15[1].4_广义相对论简介_学案(新人教版选修3-4)2
人教版 高中物理选修3-4 15.4广义相对论简介课件(18张ppt)
二、广义相对论的几个结论
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。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？
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。
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。
时间间隔与引力场有关
各 类 星 体 对 比
15.4 广义相对论简介
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。
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁 波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的 研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论 的出现．
一、广义相对性原理和等效原理
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”。
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。
最新人教版高中物理选修3-4教学案：第十五章 第3、4节 狭义相对论的其他结论 广义相对论简介含答案
第3、4节狭义相对论的其他结论__广义相对论简介一、狭义相对论的其他结论 1．相对论速度变换公式(1)公式：设高速行驶的火车的速度为v ，车上的人以速度u ′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么人相对地面的速度u 为u ＝u ′＋v1＋u ′v c2(2)结论：光速c 是宇宙速度的极限，且相对任何参考系，光速都是一样的。
2．相对论质量(1)经典力学：物体的质量是不变的，一定的力作用在物体上产生一定的加速度，足够长时间后物体可以达到任意的速度。
(2)相对论：物体的质量随物体速度的增大而增大。
物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量m 0之间的关系是：m ＝m 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2，因为总有v ＜c ，可知运动物体的质量m 总要大于它静止时的质量m 0。
3．质能方程E ＝mc 2。
二、广义相对论简介 1．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.光速是宇宙速度的极限，相对任何参考系光速都是一样的。
2．物体的质量随物体速度的增大而增大，质能方程：E ＝mc 2。
3．广义相对论的基本原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的；一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
4．广义相对论的结论：光线在引力场中偏转；引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现偏差。
(1)引力问题：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。
(2)非惯性系问题：狭义相对论只适用于惯性参考系。
它们是促成广义相对论的前提。
2．广义相对性原理和等效原理(1)广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。
(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
3．广义相对论的几个结论 (1)光线经过强引力场发生弯曲。
(2)引力红移：引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现了差别。
而使矮星表面原子发光频率偏低。
1．自主思考——判一判(1)只有运动物体才具有能量，静止物体没有质能。
15.4《广义相对论简介》PPT课件(新人教版-选修3-4)
阅读思考题
1、狭义相对论遇到哪两个无法解决的 问题？
2、广义相对论的两个基本原理是什么？ 与狭义相对论的两个假设有什么不
同？ 3、根据广义相对论的两个基本原理可
以导出那些重要结论？
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
万有引力定律无法纳人狭义相对 论的理论框架； 2、非惯性系问题
广义相对论简介
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
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．
无
法
黑
星体
观
洞
测
时间间隔与引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程 出现差别．
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．
杆的长度与引力场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生了“弯曲”：
对于时空观的认识
狭义相对论
广义相对论
时空性质和物 质的运动有关
时 空 观
物质本身的存在决 定时空的性质
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，，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．
时间间隔与引力场有关
惯性质量和引力质量
引力和惯性力都可 以使物体加速下落
最新人教版选修3-4高中物理15.2狭义相对论的其他结论 广义相对论简介教学设计
课时152 狭义相对论的其他结论广义相对论简介1知道相对论速度变换公式。
2知道相对论质能关系。
3初步了解广义相对论的几个主要观点及主要观测证据。
4关注宇宙研究的新进展。
重点难点相对论速度变换公式与质能方程。
教建议在狭义相对论的两个基本假设基础上,光速极限条件下,经典的伽利略速度叠加法则不再适用,在此条件下介绍相对论速度变换公式。
另一重要内容是爱因斯坦质能方程,它揭示了质量与能量的相互联系。
对于广义相对论,要有所了解,体会人类对自然的认识在不断扩展。
导入新课时间和长度对于不同速度的参考系,将有不同的测量结果,那么,速度、质量和能量将会有什么情况呢?狭义相对论是惯性参考系之间的理论,爱因斯坦把相对性原理推广到非惯性系在内的任意参考系,提出了广义相对论。
1狭义相对论的其他结论(1)相对论速度变换公式设高速火车的速度为v,车上的人以速度'沿着火车前进的方向相对火车运动,光在真空中的速度为c,则此人相对地面的速度为=①。
(2)相对论质量物体以速度v运动时的质量为,和它静止时的质量0之间有如下关系=②,根据此式可知,微观粒子的运动速度很高时,它的质量明显大于静止时的质量,这个现象必须考虑,也就是说物体的质量与物体的③速度有关,并不是恒定不变的。
(3)质能方程物体具有的能量与物体的④质量有关,其表达式为E=⑤c2。
2广义相对论简介(1)广义相对性原理在狭义相对论中,不同惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,爱因斯坦在狭义相对论的基础上,把相对性原理推广到包括非惯性参考系在内的任意参考系,在⑥任何参考系中,物理规律都是相同的,这就是广义相对性原理。
(2)等效原理我们无法判断,在一个封闭的电梯内,物体加速运动是由引力引起的还是参考系相对于物体运动造成的,一个均匀的引力场与一个做⑦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①根据等效原理,物质的引力使光线⑧弯曲。
②广义相对论告诉我们,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别,在强引力场附近,时间进程会变⑨慢(填“快”或“慢”)。
2021年高二物理经典解析学案：15.4广义相对论简介(人教版选修3-4)
班级__＿＿____姓名＿_＿_____层次_＿______15.4 广义相对论简介编写人：曹树春审核：高二物理组寄语:梦想决定现实.但，当梦想只是梦想，现实就是另一种现实！学习目标：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.学习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.知识回顾一、狭义相对论的两点假设:1、狭义相对性原理在不同的参考系，一切都是相同的2、光速不变原理真空中的在不同的惯性参考系中是的,光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
引入新课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。
Ｂ级一、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、引力问题定律无法纳入狭义相对论的理论框架;2、非惯性系问题，只适用于惯性系,为什么惯性系具有这样的地位？无法解释Ｂ级二、广义相对性原理和等效原理1、广义相对性原理：在参考系中，都是相同的。
2、等效原理：一个的引力场与一个做运动的参考系等价。
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。
Ｂ级三、广义相对论的几个结论1、物质的引力使光线发生。
20世纪初,人们观测到了太阳引力场引起的光线。
观测到了太阳后面的恒星。
１）、飞船外观察者看到这束光是直线传播的(水平向右）２）、如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线(虚线）３)、如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。
高中物理 15.4《广义相对论简介》课件 新人教版选修34
和惯以性加(速gu上ànx升ìn的g)系电梯为参
考系，我们可以认为乘坐电
梯的人除了受到重力(zhònglì)
的作用，还受到一个向下的
a
惯性力，重力(zhònglì)和惯性
力的合力使人感受到了超
重．
a
G ma
第九页，共24页。
非惯性(guànxìng)系 和惯性(guànxìng)系
21世纪，人类在空间站中长 期生活，为了克服(kèfú)失重带来 的不利影响，可以将空间站设计 成一个大转轮，绕轴自转，其上 各点都有一个指向转动轴的向心 加速度，因此，以空间站为参考 系，与它一起旋转的物体都受到 一个背离转动轴的惯性力，这就 是所谓的人造重力．
第二十一页，共24页。
杆的长度(chángdù)与引力 场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生(fāshēng)了“弯曲”：
第二十二页，共24页。
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(diǎn jī) 观看
对于(duìyú)时空观的认 识
狭义相对论
时空(shí kōnɡ)性 质和物质的运动 有关
时 空 观
惯性系平权
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．
第十九页，共24页。
时间(shíjiān)间隔与引力场 有关
各 类 星 体 对 比 (du ìbǐ)
宇宙中有一类(yī lèi)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．
系和惯性(guànxìng)
系
高中物理选修3-4导学案：15.4广义相对论简介2
选修3-4_15.4广义相对论简介狭义相对论狭义相对论是由爱因斯坦、洛仑兹和庞加莱等人创立的，应用在惯性参考系下的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。
按照狭义相对论，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
狭义相对论实验基础牛顿力学是狭义相对论(Special Relativity)在低速情况下的近似。
伽利略变换与电磁学理论的不自洽。
到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。
而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。
在这样的背景下，才有了狭义相对论的产生。
狭义相对论诞生19世纪末期物理学家开尔文爵士在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。
但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，迈克尔逊-莫雷实验结果和黑体辐射的紫外灾难。
”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。
早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。
人们利用经典力学的时空理论讨论电动力学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。
相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。
爱因斯坦意识到伽利略变换实际上是牛顿经典时空观的体现，如果承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实为基本原理，可以建立起一种新的时空观（相对论时空观）。
在这一时空观下，由相对性原理即可导出洛伦兹变换。
1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》，建立狭义相对论，成功描述了在亚光速领域宏观物体的运动。
高二物理 15.4_广义相对论简介_学案(新人教版选修3-4)
15.4 广义相对论简介学案教学目标1、了解广义相对论基本原理2、广义相对论主要结论3、介绍广义相对论的实验验证知识梳理教学重点：广义相对性原理和等效原理教学难点：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知识梳理1、广义相对性原理和等效原理广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价2、广义相对论的几个结论⑴物质的引力使光线弯曲①发生日全食时的观测结果，是对广义相对论的最早验证②一束光垂直于运动方向射入飞船，船外静止的观察者认为这束光是沿直线传播的。
而航天员以飞船为参考系观察到的现象则是：如果飞船做匀速直线运动，飞船上的观察者记录下的光的径迹是一条偏向船尾的直线如果飞船做匀加速直线运动，船上观察者记录下的光经过的轨迹为一条向下弯的曲线⑵引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别在强引力的星球附近，时间进程会变慢。
证实：体积小，质量大的矮星，天文观测到的引力红移现象当堂检测简答1、狭义相对论的局限性？答：（1）万有引力定律无法纳入狭义相对论的框架；（2）狭义相对论是惯性系之间的理论。
2、广义相对性原理是什么？答：在任何参考系中，物理规律都是相同的3、广义相对论有什么现实意义？答：广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥重要作用。
【阅读材料】前3节的内容是爱因斯坦狭义相对论的内容。
爱因斯坦在建立狭义相对论后遗留了两个问题没有回答。
第一，自然界中什么参考系才是惯性系，为什么惯性系在描述规律中居于特殊的地位。
第二，牛顿的引力理论不满足相对论的要求，怎么才能建立一个相对论性的引力理论。
从这两个基本问题出发，爱因斯坦又提出了两个基本原理，从而建立了广义相对论。
请同学们认真阅读一遍教科书上的“广义相对论点滴”一节。
在阅读时，一定会有看不懂的内容，没有关系，这些看不懂的内容也许会激发你继续学习的兴趣和动力。
有些同学可能会想，爱因斯坦的理论对于我们有什么现实的应用意义。
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15.4 广义相对论简介学案
★知识目标
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。
★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。
★知识梳理
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，无法纳入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
大爆炸宇宙学：多方分析表明，我们的宇宙是在约200亿年以前从一个尺度很小的状态发展演化而来的。
★随堂检测
1. 和问题难以用狭义相对论解决，催促了广义相对论的诞
生。
2．广义相对论认为，在任何参考系中，物理规律都是_____________。
3．等效原理的基本内容是一个均匀的_____________场与一个做__________________运动的参考系是等价的。
4．广义相对论告诉我们，____________的存在使得空间不同位置的____________出现差别，物质的____________使光线弯曲。
5．下列属于广义相对论结论的是
( )
A．尺缩效应
B．时间变慢
C．光线在引力场中弯曲
D．物体运动时的质量比静止时大大
6、简答：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解论的实验验证是什么？
7、查阅相关资料了解，宇宙发展演化的过程。
参考答案：1、引力问题，非惯性系问题
2、相同的
3、引力，匀加速
4、引力场，时间进程，引力
5、C
6、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。
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。
7、略。