《2017-2018學(xué)年高中物理 第5章 新時空觀的確立 5.4 走近廣義相對論 5.5 無窮的宇宙學(xué)案 滬科版選修3-4》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第5章 新時空觀的確立 5.4 走近廣義相對論 5.5 無窮的宇宙學(xué)案 滬科版選修3-4（6頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、5.4走近廣義相對論5.5無窮的宇宙學(xué)習目標 1.了解廣義相對論的兩個基本原理.2.初步了解廣義相對論的幾個結(jié)論及主要觀測證據(jù).3.了解宇宙的演化1廣義相對論的兩條基本原理(1)廣義相對性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過程和規(guī)律都是相同的(2)等效原理：一個均勻引力場與一個做加速運動的參考系等價2廣義相對論的預(yù)言與證實天體間的引力作用使時空彎曲，引力場存在時，光線彎曲、光在傳播時頻率變低(引力紅移)，這些結(jié)論通過宇宙中觀測到的一些現(xiàn)象(比如：行星軌道不是嚴格封閉的，宇宙中的“海市蜃樓”、太陽光譜中的鈉譜線的引力紅移等)得到證實3無窮的宇宙關(guān)于宇宙的起源，目前比較有影響的理論是物理

2、學(xué)家伽莫夫的宇宙大爆炸學(xué)說該理論認為，宇宙從最初的溫度極高、密度極大、體積極小開始，隨著爆炸的發(fā)生，不斷地向各個方向迅速膨脹宇宙演化的過程是：從粒子到恒星到黑洞一、廣義相對論的兩個基本原理導(dǎo)學(xué)探究乘電梯時，當電梯開始啟動上升時，你有什么感受？如果電梯一直加速上升，你又會有什么感受？答案電梯啟動實際上是一個加速過程，正是這個加速度使你感到被向下壓，產(chǎn)生沉重的感覺，即出現(xiàn)超重也就是說，在電梯加速上升時，好像地球?qū)δ愕囊υ黾恿?，因此，我們完全可以認為，電梯這個加速參考系就相當于給你加上了一個均勻向下的引力知識深化廣義相對論的兩個基本原理1廣義相對性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過程和

3、規(guī)律都是相同的2等效原理：一個均勻引力場與一個做加速運動的參考系等價例1假如宇宙飛船是全封閉的，航天員與外界沒有任何聯(lián)系但是航天員觀察到，飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底根據(jù)這一現(xiàn)象航天員能判斷飛船處于某一星球表面嗎？答案不能解析飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底的原因可能是飛船正在向遠離任意天體的空間加速飛行，也可能是由于飛船處于某個星球的引力場中實際上飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們飛船到底是加速運動還是停泊在某個行星的表面二、廣義相對論的預(yù)言與證實導(dǎo)學(xué)探究你知道廣義相對論的一些有趣的結(jié)論嗎？答案時空彎曲、光線彎曲、引力紅移知識深化廣義相對論的幾個結(jié)論1時空彎曲：廣義

4、相對論認為，時空不是平直的，而是彎曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于時空中物質(zhì)的質(zhì)量或能量的分布如果質(zhì)量越大，時空彎曲的程度也就越大2光線彎曲：在引力場存在的情況下，光線是沿彎曲的路徑傳播的3引力紅移：在強引力場中，時鐘要走得慢些因此，光在引力場中傳播時，它的頻率會變低，波長會變長例2在日全食的時候，通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星，這說明恒星發(fā)出的光()A經(jīng)太陽時發(fā)生了衍射B可以穿透太陽及其他障礙物C在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲D經(jīng)過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射答案C解析根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可知，光線在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲，所以可以在適當?shù)臅r候(如日全食時)通過儀器觀察到太陽后面的恒

5、星，故C正確三、無窮的宇宙導(dǎo)學(xué)探究關(guān)于宇宙起源，目前比較有影響的理論是什么？答案比較有影響的理論是宇宙大爆炸學(xué)說，即我們的宇宙是從一個尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化出來的.1929年美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)銀河系以外的大多數(shù)星系都在遠離我們而去，距離越遠，離開的速度越大，后來的分析表明，這是由于我們所處的宇宙正在膨脹，因此星系間距離在不斷增大，在任何地方看起來，其他星系都在遠離自己知識深化1宇宙的起源(1)關(guān)于宇宙起源，目前最有影響的理論是宇宙的大爆炸學(xué)說(2)宇宙大爆炸的證據(jù)：宇宙空間存在當時產(chǎn)生的微波輻射2宇宙的演化(1)天文學(xué)家哈勃用望遠鏡對遠距離星云觀測時發(fā)現(xiàn)遙遠的恒星發(fā)出的光譜線普遍存在“紅移”

6、現(xiàn)象這一現(xiàn)象表明：那些恒星正離我們遠去，也說明星系系統(tǒng)處于一種膨脹狀態(tài)(2)在宇宙演化過程中，黑洞是恒星演化的結(jié)果(3)黑洞本身不能發(fā)出光線，所以不可能直接顯示它的存在但是，可以觀察到它巨大的引力場對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)例3觀察遙遠的恒星發(fā)出的光譜會出現(xiàn)“引力紅移”說明什么？答案根據(jù)多普勒效應(yīng)，如果恒星向著我們運動，光的顏色偏藍；如果恒星離我們而去，光的顏色偏紅遙遠的恒星發(fā)出的光譜與地球上同種物質(zhì)的光譜相比，其波長變長，即向紅色的一端移動，這說明：不管往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去1走近廣義相對論2無窮的宇宙1宇宙的大爆炸學(xué)說是俄裔美國物理學(xué)家_提出的答案伽莫夫2黑洞是_演化的結(jié)果

7、答案恒星3(多選)廣義相對論的兩個基本原理是指()A光速不變原理B廣義相對性原理C等效原理D同時的相對性答案BC解析根據(jù)廣義相對論基本原理內(nèi)容4(多選)下列說法中正確的是()A物質(zhì)的引力使光線彎曲B光線彎曲的原因是由于介質(zhì)不均勻而非引力作用C在強引力的星球附近，時間進程會變慢D廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象答案ACD解析由廣義相對論的幾個結(jié)論可知A、C、D正確課時作業(yè)一、選擇題1(多選)下列說法中正確的是()A萬有引力可以用狹義相對論做出正確的解釋B電磁力可以用狹義相對論做出正確的解釋C狹義相對論是慣性參考系之間的理論D萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架答案BCD解析狹義相對論理論認為電磁相

8、互作用的傳播速度c是自然界中速度的極限，而星球的運動速度不能夠影響到遠處的另一個星球，所以萬有引力理論無法納入狹義相對論，故選項A錯誤，B、D正確；狹義相對論是慣性參考系之間的理論，故選項C正確2關(guān)于廣義相對論和狹義相對論之間的關(guān)系下列說法正確的是()A它們之間沒有任何聯(lián)系B有了廣義相對論，狹義相對論就沒有存在的必要了C狹義相對論能夠解決時空彎曲問題D為了解決狹義相對論中的參考系問題提出了廣義相對論答案D解析狹義相對論之所以稱為狹義相對論，就是對于慣性參考系來講的，時空彎曲問題是有引力存在的問題，需要用廣義相對論進行解決3(多選)下列說法正確的是()A由于太陽引力場的影響，我們有可能看到太陽后

9、面的恒星B強引力作用可使光譜線向紅端偏移C引力場越強的位置，時間進程越慢D由于物質(zhì)的存在，實際的空間是彎曲的答案ABCD解析由廣義相對論我們可知道：物質(zhì)的引力使光線彎曲在引力場中時間進程變慢，而且引力越強，時間進程越慢，因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象4(多選)以下說法中錯誤的是()A矮星表面的引力很強B時鐘在引力場弱的地方比引力場強的地方走得快些C引力場越弱的地方，物體的長度越短D在引力場強的地方，光譜線向綠端偏移答案CD5(多選)下列說法中正確的是()A“紅移”現(xiàn)象說明了星系系統(tǒng)處于一種膨脹狀態(tài)B黑洞是恒星演化的結(jié)果C包括光在內(nèi)的任何東西都不可能逃出黑洞D黑洞實質(zhì)上就是一個無光線的區(qū)域答案AB

10、C6(多選)在引力可以忽略的空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動，一束光垂直于運動方向在飛船內(nèi)傳播，下列說法中正確的是()A船外靜止的觀察者看到這束光是沿直線傳播的B船外靜止的觀察者看到這束光是沿曲線傳播的C航天員以飛船為參考系看到這束光是沿直線傳播的D航天員以飛船為參考系看到這束光是沿曲線傳播的答案AD解析由廣義相對論基本原理可知A、D正確7(多選)黑洞是質(zhì)量非常大的天體，由于質(zhì)量很大，引起了其周圍的時空彎曲，從地球上觀察，我們看到漆黑一片，那么關(guān)于黑洞，你認為正確的是()A內(nèi)部也是漆黑一片，沒有任何光B內(nèi)部光由于引力的作用發(fā)生彎曲，不能從黑洞中射出C內(nèi)部應(yīng)該是很亮的D如果有一個小的星體經(jīng)過

11、黑洞，將會被吸引進去答案BCD二、非選擇題8黑洞本身不發(fā)光，不可能直接顯示它的存在，那么又如何知道它的存在呢？答案黑洞本身不發(fā)出光線所以不可能直接顯示它的存在但是，可以觀察到它巨大的引力場對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)，證實黑洞的存在9如何驗證大爆炸理論的正確性？答案伽莫夫根據(jù)自己的大爆炸理論預(yù)言，作為爆炸的后果，宇宙空間應(yīng)該存在當時產(chǎn)生的微波輻射在實驗中能否探測到這一微波輻射，就被認為是初步驗證大爆炸理論的關(guān)鍵.20世紀60年代初，美國科學(xué)家威爾遜和彭齊亞斯在一次實驗中意外地發(fā)現(xiàn)了這種微波輻射，證實了大爆炸理論的正確性10在外層空間的宇宙飛船上，如果你正在一個以加速度g9.8 m/s2向頭頂方向運動的電梯中，這時，你舉起一個小球自由地丟下，請說明小球是做自由落體運動答案見解析解析由廣義相對論中的等效原理知，一個均勻的引力場與一個做加速運動的參考系等價當電梯向頭頂方向加速運動時，自由丟下的小球相對于電梯的加速度為g9.8 m/s2，與在地球引力場中做自由落體運動相同6