课件21张PPT。6.3 广义相对论初步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【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。 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。