高中物理课堂教学教案 年 月 日
课 题
15．4 广义相对论简介
新授课
1课时
教 学 目 标
知识与技能：
（1）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效原理
（2）广义相对论主要结论 物质的引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢
（3）介绍广义相对论的实验验证
过程与方法：
（1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程
情感态度和价值观：
（1）体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量
教学重点、难点
1、广义相对性原理和等效原理
2、广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢
教 学 方 法
阅读、讲解、小结
教 学 手 段
多媒体课件
教学活动
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
1、引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；
2、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理
引导学生在前述背景介绍下，思考怎样来解决这两个问题。爱因斯坦考虑要解决第二个问题，必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位，把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。
三、广义相对论几个结论以及相关实验验证
从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。
①光线经过强引力场中发生弯曲
介绍物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲的事实。如1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。
②引力红移
了解引力导致时空弯曲，按照相对性原理，空间效应与时间效应是互相影响的，在发生空间弯曲效应的同时，时间膨胀效应也发生了。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钟变慢。
③水星轨道近日点的进动
补充介绍牛顿的经典力学理论在描述行星运动时，其理论值与实际观测结果存在微小差异。由于场能空间分布的不均匀性，当水星运动到靠近太阳附近(近日点)时，场能影响较为显 著，这种影响使得水星运行的椭圆轨道非常缓慢地绕太阳旋转，这就是“水星近日点进动”现象。爱因斯坦用广义相对论计算近日点的进动速率与实际观测结果取得了很好的一致。行星轨道旋转之谜的成功破译，是广义相对论再一次取得的伟大胜利。
四、关于的宇宙大爆炸理论
简单介绍宇宙大爆炸理论，说明按照广义相对论，宇宙就是无所不包的最大的时空，而且它的弯曲情况和物质的分布应该符合爱因斯坦方程。
学 生 活 动
作 业
《创新课时练》P
板 书 设 计
15.4 广义相对论简介
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
1、引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；
2、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理
把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。
三、广义相对论几个结论以及相关实验验证
1、光线经过强引力场中发生弯曲
2、引力红移
3、水星轨道近日点的进动
四、关于的宇宙大爆炸理论
教 学 后 记
课件11张PPT。第四节
广义相对论简介
(1)超越狭义相对论的思考
介绍爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
第一个是引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；
第二个是非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。 （2）广义相对论等效原理 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线．半透明屏光源等效原理引力场与匀加速参考系等价 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下,光的轨迹也是一条抛物线。（3）广义相对论主要结论??通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳??由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．???1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实．广义相对论结论（1）——光线弯曲广义相对论结论（2）——透镜效应 ??星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应．星体星体无法观测黑洞??宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一．广义相对论结论（3）——引力场影响时间??引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别． 对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心． 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢． 圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢．各类星体对比??宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移．广义相对论结论（4）——引力红移??引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别． 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短． 圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短．广义相对论结论（5）——引力场影响长度引力势由高到低变化 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：狭义、广义相对论比较狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的 任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理
