6.3、6.4 广义相对论初步 探索宇宙 课件 (3)

课件20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．知道广义相对性原理的内容和它与狭义相对性原理的区别．
2．知道等效原理的内容．
3．知道引力的存在对时空的影响．
4．知道几个典型的实验检验．
5．了解宇宙起源的有关理论．
6．了解宇宙的内部构成．
7．了解人类探索宇宙的历程. 一、广义相对论的基本原理
?广义相对性原理：在 (包括非惯性系)中物理规律都是相同的．
?等效原理：匀加速参考系中的 场与均匀 不可区分．
二、广义相对论的时空结构
在引力场中时钟变 ．引力的存在会使空间 ． 时间和空间与物质的 和 有密切关系．任何参考系惯性力引力场慢变形运动分布三、广义相对论的实验检验
?爱因斯坦用广义相对论引力场方程，经过复杂的数学运算，得出水星近日点的进动还应有每百年43.03″的附加值，这是时空弯曲对平方反比律的修正引起的．
?光线在引力场中发生 ．
?引力场的存在使原子在太阳表面附近发出光比同类原子在地球表面附近发出光，波长 、频率 、颜色偏 ．
?雷达回波延迟：从地球上发出的雷达信号．经太阳附近到达某一星球后再反射回地球，传播时间会有所 ．弯曲长低红延迟四、宇宙的起源
宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度为 ，物质密度为 ，空间急剧 ，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断 ，温度不断 ，大约经历了150亿年，形成了我们今天的宇宙．
无穷大无穷大膨胀膨胀降低五、宇宙里有什么
宇宙中有众多由恒星组成的星系，天穹上大多数光点是银河系中的 ，太阳是银河系中的一颗 ．在太阳系中除了八大 外还有几十颗 、众多小行星、难以计数的彗星和流星体等．
天穹中突然出现的很亮的恒星称之为“ ”，如果亮度突然增加几千万倍或者几亿倍就是“ ”，“新星”和“超新星”爆炸后，残骸是 ，少数可能形成“ ”．恒星恒星行星卫星新星超新星中子星黑洞六、永不停息的探索
?16世纪初，意大利科学家伽利略开始用 观测太空，从此人类开始借助于自己创造的工具观测太空．随后望远镜越来越 ，性能越来越 ．为了便于观测人们一方面选择海拔高、观测条件好的地方建立 ．另一方面也设法把 搬上天空．为了更准确地了解宇宙星体的信息，人们发明了 ，通过接受天体发射的 来了解星空．
?著名的哈勃太空望远镜是目前最先进的空间望远镜．人们把它的诞生看成是天文学走向空间时代的一个里程碑．
宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，人类将会把他的视野伸向更多更远的星球. 望远镜大好天文台天文望远镜射电望远镜电磁波一、对质能方程的理解
?质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．
?静止物体的能量为E0＝m0c2，这种能量叫做物体的静能．每个静止的物体都具有静能．?物体的总能量E为动能与静能之和，即E＝Ek＋E0＝mc2(m为动质量)．
?由质能关系式可知ΔE＝Δmc2.
?微观粒子的速度很高，因此粒子运动的质量明显大于静质量．
例如：回旋加速器中被加速的粒子的质量会随粒子的加速明显增加．导致粒子圆周运动的周期变大．它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步．回旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制．三、广义相对论的几个结论
?光线在引力场中偏转：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．
?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”． ?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．
广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实．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. 【典例1】 人造卫星以第一宇宙速度(约8 km/s)运动，问它的质量和静止质量的比是多少？
答案　1.000 000 000 35
借题发挥　在v?c时，可以认为质量是不变的，但当v接近光速时，m的变化一定要考虑．相对论质速关系和速度变化公式 【典例2】 1905年，爱因斯坦创立了“相对论”，提出了著名的质能方程，下面涉及对质能方程理解的几种说法中正确的是 (　　)．
A．若物体能量增大，则它的质量增大
B．若物体能量增大，则它的质量减小
C．若核反应过程质量减小，则需吸收能量
D．若核反应过程质量增大，则会放出能量质能方程的理解和应用
解析　由E＝mc2可知，若E增大，则m增大；若E减小，则m减小．A正确，B错误．若m减小，则E减小，若m增大，则E增大．C、D均错误．
答案　A
借题发挥　爱因斯坦的质能方程揭示了物体与运动的不可分割的属性，即一定的能量与相应的质量相联系，切不可理解为质量转化为能量．【变式2】 已知电子的静止能量为0.511 MeV，若电子的动能为0.25 MeV，则它所增加的质量Δm与静止质量m0的比值近似为 (　　)．
A．0.1 B．0.2
C．0.5 D．0.9
答案　C