6.3、4广义相对论初步-探索宇宙-学案(1)高品质版

-第3节 广义相对论初步 第4节 探索宇宙课标解读重点难点1.知道广义相对论的基本原理和时空结构. 2.知道广义相对论的实验检验. 3.了解人类对宇宙演化的认识和宇宙学的新进展1.广义相对性原理和等效原理(重点) 2.理解广义相对论的几个结论(难点)课前自主学习知识1：广义相对论初步1.基本知识(1)广义相对论的基本原理广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性参考系)中物理规律都是相同的等效原理：匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分(2)广义相对论的时空结构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，时钟变慢越甚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，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广义相对论建立之后，爱因斯坦提出了三项实验检验：水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移.20世纪60年代后，人们又提出了雷达回波延迟 2思考判断(1)提出狭义相对论后，没必要要提广义相对论()(2)广义相对论的结论只是猜想，没有科学依据()3交流探究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 【提示】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 这个事实说明：一个匀加速运动的非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的即匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分探究2：探索宇宙1.基本知识(1)宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度为无穷大，物质密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低大约经历了150亿年，形成了我们今天的宇宙(2)宇宙里有什么太阳是一颗恒星，在太阳系中，除有八大行星外，还有卫星、彗星和流星体，由恒星组成的集团叫星系，现在已知存在的星系有1 000亿个以上(3)永不停息的探索宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测著名的哈勃太空望远镜是目前最先进的空间望远镜 2思考判断(1)哈勃发现远处的星系正急速地远离我们而去()(2)宇宙起源于一个“奇点”()(3)科学家还没有证据证明黑洞的存在()3探究交流有限无边的静态宇宙模型中“有限”和“无边”是否相矛盾？【提示】二者并不矛盾，它们是从静止与运动的发展趋势两个方面对同一事物的辩证认识课堂互动探究探究1：经典力学的相对性、狭义相对性和广义相对性原理【问题导思】1经典力学的相对性原理的内容是什么？2狭义相对性原理的内容是什么？3广义相对性原理的内容是什么？4以上三个相对性原理的区别是什么？1经典力学的相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的2狭义相对性原理：物理规律(力学、电磁学、光学等)对于所有惯性系都具有相同的形式3广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性参考系)中物理规律都是相同的4力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说都遵从相同的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系，狭义相对性原理比力学相对性原理所指范围更大，内容更丰富而广义相对性原理做出了更大的推广，指出了在任何参考系中物理规律都是相同的，它的范围比狭义相对论更大，内容更加丰富 1广义相对论的等效性原理揭示了非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的2广义相对论的时空结构是客观世界的真实反映，牛顿的经典力学时空观和狭义相对论的时空观都是在特定情形下的一种近似例题1：在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光()A经太阳时发生了衍射B可以穿透太阳及其他障碍物C在太阳引力场作用下发生了弯曲D经过太阳外的大气层时发生了折射【审题指导】依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲考虑【解析】根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲所以，可以在适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确，A、B、D均错【答案】C小结应用广义相对论的原理解决时空变化问题的方法1应该首先分析研究的问题或物体做怎样的运动，是处于怎样的参考系中无论是匀加速运动的参考系，还是均匀的引力场中，其规律是相同的2然后根据“引力使时间变慢，空间变短”的理论分析其所在位置或运动情况会产生怎样的变化练习1(多选)黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为正确的是()A内部也是漆黑一片，没有任何光B内部的光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出C内部应该是很亮的D如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去【解析】黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出，而不是内部没有光线由于引力的作用，其光线弯曲程度很大，不能射出，因此内部应该很亮当有一个小的星体经过黑洞时，由于黑洞质量很大，对小星体有很强大的万有引力，把小星体吸引进去因此正确选项是B、C、D. 【答案】BCD探究2：宇宙的起源和构成【问题导思】1宇宙起源于什么？2宇宙是由什么组成的？3恒星的演化过程怎样？1宇宙的起源(1)爱因斯坦用广义相对论引力场方程建立了有限无边的静态宇宙模型(2)“大爆炸”宇宙模型宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度无穷大，密度无穷大，发生了大爆炸，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(3)对于宇宙演化的认识大爆炸宇宙模型告诉我们，决定宇宙几何性质的两个因素膨胀率和密度，决定了宇宙的命运如果宇宙膨胀率很小，或者质量密度很高，宇宙将成为闭合的，宇宙现在的膨胀将停止并将转为收缩；如果宇宙膨胀率很大，质量密度小，宇宙将持续膨胀下去，未来的发展有两种可能：一是开宇宙，二是闭宇宙2宇宙的组成与恒星的演化(1)卫星绕着行星转动，行星绕着恒星转动，众多的恒星组成星系，而众多的星系组成宇宙(2)恒星将要消亡时会突然爆发，亮度在23天内突然增加几万倍或者几百万倍形成新星，或者亮度突然增加几千万倍或几亿倍形成“超新星”，爆发后的残骸是中子星，少数可能形成黑洞黑洞是一个具有巨大引力的空间区域1所有关于宇宙的理论学说都有待于去进一步验证，“大爆炸理论”只是其中相对比较成熟的一种2黑洞是恒星演化而成的有着巨大引力的空间区域，质量很大，所以产生的引力连光线都不能摆脱例题2：关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是()A宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始B宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在C宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止D宇宙起源的“奇点”温度无穷低，密度无穷大【审题指导】(1)大爆炸宇宙模型给出了宇宙的起源和宇宙未来的演化方向(2)大爆炸的发生是宇宙的起点【解析】根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无穷高，密度无穷大，认为该点拥有无穷的能量，但体积无穷小故D错宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能，一是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”故C错“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的起点又是空间的始点故A对，B错 【答案】A练习2大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的上世纪末，对1A型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀，如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系，大致是下面哪个图象() 【解析】由题意知，宇宙半径R随时间t先匀速增大后加速膨胀，加速膨胀过程中R和时间平方成正比，半径随时间增大急剧增大，图象C符合【答案】C【备课资源】(教师用书独具)1919年5月29日，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西，利用日全食的机会对恒星进行观测，观测到恒星的位置与实际不符，证明了光线经过太阳附近的引力场时发生了弯曲，弯曲的角度与广义相对论计算的结果吻合1959年，科学家完成了第一个地面上的引力红移实验，发现氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低，1961年，科学家们观察到太阳光谱的钠谱线的引力红移与相对论计算的结果比较符合 通过发现水星近日点的进动是每世纪5 600.73，比牛顿力学理论计算值相比多了43.11，这个差别非常小，却成为天文学的一个难题，而广义相对论成功地预言水星近日点的进动还应有每世纪43.03的附加值，也被看作是广义相对论的一大实验验证 当堂训练习题1宇宙大爆炸被认为是什么的开始()A只是空间B只是时间C时间和空间 D都不是【解析】大爆炸之后，才有了时间和空间，时间和空间是不可分割的【答案】C2(多选)下列说法中正确的是()A物质的引力使光线弯曲B光线弯曲的原因是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【解析】根据广义相对论的几个结论可知，选项A、C、D正确，B错误【答案】ACD3简述广义相对论的相对性原理和等效原理【解析】(1)广义相对论的相对性原理是在任何参考系中，物理规律都是相同的(2)等效原理就是匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分【答案】见解析对爸爸的印象，从记事的时候，就有了，他留给我的印象就是沉默少言的，但是脸上却始终有微笑，不管家里遇到了什么样的困难，只要有爸爸在，一切都能够雨过天晴的，小时候，家里很穷，可是作为孩子的我们（我和哥哥），却很幸福。爸爸从来不会因为缺钱，而让我们感觉得些许的拮据和紧张，哪怕的低三下气的问人借钱，爸爸都会按时给我们交了学费，从来都不会给我们兄妹俩拖欠学费。爸爸闲下来的时候，就会给我和哥哥讲他们生活的那个年代，很苦很累，还经历过自然灾害，穷的时候，连饭都吃不饱。在我的印象里，最深的一件事情就是过年的时候，不管这一年钱赚的多还是少，爸爸总会让妈妈带着我和哥哥去买新衣服，当然了，妈妈也必须买新的，唯有爸爸，他是家里面唯一一个可以穿旧衣服过新年的人，这就是我关于爸爸的儿时的印象，他爱家人，从来不肯委屈自己的妻子和孩子。成长岁月里的爸爸在我们渐渐成长的的岁月里，作为孩子，我们都有了自己的认知和想法，青春期的叛逆，我们也给爸爸惹了不少祸，但是，不管我们闯的祸有多大，最后都是爸爸出面，来摆平解决一切。在这个渐渐懂事的过程中，爸爸扮演着一位良师的角色，事情过后，爸爸也会趁机好好的教育我们，让我们懂得，我们做的是对的，值得鼓励的，还是不对的，今后需要去改正的。爸爸在社会上经历的多了，懂得的道理也比我们多很多。我们是在跌跌撞撞的认知中去探索这个社会，而爸爸就是这条探索道路的指明灯！在我们长大的青春光阴里，我们在爸爸身上看到了责任、懂得了承担的重要性！爸爸，在我们的生活中，必不可少，他让我们（大哥和我）拥有了正确的人生观和价值观，他教会了我们如何看待这个世界，如何去更好的创造自己想要的生活！渐渐上了年纪的爸爸：我只想用“渐渐上了年纪”来形容现在的爸爸，不想要用已经“老去”来形容爸爸。没错，岁月是真的很无情的，不知不觉间，爸爸的眼角多了些许的皱纹，额头的皱纹也不自觉的来向他报到了，爸爸再伟大，也终究抵不过岁月的蹉跎。两角鬓白的爸爸，让我们看着多了很多的心疼，一向雷厉风行、无所不能的爸爸，渐渐地，变得老了，特别是当我们都成家以后，爸爸也算是把他一生最重要的任务也都完成了，上了年纪的爸爸，更多的心思，留在了妈妈的身上，一路走来，是妈妈的陪伴和默默的奉献，才让爸爸能够在外工作的时候，毫无杂念！妈妈，就是爸爸最为坚强的后盾，而我们，是爸爸努力奋斗的最大动力，如今，爸爸渐渐地老了，作为儿女，我们无法让时光倒流，能做的就是多陪伴他们，让他们的晚年生活能够幸福！爸爸的一生，都在付出，为了家和家人而付出，如今的我们，都已经成家，更加体会到了为人父母的心酸苦楚，我们能做的就是常回家看看！让父母不感到孤独！我们都是母亲身上掉下来的一块肉，我们跟母亲之间的关系，血浓于水，彼此间的那种爱，是神圣而又不可侵犯的，是妈妈给了我们生命，也是妈妈无怨无悔的把我们抚养成人，在我们成长的过程中，不管是好还是不好，妈妈都一味的去包容，去引领着我们我和妈妈的温情小生活，母爱，总是那么的伟大！都说慈母多败儿，其实啊，母亲在我们的生活着，扮演着不可或缺的角色，没有母亲的无私奉献，又怎会有我们的今天呢？更多的时候，是我们忽略了母亲的重要性，甚至是把母亲对我们的关心和爱护变成了理所当然！其实啊，也是因为我们从出生的时候，就拥有了母亲的爱，也就变得不那么的珍惜了！我觉得，我们生活在这个世上，更要好好地对待我们的母亲，在我的记忆深处，母亲总是很慈祥的，她也有属于她自己的小忧愁，但是，却从来都不会让我们知道，不管生活中，遇到了什么困难或者坎坷，她总是自己一个人想办法面对和解决！以至于曾经的我一直觉得母亲是万能的，没有什么困难事情是母亲不能解决的！儿时记忆中，最深刻的一件事情就是那年的的大冬天，下了很厚很厚的雪，我跟哥哥上学的地方是需要骑着自行车去的，妈妈早早的叫醒了我和哥哥，并且告诉我们下大雪了，路上滑，要早点出发，路上慢一点走，当我们吃了早饭准备出发的时候，妈妈也跟着一起出发了。大冬天的，天黑黑的，母亲拿着手电筒，给我和哥哥照明，因为下了雪，有的路段不好走，我们就推着自行车，一路上有说有笑的，时不时的哥哥还会调皮一下，就这样，母亲拿着照明灯，一路护送我和哥哥到了学校，现在回想起来曾经的岁月，满满的回忆，满满的温暖！不知不觉间，我们就都长大了，哥哥也成家了，有自己的孩子，妈妈看着我们生活幸福，她也就是开心满足了，可是，岁月却是那么的无情，不知不觉间，妈妈的眼角就多了些许的皱纹，她在岁月的淘洗中，渐渐地老去了！她没有多么伟大的理想，唯一的希望，就是我们都能够生活的健康，平安，快乐，幸福！母亲，从来都不曾奢望我们能够有多么大的丰功伟绩，最大的心愿就是我们平安快乐，她的一生心血，都在我们这些孩子身上，而对于她自己，似乎总是少了很多的关心，作为儿女，长大后的忙碌，确实忽略了对母亲的爱，当我们真正的意识到母亲老去的时候，岁月一晃已经过去了几十年！母爱，虽然平凡，但是却很伟大，我跟妈妈的温情小生活，那些记忆中的点滴，一直萦绕在脑海中，让我感受到幸福，感受到温暖！爱你，亲爱的妈妈，愿你生活幸福，健康平安！其实也就是平凡的一年，和往常相比较，也没有太多的区别，唯一的不同就是自己就业了，不再是学生了，也不再是那个向父母伸手就要钱的小姑娘了！步入社会的自己，很开心，同时也很紧张，毕竟社会才是一个真正的大染缸，才能让一个人真正的成长和坚强！父母的爱，平凡中渗透着伟大，这一年，感恩父母！在初入社会的这一年里，是要感恩很多的朋友同事领导，但是，我最想要感恩的两个人，其实就是我的爸爸妈妈！也许，你会觉得很奇怪，步入社会，经历的很多人或事，不应该都是单位或者工作吗？怎么会是要感恩父母呢？没错，我最最想要感恩的就是我们爸爸和妈妈！为什么呢？且听我慢慢道来！每一年的母亲节和父亲节，都只有一天，我想先和大家分享一下父亲节发生的小故事，虽然很平凡，很普通，但是我的心确实五味杂陈暖暖的！这一年的自己，已经参加了工作，也有了自己的收入，