《广义相对论初步》doc版

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3、储备，为本节内容的教学展开提供了有利条件。指导学生学习部分内容时，可以从伽利略的自由落体实验出发到广义相对论的产生，让学生初步了解人类认识引力的历程，接受科学价值观和科学方法的教育。在这部分内容中，与广义相对论相关的天文观测事实也为广义相对论的学习提供坚实辅垫，所以应引导学生多联系一些与广义相对论效应相关的事实，如时空弯曲、引力红移等。2、教学目标：让学生初步了解广义相对论原理和等效原理，初步了解引力场对时间间隔和长度的影响，初步了解与广义相对论相关的天文观测事实。3、重点：广义相对论的等效原理；难点：认识非惯性参考系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的。二、教学案例设计

4、教师：前面我们已经学习了狭义相对论的初步知识，了解了狭义相对论的一些效应，同学们有没有注意，在狭义相对论中，所研究的物体都作什么运动？学生：匀速直线运动。教师：对，狭义相对论并没有将变速运动、相互作用力（如引力）等纳入其框架内。狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和争论之中，这时爱因斯坦自己却在冷静地思考着狭义相对论无法解决的问题。现在我们就从匀速直线运动到变速运动入手，一起来领会广义相对论的神奇。第一个环节：引导学生认识在非惯性系中引入惯性力及在爱因斯坦理想电梯中引力作用消除的合理性，引发他们探究惯性力和引力之间关系的强烈兴趣。教师：假设在一条大船中，船处于静止或匀速直线

5、运动状态，我们在密闭的船舱中，不能通过任何方式与外界联系；请同学们思考一下，我们能不能通过一些力学实验如释放苹果或抛射物体等来判断船是静止还是匀速运动，或者判断船作匀速直线运动的速度大小？学生：不能，因为船是惯性参考系，我们不可能判断哪个惯性参考系是处于静止还是匀速运动。教师：对，因为静止的参考系和匀速运动的参考系是等价的。这个例子类似于伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中描述的一个情景，它说明你无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是停着不动。伽利略用此情景来说明“伽利略相对性原理”（与爱因斯坦的相对性原理不同），即对一切惯性参考系观测力学现象是等价的。

6、现在我们假设船作加速直线运动，我们在船中看到光滑水平面上的小球将作什么运动？学生：小球将作反方向的加速运动。教师：但小球在水平面上并没有受力啊，我们能用牛顿运动定律来分析解决这个问题吗？预测1：学生可能有以下回答：（1）我们可以假设小球在水平方向受到一个力F=ma；（2）小球在水平方向作用匀速在线运动（以地面为参考系）；（3）牛顿运动定律在此情景中不适用了；说明1：教师在此要让学生认识到（1）在不同参考系中观察到的物体运动状态是不同的；（2）惯性系与非惯性系的不同之处；（3）在加速的非惯性系中引入惯性力使牛顿运动定律能在非惯性系中成立。学生：不能，牛顿运动定律只能在惯性系中成

7、立。教师：实际上惯性系仅是人们为了方便陈述物理规律而采用的一种理想参考系；而在自然界中还存在非惯性参考系，如地球在绕太阳旋转、太阳在绕银河系中心旋转等，自然界的一切物体都不可避免地会受到引力的作用，在引力的作用下，物体作加速运动（如苹果受地球的引力作自由落体运动、地球受太阳的引力）。同学们注意到了没有，上例船中小球的加速和苹果落地的加速有何不同？学生：苹果的加速是因为受到引力的作用，而小球的加速却没有受力，两者不一样。这是怎么一回事？教师：这正是我们下面要讨论的。在力学发展过程中，人们为了让牛顿运动定律