高中物理 《广义相对论简介》教学设计 新人教版选修3-4

《广义相对论简介》教学设计

适用教材

人教版选修3-5第十五章第4节

教学目标

1．了解广义相对性原理和等效原理。

2．了解广义相对论的几个结论及主要观测证据。

3．通过本节学习，激发学生探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。

教学重点

广义相对性原理和等效原理。

教学难点

理解广义相对论的几个结论。

教学方法

在教师的引导下，共同分析、研究得出结论。

教学用具：

投影仪及投影片。

教学过程

（一）引入新课

师：1915年，继狭义相对论发表10年之后，爱因斯坦又发表了广义相对论。这节课我们来了解一下广义相对论的基本原理和几个结论。

（二）进行新课

1．超越狭义相对论的思考

师：请大家阅读教材，回答狭义相对论中无法解释的两个问题是什么？

学生阅读、思考。

生：第一个问题，狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递，没有办法把万有引力理论纳入狭义相对论的理论框架；第二个问题，狭义相对论只适用于惯性参考系，为什么狭义相对论只在惯性参考系适用而在非惯性系不适用？狭义相对论本身无法解释。

师：爱因斯坦认真思考了以上两个问题，又向前迈进了一大步，把相对性原理推广到包括非惯性系在内的任意参考系，提出了广义相对性原理。

2．广义相对性原理和等效原理

师：广义相对性原理的内容：“在任何参考系中，物理规律都是相同的”，也可以理解为：“物理学定律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立”。

师：在广义相对论中还有另一个基本原理这就是著名的等效原理。请大家阅读教材，看看什么是等效原理，它是如何提出来的。

学生阅读、思考。

师：（投影下图，做简要讲解。）

停泊在行星表面的飞船里，没有支撑的物体会做自由落体运动即匀加速运动，这是因为飞船处在行星表面空间的引力场中；如果飞船远离行星表面做匀加速运动，也会观察到没有支撑的物体的自由落体运即匀加速运动。我们不能根据飞船内的自由落体运动来判断飞船到底在加速运动，还是停在一个行星的表面。这说明一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是等效原理。

3．广义相对论的几个结论

师：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。请大家阅读教材，说明得到了哪些结论，这些结论的实验验证是什么？

学生阅读，思考。

生1：第一个结论，物质的引力使光线弯曲。20世纪初，人们观测到了太阳引力场引起的光线弯曲。观测到了太阳后面的恒星。

生2：第二个结论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。例如在强引力场的星球附近，时间进程会变慢。天文观测到了引力红移现象，验证了这一结论的成立。

师：（投影下图，引导学生分析上述结论。）

观察图15.4-2，如果飞船做匀速直线运动，在光向右传播的同时，因为飞船的速度保持不变，船上观察者记录下的光的径迹会是一条倾斜的直线。如果飞船做匀加速直线运动，在光向右传播的同时，飞船的速度在不断地增加，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条曲线。根据等效原理，航天员完全可以认为飞船没有加速运动，而是在船尾方向存在一个行星，它的引力场影响了飞船内的物理进程。因此我们可以认为：物质的引力使光线弯曲。

观察图15.4-3，图左下方是地球，中间是太阳，上端是太阳背后的恒星，如果按照光的直线传播，这颗恒星发的光不会传到地球上，因为太阳挡住了它。但这颗恒星发的光在经过太阳附近时由于它的引力而弯曲了，就能够到达地球表面，人们就会看到这颗行星，图中右上方的那颗行星就是我们看到的这颗行星的

位置，实际上是它的像。但由于平时太阳光的强度较大，人眼就无法清楚地看到这颗行星，只有在发生日全食的时候才能清楚地观察到它。

广义相对论还告诉我们，引力场的存在会使得空间不同位置的时间进程出现差别，在强引力场的星球附近，时间进程会变慢。矮星表面的引力很强，那里的时间进程慢，那里原子发射的光的频率会比地球上同种原子发射的光的频率低。因为在可见光范围内，红光频率是最低的。这种发射光的频率变低的现象就认为是红移。

（三）课堂总结

本节我们了解了爱因斯坦在对狭义相对论无法解释的两个问题进行思考的基础上，提出了广义相对性原理和等效原理，从而创立了广义相对论。我们还了解了广义相对论的两个结论：一是物质的引力使光线弯曲，二是引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。虽然这些原理既基本又简单，从中体会爱因斯坦带给我们启迪的新思想、新观念却显得非常重要。

课后作业

阅读课本内容和“科学漫步”，完成课本中本节“问题与练习”的题目。