2019-2020学年高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3节 广义相对论初步 第4节 探索宇宙学案 鲁科版选修3-4

第3节 广义相对论初步第4节 探索宇宙1.知道广义相对论的两个基本原理，知道什么是惯性力.（重点难点）2.了解广义相对论的时空结构，了解时空弯曲.（重点难点）3.了解广义相对论的三个实验验证.（重点）4.了解宇宙的起源、演化和未来，知道宇宙里有些什么.5.了解人类对宇宙的永不停息的探索.一、广义相对论初步1.广义相对论的两个基本原理（1）广义相对性原理：在任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的.（2）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.（3）在一个以加速度a运动的非惯性参考系中，任何物体都会受到一个与非惯性系运动方向相反的力，这个力叫惯性力.其中fma.2.广义相对论的时空结构广义相对论深刻地揭示了时间、空间与物质的运动和分布的密切关系.（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，时钟变慢越甚.（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；（2）光线在引力场中的弯曲；（3）引力红移现象；（4）雷达回波延迟.1.实验验证爱因斯坦广义相对论的时空结构理论是正确的，那么牛顿的时空结构理论就是错误的，这种认识是否正确？提示：牛顿力学理论及时空观理论是相对论理论在低速宏观情境下的近似，有着实际的现实意义，并不能说是错误的.二、探索宇宙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（1）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1000亿个以上.（2）黑洞是看不见的天体，是没有“出口”的“洞”，是一个具有巨大引力的空间区域.3.永不停息的探索16世纪初，意大利科学家伽利略首次利用望远镜对准天空观测.后来，人们又发明了射电望远镜，并修建了天文台.各国还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测.2.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，它们是从相对静止与运动的发展趋势两个不同方面对同一事物的辩证认识.了解广义相对论1.狭义相对论的局限性（1）狭义相对论认为一切物理规律在任何惯性系中都具有相同的形式.但客观世界中并不存在惯性参考系.（2）引力作用下的运动规律本身就不是惯性规律，牛顿的万有引力定律无法满足狭义相对论的要求.2.广义相对论的两个基本原理（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从惯性参考系推广到了包括非惯性系在内的所有参考系，一切参考系对于描述物理规律和物理现象来说都是平等的，无论用什么参考系，物理规律都是相同的.（2）等效原理：在物理学中，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系的惯性力场有等效性.3.广义相对论的时空结构广义相对论允许在加速参考系中描述自然现象，加速参考系中出现的惯性力等效于引力.那么，引力的出现对时空的影响，也就等效于加速参考系中的时空结构，通过对转动大圆盘的研究可知：（1）引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越明显，这就是引力的存在对时间的影响.因此，在加速参考系中，时钟也会变慢.（2）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）引力场是由质量不为零的物质产生的，引力使时空发生变化，其实是由于物质的存在使时空发生变化.广义相对论的时空观认为，时间和空间不仅与参考系有关，还与物质的运动和分布有关，在密度越大，质量越大处空间弯曲越严重.（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.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.思路点拨匀加速参考系中的惯性力场与均匀力场不可区分.解析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.答案见解析典型问题相对论速度变换公式及应用1.公式：设参考系相对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u.2.理解（1）当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u取负值.（2）若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用.（3）由公式可知：u一定比uv小，但当uc，vc时，可认为uuv，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度变换式.（4）若uvc时，uc，从而证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变的原理，即c在任何惯性系中都是相同的.地球上一观察者，看见一飞船a以速度2.5108 m/s从他身边飞过，另一飞船b以速度2.0108 m/s与a反向飞行.求：（1）a上的乘客看到b的速度是多大？（2）b上的乘客看到a的速度是多大？解题探究取a飞行的方向为正时，a上的乘客看到地面的速度为正还是负？b相对地面的速度为正还是负？解析（1）取a飞行的方向为正，a上的乘客看到地面的速度为u2.5108 m/s，b相对地面的速度v2.0108 m/s则a上的乘客看b的速度为：u m/s2.9108 m/s.（2）同理b看a的速度大小为2.9108 m/s.答案（1）2.9108 m/s（2）2.9108 m/s设想有一艘