湖南省长沙市长郡卫星远程学校高中物理《广义相对论简介》课件 新人教版选修21

复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1.1.狭义相对性原理狭义相对性原理复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1.1.狭义相对性原理狭义相对性原理在不同的在不同的惯性参考系，一切物理规律惯性参考系，一切物理规律都是相同的都是相同的复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1.1.狭义相对性原理狭义相对性原理在不同的在不同的惯性参考系，一切物理规律惯性参考系，一切物理规律都是相同的都是相同的2.2.光速不变原理光速不变原理复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1.1.狭义相对性原理狭义相对性原理在不同的在不同的惯性参考系，一切物理规律惯性参考系，一切物理规律都是相同的都是相同的2.2.光速不变原理光速不变原理真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中在不同的惯性参考系中是是相同相同的，光速与光源、观察者间的相对的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。运动没有关系。二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短201 cvll二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短3.动钟变慢动钟变慢201 cvll二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短3.动钟变慢动钟变慢201 cvtt 201 cvll二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短3.动钟变慢动钟变慢4.速度变换公式速度变换公式201 cvtt 201 cvll二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1.“同时同时”的相对性的相对性2.动尺变短动尺变短3.动钟变慢动钟变慢4.速度变换公式速度变换公式21cvuvuu 201 cvtt 201 cvll二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论5.相对论质量相对论质量5.相对论质量相对论质量201 cvmm5.相对论质量相对论质量6.质能方程质能方程201 cvmm5.相对论质量相对论质量6.质能方程质能方程2mcE 201 cvmm阅读思考题阅读思考题阅读思考题阅读思考题1.狭义相对论遇到哪两个无法解决狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？的问题？阅读思考题阅读思考题1.狭义相对论遇到哪两个无法解决狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？的问题？2.广义相对论的两个基本原理是什广义相对论的两个基本原理是什么？么？阅读思考题阅读思考题1.狭义相对论遇到哪两个无法解决狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？的问题？2.广义相对论的两个基本原理是什广义相对论的两个基本原理是什么？么？与狭义相对论的两个假设有什么不与狭义相对论的两个假设有什么不同？同？阅读思考题阅读思考题1.狭义相对论遇到哪两个无法解决狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？的问题？2.广义相对论的两个基本原理是什广义相对论的两个基本原理是什么？么？与狭义相对论的两个假设有什么不与狭义相对论的两个假设有什么不同？同？3.根据广义相对论的两个基本原理根据广义相对论的两个基本原理可以导出那些重要结论？可以导出那些重要结论？一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：两个问题：一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：两个问题：1.1.引力问题引力问题一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：两个问题：1.1.引力问题引力问题万有引力定律无法纳人狭义相对论的万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；理论框架；一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：两个问题：1.1.引力问题引力问题万有引力定律无法纳人狭义相对论的万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；理论框架；2.2.非惯性系问题非惯性系问题一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：两个问题：1.1.引力问题引力问题万有引力定律无法纳人狭义相对论的万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；理论框架；2.2.非惯性系问题非惯性系问题狭义相对论只适用于惯性系，为什么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？狭义相对论无法惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释解释 .一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1.1.广义相对性原理：广义相对性原理：在任何参考系中，在任何参考系中，物理规律都是相同的。物理规律都是相同的。二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1.1.广义相对性原理：广义相对性原理：在任何参考系中，在任何参考系中，物理规律都是相同的。物理规律都是相同的。伽利略相对性原理力学规律在任何伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的惯性系都是相同的二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1.1.广义相对性原理：广义相对性原理：在任何参考系中，在任何参考系中，物理规律都是相同的。物理规律都是相同的。伽利略相对性原理力学规律在任何伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的惯性系都是相同的爱因斯坦狭义相对性原理爱因斯坦狭义相对性原理(1905年年) 在在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的；是相同的；二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1.1.广义相对性原理：广义相对性原理：在任何参考系中，在任何参考系中，物理规律都是相同的。物理规律都是相同的。伽利略相对性原理力学规律在任何伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的惯性系都是相同的 爱因斯坦广义相对论原理（爱因斯坦广义相对论原理（1916年）年）在任何参考系中在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理包括非惯系）所有的物理规律都是相同的，称为广义相对性原理。规律都是相同的，称为广义相对性原理。爱因斯坦狭义相对性原理爱因斯坦狭义相对性原理(1905年年) 在在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的；是相同的；2.2.等效原理：等效原理：2.2.等效原理：等效原理：图图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价加速运动的参考系等价2.2.等效原理：等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。动的参考系等价。图图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价加速运动的参考系等价三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论飞船外观察者看飞船外观察者看到这束光是直线传播到这束光是直线传播的（水平向右）的（水平向右）图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论飞船外观察者看飞船外观察者看到这束光是直线传播到这束光是直线传播的（水平向右）的（水平向右）如果飞船做匀速如果飞船做匀速直线运动，船上观察直线运动，船上观察者记录下的光的径迹者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）是一条直线（虚线）图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论1.物质的引力使光线发生弯曲物质的引力使光线发生弯曲飞船外观察者看飞船外观察者看到这束光是直线传播到这束光是直线传播的（水平向右）的（水平向右）如果飞船做匀速如果飞船做匀速直线运动，船上观察直线运动，船上观察者记录下的光的径迹者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）是一条直线（虚线）图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲1.物质的引力使光线发生弯曲物质的引力使光线发生弯曲三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论如果飞船做匀加速如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是者记录下的光的径迹是一条抛物线。一条抛物线。图图24 -10 在加速运动的在加速运动的飞船中光线发生弯曲飞船中光线发生弯曲1.物质的引力使光线发生弯曲物质的引力使光线发生弯曲通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲 通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20世纪只世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲能观测到太阳引力场引起的光线弯曲 由于太阳由于太阳引力场的作用，引力场的作用，我们有可能观我们有可能观测到太阳后面测到太阳后面的恒星，最好的恒星，最好的观测时间是的观测时间是发生日全食的发生日全食的时候时候 1919年年5月月29日，发生日全食，英国日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实的最早证实透透 镜镜 效效 应应 透透 镜镜 效效 应应 透透 镜镜 效效 应应 透透 镜镜 效效 应应 星球的强引力场能使背后传来的光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线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应无无法法观观测测无无法法观观测测黑黑洞洞播放黑洞播放黑洞.asf宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射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强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一径之一无无法法观观测测黑黑洞洞2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别2.引力场的存在使得空间不同位置的时引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别间进程出现差别对于高速转动的圆盘，除了转动轴的对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心边缘，加速度越大，方向指向盘心地面上看到：地面上看到：越越是靠近边缘，速度越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间靠近边缘部位的时间进程较慢进程较慢地面上看到：地面上看到：越越是靠近边缘，速度越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间靠近边缘部位的时间进程较慢进程较慢圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢间进程比较慢地面上看到：地面上看到：越越是靠近边缘，速度越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间靠近边缘部位的时间进程较慢进程较慢圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢间进程比较慢3.引力红移引力红移各各类类星星体体对对比比3.引力红移引力红移各各类类星星体体对对比比宇宙中有一类恒星，体积很小，质宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做量却很大，叫做矮星矮星，引力势比地球低，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪的多，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，这个现象叫发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做做引力红移引力红移由于物质的存在，实际空间并不由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了是均匀的，空间发生了“弯曲弯曲”：引力场引力场.asf狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的光光速速恒恒定定爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的更进一步更进一步光光速速恒恒定定爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的更进一步更进一步光光速速恒恒定定爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理广广义义相相对对性性原原理理狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的一个均匀的引一个均匀的引力场与一个做力场与一个做匀加速运动的匀加速运动的参考系等价参考系等价更进一步更进一步光光速速恒恒定定爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理广广义义相相对对性性原原理理狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的一个均匀的引一个均匀的引力场与一个做力场与一个做匀加速运动的匀加速运动的参考系等价参考系等价更进一步更进一步等等效效原原理理光光速速恒恒定定爱因斯爱因斯坦相对坦相对性原理性原理广广义义相相对对性性原原理理对于时空观的认识对于时空观的认识狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论对于时空观的认识对于时空观的认识时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论时时空空观观对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权时时空空观观对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权时时空空观观光速恒定光速恒定对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权所有参考系平权所有参考系平权时时空空观观光速恒定光速恒定对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权所有参考系平权所有参考系平权时时空空观观光速恒定光速恒定对于时空观的认识对于时空观的认识等效原理等效原理物质本身的存在物质本身的存在决定时空的性质决定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权所有参考系平权所有参考系平权时时空空观观光速恒定光速恒定对于时空观的认识对于时空观的认识课课 题题 研研 究究(一一)爱因斯坦的贡献爱因斯坦的贡献(二二)方兴未艾的宇宙学方兴未艾的宇宙学 (三三)有趣的相对论佯谬有趣的相对论佯谬 (四四)黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立的建立.组织：组织：小组（小组（2-3人）人）方案：方案：利用图书馆、互联网资源写一篇利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章.要求：要求：文章的时间脉络清晰，无科学性文章的时间脉络清晰，无科学性错误错误.