高中物理 第五章 相对论 第四节 广义相对论 第五节 宇宙学简介宇宙学（1）课件1 粤教版 选修34.ppt

广义相对论 世界物理年徽标 伽利略的这段描述说明 在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测 与地面上的力学实验和观测 结果并没有差异 这就是说 以相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考系 牛顿运动定律也是成立的 牛顿运动定律成立的参考系 称为惯性参考系 简称惯性系 牛顿运动定律不成立的参考系 称为非惯性系 2 了解经典的相对性原理 运动的相对性中国古代研究 尚书纬 考灵曜 地恒动而人不知 譬如闭舟而行不觉舟之运也 伽里略相对性原理 关于两种世界体系的对话 理想船实验 伽里略速度变换公式 牛顿力学的不变性 迈克尔逊 莫雷实验 实验原理图 实验干涉条纹 4 知道狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本原理 相对性原理一切物理定律 在不同的惯性系中是相同的 光速不变原理光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的 1 同时 的相对性 情况1 对于运动的火车上同时发生的两个事件 对于地面就不是同时的讲解关键 在各个参考系中光速都为c情况2 地面上同时发生的两个事件 对于运动的火车也不是同时的 利用相对运动原理 2 长度的相对性 v 车上的人看到的车厢的长度 车外的人看到的车厢的长度 3 时间间隔的相对性 在站台上看运动火车上的钟 在火车上看运动站台上的钟 相对速度与动钟延缓效应 1s v 米 秒 0 1c 3 1070 5c0 8c0 9c0 99c0 999c0 9998c t 秒 1 011 151 672 297 122 450 5 时空相对性的实验验证 根据相对论 时间在运动中会进行的比较缓慢 也就是说 在空间中高速移动的时钟 比固定于地面上的时钟走得慢 1971年 科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行 然后与地面的基准钟对照 实验结果与理论预言符合的很好 这是相对论的第一次宏观验证 教学建议 狭义相对论的其他三个结论 狭义相对论的三个重要结论 相对论的速度叠加公式 相对论质量 质能方程 1 相对论的速度叠加公式 v 车外的人看到车上人相对地面的速度为 2 相对论质量 物体的运动速度不能无限增加 那么物体的质量是否随着速度而变化 严格的论证表明 物体高速 与光速相比 运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系 m为运动质量m0为静止质量 质速关系曲线 知识回顾 微观粒子的速度很高 它的质量明显的大于静止质量 在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响 1988年 中国第一座高能粒子加速器 北京正负电子对撞机首次对撞成功 物体的能量和质量之间存在着某种联系 物体的能量和质量之间存在密切的联系 他们的关系是 爱因斯坦 3 质能方程 这就是著名的质能方程 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系 物体的动能 运动时的能量 静止时的能量 在v c时的一种近似 这就是动能表达式 第五课时广义相对论简介 1 超越狭义相对论的思考介绍爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题 第一个是引力问题 万有引力定律不满足洛伦兹变换 无法纳人狭义相对论的理论框架 第二个是非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系 它们是促成广义相对论的前提 2 广义相对论等效原理 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动 船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线 半透明屏 光源 等效原理 引力场与匀加速参考系等价 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 光的轨迹也是一条抛物线 3 广义相对论主要结论 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 太阳 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 1919年5月29日 发生日全食 英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测 证实了爱因斯坦的预言 这是对相对论的最早证实 广义相对论结论 1 光线弯曲 广义相对论结论 2 透镜效应 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 星体 星体 无法观测 黑洞 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 广义相对论结论 3 引力场影响时间 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别 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 越是靠近边缘 加速度越大 方向指向盘心 地面上看到 越是靠近边缘 速度越大 根据狭义相对论 靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为 盘上存在引力场 方向由盘心指向边缘 引力势较低 得出 引力势较低的位置 时间进程比较慢 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 广义相对论结论 4 引力红移 引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别 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 广义相对论结论 5 引力场影响长度 引力势由高到低变化 由于物质的存在 实际空间并不是均匀的 空间发生了 弯曲 点击观看 狭义 广义相对论比较 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