物理：第5节《广义相对论》课件（教科版选修3-4）

欢迎进入物理课堂 第5节广义相对论点滴 选学 学习目标 1 初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据 2 关注宇宙研究的新进展 体会人类对自然的认识在不断扩展 重点难点 广义相对论的原理和等效原理 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 课前自主学案 课标定位 第5节 课前自主学案 一 广义相对性原理和等效原理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 的 2 等效原理 一个不受引力作用的加速系统跟一个受动力作用的惯性系统是 的 一样 等效 二 支持广义相对论的观测结果1 光在引力场中传播时 将会发生 而不再是直线传播 2 在引力利用下光波发生 3 在引力场中时间会 引力越强时钟就走的越慢 4 当天体相互绕转时 会向外界辐射出 偏折 频移 延缓 引力波 核心要点突破 一 了解广义相对论1 广义相对论的基本原理 1 广义相对性原理 爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系 认为所有的参考系都是平权的 不论它们是惯性系还是非惯性系 对于描述物理现象来说都是平等的 2 等效原理 在物理学上 一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系 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 时钟变得越慢 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 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解释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 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 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 下列说法中 正确的是 A 由于太阳引力场的影响 我们有可能看到太阳后面的恒星B 强引力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ABCD 由广义相对论我们知道 物质的引力使光线弯曲 因此选项A D是正确的 在引力场中时间进程变慢 而且引力越强 时间进程越慢 因此我们能观察到引力红移现象 所以选项B C正确 二 宇宙的起源和构成1 大爆炸宇宙模型的主要观点 1 关于宇宙的起源 宇宙起源于一个奇点 奇点温度无穷高 密度无穷大 宇宙发生大爆炸 空间急剧膨胀 温度不断降低 大约经历了150亿年 形成了现在的宇宙 2 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 宇宙的组成卫星绕着行星转动 行星绕着恒星转动 众多的恒星组成的集团叫星系 如银河系 众多的星系则构成宇宙的主体 4 恒星的演化恒星将要消亡时会突然爆发 亮度在2 3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 即时应用 即时突破 小试牛刀 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 课堂互动讲练 如图6 5 1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6 5 1 A A时钟走时最慢 B时钟走时最快B A时钟走时最慢 C时钟走时最快C C时钟走时最慢 A时钟走时最快D B时钟走时最慢 A时钟走时最快 精讲精析 根据广义相对论的等效原理可知 加速参考系中出现的惯性力等效于引力 在引力场中 时钟变慢 引力场越强 时钟变慢越甚 转盘上的观察者认为 圆盘是静止的 在圆盘上存在着一个引力 非惯性力 与向心力大小相等 方向相反 方向指向边缘 越靠近边缘 引力越强 钟走时越慢 所以C选项正确 故选C 答案 C 方法总结 分析非惯性系中物理问题时 采用等效思想 结合时空结构解题简捷 如本题中惯性力等效于引力 利用引力对时间的影响 方便比较 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全