6.3 广义相对论初步 课件 (4)

课件19张PPT。广义相对论初步知识与技能
1．了解广义相对性原理和等效原理。
2．了解广义相对论的几个结论。
过程与方法
通过本节的学习，初步认识狭义相对论和广义相对论的基本原理。
情感态度与价值观
通过本节内容的学习，激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。1.广义相对性原理：在任何参考系中，__________________________。
2．等效原理：一个均匀的引力场与一个做____________等价。
3．广义相对论的几个结论
(1)物质的引力使光线________；
(2)引力场的存在使得空间不同位置的时间________。答案：
1．物理规律都是相同的
2．匀加速运动的参考系
3．(1)弯曲　(2)进程出现差别
知识点1 超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
(1)引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳入狭义相对论的理论框架。
(2)非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。知识点2 广义相对性原理和等效原理
(1)广义相对性原理
爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的。
(2)等效原理
在物理学上，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。知识点3 广义相对论的几个结论
从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。(1)光线经过强引力场中发生弯曲
物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲。事实如1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家为400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。(2)引力红移
引力导致时空弯曲，按照相对性原理，空间效应与时间效应是互相影响的，在发生空间弯曲效应的同时，时间膨胀效应也发生了。换句话说，我们观察到引力场空间弯曲的同时也将观测到引力场时钟变慢。(3)水星轨道近日点的进动
牛顿的经典力学理论在描述行星运动时，其理论值与实际观测结果存在微小差异。由于场能空间分布的不均匀性，当水星运动到靠近太阳附近(近日点)时，场能影响较为显著，这种影响使得水星运行的椭圆轨道非常缓慢地绕太阳旋转，这就是“水星近日点进动”现象。爱因斯坦用广义相对论计算近日点的进动速率与实际观测结果取得了很好的一致。行星轨道旋转之谜的成功破译，是广义相对论再一次取得的伟大胜利。【例】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。
这个事实使我们想到： 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。对应练习
下列说法中，正确的是
(　　)
A．由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星
B．强引力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：由广义相对论我们可知道：物质的引力使光线弯曲，因此选项A、D是正确的。在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以选项B、C正确。
答案：A、B、C、D
相对论的意义
狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义阳对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好均近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性系与普遍参照系之间的关系，得封了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛 顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能．关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论。天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。
法国物理学家朗之万曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。”