2018-2019學年高中物理 第6章 相對論與天體物理 第2講 廣義相對論初步 探索宇宙學案 魯科版選修3-4.docx

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第2講　廣義相對論初步　探索宇宙 [目標定位]　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部構成． 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構 (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．廣義相對論的實驗檢驗 (1)水星近日點的進動 愛因斯坦用廣義相對論引力場方程，經(jīng)過復雜的數(shù)學運算，得出水星近日點的進動還應有每百年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)雷達回波延遲：從地球上發(fā)出的雷達信號．經(jīng)太陽附近到達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． 3．光在同一種均勻介質中沿直線傳播的現(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．物質的引力使光線彎曲 B．光線彎曲的原因是介質不均勻而非引力作用 C．在強引力的星球附近，時間進程會變慢 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可以得出：物質的引力使光線彎曲；引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別，如在矮星表面的引力很強，那里的時間進程變慢，從而導致引力紅移，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?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．關于廣義相對論和狹義相對論之間的關系．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，時間進程越快 D．由于物質的存在，實際的空間是彎曲的 解析　由廣義相對論可知：物質的引力使光線彎曲，因此選項A、D是正確的；在引力場中時間進程變慢，而且引力越強，時間進程越慢，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，當他發(fā)現(xiàn)飛船內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，也可能是正在遠離任何天體的空間加速飛行 D．此飛船可能在遠離任何天體的空間中勻速飛行 答案　C