2019-2020学年高中物理 第六章 相对论 第5节 广义相对论点滴（选学）学案 教科版选修3-4

第5节广义相对论点滴(选学)1.初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据.(重点难点)2.关注宇宙研究的新进展，体会人类对自然的认识在不断扩展.一、广义相对性原理和等效原理1.广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性系)中物理规律都是一样的.2.等效原理：一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的惯性系统是等效的.二、支持广义相对论的几个观测结果1.光在引力场中传播时，将会发生偏折，而不再是直线传播.2.在引力作用下光波发生频移.3.在引力场中时间会延缓，引力越强，时钟就走得越慢.4.水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的不一致.5.当天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波.三、宇宙的演化我们所在的宇宙是从一个“宇宙蛋”发生爆炸而演化得来的.这一学说得到了广泛的观测支持.至今宇宙的年龄约137亿年.了解广义相对论1.广义相对论的时空结构(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，时钟变得越慢.(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.在与引力垂直的方向上，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.2.广义相对论的实验检验(1)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，这个效应以离太阳最近的水星最为显著.牛顿对此作出的解释与实际观测结果不相符，而广义相对论成功地解释了水星近日点的进动.(2)光线在引力场中偏转根据电磁理论和经典光学，在无障碍的情况下，光线是直线传播的.但按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的.引力场越强，弯曲越厉害.(3)引力红移在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象.光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“引力红移”，这一预言也已经在对白矮星(天狼星伴星)的观测中所证实.(4)雷达回波延迟光经过大质量物体附近时发生弯曲，可以看成光多走了一段路程或等效为光速变慢.从地球上发出的雷达信号，经太阳附近到达某一星球后再反射回地球，传播时间会有所延迟.20世纪60年代，人们通过大量实验，证实了延迟现象.如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着a、b、c三个时钟，下列说法正确的是()aa时钟走时最慢，b时钟走时最快ba时钟走时最慢，c时钟走时最快cc时钟走时最慢，a时钟走时最快db时钟走时最慢，a时钟走时最快解析根据广义相对论的等效原理可知，加速参考系中出现的惯性力等效于引力，在引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越甚，转盘上的观察者认为，圆盘是静止的，在圆盘上存在着一个引力(非惯性力，与向心力大小相等、方向相反)，方向指向边缘，越靠近边缘，引力越强，钟走时越慢，所以c选项正确.答案c分析非惯性系中物理问题时，采用等效思想，结合时空结构解题简捷.如本题中惯性力等效于引力，利用引力对时间的影响，方便比较. 【通关练习】1.(多选)以下说法中，错误的是()a中子星表面的引力很强b在引力场弱的地方比引力场强的地方，时钟走得快些c在引力场越弱的地方，时间进程越慢d在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移解析：选cd因中子星体积很小，质量却不小，所以中子星表面引力很强，a正确；根据广义相对论的结论，引力场越强，时间进程越慢，b正确；c错误；在引力场强的地方，光谱线向红端偏移，称为引力红移，d错误.2.(多选)在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是()a船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播b船外静止的观察者看到这束光沿曲线传播c航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播d航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的解析：选ad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.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.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，引力场与匀加速参考系等价.宇宙的起源和构成1.大爆炸宇宙模型的主要观点(1)关于宇宙的起源宇宙起源于一个奇点，奇点温度无穷高、密度无穷大.宇宙发生大爆炸，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.(2)关于宇宙的演化：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.2.宇宙在未来的发展有两种可能(1)如果宇宙的膨胀率很大，密度很小，那么宇宙可能不断膨胀下去，称为开宇宙(或平直宇宙).(2)如果宇宙膨胀率很小或质量密度很大，现在的宇宙膨胀到某个极大值后便收缩，直至收缩成一个新的奇点后再次发生大爆炸，称为闭宇宙(封闭的宇宙).3.宇宙的组成：卫星绕着行星转动，行星绕着恒星转动，众多的恒星组成的集团叫星系，如银河系，众多的星系则构成宇宙的主体.4.恒星的演化：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甚至几百万倍形成新星，或者亮度增加几千万倍或几亿倍形成超新星，爆发后的残骸形成中子星或者黑洞.黑洞是一个具有巨大引力的空间区域.对大爆炸理论提供支持的事实是()a水星近日点的进动b光线在引力场中的弯曲c哈勃发现，遥远恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长d长度缩短效应解析大爆炸理论的主要观点是宇宙起源于一个“奇点”，发生大爆炸后，宇宙不断膨胀，温度不断降低.根据多普勒效应，如果恒星离我们而去，光的颜色偏红.哈勃的发现，表明不管往哪个方向看，远处的星系正急速远离我们而去，所以c正确.答案c 1.(多选)下列说法中，正确的是()a由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星b强引力作用可使光谱线向红端偏移c引力场越强的位置，时间进程越慢d由于物质的存在，实际的空间是弯曲的解析：选abcd由广义相对论我们知道：物质的引力使光线弯曲，因此选项a、d是正确的.在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以选项b、c正确.2.(多选)下列属于广义相对论结论的有()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：cd3.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解析：选c根据爱因斯坦的广义相对论，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.而a、b、d的说法均错误.4.(多选)下列说法正确的是()a哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系正急速的远离我们而去b哈勃发现的“红移”现象说明地球是宇宙的中心c“新星”和“超新星”是刚刚产生的恒星d“超新星”和“新星”的产生说明恒星正在不断灭亡解析：选ad哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系在远离我们，但不能说明我们就处于宇宙的中心，只能说明我们与远处的星系存在相对运动，故a对，b错.“新星”和“超新星”是恒星消亡时的一种现象，故c错，d对.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