2020人教版高中物理选修3-4课件：15.4广义相对论简介(共18张PPT)

1915年 继狭义相对论发表10年之后 爱因斯坦又发表了广义相对论 15 4 广义相对论简介 1 了解广义相对性原理和等效原理 2 了解广义相对论的几个结论及主要观测证据 3 通过本节学习 激发学生探索宇宙奥秘的兴趣 形成初步的相对论时空观 教学目标 教学重点广义相对性原理和等效原理 教学难点理解广义相对论的几个结论 19世纪后半叶 关于电磁场的研究不断深入 人们认识到了光的电磁本质 我们已经知道 电磁波是以巨大且有限的速度传播的 因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾 这些矛盾导致了相对论的出现 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律 而且改变了我们对于时间和空间的认识 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑 第一个问题 狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递 没有办法把万有引力理论纳入狭义相对论的理论框架 第二个问题 狭义相对论只适用于惯性参考系 为什么狭义相对论只在惯性参考系适用而在非惯性系不适用 狭义相对论本身无法解释 一 广义相对性原理和等效原理 广义相对性原理的内容 在任何参考系中 物理规律都是相同的 也可以理解为 物理学定律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立 停泊在行星表面的飞船里 没有支撑的物体会做自由落体运动即匀加速运动 这是因为飞船处在行星表面空间的引力场中 这说明一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 这就是等效原理 如果飞船远离行星表面做匀加速运动 也会观察到没有支撑的物体的自由落体运即匀加速运动 我们不能根据飞船内的自由落体运动来判断飞船到底在加速运动 还是停在一个行星的表面 二 广义相对论的几个结论 从广义相对论的两个基本原理出发 可以直接得到一些 意想不到 的结论 请大家阅读教材 说明得到了哪些结论 这些结论的实验验证是什么 第一个结论 物质的引力使光线弯曲 20世纪初 人们观测到了太阳引力场引起的光线弯曲 观测到了太阳后面的恒星 第二个结论 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别 例如在强引力场的星球附近 时间进程会变慢 天文观测到了引力红移现象 验证了这一结论的成立 如果飞船做匀速直线运动 在光向右传播的同时 因为飞船的速度保持不变 船上观察者记录下的光的径迹会是一条倾斜的直线 如果飞船做匀加速直线运动 在光向右传播的同时 飞船的速度在不断地增加 因此船上观察者记录下的光的径迹是一条曲线 根据等效原理 航天员完全可以认为飞船没有加速运动 而是在船尾方向存在一个行星 它的引力场影响了飞船内的物理进程 因此我们可以认为 物质的引力使光线弯曲 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 图左下方是地球 中间是太阳 上端是太阳背后的恒星 如果按照光的直线传播 这颗恒星发的光不会传到地球上 因为太阳挡住了它 但这颗恒星发的光在经过太阳附近时由于它的引力而弯曲了 就能够到达地球表面 人们就会看到这颗行星 图中右上方的那颗行星就是我们看到的这颗行星的位置 实际上是它的像 但由于平时太阳光的强度较大 人眼就无法清楚地看到这颗行星 只有在发生日全食的时候才能清楚地观察到它 引力场的存在会使得空间不同位置的时间进程出现差别 在强引力场的星球附近 时间进程会变慢 矮星表面的引力很强 那里的时间进程慢 那里原子发射的光的频率会比地球上同种原子发射的光的频率低 因为在可见光范围内 红光频率是最低的 这种发射光的频率变低的现象就认为是红移 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 时间间隔与引力场有关 广义相对论简介 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 等效原理 光速恒定 爱因斯坦相对性原理 广义相对性原理 对于时空观的认识 物质本身的存在决定时空的性质 时空