63 4 广义相对论初步探索宇宙 教案完美版.docx

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634广义相对论初步广义相对论初步探索宇宙探索宇宙教案完美版教案完美版第3节广义相对论初步第4节探索宇宙课标要求知识与技能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.3.关注宇宙学研究的新进展.过程与方法1.通过本节的学习，初步认识狭义相对论和广义相对论的基本原理.2.培养查阅资料、收集与整理信息、讨论与交流以及自主学习能力.3.体会科学观念的改变所带来的巨大推动力量情感态度与价值观通过本节内容的学习，激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观.课标解读1知道广义相对论的两个基本原理2了解广义相对论的时空结构和实验验证3了解宇宙的起源、演化和未来及人类对宇宙的不停息的探索4知道宇宙里有些什么教学地位第3节介绍了广义相对论的有关内容首先是广义相对论基本原理的提出，爱因斯坦由此将狭义相对性原理发展到了非惯性系中，提出了广义相对性原理；接着介绍爱因斯坦在考察“物质的引力质量与惯性质量相等”的物理实质的过程中提出的等效原理接下来得出了引力场的时空结构，揭示了时间、空间与物质的运动和分布的密切关系最后介绍了4个检验广义相对论的实验第4节介绍了宇宙演化理论，由哈勃发现的红移现象，到宇宙大爆炸理论，再到宇宙未来命运的预测；接着介绍宇宙中有些什么，最后讲述了人类对宇宙的永不停息的探索）新课导入建设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课标解读重点难点1.知道广义相对论的基本原理和时空结构.2.知道广义相对论的实验检验.3.了解人类对宇宙演化的认识和宇宙学的新进展1.广义相对性原理和等效原理（重点）2.理解广义相对论的几个结论（难点）知识1：

广义相对论初步1.基本知识

（1）广义相对论的基本原理广义相对性原理：

在任何参考系（包括非惯性参考系）中物理规律都是相同的等效原理：

匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分

（2）广义相对论的时空结构引力的存在对时间的影响：

在引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越甚引力的存在对空间的影响引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短，发生了弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显（3）广义相对论的实验检验广义相对论建立之后，爱因斯坦提出了三项实验检验：

水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移.20世纪60年代后，人们又提出了雷达回波延迟2思考判断

（1）提出狭义相对论后，没必要要提广义相对论（）

（2）广义相对论的结论只是猜想，没有科学依据（）3交流探究假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系，但是航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底，请分析这些物体运动的原因及由此得到的结论【提示】飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任何天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中，实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在一个行星的表面这个事实说明：

一个匀加速运动的非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的即匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分探究2：

探索宇宙1.基本知识

（1）宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度为无穷大，物质密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低大约经历了150亿年，形成了我们今天的宇宙

（2）宇宙里有什么太阳是一颗恒星，在太阳系中，除有八大行星外，还有卫星、彗星和流星体，由恒星组成的集团叫星系，现在已知存在的星系有1000亿个以上（3）永不停息的探索宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测著名的哈勃太空望远镜是目前最先进的空间望远镜2思考判断

（1）哈勃发现远处的星系正急速地远离我们而去（）

（2）宇宙起源于一个“奇点”（）（3）科学家还没有证据证明黑洞的存在（）3探究交流有限无边的静态宇宙模型中“有限”和“无边”是否相矛盾？

【提示】二者并不矛盾，它们是从静止与运动的发展趋势两个方面对同一事物的辩证认识探究3：

经典力学的相对性、狭义相对性和广义相对性原理【问题导思】1经典力学的相对性原理的内容是什么？

2狭义相对性原理的内容是什么？

3广义相对性原理的内容是什么？

4以上三个相对性原理的区别是什么？

1经典力学的相对性原理：

力学规律在任何惯性系中都是相同的2狭义相对性原理：

物理规律（力学、电磁学、光学等）对于所有惯性系都具有相同的形式3广义相对性原理：

在任何参考系（包括非惯性参考系）中物理规律都是相同的4力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说都遵从相同的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系，狭义相对性原理比力学相对性原理所指范围更大，内容更丰富而广义相对性原理做出了更大的推广，指出了在任何参考系中物理规律都是相同的，它的范围比狭义相对论更大，内容更加丰富特别提醒1广义相对论的等效性原理揭示了非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的2广义相对论的时空结构是客观世界的真实反映，牛顿的经典力学时空观和狭义相对论的时空观都是在特定情形下的一种近似例题：

在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光（）A经太阳时发生了衍射B可以穿透太阳及其他障碍物C在太阳引力场作用下发生了弯曲D经过太阳外的大气层时发生了折射【审题指导】依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲考虑【解析】根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲所以，可以在适当的时候（如日全食时）通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确，A、B、D均错【答案】C归纳总结应用广义相对论的原理解决时空变化问题的方法1应该首先分析研究的问题或物体做怎样的运动，是处于怎样的参考系中无论是匀加速运动的参考系，还是均匀的引力场中，其规律是相同的2然后根据“引力使时间变慢，空间变短”的理论分析其所在位置或运动情况会产生怎样的变化知识应用1（多选）黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为正确的是（）A内部也是漆黑一片，没有任何光B内部的光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出C内部应该是很亮的D如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去【解析】黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出，而不是内部没有光线由于引力的作用，其光线弯曲程度很大，不能射出，因此内部应该很亮当有一个小的星体经过黑洞时，由于黑洞质量很大，对小星体有很强大的万有引力，把小星体吸引进去因此正确选项是B、C、D.【答案】BCD探究2：

宇宙的起源和构成【问题导思】1宇宙起源于什么？

2宇宙是由什么组成的？

3恒星的演化过程怎样？

1宇宙的起源

（1）爱因斯坦用广义相对论引力场方程建立了有限无边的静态宇宙模型

（2）“大爆炸”宇宙模型宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度无穷大，密度无穷大，发生了大爆炸，空间急剧膨胀，温度不断降低大约经历了150亿年，形成了现在的宇宙（3）对于宇宙演化的认识大爆炸宇宙模型告诉我们，决定宇宙几何性质的两个因素膨胀率和密度，决定了宇宙的命运如果宇宙膨胀率很小，或者质量密度很高，宇宙将成为闭合的，宇宙现在的膨胀将停止并将转为收缩；如果宇宙膨胀率很大，质量密度小，宇宙将持续膨胀下去，未来的发展有两种可能：

一是开宇宙，二是闭宇宙2宇宙的组成与恒星的演化

（1）卫星绕着行星转动，行星绕着恒星转动，众多的恒星组成星系，而众多的星系组成宇宙

（2）恒星将要消亡时会突然爆发，亮度在23天内突然增加几万倍或者几百万倍形成新星，或者亮度突然增加几千万倍或几亿倍形成“超新星”，爆发后的残骸是中子星，少数可能形成黑洞黑洞是一个具有巨大引力的空间区域特别提醒1所有关于宇宙的理论学说都有待于去进一步验证，“大爆炸理论”只是其中相对比较成熟的一种2黑洞是恒星演化而成的有着巨大引力的空间区域，质量很大，所以产生的引力连光线都不能摆脱例题2关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是（）A宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始B宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在C宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止D宇宙起源的“奇点”温度无穷低，密度无穷大【审题指导】

（1）大爆炸宇宙模型给出了宇宙的起源和宇宙未来的演化方向

（2）大爆炸的发生是宇宙的起点【解析】根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无穷高，密度无穷大，认为该点拥有无穷的能量，但体积无穷小故D错宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能，一是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”故C错“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的起点又是空间的始点故A对，B错【答案】A知识应用2大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的上世纪末，对1A型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀，如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系，大致是下面哪个图象（）【解析】由题意知，宇宙半径R随时间t先匀速增大后加速膨胀，加速膨胀过程中R和时间平方成正比，半径随时间增大急剧增大，图象C符合【答案】C【备课资源】【备课资源】（教师用书独具教师用书独具）1919年5月29日，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西，利用日全食的机会对恒星进行观测，观测到恒星的位置与实际不符，证明了光线经过太阳附近的引力场时发生了弯曲，弯曲的角度与广义相对论计算的结果吻合1959年，科学家完成了第一个地面上的引力红移实验，发现氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低，1961年，科学家们观察到太阳光谱的钠谱线的引力红移与相对论计算的结果比较符合通过发现水星近日点的进动是每世纪5600.73，比牛顿力学理论计算值相比多了43.11，这个差别非常小，却成为天文学的一个难题，而广义相对论成功地预言水星近日点的进动还应有每世纪43.03的附加值，也被看作是广义相对论的一大实验验证1宇宙大爆炸被认为是什么的开始（）A只是空间B只是时间C时间和空间D都不是【解析】大爆炸之后，才有了时间和空间，时间和空间是不可分割的【答案】C2（多选）下列说法中正确的是（）A物质的引力使光线弯曲B光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用C在强引力的星球附近，时间进程会变慢D广义相对论可以解释引力红移现象【解析】根据广义相对论的几个结论可知，选项A、C、D正确，B错误【答案】ACD3简述广义相对论的相对性原理和等效原理【解析】

（1）广义相对论的相对性原理是在任何参考系中，物理规律都是相同的

（2）等效原理就是匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分【答案】见解析