人教版高中物理选修3-4 15．4广义相对论简介（共40张PPT）

(共40张PPT)
广义相对论简介
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初步了解广义相对论的几个主要观点及主要观测证据??
关注宇宙学研究的新进展
教学目标
广义相对性原理和等效原理
理解广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢。
教学重点
教学难点
狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和赞叹之中。
而爱因斯坦却在冷静地思考狭义相对论无法解决的两个问题：
现成的理论都不涉及这个问题。
万有引力定律无法纳入狭义相对论的理论框架。
狭义相对论只适用于惯性系
为什么惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释
1、引力问题
2、非惯性系问题
引力的作用以什么速度传递？
因为上述两个问题，狭义相对论无法解释，爱因斯坦提出了广义相对论。
爱因斯坦
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理解等效原理
理解广义相对性原理
广义相对论的基本原理
1、广义相对性原理：
在任何参考系中，物理规律都是相同的。
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伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的
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爱因斯坦狭义相对性原理
在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的
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?爱因斯坦广义相对论原理
在任何参考系中(包括非惯系），所有的物理规律都是相同的，称为广义相对性原理。
广义相对论的基本原理
2、等效原理：
一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价
广义相对论的基本原理
2、等效原理：
在封闭的宇宙飞船内，一小球以某一加速度落向舱底。
这可能是由于飞船处于某个星球的引力场中；?
也可能飞船正在远离任何天体的空间加速飞行。
飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们，飞船到底是在加速运动，还是停泊在一个行星的表面。
一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价
广义相对论的基本原理
狭义相对论
广义相对论
爱因斯坦相对性原理
不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的
任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的
广义相对性原理
等效原理
真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的
光速恒定
一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价
狭义相对论和广义相对论的比较
对于时空观的认识
狭义相对论
广义相对论
光速恒定
等效原理
时空性质和物质的运动有关
物质本身的存在决定时空的性质
惯性系平权
所有参考系平权
狭义相对论和广义相对论的比较
继续理解等效原理
学习利用惯性力处理非惯性参考系问题
惯性力
如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系。
牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系。
非惯性系和惯性系
以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动
非惯性系和惯性系
光滑表面
加速运动的列车是个非惯性参考系。
为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立，引入惯性力。
光滑表面
非惯性系和惯性系
“－”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反。
非惯性系和惯性系
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力。
重力和惯性力的合力使人感受到了超重。
非惯性系和惯性系
21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度。
因此，以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力。
非惯性系和惯性系
质量的定义
质量是决定物体惯性大小的唯一因素
物体之间的万有引力与物体的质量有关
由惯性定义的质量称为惯性质量
由引力定义的质量称为引力质量
运动状态难改变
惯性质量和引力质量
位于地面且静止
加速飞行
此时的质量为惯性质量
此时的质量为引力质量
引力和惯性力都可以使物体加速下落
惯性质量和引力质量
惯性质量是物体被当做质点时，其惯性大小的量度
“－”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反
“m”应该叫做惯性质量
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
惯性质量和引力质量
事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别。
这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深刻的联系。
惯性质量和引力质量
广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论
理解引力作用下光线弯曲
了解引力使时间变慢
了解引力红移现象
广义相对论的几个结论
飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）
如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线。
如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。
引力透镜效应
假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响。
等效原理
物体的引力能使光线弯曲
引力场越强，弯曲越厉害
引力透镜效应
由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候
通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲
1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实
引力透镜效应
星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应
宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一。
无
法
观
测
黑洞
引力透镜效应
地球表面有引力，为什么说在地球表面均匀介质中光沿直线传播？
地球表面的引力场很弱，对光的传播方向影响很小，所以认为光沿直线传播。
引力透镜效应
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别
对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心。
时间间隔和引力场有关
地面上看到：
越是靠近边缘，速度越大。
根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢。
圆盘上的人认为：
盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低。
得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢。
时间间隔和引力场有关
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。
宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多。
各类星体对比
时间间隔和引力场有关
引力红移
矮星表面的时间进程比较慢，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”。
各类星体对比
时间间隔和引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别
地面上看到：越是靠近边缘，速度越大。
根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短。
圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短。
引力势由高到低变化
杆的长度与引力场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”
杆的长度和引力场有关
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近似。
水星近日点的进动
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了主要作用。
广义相对论的成就
几何学反应的是人对空间关系的认识。
欧几里得几何学
有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场。
这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际。
广义相对论与几何学
广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何。
作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用。
广义相对论与几何学
广义相对论
广义相对性原理和等效原理
广义相对论的两个结论
物质的引力使光线弯曲
引力场的存在使空间不同位置的时间进程出现差别
总结