：
1.创设情境引导学生得出结论
从广义相对论的两个基本原理出发，可以直接得到一些意想不到的结论。

还是像刚才那样，假设你在一个宇宙飞船里，这个时候呢突然有一束光，沿着垂直于你运动的方向射入这个宇宙飞船中。

然后你想知道这个光线在飞船内部的运动轨迹，于是你开始在这个飞船里等距离的放一些能记录光线的半透明光屏。

光可以在这些光屏上留下光点儿轨迹。

如果这个宇宙飞船是在做竖直向上的匀加速。

以这个宇宙飞船为参考系，很显然这个光线就应该在做加速度为a的竖直向下的运动。

所以每一个点与光线的距离就应该随着时间的增大而逐渐增大，因为咱们知道等于1/2at方，所以我们把每个点连起来之后呢，会发现光线传播轨迹是一条曲线。

2.物质的引力使光线弯曲实例验证
通常物体的引力场都太弱了。

20世纪初，人们只能观测到太阳，而这种质量非常大的恒星，引起的太阳后边的一些恒星的光线弯曲。

要观察光线弯曲，首先在晚上肯定不行，因为要观察太阳引起的光线弯曲，晚上太阳没有了，所以自然就观察不了。

白天天空明亮的时候我们没法观测到恒星的光线，所以最佳的观测时机，就是发生日全食的时候。

1919年5月29日，恰好有一次日全食，两只英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观察，结果完全印证了爱因斯坦的预言，那这就是广义相对论的最早验证。

到目前为止，科学家对400多颗恒星做了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食，也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。

学生活动部分：小组合作讨论密闭宇宙飞船内小球做竖直向下的加速运动原因。

并派出代表发言。

（学生讨论结果分析）根据刚才所说的等效原理，其实在宇宙飞船中的你是不是也可认为这个飞船没动。

实际上这个飞船还是在一个星球的表面上，由于这个星球对光线有引力所以光线弯曲了。

我们得到结论，物质的引力使光线弯曲。

（二）引力越强的地方时间越慢
教师活动部分：科幻电影中现象的分析及引力红移现象讲解
其实引力不仅能导致光线弯曲，还可以使空间产生弯曲，按照相对性原理，时空时间效应与空
间效应是相互影响的，在发生空间弯曲的同时，时间膨胀效应也产生了。

换句话说，我们观察到引力场空间弯曲的同时，也将观测到引力场时间变慢。

引力越强的地方，时间越慢。

在2022年上映的备受好评电影《星际穿越》中有这样一个情节：主人公到达了黑洞附近的一个星球。

由于黑洞的引力很强，造成星球附近一小时对应地球上的七年。

于是逛一圈回来后几个宇航员发现都过了20多年。

如果我们去观测发自大质量恒星的光波，所接受到的光波频率要比它实际发出的光波频率低，在可见光范围内，红光频率是最低的，因此通常将由于引力作用是观测者接收到的光波，频率变低的现象称为引力红移。

例如太阳上原子发射的光的频率会比地球上同种原子发射的光要低，太阳表面的钟比地球上的钟走得慢，所以地球上的观测者将感到太阳辐射的光光谱线会发生红移。

第三部分：大爆炸宇宙学简介
教师活动：采用翻转课堂模式，学生讲授，教师引导。

学生活动：课前查阅资料并讨论，课堂上自主学习，交流分享资料。