2017-2018学年高中物理第6章相对论与天体物理第3、4节广义相对论初步探索宇宙教

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1、第3、4节广义相对论初步—探索宇宙1.广义相对论的基本原理指出：在任何参考系中，物理规律都是相同的，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。2.一切物体都具有两个完全不同的属性，即惯性和引力，惯性质量是物体惯性的量度，引力质量是物体引力属性的量度。3.宇宙起源于一个温度无穷大，物质密度无穷大的“奇点”，决定宇宙的儿何性质有两个因素膨胀率和密度。iQj理解•教材新知由基础到逻难由活学到活用对应学生用书广义相对论初步［自读教材•抓基础］1.广义相刈•论的两个基本原理(1)广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性系)中物理规律都是相同的。(2)等效原理：匀加速参考系中的惯性力场与

2、均匀引力场不可区分。2.广义相对论的时空结构(1)引力的存在对时间的彫响：在引力场屮,时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越其。(2)引力的存在对空间的影响：引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短(直尺变短),发生了弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显。3.广义相对论的实验检验广义相对论建立之后，爱因斯坦提出了三项实验检验：(1)水星近日点的进动。(2)光线在引力场中的弯曲。(3)光谱线的引力红移。20世纪60年代后，人们又提出了雷达冋波延退。［跟随名师・解疑难］广义相对论的实验检验⑴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

3、的,它们的近日点(或远H点）有进动，这个效应以离A阳最近的水星最为显著。牛顿对此作出的解释与实际观测结果不相符，而广义相对论成功地预言了水星近日点的进动。（2）光线在引力场中偏转：根据电磁理论和经典光学，在无障碍的情况下，光线是直线传播的。但按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的。引力场越强，弯曲越厉害。（3）引力红移：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彖。光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“光谱线的引力红移”，这一预言也已经在对白矮星（天狼星伴星）的观测中所

4、证实。（4）雷达回波延迟：光经过大质量物体附近时发生弯曲，可以看成光多走了一段路程，或等效为光速变慢。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I'可会有所延迟。20世纪60年代，人们通过大量实验，证实了延迟现象。［学后自检］（小试身手）关于广义相对性原理的下列说法正确的是（）①广义相对性原理与狭义相对性原理不同的是前者适用于一切物理规律,后者只适用于力学规律②广义相对性原理将狭义相对性原理发展到了非惯性系③广义相对性原理认为惯性系和非惯性系中的物理规律不同④广义相对性原理认为一切参考系都是地位相等的，没有特殊的理想的参考系A.①③B.②④C.①④D.②③

5、解析：选B广义相对性原理认为在任何参考系中物理规律都是相同的，将狭义相对性原理中的惯性系推广到了一切参考系，故①错②对;广义相对论认为一切参考系都是等价的,不存在特殊的理想参考系，故③错④对。探索宇宙［自读教材・抓基础］1.宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个"奇点”,在该点，温度为无穷大,物质密度为无穷大,空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸Z后，宇宙不断膨胀，温度不断降低。大约经历了150亿年，形成了我们今天的宇宙。2.宇宙的组成太阳是颗恒星，在太阳系屮，除有八大行星外，还有卫星、彗星和流星体。由恒星组成的集团叫星系，现在已知存在的星系有1000亿个以上。3.永不停息的探

6、索宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器,用于天文观测。著名的噬达空望远镜是目前最先进的太空望远镜。［跟随名师•解疑难］1.关于宇宙的演化决定宇宙几何性质的两个因素一一膨胀率和密度，决定了宇宙的命运。2.宇宙在未来的发展有两种可能（1）如果宇宙的膨胀率很大，密度很小，那么宇宙可能不断膨胀下去，称为开宇宙（或平直宇宙）。（2）如果宇宙膨胀率很小或质量密度很大，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，称为闭宇宙（封闭的宇宙）。3.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

7、倍甚至几百万倍形成新星,或者亮度增加儿千万倍或儿亿倍形成超新星，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。［学后自检］（小试身手）关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是（）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，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，密度无穷大解析：选A根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于奇点，该奇点温度无穷高，密度无穷大,