2019-2020年高中物理 《廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 《廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修3-4 適用教材 人教版選修3-5第十五章第4節(jié) 教學(xué)目標(biāo) 1．了解廣義相對(duì)性原理和等效原理。 2．了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論及主要觀測(cè)證據(jù)。 3．通過(guò)本節(jié)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生探索宇宙奧秘的興趣，形成初步的相對(duì)論時(shí)空觀。 教學(xué)重點(diǎn) 廣義相對(duì)性原理和等效原理。 教學(xué)難點(diǎn) 理解廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論。 教學(xué)方法 在教師的引導(dǎo)下，共同分析、研究得出結(jié)論。 教學(xué)用具： 投影儀及投影片。 教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 師：1915年，繼狹義相對(duì)論發(fā)表10年之后，愛(ài)因斯坦又發(fā)表了廣義相對(duì)論。這節(jié)課我們來(lái)了解一下廣義相對(duì)論的基本原理和幾個(gè)結(jié)論。 （二）進(jìn)行新課 1．超越狹義相對(duì)論的思考 師：請(qǐng)大家閱讀教材，回答狹義相對(duì)論中無(wú)法解釋的兩個(gè)問(wèn)題是什么？ 學(xué)生閱讀、思考。 生：第一個(gè)問(wèn)題，狹義相對(duì)論無(wú)法解釋引力作用以什么速度傳遞，沒(méi)有辦法把萬(wàn)有引力理論納入狹義相對(duì)論的理論框架；第二個(gè)問(wèn)題，狹義相對(duì)論只適用于慣性參考系，為什么狹義相對(duì)論只在慣性參考系適用而在非慣性系不適用？狹義相對(duì)論本身無(wú)法解釋。 師：愛(ài)因斯坦認(rèn)真思考了以上兩個(gè)問(wèn)題，又向前邁進(jìn)了一大步，把相對(duì)性原理推廣到包括非慣性系在內(nèi)的任意參考系，提出了廣義相對(duì)性原理。 2．廣義相對(duì)性原理和等效原理 師：廣義相對(duì)性原理的內(nèi)容：“在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的”，也可以理解為：“物理學(xué)定律必須對(duì)于無(wú)論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參考系都成立”。 師：在廣義相對(duì)論中還有另一個(gè)基本原理這就是著名的等效原理。請(qǐng)大家閱讀教材，看看什么是等效原理，它是如何提出來(lái)的。 學(xué)生閱讀、思考。 師：（投影下圖，做簡(jiǎn)要講解。） 停泊在行星表面的飛船里，沒(méi)有支撐的物體會(huì)做自由落體運(yùn)動(dòng)即勻加速運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)轱w船處在行星表面空間的引力場(chǎng)中；如果飛船遠(yuǎn)離行星表面做勻加速運(yùn)動(dòng)，也會(huì)觀察到?jīng)]有支撐的物體的自由落體運(yùn)即勻加速運(yùn)動(dòng)。我們不能根據(jù)飛船內(nèi)的自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷飛船到底在加速運(yùn)動(dòng)，還是停在一個(gè)行星的表面。這說(shuō)明一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)，這就是等效原理。 3．廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論 師：從廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理出發(fā)，可以直接得到一些“意想不到”的結(jié)論。請(qǐng)大家閱讀教材，說(shuō)明得到了哪些結(jié)論，這些結(jié)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是什么？ 學(xué)生閱讀，思考。 生1：第一個(gè)結(jié)論，物質(zhì)的引力使光線彎曲。20世紀(jì)初，人們觀測(cè)到了太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線彎曲。觀測(cè)到了太陽(yáng)后面的恒星。 生2：第二個(gè)結(jié)論，引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別。例如在強(qiáng)引力場(chǎng)的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。天文觀測(cè)到了引力紅移現(xiàn)象，驗(yàn)證了這一結(jié)論的成立。 師：（投影下圖，引導(dǎo)學(xué)生分析上述結(jié)論。） 觀察圖15.4-2，如果飛船做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在光向右傳播的同時(shí)，因?yàn)轱w船的速度保持不變，船上觀察者記錄下的光的徑跡會(huì)是一條傾斜的直線。如果飛船做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在光向右傳播的同時(shí)，飛船的速度在不斷地增加，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條曲線。根據(jù)等效原理，航天員完全可以認(rèn)為飛船沒(méi)有加速運(yùn)動(dòng)，而是在船尾方向存在一個(gè)行星，它的引力場(chǎng)影響了飛船內(nèi)的物理進(jìn)程。因此我們可以認(rèn)為：物質(zhì)的引力使光線彎曲。 觀察圖15.4-3，圖左下方是地球，中間是太陽(yáng)，上端是太陽(yáng)背后的恒星，如果按照光的直線傳播，這顆恒星發(fā)的光不會(huì)傳到地球上，因?yàn)樘?yáng)擋住了它。但這顆恒星發(fā)的光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)由于它的引力而彎曲了，就能夠到達(dá)地球表面，人們就會(huì)看到這顆行星，圖中右上方的那顆行星就是我們看到的這顆行星的位置，實(shí)際上是它的像。但由于平時(shí)太陽(yáng)光的強(qiáng)度較大，人眼就無(wú)法清楚地看到這顆行星，只有在發(fā)生日全食的時(shí)候才能清楚地觀察到它。 廣義相對(duì)論還告訴我們，引力場(chǎng)的存在會(huì)使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別，在強(qiáng)引力場(chǎng)的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。矮星表面的引力很強(qiáng)，那里的時(shí)間進(jìn)程慢，那里原子發(fā)射的光的頻率會(huì)比地球上同種原子發(fā)射的光的頻率低。因?yàn)樵诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)，紅光頻率是最低的。這種發(fā)射光的頻率變低的現(xiàn)象就認(rèn)為是紅移。 （三）課堂總結(jié) 本節(jié)我們了解了愛(ài)因斯坦在對(duì)狹義相對(duì)論無(wú)法解釋的兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行思考的基礎(chǔ)上，提出了廣義相對(duì)性原理和等效原理，從而創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。我們還了解了廣義相對(duì)論的兩個(gè)結(jié)論：一是物質(zhì)的引力使光線彎曲，二是引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別。雖然這些原理既基本又簡(jiǎn)單，從中體會(huì)愛(ài)因斯坦帶給我們啟迪的新思想、新觀念卻顯得非常重要。 課后作業(yè) 閱讀課本內(nèi)容和“科學(xué)漫步”， 完成課本中本節(jié)“問(wèn)題與練習(xí)”的題目。