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相对论简介复习高三物理教案一、教学目标1.了解狭义相对论和广义相对论的基本概念。
2.掌握狭义相对论的两个基本假设及其推导出的时间膨胀和长度收缩公式。
3.理解广义相对论的核心思想，即时空的弯曲。
4.能够运用相对论的知识解释一些实际现象。
二、教学重难点重点：狭义相对论的两个基本假设，时间膨胀和长度收缩公式，广义相对论的基本思想。
难点：相对论公式的推导，时空弯曲的理解。
三、教学过程1.导入同学们，大家好！我们今天来复习一下相对论的知识。
相对论是20世纪初由爱因斯坦提出的物理学理论，它改变了我们对时间和空间的认识。
那么，我们先来回顾一下狭义相对论的基本概念。
2.狭义相对论（1）狭义相对论的两个基本假设我们来看狭义相对论的两个基本假设。
第一个假设是相对性原理，即物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
第二个假设是光速不变原理，即在所有惯性参考系中，光速都是恒定的，与光源的运动无关。
（2）时间膨胀和长度收缩公式我们来推导一下时间膨胀和长度收缩公式。
根据狭义相对论，当一个物体以接近光速的速度运动时，它的运动时间会变慢，这就是时间膨胀。
同样，物体在运动过程中，它的长度也会发生收缩，这就是长度收缩。
假设有两个惯性参考系S和S'，S'相对于S以速度v运动。
在S 系中，有两个事件A和B，它们之间的时间间隔为Δt。
在S'系中，这两个事件之间的时间间隔为Δt'。
根据狭义相对论，我们可以推导出时间膨胀公式：Δt'=Δt/√(1v^2/c^2)其中，c为光速。
同理，我们可以推导出长度收缩公式：L'=L/√(1v^2/c^2)其中，L为物体在静止参考系中的长度，L'为物体在运动参考系中的长度。
3.广义相对论我们来看一下广义相对论。
广义相对论的核心思想是时空的弯曲。
爱因斯坦认为，时空的弯曲是由物质引起的，物质越密集，时空弯曲越明显。
（1）引力在广义相对论中，引力不再被视为一种力，而是由物质引起的时空弯曲。
6.3 广义相对论简介教学目标（一）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。
（二）过程与方法通过本节的学习，初步认识狭义相对论和广义相对论的基本原理。
[来源:学科网]（三）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。
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）进行新课一、广义相对论的基本原理1．超越狭义相对论的思考师：请大家阅读130页有关内容，说一说狭义相对论中无法解释的几个问题是什么？学生阅读、思考。
生：狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递；狭义相对论是惯性参考系之间的理论。
为什么惯性参考系有这样特殊的地位？狭义相对论无法解释。
师：爱因斯坦认真思考了以上问题，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：在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理。
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。
）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。
二、广义相对论的时空结构广义相对论（），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而。
人教版选修3《广义相对论简介》说课稿一、教材和教学目标本节课以人教版选修3中的《广义相对论简介》作为教学内容，旨在使学生初步了解广义相对论的基本概念和主要内容，认识到相对论在现代物理学中的重要性，培养学生的科学思维和物理学观点，并发展他们的逻辑思维和科学素养。
具体的教学目标如下： 1. 知识目标：理解广义相对论的核心概念、基本原理；了解引力的本质和时空弯曲的概念。
2. 能力目标：培养学生分析问题、归纳总结的能力；提高学生的逻辑思维和科学表达能力。
3. 情感目标：培养学生对科学探究的兴趣，增强学生对科学的敬畏之情。
二、教学重难点本节课的教学重点是让学生理解广义相对论的核心概念和基本原理，并能够运用所学知识解释引力的本质和时空的弯曲。
教学难点在于引导学生从传统牛顿力学的观念转变到相对论的框架下思考问题，同时培养学生的逻辑思维和科学表达能力。
三、教学内容及教学步骤1. 引入•利用黑洞的概念引起学生的兴趣和好奇心，让学生提出他们对黑洞的认识和想法。
•利用引人入胜的科学实验视频或图片，展示黑洞的强大引力和奇特现象。
2. 概念解释•介绍牛顿力学和相对论的不同，引出相对论中时空的概念和引力的本质。
•解释时空的弯曲是由于质量和能量使时空产生弯曲，引力是物体沿着弯曲时空的运动轨迹。
3. 相对论的基本原理•介绍相对论的两个基本原理：等效原理和等时原理。
•解释等效原理：任何实验室内的物理学定律，在自由下落的加速参考系中同样成立。
•解释等时原理：在引力场中，钟走得较慢，时间呈现出流逝的效应。
4. 情景模拟•利用生动的场景和实例，模拟时空弯曲的效应，如引力透镜、双星系统等。
•引导学生从实例中理解时空弯曲对物体运动的影响。
5. 总结与拓展•让学生总结所学的核心概念和基本原理，理解广义相对论的重要性和影响。
•引导学生思考广义相对论在日常生活和科学研究中的应用，如GPS导航系统的原理等。
四、教学评价方式为了评价学生对广义相对论的理解和应用能力，可以采用以下评价方式： 1. 课堂参与：评价学生在课堂上的积极性、主动性和思维深度。
课时15.2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.关注宇宙学研究的新进展。
重点难点:相对论速度变换公式与质能方程。
教学建议: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u'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u=①。
(2)相对论质量物体以速度v运动时的质量为m,和它静止时的质量m0之间有如下关系:m=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=⑤mc2。
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。
广义相对论简介教学目标一、知识目标1、理解惯性力的概念，会在非惯性系中用惯性力解决问题．2、理解惯性质量和引力质量不可区分．3、知道广义相对性原理和等效原理．4、知道光线在引力场中的弯曲及其验证．5、知道时间间隔和杆的长度都和引力场有关，知道它们在天文观测中的验证．6、了解欧几里得几何学是有局限性的．二、能力目标培养学生严密的逻辑思维习惯，开阔学生视野，激发学生进一步学习的愿望．三、情感目标通过对本节知识的分析，培养学生的逻辑思维能力．教学建议1、通过相关的力学习题让学生在非惯性系中理解题目，为广义相对论的学习做好准备．2、练习四中的第（3）题并不难，但要注意证明过程中引力质量和惯性质量相等这一判断所起的作用．3、广义相对论很难理解，学生能有初步认识就可以勒，不必追求正确的理解和严格的逻辑关系．这点和前面几节不同．扩展资料惯性质量和引力质量使物体改变运动状态，需要力的作用．在相同的力作用下，质量越大的物体的加速度越小．这表明了质量是表示物体所具有的阻碍运动状态改变的一种属性，质量越大，物体越不容易改变其运动状态，所以质量是物体惯性大小的量度．物体的这一性质跟物体是否受有重力作用完全无关（譬如放在水平的气垫导轨上的滑块，或物体在完全失重的情况下）．因此，牛顿第二定律的公式中所出现的质量m，叫做惯性质量．根据万有引力定律可知，物体受到的地球引力的大小和物体的质量成正比．为了使物体不致由于受到地球引力而掉向地面，可将物体用绳子悬挂起来（或用支持物支承住）．这样，绳子（或支持物）就发生形变，物体的质量越大，就需要绳子（或支持物）发生更大程度的形变才能产生足够大的弹力来跟物体所受到的地球引力相平衡．因此，在这里质量的概念反映了物体所包含的物质的多少．质量越大，物体所含的物质越多，受到的地球引力就越大．因此，万有引力定律公式中所出现的物体质量，叫做引力质量．惯性质量和引力质量从不同的侧面描述了物质的属性，它们之间存在着怎样的关系呢？设有A、B两个物体，它们的惯性质量分别为，引力质量分别为．把A、B这两个物体放在地球（质量为M，半径为R）上的同一地点，则它们所受到的地球引力分别为：若将以上两式相比，则得：（1）这表明了A、B物体所受重力的比等于它们的引力质量的比．如果使A、B物体在重力的作用下自由下落，则根据牛顿第二定律可知，．由于在同一地点，重力加速度都相等，即．于是：（2）这表明了在地球上同一地点，物体的重量的比等于它们的惯性质量的比．比较（1）式和（2）式，可见物体的惯性质量m和引力质量是一致的．对单摆的振动加以讨论，也可以得出惯性质量和引力质量等效的结论．单摆振动在偏角很小的情况下，可看做是简谐振动．对于简谐振动来说，它的周期；式中m是振动系统的惯性质量，k是决定于振动系统的一个常数．在单摆这一振动系统中，，式中是摆球的引力质量．代入周期公式，得单摆振动的周期公式从实验证明，在摆角很小时，单摆的振动周期跟摆长l的平方根成正比，跟所在地点的重力加速度g的平方根成反比，而与物体质量无关，即．这只有在认为的情况下才是可能的．因此物体的惯性质量和引力质量是等效的．因此，在中学物理教学中，不必区分惯性质量和引力质量．黑洞半径究竟多大？第十六届全国中学生物理竞赛第七题是一个关于黑洞的题：1997年8月26日在日本举行的国际学术大会上，德国Max planck学会的一个研究组宣布了他们的研究成果：银河系的中心可能存在一个大黑洞．他们的根据是用口径为3.5m的天文望远镜对猎户座中位于银河系中心附近的星体进行近六年的观测所得到的数据．他们发现，距离银河系中心约60亿千米的星体正以2000km/s的速度绕银河系中心旋转．根据上面的数据，试在经典力学范围内（见提示2），通过计算确认，如果银河系中心确实存在黑洞的话，其最大半径是多少？（引力常数）提示：1、黑洞是一种密度极大的天体，其表面的引力是如此之强，以致包括光在内的所有物质都逃脱不了其引力的作用．2、计算中可以采用拉普拉斯黑洞模型，在这种模型中，在黑洞表面上的所有物质，即使初速度等于光速也逃脱不了其引力的作用．这个题通常有下列两种解法：解法一设黑洞质量为M、半径为R．再设黑洞表面有一个质量为，初速度为的物体，它恰好能逃脱黑洞的引力飞到无穷远处．如果取无穷远处的势能为零，则根据机械能守恒有（1）根据提示2可知，该物体的初速度只有大于光速，才有可能逃脱黑洞引力，故（2）由（1）和（2）可得：（3）设绕银河系中心旋转的星体的质量为、速度为、轨道半径为r，根据万有引力定律和牛顿第二定律有：（4）由（3）和（4）可得：（5）将代人（5）可得km，即黑洞的最大半径为km．解法二设光子质量为m，当它绕黑洞作半径为R的匀速圆周运动时，有：（6）由（4）和（6）可得：km。
由于绕同一引力源作圆周运动的物体，其速度越大，轨道半径越小，所以，具有最大速度的光子的轨道半径R就是绕黑洞旋转的星体的最小轨道半径，也就是黑洞的最大半径．以上两种解法都有道理且结果的数量级一样，但解法一的结果是后一种的2倍，两个结果相差较大．那么，两种解法孰是孰非？黑洞半径究竟多大？解法二是不严格的．因为提示1只告诉我们，包括光也逃脱不了黑洞引力，所以我们不能就此得出光子一定会绕黑洞作圆周运动的结论．由于光速是最大速度，因而一旦我们假设光子绕黑洞作圆周运动，算出的黑洞半径将大大减小．解法一严格根据提示2进行推导，故结果相对合理些．综上所述，如果银河系中心存在黑洞，在经典力学范围内估算，其最大半径应是km．黑洞的发射把广义相对论与量子论结合起来，已经得到了一些富有启发性的结果．其中最重要的就是发现了黑洞的量子发射．问题要从1970年谈起．当时证明了一条定理：在演化过程中黑洞视界的表面积只能增大而不能减小．外来物质或辐射掉进黑洞时，黑洞视界表面积就增大．当两个黑洞因碰撞而合成一个黑洞时，最终的黑洞视界表面积比原来的两个大．物质不可能从黑洞中出来，一个黑洞也不可能分裂成两个黑洞．所以，黑洞视界面积只能增大．这叫做面积不减定理．面积的不减性使人们联想到热力学中的熵．熵这个物理量也具有不减性．一个孤立体系的熵总是随着时间而增大（或者不变）的，决不会减少．后来，进一步发现黑洞面积与热力学熵的对比不仅是形式上的，而是实质性的．面积就是黑洞的熵．同时，我们也可以定义黑洞的温度．这个温度也应与热力学中的温度具有相同的含义．例如，温度相同的物体应当达到热平衡等等．我们知道热平衡是一种动态平衡．两个相同温度的物体A和B在达到平衡时，二者是有能量交换的．但是，单位时间从A传到B的能量，等于从B传到A的能量，所以总的效果应是AB的温度都不变化．如果一定温度的黑洞也能与同样温度的其它物体达到热平衡，那也就必须有单位时间内从物体传给黑洞的热量，等于单位时间从黑洞传给物体的热量．然而，广义相对论说不可能有任何物质从黑洞内部出来．这样，就与上述论断相矛盾了．1974年霍金解决了这个矛盾．最关键之点就是考虑了量子论的作用．按照量子论的观点，真空并不是简单意义下的“空”，它具有丰富的物理内容．整个物理空间中都充满着“虚粒子”．这种虚粒子的作用，可以通过它们的物理效应加以证实．在通常的情况下虚粒子不断地产生，也不断地湮灭．所以真空中永远不会自动产生粒子．但当引力场存在特别是当有黑洞时，情况不同了．这时，如果真空中产生了一对虚的电子和正电子，其中有一个掉到黑洞中，它永远不可能再出来，于是剩下另一个就失去了伴儿，再也无法湮灭．这个孤独的粒子或者不久也掉进黑洞中，或者能逃到无限远处．其总效果看起来就如同黑洞在发射一样．这是黑洞强场引起的真空发射，发射的结果是使黑洞的质量变小．而且，黑洞的发射，完全是一种热发射，即各种辐射谱都是所谓黑体谱．质量大的黑洞温度低，质量小的黑洞温度高．当黑洞在发射时，它的质量越来越小，它的温度反而越来越高，即辐射强度越来越大．到了最后阶段，就有一次猛烈的爆发．近年来，观测到不少γ射线爆发现象．即在天空某些方向上突然出现很强的γ射线流．有人猜测，这也许就是某种小黑洞的爆发．奇点回顾从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦的科学发展进程，可以体会到，任何物理理论都有自己的成功和失败的地方,或者有效和无效的范围．解决老问题和提出新问题，往往是一个理论的两个方面．牛顿解决了许多亚里士多德没有解决的问题，但也留下了自己的困难．爱因斯坦解决了牛顿理论中的许多困难，但也带来了新的问题．爱因斯坦广义相对论中最大问题之一是奇点．在黑洞解中有奇点，在宇宙学中也有奇点．引力坍缩的最终结局是奇点；大爆炸的起始点，也是一个奇点．奇点具有一系列奇异的性质，无限大的物质密度，无限大的压力，无限弯曲的时空等等．此外，在奇点处，一切形式的因果关系都消失了，奇点使我人既不能谈过去，也不能预言未来．有一段时间里，物理学家相信，奇点也许只是数学形式上带来的东西，实际上是可以避免的．如果不用完全对称的几何结构，也许就没有奇点．但是七十年代以来，霍金和潘罗西证明，在广义相对论中，奇点是一个普遍的不可避免的东西．当把广义相对论应用到宇宙学时，必然会出现奇点，就象牛顿力学在宇宙学中不可避免地要碰到某种无限大一样．牛顿体系中某些不合理的无限大，说明了牛顿理论在一定条件下就不再适用，广义相对论中奇点的不可避免，可能也是广义相对论局限性的一种表现．爱因斯坦本人也是这样来看这些奇点的意义的．他说：“人们不可假定这些方程对于很高的场密度和物质密度仍然是有效的，也不可下结论说膨胀的起始就必定意味着数学上的奇点．总之，我们必须明白，这些方程不可扩展到这样的的一些区域中去．”因此，我们必须去寻求可以扩展到这样的区域中去的理论．在爱因斯坦之后，人们主要从两方面发展爱因斯坦的理论，一是把广义相对论和量子论结合起来，一是把广义相对论与其它的基本相互作用统一起来．相对论相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论．它是现代物理学的理论基础之一．相对论是本世纪初由爱因斯坦等在总结实验事实（如迈克耳孙—莫雷实验）的基础上所建立和发展．在这以前，人们根据经典时空观（集中表现为伽利略变换）解释光的传播等问题时，导致一系列尖锐的矛盾．相对论针对这些问题，建立了物理学中新的时空现和高速物体的运动规律，对以后物理学的发展有重大作用．相对论分为狭义相对论和广义相对论两大部分．1905年建立的狭义相对论的基本原理：(1)在任何惯性参考系中，自然规律都相同，称为相对性原理．(2)在任何惯性系中，真空光速都相同，即光速不变原理．由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应该满足洛伦兹变换，而不是满足伽利略变换．并由此推出许多重要结论，例如：①两事件发生的先后或是否“同时”，在不同参照系看来是不同的（但因果律仍然成立）．②量度物体的长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短．与此相似，量度时间进程时，将看到运动的时钟要比静止的时钟进行得慢．③物体质量随速度的增加而增大，其关系为为静止时的质量，称为静止质量．④任何物体的速度不能超过光速．⑤物体的质量与能量之间满足质能关系式．以上结论与目前的实验事实符合，但只有在高速运动时，效应才显著．在通常的情况下，相对论效应极其微小，因此经典力学可认为是相对论力学在低速情况下的近似．在1916年又建立了广义相对论，其基本原理：(1)广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式．(2)等价原理，即在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效．按照上述的原理，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（所谓时空弯曲）；并由此建立了引力场理论；而狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况．从广义相对论可以导出一些重要结论，如水星近日点的进动规律；光线在引力场中发生弯曲；较强的引力场中时钟较慢（或引力场中的光谱线向红端移动）等．这些结论和后来的观测结果基本上相符合．近年来，通过测量雷达波在太阳引力场中往返传播在时间上的延迟，以更高的精密度证实了广义相对论的结论．相对论，具有重要的历史意义，但许多问题仍有待研究．。
