课件46张PPT。第6章 相对论与天体物理
第1节 牛顿眼中的世界
第2节 爱因斯坦眼中的世界1.在描述物体的运动时，选来作为参考的另外物体称为
_______。
2.参考系的选取是任意的，一般以_____为参考系。
3.某同学在汽车上以速度v1向前行走，汽车同时以速度v2向前
行驶，则该同学对地的速度为_____。 参考系地面v1+v24.在地面上和匀速运动的火车上，时钟走得_______。
5.在匀速运动的火车中，一根木棒的长度是_______。一样快不变的一、牛顿眼中的世界
1.经典力学的相对性原理：通过任何力学实验，都不可能发现
惯性系是处于_________状态还是在做_____________。也就是
说，不可能通过力学实验测得惯性系的_________。这种现象
表明，力学规律在任何惯性系中都是_______。这个结论称为
经典力学的相对性原理。绝对静止匀速直线运动绝对速度相同的2.绝对时空观：
(1)绝对时空观：在牛顿眼中的世界里，力学规律之所以在
___________中表达形式都相同，其根本原因是时间与空间不
会随参考系不同而变化，也就是说___________是绝对的。
(2)经典物理学两大支柱：_________和_________是经典物理
学的支柱。
(3)经典力学的速度叠加原理：在经典力学中如果某一惯性系
相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为
u′，那么，此物体相对另一惯性系的速度是________。任何惯性系时间和空间绝对时间绝对空间u=u′+v3.寻找“以太”——迈克尔孙实验：
(1)19世纪的科学家认为，波是振动在_____中的传播，光速c
是“以太”介质振动的传播速度。“以太”是_________的，
可看成绝对静止的参考系，光在_________中朝各个方向的传
播速度皆为c。
(2)物理学家们设计了各种检验“以太”存在的实验，其中最
著名的是______________实验。介质绝对静止“以太”迈克尔孙-莫雷二、爱因斯坦眼中的世界
1.狭义相对论的两条基本原理：
(1)狭义相对性原理：物理规律(力学、电磁学、光学等)对于
所有惯性系都具有___________。
(2)光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度
______，与光源的运动和观测者的运动无关。相同的形式恒为c2.狭义相对论中的时间和空间：
(1)根据狭义相对论，“同时”不再具有绝对的意义，“同时”
是_______。运动的时钟会变慢，这就是_________效应。
(2)根据狭义相对论，长度与观察者的_________有关，运动的
物体在运动方向上发生了_____，这就是_________效应。相对的时间延缓运动状态收缩长度缩短3.相对论的速度叠加：
(1)狭义相对论的速度叠加公式为 由该公式可推
知，光速在静止参考系和运动参考系中具有相同的数值是__。
(2)在低速世界，物体的运动可以用_________来描述，而在高
速世界，物体的运动必须用_______来描述。c经典力学相对论【思考辨析】
1.判断正误：
(1)牛顿定律在任何参考系中都成立。 ( )
(2)经典物理学认为，时间和空间可以脱离物质而存在。
( )
(3)迈克尔孙-莫雷实验是没有其他目的的干涉实验。 ( )
(4)狭义相对论认为，物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式。 ( )
(5)按照速度叠加，物体的速度可以超过光的速度。( ) 提示：(1)×。牛顿定律应是在惯性系中都成立。
(2)√。经典物理理论认为时间和空间是绝对的，可以脱离物质而存在。
(3)×。迈克尔孙-莫雷实验的目的是利用干涉原理来检验绝对静止的参考系是否存在。
(4)√。狭义相对论认为，物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式。
(5)×。在高速世界，物体的运动必须用相对论来描述，相对论中光速是最大速度。 2.问题思考：
(1)爱因斯坦的相对论推翻了牛顿的经典物理理论，这种说法正确吗?
提示：这种说法是错误的。经典理论适用于低速、宏观状态，而相对论不仅在低速、宏观状态，而且在高速、微观世界同样是适用的，应该说爱因斯坦的相对论更加完善了牛顿的经典物理理论。
(2)为什么“超光速”不存在?
提示：按照相对论的速度叠加公式，光速为最大速度，不可能存在超光速。一、经典的相对性原理
1.惯性系和非惯性系：
(1)牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性系，相对于这个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系。
(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。 2.绝对时空观：
在经典力学里，时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的。
(1)绝对时间：两个同时发生的事件，不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者，他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的。某事件经历的时间不会因参考系不同而不同。可见，“同时”是绝对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关。(2)绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在。这就是绝对空间概念。3.迈克尔孙-莫雷实验：
(1)实验背景
根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说，“电磁波的速度是c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论。于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁场理论相对于哪个参考系成立?如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，那么光相对于S′的速度应该是(c-v)而不是c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样。(2)实验结论
“以太”是不存在的。 【学而后思】
(1)在经典力学中，为什么力学规律在任何惯性系中的表达形式都相同?
提示：在经典力学中，时间与空间不随参考系的不同而改变，也就是说时间和空间是绝对的。
(2)迈克尔孙-莫雷实验说明了什么?
提示：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的。 【典例1】如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为m=5kg的小球，正随车厢一起以20m/s的速度匀速前进。现在给小球一个水平向前的F=5N的拉力作用，求经10s时间，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少?【解题探究】(1)选择不同的参考系，对观察结果有什么影响?
提示：选择不同的参考系，其观察结果可能不一样。
(2)如何求解地面上观察者看到小球的速度是多少?
提示：根据速度的叠加原理和牛顿第二定律可以解决地面上观察者看到小球的速度是多少。【标准解答】对车上的观察者：
小球的初速度为0，加速度 10 s末小球的速度
v1=at=10 m/s。
对地上的观察者：
方法一：小球的初速度v0=20 m/s，
加速度仍为
10 s末小球的速度v2=v0+at=30 m/s。
方法二：根据速度合成法，则
v2=v1+v0=(10+20) m/s=30 m/s
答案：10 m/s 30 m/s【总结提升】经典力学的应用技巧
(1)时间与空间是绝对的，不随参考系的变化而变化，并且时间与空间相互独立互不影响。
(2)当速度出现叠加时，满足速度叠加原理。【变式训练】下列关于经典力学的时空观，正确的是 ( )
A.经典力学的时空观中，“同时”是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的
B.在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关
C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关
D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间和空间与物体的运动无关【解析】选A、B、C、D。经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关。“同时”也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的，故A、B、C、D均正确。【变式备选】下列说法中正确的是 ( )
A.对同一物体的运动，选择的参考系不同，观察的结果可能不同
B.应用牛顿运动定律时，参考系的选取可以是任意的
C.相对地面静止或匀速直线运动的参考系是惯性系
D.牛顿运动定律是普遍适用的
【解析】选A、C。对同一物体的运动，参考系的选择不同，观察的结果可能不同，故A正确；牛顿运动定律是有适用范围的，只适用于惯性参考系，故B、D错；相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，故C对。 二、爱因斯坦眼中的世界
1.狭义相对论：
(1)经典的相对性原理不能解释光速问题，从迈克尔孙-莫雷实验的“零结果”出发，爱因斯坦提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。
(2)“同时”的相对性、运动的时钟变慢、长度的收缩等，是狭义相对论关于时空理论的重要结论。这些效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观察结果，在低速世界(v?c)中这些效应可以忽略。
(3)根据相对论的时空观可知，时间和空间不是脱离物质而存在的，时间和空间随物体运动速度的变化而变化，具有相对性。2.“同时”的相对性：
(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的。
(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的。3.时间间隔的相对性：
时间间隔的相对性公式 中，Δt′是相对事
件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间
隔，而Δt是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一
地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相对运动
的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭
义相对论中的时间膨胀。4.长度的相对性：
狭义相对论中的长度公式 中，l0是相对于杆静
止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度
方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度。还可以认为
杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的
长度。 5.相对论速度叠加原理：
在狭义相对论中，速度并不是由经典力学的速度叠加公式计
算的。在一维的情况下，狭义相对论的速度叠加公式为
式中u是物体相对静止参考系的速度，v是运动
参考系相对静止参考系的速度，u′是物体相对运动参考系的
速度。当v?c时， 相对论的速度叠加公式简化为
经典力学的速度叠加公式。【学而后思】
(1)如何理解“同时”是相对的?
提示：两个事件是否“同时”，与观察者所在的参考系有关，所以“同时”是相对的。
(2)我们平常根本观察不到狭义相对论的结论，是不是狭义相对论的结论都是主观臆造的?
提示：狭义相对论结论的正确性已被实验所证实，狭义相对论的结论都是高速世界中必然发生的现象，之所以我们平时观察不到这些现象，是因为我们生活在低速运动的世界里。 【典例2】地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以
30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为
多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的
长度又是多少？
【解题探究】(1)当物体低速运动时，长度是否不变？
提示：当物体低速运动时，长度缩短效应不明显，物体的长度
缩短效应可以忽略不计。
(2)当物体高速运动时，如何计算物体的长度？
提示：利用相对论长度缩短效应公式 计算。 【标准解答】当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。
当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l=
并代入相应的数据，解得：
答案：100 km 80 km【总结提升】应用相对论公式解题时应注意的问题
(1)Δt′是原时间，是参考系自身的钟，相对参考系本身静止，如火箭上的激光钟就是火箭的固有钟，坐在钟边上的人测量的时间是Δt′；Δt是相对时间，是相对参考系运动的时钟时间，如相对地面参考系运动的火箭上的激光钟。所以，在陆地上的人测量的激光钟的时间是Δt。(2)长度的收缩也一样，l0是原长，是相对参考系静止的测量长度，比如相对地面静止的物体在地面参考系中的长度就是原长；而在与地面存在相对运动的火车上测量的地面静止物体的长度就是相对长度l。
(3)速度变换关键是分清公式右边的坐标系相对公式左边的参考系的运动方向，沿坐标轴正向，则公式用加号，即+u；而沿负向，则用减号，即-u。【变式训练】π+介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10-8s(在自己的参考系中测得)
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π+介子寿命多长?
(2)π+介子在衰变前运动了多长距离?【解析】(1)π+介子在实验室中的寿命为
(2)该粒子在衰变前运动的距离为
s=vΔt=0.8×3×108×4.3×10-8 m=10.32 m。
答案：(1)4.3×10-8 s (2)10.32 m【典例】一粒子以0.05c的速度相对实验室参考系运动，此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同。求电子相对于实验室参考系的速度。【标准解答】已知v=0.05c，u′=0.8c，由相对论速度叠加公
式得：
答案：0.817c关于狭义相对论中的时间与空间认识的四个误区
误区1：误认为“同时”是绝对的
产生误区的原因是对于经典的时间观念根深蒂固，根据狭义相对论，不同惯性参考系的观察者对两个事件是否“同时”发生的回答可能是不同的，这与观察者所在的参考系的运动有关，即“同时”是相对的。误区2：误认为物体的长度是固定不变的
产生误区的原因是对于经典的长度观念根深蒂固，在狭义相对运动时空观中，长度也与观察者的运动状态有关。
误区3：误认为物体的长度缩短时各个方向都缩短
产生误区的原因是没有理解好长度缩短效应的本质，狭义相对论中的长度缩短只发生在运动方向上，在与运动垂直的方向上没有长度缩短效应，在与运动垂直的方向上保持物体的固有长度。误区4：误认为长度收缩与物体的内部结构有关
产生误区的原因是没有理解好长度收缩的原因，空间两点间的距离与观测者的运动状态有关，不同的观测者将会看到空间两点间的距离是不同的，与物体的内部结构毫无关系。【典例】假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是 ( )
A.地面上的人认为闪光是同时到达两壁的
B.车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的
C.地面上的人认为闪光先到达后壁
D.车厢里的人认为闪光先到达后壁【解析】通过以下表格进行逐项分析：课件39张PPT。第3节 广义相对论初步
第4节 探索宇宙1.经典力学的相对性原理说明，力学规律在任何_______中都
是相同的。
2.经典力学的支柱是绝对时间和_________。
3.狭义相对论的两条基本原理是___________原理和_________
原理。
4.狭义相对论中的“同时”具有_______(选填“绝对性”或
“相对性”)。惯性系绝对空间狭义相对性光速不变相对性一、广义相对论初步
1.广义相对论的两个基本原理：
(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。 物理规律匀加速参考系中的惯性力场均匀引力场任何参考系(包括非惯性系)2.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_____，引力
场越强，这种效应越明显。
(2)引力的存在对空间的影响：引力的存在会使空间_____，在
引力方向上，空间间隔_____；在垂直引力的方向上，空间间
隔_____，空间发生弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显。
(3)广义相对论深刻揭示了_____、_____与物质的运动和分布
的密切关系。变慢变形不变变短时间空间3.广义相对论的4项实验检验：
(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_____。进动弯曲红移延迟二、探索宇宙
1.“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个________，在该
奇点，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，宇宙不断膨胀，温度不断_____，
大约经历了______年，形成了我们今天的宇宙。
2.宇宙的组成：天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有
相当多的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，称为
_________，现在已知存在1000亿个以上的星系。
3.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。“奇点”急剧膨胀降低150亿河外星系巨大引力【思考辨析】
1.判断正误：
(1)提出狭义相对论后，没必要再提广义相对论。 ( )
(2)广义相对论的结论只是猜想，没有科学依据。 ( )
(3)在广义相对论的时空结构中，引力场越强，时钟变慢效应越明显。 ( )
(4)“大爆炸”宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。
( )
(5)“黑洞”是天体上由于核聚变燃烧而留下的洞。 ( )提示：(1)×。提出狭义相对论后，遇到了狭义相对论无法解决的两个问题，为了解决这两个问题，爱因斯坦又向前迈进了一大步，提出广义相对论。
(2)×。广义相对论所作出的预言全部为实验所证实。
(3)√。在广义相对论的时空结构中，引力场越强，时钟变慢的效应越明显。
(4)√。“大爆炸”宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。
(5)×。“黑洞”是“新星”或“超新星”爆发后形成的少数看不见的天体。2.问题思考：
(1)在广义相对论中，爱因斯坦把狭义相对性原理的哪方面作了必要的发展?
提示：在适用范围方面作了必要的发展，扩展到了任何参考系(包括非惯性系)。
(2)有限无边的静态宇宙模型中“有限”和“无边”是否相矛盾?
提示：二者并不矛盾，它们是从静止与运动的发展趋势两个方面对同一事物的辩证认识。 一、了解广义相对论
1.狭义相对论无法解决的问题：
(1)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位。
(2)万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。2.广义相对论的两个基本原理：
(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从惯性参考系推广到了非惯性系在内的所有参考系，一切参考系对于描述物理规律和物理现象来说都是平等的，无论用什么参考系，物理规律都是相同的。
(2)等效原理：在物理学中，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系的惯性力场有等效性。3.广义相对论的时空结构：在加速参考系中出现的惯性力等效于引力。
4.广义相对论的四项实验检验：
(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(行星绕太阳一周后，椭圆轨道的长轴也随之有一点转动，叫做“进动”)，这个效应以离太阳最近的水星最为显著，这与牛顿力学理论的计算结果有较大的偏差，而爱因斯坦的广义相对论的计算结果与实验观察结果十分接近。(2)光线在引力场中弯曲
根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲得越厉害。通常物质的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲。
(3)引力红移
按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。例如，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”。 (4)雷达回波延迟
20世纪60年代后，人们先后对地球-水星、地球-金星、地球-火星进行了雷达回波实验，不仅证实了延迟现象，而且在1%的误差内，实验与理论吻合。
广义相对论所作出的以上预言全部为实验观测所证实。还有其他一些事实也支持广义相对论。目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用。 【学而后思】
(1)广义相对论的等效性原理揭示了什么是等效的?
提示：广义相对论的等效性原理揭示了非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的。
(2)在一个密闭的环境中，能否区分均匀的引力场和做匀加速运动的惯性力场?
提示：由于均匀的引力场和做匀加速运动的参考系的惯性力场等效，所以无法区分。【典例1】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【解题探究】(1)通过仪器观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光是否为直线传播?
提示：不是直线传播，是直线传播就看不到太阳后面的恒星了。
(2)光线发生弯曲的原因是什么?
提示：由于太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。
【标准解答】选C。根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲。所以，可以在适当的时候通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确，A、B、D均错。【总结提升】应用广义相对论的原理解决时空变化问题的方法
(1)应该首先分析研究的问题或物体做怎样的运动，是处于怎样的参考系中。无论是匀加速运动的参考系，还是均匀的引力场中，其规律是相同的。
(2)然后根据“引力使时间变慢，空间变短”的理论分析其所在位置或运动情况会产生怎样的变化。 【变式训练】下列说法中正确的是 ( )
A.光线在引力场中仍沿直线传播
B.强引力场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B、C、D。根据广义相对论的结论，由于太阳引力场的影响，使得光线发生弯曲，A错误。强引力场作用使光的波长变长、频率变低，所以光谱线向红端偏移，B正确。引力场越强的位置，时间进程越慢，所以C正确。物质的引力使得空间变形，发生弯曲，所以D正确。 【变式备选】下列说法中正确的是 ( )
A.矮星表面引力很强
B.在引力场弱的地方比在引力场强的地方，时钟走得快些
C.在引力场越弱的地方，物体的长度越短
D.在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移
【解析】选A、B。在引力场中，引力越强的位置，时间的进程越慢，空间尺度的收缩只发生在与引力垂直的方向上。引力越强的位置，空间尺度收缩越严重，故B对，C错；矮星密度很大，表面引力很强，故A对；引力场越强，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光波波长变长，频率变小，光谱线向红光一端移动，故D错。 二、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
①宇宙起源于一个“奇点”，“奇点”温度无穷大、密度无穷大。
②宇宙发生大爆炸，空间急剧膨胀，温度不断降低。
③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)开宇宙(平直宇宙)：如果宇宙的膨胀率很大，质量密度很小，那么宇宙可能不断膨胀下去。
(2)闭宇宙(封闭宇宙)：如果宇宙膨胀率很小或质量密度很高，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。 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2~3天内突然增加几万倍或者几百万倍形成“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。 【学而后思】
(1)目前我们的宇宙处于膨胀阶段还是收缩阶段?在类型上属于开宇宙类型还是闭宇宙类型?
提示：目前我们的宇宙处于膨胀阶段，现在的天文观测还不能确定我们的宇宙将来属于哪种类型。
(2)黑洞是一种黑色的洞吗?
提示：黑洞是看不见的天体，是具有巨大引力的空间区域，任何接近它的物体，包括光，都会被吸进这个深渊。【典例2】关于“大爆炸”宇宙模型，下列说法正确的
是( )
A.宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始
B.宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在
C.宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止
D.宇宙起源的“奇点”温度无穷低，密度无穷大 【解题探究】(1)“大爆炸”宇宙模型的主要观点是什么?
提示：①宇宙起源于一个“奇点”；
②在该“奇点”上，温度无穷大，密度无穷大；
③空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸。
(2)宇宙将来怎样演化?
提示：我们的宇宙目前处于膨胀阶段，还不能确定将来属于哪种类型。【标准解答】选A。根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无穷大，密度无穷大，故D错。宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能：一种是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”，故C错。“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的始点又是空间的始点，故A对，B错。【总结提升】宇宙的起源
(1)所有关于宇宙的理论学说都有待于去进一步验证，“大爆炸”理论只是其中相对比较成熟的一种。
(2)关于宇宙的起源与演化要用到较多的高等数学知识，本节的许多结论都是直接给出的。
(3)黑洞是恒星演化而成的有着巨大引力的空间区域，产生的引力连光线都不能摆脱。【变式训练】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地远离我们
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A、D。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。 【变式备选】大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸。除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的。20世纪末，对1A型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀。面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀，如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系，大致是下面哪个图像 ( ) 【解析】选C。由题意知，宇宙半径R随时间t的延长先匀速增大后加速膨胀，加速膨胀过程中半径随时间的延长急剧增大，图像C符合。【典例】是否存在一种方法，人们用它能够判断他们(不包括局外人)感觉到的力究竟是产生于加速度的惯性力还是由于附近的引力拖拽?【标准解答】不存在。因为空间某点受到的引力和做加速运动所产生的效果是相同的，这就是广义相对论的等效原理。例如，如果将电梯及其中的乘客移到比地球的引力更大的星球上，而乘客并不知道，则乘客会把自身重量的增加归因于电梯向上加速运动。同样，将他们连同电梯移到比地球引力更小的星球上，乘客就会把他们重量的减轻归因于电梯加速下降。
答案：见标准解答 关于广义相对论中时空结构认识的四个误区
误区1：误认为没有必要建立广义相对论
产生误区的原因是没有理解好建立广义相对论的重要意义，爱因斯坦建立了广义相对论，才把牛顿的万有引力定律纳入了它的框架之中，让物理大厦更加完美。
误区2：误认为所有物体都会受到惯性力
其原因是没有理解好产生惯性力的条件，必须在一个以加速度a运动的非惯性系中，任何物体才会受到一个与非惯性系运动方向相反的惯性力，大小为ma。误区3：误认为广义相对论中的时钟变慢与狭义相对论中的时间延缓相同
这是由于没有理解好广义相对论中引力对时空的影响，在非惯性系的时空结构中，引力场越强，时钟变得越慢，这是引力的存在对时间的影响。误区4：误认为广义相对论是高深理论没有实验检验
产生该误区是因为没有理解好爱因斯坦提出的3项实验检验，太阳产生巨大的引力场，使其周围空间发生弯曲，导致行星的椭圆轨道不闭合而产生了水星近日点的进动；当光经过太阳的表面时，由于太阳周围的空间弯曲，使光线发生弯曲；太阳表面附近的引力场很强，时钟变慢，周期变长，频率偏低，颜色偏红，这就是引力红移现象。 【典例】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 ( )
A.A时钟走时最慢，B时钟走时最快
B.A时钟走时最慢，C时钟走时最快
C.C时钟走时最慢，A时钟走时最快
D.B时钟走时最慢，A时钟走时最快 【解析】通过以下表格进行分析：课件9张PPT。阶段归纳整合
第6章 相对论的基本原理及主要结论
1.狭义相对论的基本原理：
(1)狭义相对性原理。
(2)光速不变原理。2.狭义相对论的主要结论：
(1)“同时”的相对性。
(2)运动时钟变慢：
(3)长度收缩：3.广义相对论的基本原理：
(1)广义相对性原理。
(2)等效原理。
4.广义相对论的主要结论：
(1)物质的引力会使光线弯曲。
(2)物质的引力使空间发生弯曲。
(3)引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。引力越强，时间进程越慢。【典例】关于质量和长度，下列说法中正确的是( )
A.物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物体本身的属性
B.物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计
C.物体的长度与运动状态无关，是物体本身的属性
D.物体的长度与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计【标准解答】选B、D。根据狭义相对论的有关结论，物体的
质量与长度都具有相对性，都与物体的运动状态有关。如
故B、D正确，A、C错误。【变式训练】有三只完全相同的时钟，时钟A放在高速行驶的火车上(火车时速200千米/小时)，时钟B放在高速旋转的圆盘边缘，随圆盘一起转动，其向心加速度约为2 000g，时钟C放在中子星附近。关于这三只钟的变慢情况，下列说法正确的是( )
A.三只钟均明显变慢
B.时钟B和时钟C明显变慢，时钟A的变化不明显
C.三只钟的快慢都一样
D.时钟A和时钟B没有受到强引力作用，都不变慢【解析】选B。火车的速度相对光速而言很小，时钟变慢不明显，故A错。B钟有很大的加速度，C钟受强引力作用，都明显变慢，故B对，C、D都错。
