2017-2018学年高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3、4节 广义相对论初步 探索宇宙教学案 鲁科版选修3-4

第3、4节 广义相对论初步_探索宇宙 1广义相对论的基本原理指出：在任何参考系中，物理规律都是相同的，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。2一切物体都具有两个完全不同的属性，即惯性和引力，惯性质量是物体惯性的量度，引力质量是物体引力属性的量度。3宇宙起源于一个温度无穷大，物质密度无穷大的“奇点”，决定宇宙的几何性质有两个因素膨胀率和密度。广义相对论初步自读教材抓基础1广义相对论的两个基本原理(1)广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性系)中物理规律都是相同的。(2)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(1)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。(2)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(直尺变短)，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：(1)水星近日点的进动。(2)光线在引力场中的弯曲。(3)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。跟随名师解疑难广义相对论的实验检验(1)水星近日点的进动：天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点(或远日点)有进动，这个效应以离太阳最近的水星最为显著。牛顿对此作出的解释与实际观测结果不相符，而广义相对论成功地预言了水星近日点的进动。(2)光线在引力场中偏转：根据电磁理论和经典光学，在无障碍的情况下，光线是直线传播的。但按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的。引力场越强，弯曲越厉害。(3)引力红移：在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象。光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“光谱线的引力红移”，这一预言也已经在对白矮星(天狼星伴星)的观测中所证实。(4)雷达回波延迟：光经过大质量物体附近时发生弯曲，可以看成光多走了一段路程，或等效为光速变慢。从地球上发出的雷达信号，经太阳附近到达某一星球后再反射回地球，传播时间会有所延迟。20世纪60年代，人们通过大量实验，证实了延迟现象。学后自检(小试身手)关于广义相对性原理的下列说法正确的是()广义相对性原理与狭义相对性原理不同的是前者适用于一切物理规律，后者只适用于力学规律广义相对性原理将狭义相对性原理发展到了非惯性系广义相对性原理认为惯性系和非惯性系中的物理规律不同广义相对性原理认为一切参考系都是地位相等的，没有特殊的理想的参考系ABC D解析：选B广义相对性原理认为在任何参考系中物理规律都是相同的，将狭义相对性原理中的惯性系推广到了一切参考系，故错对；广义相对论认为一切参考系都是等价的，不存在特殊的理想参考系，故错对。探索宇宙自读教材抓基础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宇宙的组成太阳是一颗恒星，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1 000亿个以上。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太空望远镜。跟随名师解疑难1关于宇宙的演化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。2宇宙在未来的发展有两种可能(1)如果宇宙的膨胀率很大，密度很小，那么宇宙可能不断膨胀下去，称为开宇宙(或平直宇宙)。(2)如果宇宙膨胀率很小或质量密度很大，现在的宇宙膨胀到某个极大值后便收缩，直至收缩成一个新的奇点后再次发生大爆炸，称为闭宇宙(封闭的宇宙)。3恒星的演化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甚至几百万倍形成新星，或者亮度增加几千万倍或几亿倍形成超新星，爆发后的残骸形成中子星或者黑洞。黑洞是一个具有巨大引力的空间区域。学后自检(小试身手)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，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，密度无穷大解析：选A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。广义相对论典题例析在适当的时候，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思路点拨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探规寻律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。跟踪演练下列说法中不正确的是()A光线在引力场中仍沿直线传播B强引力场作用可使光谱线向红端偏移C引力场越强的位置，时间进程越慢D由于物质的存在，实际的空间是弯曲的解析：选A根据广义相对论的结论，由于太阳引力场的影响，使得光线发生弯曲，A错误。强引力场作用使光的波长变长、频率变低，所以光谱线向红端偏移，B正确。引力场越强的位置，时间进程越慢，所以C正确。物质的引力使得空间变形，发生弯曲，所以D正确。课堂双基落实1惯性质量mi和引力质量mg的关系是()AmimgBmimgCmimg D无法确定解析：选A根据爱因斯坦提出的广义相对论的等效原理可知，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关于广义相对论，下列说法中正确的是()A万有引力可以用广义相对论作出正确的解释B惯性质量和引力质量不相等，它们遵从不同的规律C广义相对论是惯性参考系之间的理论D万有引力理论无法纳入广义相对论的框架解析：选A万有引力可以纳入广义相对论的框架，可以用广义相对论作出正确的解释，A对、D错；惯性质量和引力质量相等，遵从相同的规律，B错；广义相对论是非惯性参考系之间的理论，C错。3下列说法正确的是()A哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系正急速的靠近我们B哈勃发现的“红移”现象说明地球是宇宙的中心C“新星”和“超新星”是刚刚产生的恒星D“超新星”和“新星”的产生说明恒星正在不断灭亡解析：选D哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系在远离我们，但不能说明我们就处于宇宙的中心，只能说明我们与远处的星系存在相对运动。故A、B错；“新星”和“超新星”是恒星消亡时的一种现象，故C错D对。4引力场中，哪些位置的时间进程比较缓慢，哪些位置的空间尺度会发生收缩？解析：在引力场中，引力越强的位置，时间的进程越慢，空间尺度的收缩只发生在与引力垂直的方向上，引力越强的位置，空间尺度收缩越严重。答案：见解析课下综合检测(时间：30分钟满分：50分)一、选择题(共6小题，每小题5分，共30分，每小题只有一个选项正确。)1下列说法中正确的是()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在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿运动定律仅适用于惯性参考系一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就是著名的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，这就是著名的等效原理ABC D解析：选D由广义相对性原理和等效原理的内容知正确，故应选D。2对大爆炸理论提供支持的事实是()A水星近日点的进动B光线在引力场中的弯曲C哈勃发现，遥远恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长D长度缩短效应解析：选C大爆炸理论的主要观点是宇宙起源于一个“奇点”，发生大爆炸后，宇宙不断膨胀，温度不断降低。根据多普勒效应，如果恒星离我们而去，光的颜色偏红。哈勃的发现，表明不管往哪个方向看，远处的星系正急速远离我们而去，所以C正确。3人类最早对宇宙的认识学说是()A地心说 B日心说C大爆炸学说 D以上说法都不正确解析：选A人类对宇宙的认识是一个渐进的过程。在人类历史上，相当长的时期内，人们认为地球是宇宙的中心，再后来哥白尼提出了“日心说”，认为太阳是宇宙的中心，后来人类对宇宙的起源进行探究，物理学家提出了大爆炸学说。4大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸。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，大致是图1中的哪个图像()图1解析：选C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，图像C符合。5矮星表面原子发光的波长与同种原子在地球上发光的波长相比，下列说法正确的是()A矮星表面的原子发光波长较长B地球表面的原子发光波长较长C一样长D无法确定解析：选A矮星体积很小，质量却很大，其表面引力场很强，引力比地球表面大得多，其表面的时间进程比较慢，矮星上原子发光的波长比地球上同种原子发光的波长长，这也就是矮星上发生“光谱线红移”现象的原因，故A正确。6.如图2所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着A、B、C三个时钟，下列说法正确的是()图2AA时钟走时最慢，B时钟走时最快BA时钟走时最慢，C时钟走时最快CC时钟走时最慢，A时钟走时最快DB时钟走时最慢，A时钟走时最快解析：选C由图可知A、B、C三个时钟的线速度不同，其中C时钟的线速度最大。由相对论可知C正确。二、非选择题(共2小题，共20分)7(8分)哪些实验观测支持广义相对论？解析：水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、引力红移现象和雷达回波延迟都支持广义相对论。答案：见解析8(12分)(1)假设宇宙飞船是全封闭的，宇航员和外界没有任何联系，宇航员如何判断使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力？(2)在一个加速运动的参考系中观察，光束会弯曲吗？引力对光束的效应告诉我们什么？解析：(1)宇宙飞船中的物体受到以某一加速度下落的力可能是由于受到某个星体的引力，也可能是由于宇宙飞船正在加速飞行。两种情况的效果是等价的，所以宇航员无法判断使物体以某一加速度下落的力是引力还是惯性力，即一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系是等价的。(2)在一个加速运动的参考系中观察，光束会弯曲，因为加速运动的参考系中出现的惯性力等效于引力，使得光线发生弯曲。引力对光束的效应说明，引力的存在使空间变形。答案：见解析7