6.3、6.4 广义相对论初步 探索宇宙 课件 (2)

课件39张PPT。第六章 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：