高中物理 第五章 相对论 第四节 广义相对论 第五节 宇宙学简介学案（含解析）粤教版选修3-4.doc

第四节广义相对论第五节宇宙学简介学习目标重点难点1能说出广义相对性原理和等效原理的内容2能说出广义相对论的主要结论3能说出人类对宇宙演化的认识和宇宙学的新进展重点：1对广义相对性原理和等效原理的理解2对广义相对论的几个结论的理解难点：用广义相对论的结论分析相关问题一、广义相对论的基本原理1等效原理在物理学上，引力场等效于一个做匀加速运动的参考系2广义相对性原理广义相对论认为在任何参考系中，物理规律都是相同的二、广义相对论的主要结论1光线在引力场中偏转根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害2引力红移按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别3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）有进动三、人类对宇宙演化的认识1爱因斯坦利用广义相对论来考察宇宙学，建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型由弯曲空间构成，没有边界没有中心，宇宙中有物质，但在整体上是无运动的，所以这是一个有限的、静态的宇宙2科学家们已经计算出宇宙的大小为1.01026米2.01026米，年龄为1.01010年2.51010年四、宇宙学的新进展科学家在宇宙中探索，发现了许多新奇的现象，超新星的爆发，惊人的中子星，可怕的“黑洞”，有趣的“白洞”和“虫洞”对广义相对论的基本原理和几个结论的理解1狭义相对论无法解决哪两个问题？答案：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架和狭义相对论是惯性参考系之间的理论2怎样理解广义相对性原理？答案：广义相对性原理关键一点是适用于任何参考系3怎样理解等效原理？答案：我们可以从引力场和匀加速参考系产生的效果上来考虑等效原理，引力场的作用是使物体加速向下运动，如果参考系是加速向上运动的，我们将会观察到静止的物体也“向下”运动，它们两者产生的效果是一样的，所以称为等效原理4广义相对论的结论是如何验证的？答案：物质的引力使光线弯曲：1915年5月29日的一次日全食，两支英国考察队分别赴几内亚湾和巴西观测，其结果证实了引力使光线弯曲的结论这是广义相对论最早的证实强引力场附近的时间进程会变慢：引力红移现象已经证明了此结论引力红移已经在天文观察中得到证实，宇宙中有一类恒星，体积小、密度大，叫做矮星，它们形成的引力场特别强，经观测，那里的原子发光的频率比同种原子在地球上发光的频率低，看起来偏红这就证明引力红移的存在，也证明了强引力场附近的时间进程会变慢5假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系但是航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底请分析这些物体运动的原因及由此得到的结论答案：飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任何天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在一个行星的表面这个事实使我们想到：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价在一个加速运动的参考系中观察，光束会弯曲吗？引力对光束的效应这个现象告诉我们什么？答案：弯曲引力的存在使空间变形解析：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，使得光线发生了弯曲，引力对光束的效应说明，引力的存在使空间变形1狭义相对论的相对性原理仅适用于惯性系，广义相对性原理适用于一切参考系2相对论力学并没有推翻经典力学经典力学是相对论在低速运动时的特例1下列说法中不正确的是（）a物质的引力使光线弯曲b光线弯曲的原因是由于介质不均匀而非引力作用c在强引力的星球附近，时间进程会变慢d广义相对论可以解释引力红移现象答案：b解析：由广义相对论的结论知a、c、d均正确，b错误2下列哪些属于广义相对论的结论（）a尺缩效应b时间变慢c光线在引力场中偏转d水星近日点的进动答案：cd解析：证明广义相对论的实例有：光线在引力场中偏转；水星近日点的进动3人类第一个进入太空的宇航员是（）a美国人 b苏联人c中国人 d德国人答案：b解析：苏联和美国是载人航天技术开展较早的国家第一个登上月球的是美国宇航员阿姆斯特朗，第一个进入太空的是苏联宇航员加加林中国于2003年10月16日实现载人航天4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以上说法都不正确答案：a解析：人类对宇宙的认识是一个渐近的过程，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，后来哥白尼提出了“日心说”，认为太阳是宇宙中心，后来人类对宇宙的起源进行探究，物理学家伽莫夫提出了大爆炸学说5关于宇宙的成因，目前比较