高中物理 《广义相对论简介》教学设计 新人教版选修3-4
物理：15.4《广义相对论简介》课件(新人教版选修3-4)
三、广义相对论的几个结论
1、物质的引力使光线发生弯曲
飞船外观察者看到这束光是 直线传播的（水平向右） 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） 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。
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．
伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系都是相同的
爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的； 爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律都是相 同的，称为广义相对性原理。
逻 辑 形 式 逐 渐 简 约
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。
； / AG亚游集团
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之后，就将垫在门槛儿两边儿的斜坡铲掉了，随手将院门关上。此时，耿英已经将三人的所有衣物和这些年以来买的所有书籍 都仔细规整好了。见哥哥和弟弟将骡车和寿棺等都置办齐了，就吩咐他们去洗手擦脸喝水歇息一下，自己先将所有的香火、纸 钱、点心、水果等祭祀用品用一个大包袱包起来。然后，再用剪刀把所有的金纸和银纸都剪成三角形状，又搅了小半盆儿浆糊。 简单吃了点儿午饭后，兄妹三人就在平板车上将棺头彩绘贴好了，再由耿正满蘸墨汁，端端正正地在彩绘的右上竖行书小楷： 先考：居中竖行书大楷：耿得喜；左下竖行书小楷：归家。再书写一副挽联贴在棺头彩绘旁边的寿棺边框上，其上下联分别为： 高风传乡里，亮节昭后人；横批：风范长存。最后，兄妹三人又将剪成三角形状的金纸和银纸随意地贴在寿棺的其余表面上。 完成寿棺的外包装后，兄妹三人就将所有的金条和其余的封银全部码在寿棺的底部，并且将准备带回家的所有贵重物品也平摊 开了铺在金条和封银的上面，再在上面铺上几条厚薄不等的褥子。然后，再为那个闭眼沉睡的男模特儿套上寿衣，安放在褥子 上。耿正仔细看看模特儿的脸，说：“它的脸这样光鲜有些不妥，咱们还应该在这上面弄点什么才好！”耿英想一想，就去厨 房灶膛里刮了一些煤灰，铲来了放在剩余的浆糊里边，搅拌搅拌，在模特儿的面部胡乱地涂抹一番，再撒上一些杂七杂八的调 料粉末。闻一闻还嫌味道不够，再去厨房拿来一块儿闻着臭，吃着香的臭豆腐，也捏巴烂了涂抹在模特儿的面部、头顶和脖子 上。耿直捏着鼻子说：“够了，够了，再臭，咱们就没法儿坐车了！”耿正说：“没事儿，一会儿盖上棺盖就闻不到了！”说 着，耿正将一个可以盖住半个脸的大礼帽戴在模特儿的头上，耿英再用白布将模特儿整个儿给蒙上，周围又紧紧地挤满各种衣 物。三个人仔细检查一下没有什么遗漏了，就用几个大铁钉子将寿棺的盖子钉了起来。然后，兄妹三人又用白纱将骡车的车棚 也布置成了普通送灵车的样子。让兄妹三人非常高兴的是，这挂平板车的车架和车棚内部都相当宽敞。除了在后面的车架上可 以捆扎两袋草料之外，在车棚里边还可以将兄妹三人需要带回家去的所有行囊，以及那个大大的软皮箱、一个大大的礼品包， 还有另外的两个小包裹全都放上。在那个大大的礼品包里边，包着准备送给武昌镇上白娘娘一家人的礼品；在另外的两个小包 裹里边，一个里边包了给黄河边上的老爷爷和老奶奶准备的南方特色点心和糖果，另一个则包了给梁爷爷和梁奶奶上坟的祭品， 以及准备在过江前祭奠白幺爹的东西。而且在寿棺的旁边，还可以挤坐得下兄妹三人。那两条刚买的又粗又长的捅火棍，也分 别放到了铺在车内的一条厚褥子下面的两侧。晚上，李老乡如约
[精品课件]湖北省丹江口市高中物理 第十五章 相对论简介 15.4 广义相对论简介课件 新人教版选修3-4
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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
广义相对论广Fra bibliotek爱因义
斯坦 不同的惯性 相对 参考系中一
更进一步
任何参考系 （包括非惯性
相 对
性原 切物理规律
系）中物理规 性
理 都是相同的
律都是相同的 原
理
光 真空中的光 速 速在不同惯 恒 性参考系中 定 都是相等的
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（2）——透镜效应
种现象叫做引力透镜效应．
星体
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
广义相对论结论（3）——引力场影响时间
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．
源
透 宇宙飞船在做匀加速直
明 线运动，船上的观察者
屏 记录光的径迹是一条抛
a
物线．
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。
高中物理第十五章相对论简介4广义相对论简介学案新人教版选修3_4
4．广义相对论简介1．知道相对论速度叠加规律。
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以及主要观测证据。
4．关注宇宙学的新进展。
狭义相对论告诉我们，物体运动的极限速度都不可能越过真空中的光速。
在宏观低速运动的条件下，伽利略的速度叠加原理简单有效，但对高速运动的物体及微观高速粒子，速度的叠加原理与传统经典观念矛盾，必须要考虑相对论效应。
考虑相对论效应的情况下速度的叠加是怎样的呢？提示：相对论效应指的是“动尺变短”或“动钟变慢”等。
在高速运动的参考系中，速度的叠加必须考虑这个因素，低速宏观状态下遵守伽利略的速度叠加原理，高速的情况下任何运动的速度不能超过光速。
一、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式设车对地的速度为v，人对车的速度为u′，车上人相对于地面的速度为u，(1)经典的时空观：u＝u′＋v。
(2)相对论的速度变换公式为：_______________________________________________。
如果车上人运动方向与车运动方向相同，u′取____值，如果车上人运动方向与车运动方向相反，u′取____值。
(3)结论：光速c是宇宙万物速度的极限，且相对于任何参考系都是不变的。
注意：它只适用于沿同一直线运动物体速度的叠加。
2．相对论质量(1)经典力学：物体的质量是______的，一定的力作用在物体上，产生的加速度也是______的，足够长的时间以后物体就可以达到______速度。
(2)相对论情况下：物体的质量随其速度的增大而增大。
物体以速度v运动时的质量m 与静止时的质量m0的关系式为：____________________。
3．质能方程质能方程：________。
质能方程表达了物体的质量m和它所具有的能量E之间的关系。
思考：有人根据E＝mc2得出结论：质量可以转化为能量、能量可以转化为质量。
这种说法对吗？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)引力问题，万有引力理论无法纳入______________的框架。
第15章 相对论简介—人教版高中物理选修3-4教案
相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为 v ，车上的人以速度 u ＇沿着
火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度
u = u '+ v ．
1
+
u 'v c2
理解这个公式时请注意：
（1）如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则 u ＇取负值．
（2）如果 v u = u ＇+ v
爱因斯坦质能关系式： E = mc2 ．
理解这个公式请注意： （1）质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对 应．
（2）静止物体的能量为 E0 = m0c2 ，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有
静质能．
（3）对于一个以速率 v 运动的物体，其动能
对于粒子的速度为 0.8c ，电子的衰变方向与粒子运动方向相同．求电子相对于实验室参考系的速度．
长度没有变化．
3．时间间隔的相对性（钟慢效应）
某两个事件在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔不一样．
在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为 ，与事件发生者相对运动 的观察者测得两事件发生的时间间隔为 t ．
5 / 16
t = ．
1
−
v c
2
4．相对论的时空观
相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关．经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在
对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁．这两个事件是不同时发生的． 2．长度的相对性（尺缩效应）
长度的测量方法：同时测出杆的两端 M、N 的位置坐标．坐标之差就是测出的杆长．
如果与杆相对静止的人认为杆长为 l0 ．
人教版高中物理选修3-4课件 15 广义相对论简介课件5
课 时 作 业
新课标 ·物理
选修3-4
教 学 教 法 分 析 教 学 方 案 设 计 课 前 自 主 导 学
课 堂 互 动 探 究
1.光线在引力场中弯曲，以及引力红移现象都是在引力 场很强的情况下产生的效应． 2.光在同一种均匀介质中沿直线传播的现象在我们的日 常生活中仍然成立．
新课标 ·物理
选修3-4
4
教 学 教 法 分 析 教 学 方 案 设 计 课 前 自 主 导 学
广义相对论简介
课 堂 互 动 探 究 当 堂 双 基 达 标
教师用书独具演示
●课标要求 1.知道广义相对性原理和等效原理． 2.知道光线在引力场中的弯曲及其验证．
课 时 作 业
菜
单
新课标 ·物理
选修3-4
菜
单
新课标 ·物理
选修3-4
●教学流程设计
教 学 教 法 分 析 教 学 方 案 设 计 课 前 自 主 导 学 课 堂 互 动 探 究 当 堂 双 基 达 标
课 时 作 业
菜
单
新课标 ·物理
选修3-4
教 学 教 法 分 析 教 学 方 案 设 计 课 前 自 主 导 学
课 堂 互 动 探 究 当 堂 双 基 达 标
菜 单
课 堂 互 动 探 究 当 堂 双 基 达 标
课 时 作 业
新课标 ·物理
选修3-4
教 学 教 法 分 析 教 学 方 案 设 计 课 前 自 主 导 学
(3)广义相对论的几个结论 ①光线在 引力场 中偏转． ②引力场的存在使得空间不同位置的 时间进程 出现偏 差(引力红移)．
课 堂 互 动 探 究 当 堂 双 基 达 标
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 第十五章 相对论简介 4 广义相对论简介互动课堂学案 新人教版选修34
1 4．广义相对论简介互动课堂疏导引导一、广义相对论基本原理1915年，爱因斯坦提出了广义相对论的两个基本假设：第一个假设是等效原理.具体描述为：在物理学上，（在无限小的体积中均匀的）引力场等效于一个做匀加速运动的参考系，即引力场等效于无引力场中的加速运动.第二个假设是广义相对性原理，无论是惯性参考系还是非惯性参考系，对于描述物理现象来说都是平权的.二、狭义相对论与广义相对论相对论认为时间和长度测量和参考系（运动）有关，在不同的参考系中则有不同的实验现象和结果，因此学习本节知识时要灵活应用参考系坐标变换，故应要有时间转变的观念，不要错误地认为长度是不变的.综合狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力场描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代对于引力的传统看法.因此，狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例.狭义相对论是在没有引力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况.活学巧用1.以18 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表过1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了多少时间？思路解析：卫星上观测到的时间为Δt′=1 min，卫星运动的速率为v=8×103 m/s ，所以地面上观测到的时间为min )103108(11)(12832⨯⨯-=-'∆=∆c v t t =(1+3.6×10-10） min 答案：（1+3.6×10-10) min2.同样的杆，放在盘上的不同位置，它们随盘运动的速度是否一样？思路解析：根据狭义相对论，它们的长度也就不一样，越是靠近边缘，杆就越短.盘上的人也观察到了这种差别，不过他以圆盘为参考系，认为盘是静止的，同时他还认为盘上各点存在着指向圆盘边缘的引力，因此他得出结论：引力势越低的位置，杆的长度越短. 答案：不一样，越靠近边缘，速度越小。
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。
点击
(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
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《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。