高中物理 第6章 相對論與天體物理 第3節(jié) 廣義相對論初步 第4節(jié) 探索宇宙知識導(dǎo)航素材 魯科版選修34

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1、 第3節(jié) 廣義相對論初步 第4節(jié) 探索宇宙 思維激活 “上下四方曰宇，古往今來曰宙”，我們的祖先從空間和時間的角度深刻地描繪了宇宙.晴朗的夜晚，仰望茫茫太空，繁星閃爍，斗轉(zhuǎn)星移，你是否深思過，感嘆過，我們賴以生存的廣闊地球，在宇宙中也不過是滄海一粟，宇宙到底有多大,宇宙里到底有什么,宇宙是否也像一粒種子一樣有其萌發(fā)、生長、成熟、消亡的自然規(guī)律呢？ 提示:根據(jù)廣義相對論和對宇宙的大量觀察、分析、研究，人們提出了“大爆炸”宇宙模型，宇宙起源于一個“奇點”，也有其演化的規(guī)律，宇宙的未來歸宿怎么樣等許多懸而未決的難題，正等待著我們這些風(fēng)華正茂的同學(xué)們?nèi)パ芯刻剿? 自主整理 一

2、、廣義相對論初步 1．廣義相對論有兩個基本原理： （1）廣義相對性原理：在_______________中_______________都是相同的. (2)等效原理: _______________與_______________不可區(qū)分. 2．廣義相對論深刻地揭示了時間、空間與_______________的密切關(guān)系. 3.廣義相對論的實驗檢驗主要有4項,分別是(1)水星近日點的_______________;(2)光線在引力場中的_______________;(3)引力_______________現(xiàn)象;(4)雷達(dá)回波_______________. 二、探索宇宙 1.“大

3、爆炸”宇宙模型認(rèn)為，宇宙起源于一個_______________，在該點，溫度為無窮大，物質(zhì)密度為無窮大，空間_______________，即發(fā)生宇宙大爆炸，之后，宇宙不斷_______________，溫度不斷_______________，大約經(jīng)歷了_______________年，形成了我們今天的宇宙. 2.黑洞是看不見的天體,是沒有“出口”的“洞”，是一個具有_______________的空間區(qū)域. 高手筆記 1.廣義相對論的兩個基本原理 （1）在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的，這就是廣義相對論原理.在廣義相對論中,愛因斯坦把狹義相對性原理發(fā)展到了非慣性系. (2)勻加

4、速參考系中慣性力場與均勻引力場不可區(qū)分,這就是等效原理. 2.廣義相對論的時空結(jié)構(gòu) 加速參考系中出現(xiàn)的慣性力等效于引力,引力的出現(xiàn)對時空的影響,也就等效于加速參考系中的時空結(jié)構(gòu),通過對轉(zhuǎn)動大圓盤的研究,得出如下結(jié)論: (1)引力場中,時鐘變慢,引力場越強,時鐘變慢越甚,這就是引力的存在對時間的影響. (2)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(直尺變短),發(fā)生了彎曲;引力越強的地方,這種效應(yīng)越明顯. 3.大爆炸宇宙學(xué) 宇宙起源于一個奇點,在該奇點,溫度為無窮大,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

5、不斷膨脹,溫度不斷降低,大約經(jīng)歷150億年形成我們今天的宇宙. 宇宙還處于膨脹階段,未來將會怎樣演化,目前還不能確定. 名師解惑 1.怎樣正確理解廣義相對性原理? 剖析:前面我們學(xué)過經(jīng)典相對性原理,也學(xué)習(xí)了狹義相對性原理,這里的廣義相對性原理與前兩者都不相同,不管是參考系的范圍還是規(guī)律的范圍都擴大了,這里的規(guī)律是指物理規(guī)律，這里的參考系是指任何參考系. 2.怎樣理解等效原理? 剖析:我們可以從引力場和勻加速參考系產(chǎn)生的效果上來考慮等效原理,引力場的作用是使物體加速向下運動,如果參考系是加速向上運動的,我們將會觀察到靜止的物體也“向下”運動，它們兩者產(chǎn)生的效果

6、是一樣的，也就是說，非慣性參考系中出現(xiàn)的慣性力與引力在力學(xué)效應(yīng)上是等效的. 講練互動 【例題1】假如宇宙飛船是全封閉的,航天員與外界沒有任何聯(lián)系,但是航天員觀察到,飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底,請分析這些物體運動的原因及由此得到的結(jié)論. 解析：飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底的原因可能是飛船正在向遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行,也可能是由于飛船處于某個星球的引力場中,實際上飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們飛船到底是加速運動還是停泊在一個行星的表面. 這個事實說明:一個勻加速運動的非慣性系中出現(xiàn)的慣性力與引力在力學(xué)效應(yīng)上是等效的.即勻加速參考系中的慣性力場

7、與均勻引力場不可區(qū)分. 答案：見解析 綠色通道 正確理解廣義相對論的等效原理,知道它的假設(shè)推理的過程. 變式訓(xùn)練 1.怎樣由廣義相對論的基本原理推斷出光在引力場中將發(fā)生彎曲? 解析：假設(shè)在引力可以忽略的空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動,一束光垂直于運動方向在飛船內(nèi)傳播(如圖),船外靜止的觀察者看到這束光是沿直線傳播的,但是航天員以飛船為參考系看到的卻是另外一番情景. 以加速運動的飛船為參考系,光線會彎曲 為了記錄光束在飛船中的徑跡,航天員在船里等距離地放置一些半透明的屏,光可以透過這些屏,同時在屏上留下光點.由于飛船在前進(jìn),光到達(dá)右邊一屏的位置總會比到達(dá)

8、左邊一屏的位置更加靠近船尾,如果飛船做勻速直線運動,飛船上的觀察者看到光的徑跡仍是一條直線(圖中的虛線).然而,如果飛船做勻加速直線運動,在光向右傳播的同時,飛船的速度也在不斷增大,因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條曲線(圖中的實線). 根據(jù)等效原理,航天員也完全可以認(rèn)為飛船沒有加速運動,而是在船尾方向存在一塊巨大的物體,它的引力場影響了飛船內(nèi)的物理過程,因此我們得出結(jié)論:物質(zhì)的引力使光線彎曲. 答案：見解析 【例題2】哪些實驗觀測支持廣義相對論? 解析:1919年5月29日,兩支英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西,利用日全食的機會對恒星進(jìn)行觀測,觀測到恒星的位置與實際不符

9、,證明了光線經(jīng)過太陽附近的引力場時發(fā)生了彎曲,彎曲的角度與廣義相對論計算的結(jié)果吻合. 1959年,科學(xué)家完成了第一個地面上的引力紅移實驗,發(fā)現(xiàn)氫原子發(fā)射的光從太陽傳播到地球時,它的頻率要比地球上氫原子發(fā)射的光的頻率低,1961年,科學(xué)家們觀察到太陽光譜的鈉譜線的引力紅移與相對論計算的結(jié)果比較符合. 通過發(fā)現(xiàn)水星近日點的進(jìn)動是每世紀(jì)5 600.73″,比牛頓力學(xué)理論計算值相比多了43.11″,這個差別非常小,卻成為天文學(xué)的一個難題,而廣義相對論成功地預(yù)言水星近日點的進(jìn)動還應(yīng)有每世紀(jì)43.03″的附加值,也被看作是廣義相對論的一大實驗驗證. 綠色通道 廣義相對論已得

10、到了許多天文觀察和宇宙觀察的驗證,可查閱有關(guān)資料,也可上網(wǎng)查詢,以了解更多的信息. 變式訓(xùn)練 2.什么是引力紅移現(xiàn)象? 答案：根據(jù)廣義相對論,在引力場中,時鐘變慢,太陽表面附近的引力場很強,原子發(fā)光的振動周期可以看成一臺時鐘,所以原子在太陽表面附近發(fā)出光的周期應(yīng)比同類原子在地球表面附近發(fā)出光的周期長,周期長表示波長長,頻率偏低,顏色偏紅,這種現(xiàn)象稱為“光譜線的引力紅移”現(xiàn)象.該現(xiàn)象已多次在天文觀測中得到證實. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375