15.4广义相对论简介

一 、 狭 义 相 对 论 的 两 点 假 设 是 什 么 ？1、 狭 义 相 对 性 原 理 在 不 同 的 惯 性 参 考 系 ， 一 切 物 理 规 律 都 是 相同 的 。2、 光 速 不 变 原 理 真 空 中 的 光 速 在 不 同 的 惯 性 参 考 系 中 是 相 同的 ， 光 速 与 光 源 、 观 察 者 间 的 相 对 运 动 没 有 关系 。导入新课 二 、 由 狭 义 相 对 论 推 出 的 几 个 结 论 是 ？1、 “ 同 时 ” 的 相 对 性2、 动 尺 变 短3、 动 钟 变 慢4、 速 度 变 换 公 式 21 c vu vuu 2 01 cvtt 20 1 cvll 5、 相 对 论 质 量6、 质 能 方 程 2mcE 201 cvmm 广 义 相 对 论 如 何 诞 生 ？狭 义 相 对 论 能 解 决 所 有 的 问 题 吗 ？ 第 五 节 广 义 相 对 论 简 介 教学目标1.知 识 与 能 力 了 解 广 义 相 对 论 基 本 原 理 ， 广 义 相 对 性 原理 和 等 效 原 理 。 广 义 相 对 论 主 要 结 论 ， 物 质 的 引 力 使 光 线弯 曲 和 强 引 力 场 附 近 的 时 间 进 程 会 变 慢 。 介 绍 广 义 相 对 论 的 实 验 验 证 。 2. 过 程 与 方 法 了 解 爱 因 斯 坦 思 考 和 推 演 广 义 相 对论 思 维 过 程 . 3. 情 感 态 度 与 价 值 观 体 会 在 宇 宙 中 人 类 的 渺 小 和 科 学的 巨 大 力 量 . 教学重难点 重 点 广 义 相 对 性 原 理 和 等 效 原 理 . 难 点 广 义 相 对 论 的 主 要 结 论 ： 引 力 使 光 线 弯 曲 和强 引 力 场 附 近 的 时 间 进 程 会 变 慢 . 本节导航 阅 读 思 考 题 1、 狭 义 相 对 论 遇 到 哪 两 个 无 法 解 决 的 问题 ？ 2、 广 义 相 对 论 的 两 个 基 本 原 理 是 什 么 ？ 与狭 义 相 对 论 的 两 个 假 设 有 什 么 不 同 ？ 3、 根 据 广 义 相 对 论 的 两 个 基 本 原 理 可 以 导出 那 些 重 要 结 论 ？ 爱 因 斯 坦 思 考 狭 义 相 对 论 无 法 解 决 的 两 个 问 题：1、 引 力 问 题 万 有 引 力 定 律 无 法 纳 人 狭 义 相 对 论 的 理 论 框架 ；2、 非 惯 性 系 问 题 狭 义 相 对 论 只 适 用 于 惯 性 系 ， 为 什 么 惯 性系 具 有 这 样 的 地 位 ？ 因 为 上 述 两 个 问 题 狭 义 相 对 论 无 法解 释 ， 爱 因 斯 坦 提 出 了 广 义 相 对 论 。少 年 爱 因 斯 坦 老 年 爱 因 斯 坦 1、 广 义 相 对 性 原 理 在 任 何 参 考 系 中 ， 物 理 规 律 都 是 相 同 的 。 伽 利 略 相 对 性 原 理 力 学 规 律 在 任 何 惯 性 系 都 是 相 同 的爱 因 斯 坦 狭 义 相 对 性 原 理 (1905年 ) 在 不 同 的 惯 性 参 考 系 中 ， 一 切 物 理 规 律 都 有是 相 同 的 ； 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 原 理 （ 1916年 ） 在 任 何 参 考 系 中 (包 括 非 惯 系 ） 所 有 的 物 理 规律 都 是 相 同 的 ， 称 为 广 义 相 对 性 原 理 。相 对 性 原 理 的 发 展 史 2、 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 。 a 如 果 飞 船 做 匀 加 速 运 动 ，在 光 向 右 传 播 的 同 时 ， 飞 的速 度 也 在 不 断 增 大 ， 因 此 船上 观 察 者 记 录 下 的 光 的 径 迹是 一 条 抛 物 线 。 如 果 飞 船 做 匀 速 直 线 运动 ， 船 上 观 察 者 记 录 下 的 光的 径 迹 是 一 条 直 线 （ 虚 线 ） 。 飞 船 外 观 察 者 看 到 这束 光 是 直 线 传 播 的 （ 水 平向 右 ） 。光 源 半 透 明 屏1、 物 质 的 引 力 使 光 线 发 生 弯 曲 假 设 飞 船 静 止 ， 而 在 船 尾 存 在 一 个 巨 大 的物 体 ， 在 它 的 引 力 场 作 用 下 ， 飞 船 内 的 物 理 过程 受 到 影 响 。等 效 原 理 物 体 的 引 力 能 使 光 线 弯 曲 爱 因 斯 坦 纪 念 邮 票 光 线 弯 曲 图 景 通 常 物 体 的 引 力 场 都 太 弱 ， 20世 纪 只 能观 测 到 太 阳 引 力 场 引 起 的 光 线 弯 曲 。 由 于 太 阳 引力 场 的 作 用 ， 我们 有 可 能 观 测 到太 阳 后 面 的 恒 星 ，最 好 的 观 测 时 间是 发 生 日 全 食 的时 候 。 星 球 的 强 引 力 场 能 使 背 后 传 来 的 光 线汇 聚 ， 这 种 现 象 叫 做 引 力 透 镜 效 应 。 宇 宙 中 很 可 能 存 在 黑 洞 ，它 不 辐 射 电 磁 波 ， 因 此 无 法 直接 观 测 ， 但 是 它 的 巨 大 质 量 和极 小 的 体 积 使 其 附 近 产 生 极 强的 引 力 场 ， 引 力 透 镜 是 探 索 黑洞 的 途 径 之 一 。星 体星 体 黑 洞 视 频 2、 引 力 场 的 存 在 使 得 空 间 不 同位 置 的 时 间 进 程 出 现 差 别 。 地 面 上 看 到 ： 越 是 靠 近 边 缘 ， 速 度 越 大 根 据 狭义 相 对 论 ， 靠 近 边 缘 部 位 的 杆 的 长 度 较 短 。 圆 盘 上 的 人 认 为 ： 引 力 势 较 低 的 位 置 ， 杆 的 长 度 越 短 。引 力 势 由 高 到低 变 化3、 杆 的 长 度 与 引 力 场 有 关 引 力 场 的 存 在 使 得 空 间 不 同 位 置 的杆 的 长 度 出 现 了 差 别 。 各类星体对比 宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移。4、 引 力 红 移 由 于 物 质 的 存 在 ， 实 际 空 间 并 不 是 均 匀 的 ，空 间 发 生 了 “ 弯 曲 ” 。 狭 义 相 对 论 广 义 相 对 论不 同 的 惯 性参 考 系 中 一切 物 理 规 律都 是 相 同 的 任 何 参 考 系（ 包 括 非 惯 性系 ） 中 物 理 规律 都 是 相 同 的真 空 中 的 光速 在 不 同 惯性 参 考 系 中都 是 相 等 的 一 个 均 匀 的引 力 场 与 一 个做 匀 加 速 运 动的 参 考 系 等 价更 进 一 步爱 因斯 坦相 对性 原理光速恒定 广义相对性原理等效原理狭 义 、 广 义 相 对 论 比 较 对 于 时 空 观 的 认 识物 质 本 身 的 存 在 决定 时 空 的 性 质时 空 性 质 和 物质 的 运 动 有 关狭 义 相 对 论 广 义 相 对 论惯 性 系 平 权 所 有 参 考 系 平 权时空观光 速 恒 定 等 效 原 理 课题研究题 目 ： （ 一 ） 爱 因 斯 坦 的 贡 献 （ 二 ） 方 兴 未 艾 的 宇 宙 学 （ 三 ） 有 趣 的 相 对 论 佯 谬 （ 四 ） 黑 洞 的 研 究 爱 因 斯 坦 与 狭 义 相 对 论 的 建 立.组 织 ： 小 组 （ 2-3人 ）方 案 ： 利 用 图 书 馆 、 互 联 网 资 源 写 一 篇 爱 因 斯 坦 与广 义 相 对 论 建 立 的 科 普 小 文 章 。要 求 ： 文 章 的 时 间 脉 络 清 晰 ， 无 科 学 性 错 误 。 课堂小结 爱 因 斯 坦 思 考 狭 义 相 对 论 无 法 解 决 的 两 个 问题 1、 引 力 问 题 万 有 引 力 定 律 无 法 纳 人 狭 义 相 对 论 的 理 论框 架 ； 2、 非 惯 性 系 问 题 狭 义 相 对 论 只 适 用 于 惯 性 系 ， 为 什 么 惯 性系 具 有 这 样 的 地 位 ？ 1、 广 义 相 对 性 原 理 在 任 何 参 考 系 中 ， 物 理 规 律 都 是 相 同 的。 2、 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 。 1、 物 质 的 引 力 使 光 线 发 生 弯 曲 . 2、 引 力 场 的 存 在 使 得 空 间 不 同 位 置 的 时 间进 程 出 现 差 别 4、 引 力 红 移 .3、 杆 的 长 度 与 引 力 场 有 关 课堂练习 怎 样 由 广 义 相 对 论 的 基 本 原 来 推 断出 光 在 引 力 场 中 将 发 生 弯 曲 ？ a 如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。 如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）。 飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）。光 源 半 透 明 屏推 导 过 程 假 设 飞 船 静 止 ， 而 在 船 尾 存 在 一 个 巨 大的 物 体 ， 在 它 的 引 力 场 作 用 下 ， 飞 船 内 的 物理 过 程 受 到 影 响 。 由 等 效 原 理 可 知 ， 物 体 的 引 力 能 使 光 线弯 曲 。