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 探索宇宙知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

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 探索宇宙知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第3节 广义相对论初步 ‎ 第4节 探索宇宙 思维激活 ‎“上下四方曰宇，古往今来曰宙”，我们的祖先从空间和时间的角度深刻地描绘了宇宙.晴朗的夜晚，仰望茫茫太空，繁星闪烁，斗转星移，你是否深思过，感叹过，我们赖以生存的广阔地球，在宇宙中也不过是沧海一粟，宇宙到底有多大,宇宙里到底有什么,宇宙是否也像一粒种子一样有其萌发、生长、成熟、消亡的自然规律呢？‎ 提示:根据广义相对论和对宇宙的大量观察、分析、研究，人们提出了“大爆炸”宇宙模型，宇宙起源于一个“奇点”，也有其演化的规律，宇宙的未来归宿怎么样等许多悬而未决的难题，正等待着我们这些风华正茂的同学们去研究探索.‎ 自主整理 一、广义相对论初步 ‎1．广义相对论有两个基本原理：‎ ‎（1）广义相对性原理：在_______________中_______________都是相同的.‎ ‎(2)等效原理: _______________与_______________不可区分.‎ ‎2．广义相对论深刻地揭示了时间、空间与_______________的密切关系.‎ ‎3.广义相对论的实验检验主要有4项,分别是(1)水星近日点的_______________;(2)光线在引力场中的_______________;(3)引力_______________现象;(4)雷达回波_______________.‎ 二、探索宇宙 ‎1.“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个_______________，在该点，温度为无穷大，物质密度为无穷大，空间_______________，即发生宇宙大爆炸，之后，宇宙不断_______________，温度不断_______________，大约经历了_______________年，形成了我们今天的宇宙.‎ ‎2.黑洞是看不见的天体,是没有“出口”的“洞”，是一个具有_______________的空间区域.‎ 高手笔记 ‎1.广义相对论的两个基本原理 ‎（1）在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对论原理.在广义相对论中,爱因斯坦把狭义相对性原理发展到了非惯性系.‎ ‎(2)匀加速参考系中惯性力场与均匀引力场不可区分,这就是等效原理.‎ ‎2.广义相对论的时空结构 加速参考系中出现的惯性力等效于引力,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,得出如下结论:‎ ‎(1)引力场中,时钟变慢,引力场越强,时钟变慢越甚,这就是引力的存在对时间的影响.‎ ‎(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(直尺变短),发生了弯曲;引力越强的地方,这种效应越明显.‎ ‎3.大爆炸宇宙学 宇宙起源于一个奇点,在该奇点,温度为无穷大,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150亿年形成我们今天的宇宙.‎ 宇宙还处于膨胀阶段,未来将会怎样演化,目前还不能确定.‎ 名师解惑 ‎1.怎样正确理解广义相对性原理?‎ 剖析:前面我们学过经典相对性原理,也学习了狭义相对性原理,这里的广义相对性原理与前两者都不相同,不管是参考系的范围还是规律的范围都扩大了,这里的规律是指物理规律，这里的参考系是指任何参考系.‎ ‎2.怎样理解等效原理?‎ 剖析:我们可以从引力场和匀加速参考系产生的效果上来考虑等效原理,引力场的作用是使物体加速向下运动,如果参考系是加速向上运动的,我们将会观察到静止的物体也“向下”运动，它们两者产生的效果是一样的，也就是说，非惯性参考系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的.‎ 讲练互动 ‎【例题1】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.‎ 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 绿色通道 正确理解广义相对论的等效原理,知道它的假设推理的过程.‎ 变式训练 ‎1.怎样由广义相对论的基本原理推断出光在引力场中将发生弯曲?‎ 解析：假设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(如图),船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的,但是航天员以飞船为参考系看到的却是另外一番情景.‎ 以加速运动的飞船为参考系,光线会弯曲 为了记录光束在飞船中的径迹,航天员在船里等距离地放置一些半透明的屏,光可以透过这些屏,同时在屏上留下光点.由于飞船在前进,光到达右边一屏的位置总会比到达左边一屏的位置更加靠近船尾,如果飞船做匀速直线运动,飞船上的观察者看到光的径迹仍是一条直线(图中的虚线).然而,如果飞船做匀加速直线运动,在光向右传播的同时,飞船的速度也在不断增大,因此船上观察者记录下的光的径迹是一条曲线(图中的实线).‎ 根据等效原理,航天员也完全可以认为飞船没有加速运动,而是在船尾方向存在一块巨大的物体,它的引力场影响了飞船内的物理过程,因此我们得出结论:物质的引力使光线弯曲.‎ 答案：见解析 ‎【例题2】哪些实验观测支持广义相对论?‎ 解析:‎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.‎ 绿色通道 广义相对论已得到了许多天文观察和宇宙观察的验证,可查阅有关资料,也可上网查询,以了解更多的信息.‎ 变式训练 ‎2.什么是引力红移现象?‎ 答案：根据广义相对论,在引力场中,时钟变慢,太阳表面附近的引力场很强,原子发光的振动周期可以看成一台时钟,所以原子在太阳表面附近发出光的周期应比同类原子在地球表面附近发出光的周期长,周期长表示波长长,频率偏低,颜色偏红,这种现象称为“光谱线的引力红移”现象.该现象已多次在天文观测中得到证实.‎