2018-2019學(xué)年高中物理 第6章 相對論與天體物理 第2講 廣義相對論初步 探索宇宙學(xué)案 魯科版選修3-4

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1、第2講 廣義相對論初步 探索宇宙 [目標(biāo)定位] 1.了解廣義相對論的基本原理.2.初步了解廣義相對論的幾個主要觀點以及主要觀測證據(jù).3.了解宇宙起源與宇宙內(nèi)部構(gòu)成. 一、廣義相對論初步 1.廣義相對論的基本原理 (1)廣義相對性原理:在任何參考系(包括非慣性系)中物理規(guī)律都是相同的. (2)等效原理:勻加速參考系中的慣性力場與均勻引力場不可區(qū)分. 2.廣義相對論的時空結(jié)構(gòu) (1)引力的存在對時間的影響:在引力場中,時鐘變慢. (2)引力的存在對空間的影響:引力的存在會使空間變形,在引力方向上,空間間隔不變.在與引力垂直的方向上,空間間隔變短,發(fā)生了彎曲. 3.廣義相對論的

2、實驗檢驗 (1)水星近日點的進(jìn)動 愛因斯坦用廣義相對論引力場方程,經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算,得出水星近日點的進(jìn)動還應(yīng)有每百年43.03″的附加值,這是時空彎曲對平方反比律的修正引起的. (2)光線在引力場中發(fā)生彎曲. (3)引力紅移現(xiàn)象 引力場的存在使原子在太陽表面附近發(fā)出的光比同類原子在地球表面附近發(fā)出的光,波長長、頻率偏低、顏色偏紅. (4)雷達(dá)回波延遲:從地球上發(fā)出的雷達(dá)信號.經(jīng)太陽附近到達(dá)某一星球后再反射回地球,傳播時間會有所延遲. 二、探索宇宙 1.宇宙的起源 宇宙起源于一個“奇點”,在該奇點,溫度為無窮大,物質(zhì)密度為無窮大,空間急劇膨脹,即發(fā)生宇宙大爆炸之后,宇宙不斷膨

3、脹,溫度不斷降低,大約經(jīng)歷了150億年,形成了我們今天的宇宙. 2.宇宙里有什么 宇宙中有眾多由恒星組成的星系,天穹上大多數(shù)光點是銀河系中的恒星,太陽是銀河系中的一顆恒星.在太陽系中除了八大行星外還有幾十顆衛(wèi)星、眾多小行星、難以計數(shù)的彗星和流星體等. 對廣義相對論的理解 1.廣義相對性原理與狹義相對性原理并不相同.狹義相對性原理僅適用于慣性系,而廣義相對性原理適用于一切參考系. 2.光線在引力場中彎曲,以及引力紅移現(xiàn)象都是在引力場很強的情況下產(chǎn)生的效應(yīng). 3.光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的現(xiàn)象,在我們的日常生活中仍然成立. 例1 下列說法中正確的是(  ) A.在任何參考

4、系中,物理規(guī)律都是相同的,這就是廣義相對性原理 B.在不同的參考系中,物理規(guī)律都是不同的,例如牛頓定律僅適用于慣性參考系 C.一個均勻的引力場與一個做勻速運動的參考系等價,這就是著名的等效原理 D.一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價,這就是著名的等效原理 解析 根據(jù)廣義相對論基本原理可知,選項A、D正確. 答案 AD 例2 下列說法中正確的是(  ) A.物質(zhì)的引力使光線彎曲 B.光線彎曲的原因是介質(zhì)不均勻而非引力作用 C.在強引力的星球附近,時間進(jìn)程會變慢 D.廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象 解析 從廣義相對論的兩個基本假設(shè)可以得出:物質(zhì)的引力使光線彎曲;引

5、力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別,如在矮星表面的引力很強,那里的時間進(jìn)程變慢,從而導(dǎo)致引力紅移,所以正確的選項為A、C、D. 答案 ACD    對廣義相對論的理解 1.廣義相對論的兩條基本原理分別如下,廣義相對性原理:____________________________;等效原理:______________________________. 答案 在任何參考系中,物理規(guī)律都是相同的 一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價 2.在日全食的時候,通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星,這說明星體發(fā)出的光(  ) A.經(jīng)太陽時發(fā)生了衍射 B.可以穿透太陽及其他

6、障礙物 C.在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲 D.經(jīng)過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射 解析 根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可知,光線在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲,所以可以在適當(dāng)?shù)臅r候(如日全食時)通過儀器觀察到太陽后面的恒星,故C正確. 答案 C 3.下列說法中正確的是(  ) A.萬有引力可以用狹義相對論作出正確的解釋 B.電磁力可以用狹義相對論作出正確的解釋 C.狹義相對論是慣性參考系之間的理論 D.萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架 答案 BCD 4.關(guān)于廣義相對論和狹義相對論之間的關(guān)系.下列說法正確的是(  ) A.它們之間沒有任何聯(lián)系 B.有了廣義相對論,狹義相對論就沒

7、有存在的必要了 C.狹義相對論能夠解決時空彎曲問題 D.為了解決狹義相對論中的參考系問題提出了廣義相對論 解析 狹義相對論之所以稱為狹義相對論,就是只能對于慣性參考系來講的,時空彎曲問題是有引力存在的問題,需要用廣義相對論進(jìn)行解決. 答案 D 5.下列說法中,正確的是(  ) A.由于太陽引力場的影響,我們有可能看到太陽后面的恒星 B.強引力作用可使光譜線向紅端偏移 C.引力場越強的位置,時間進(jìn)程越快 D.由于物質(zhì)的存在,實際的空間是彎曲的 解析 由廣義相對論可知:物質(zhì)的引力使光線彎曲,因此選項A、D是正確的;在引力場中時間進(jìn)程變慢,而且引力越強,時間進(jìn)程越慢,因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象,所以選項B正確,C錯誤. 答案 ABD 6.若宇宙飛船是全封閉的,航天員與外界沒有任何聯(lián)系,當(dāng)他發(fā)現(xiàn)飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底,由此,他作出如下判斷中,正確的說法是(  ) A.此飛船一定是停在某個星球的表面上 B.此飛船一定是正在遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行 C.此飛船可能是停在某個星球的表面上,也可能是正在遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行 D.此飛船可能在遠(yuǎn)離任何天體的空間中勻速飛行 答案 C 4

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