3走近廣義相對(duì)論無窮的宇宙學(xué)習(xí)目標(biāo)定位1.了解廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理.2.初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論及主要觀測(cè)證據(jù).3.了解宇宙的演化1超重：在一個(gè)具有向上的加速度的系統(tǒng)中，物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?大于物體所受重力的現(xiàn)象2廣義相對(duì)論的兩條基本原理(1)廣義相對(duì)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(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)3廣義相對(duì)論的預(yù)言與證實(shí)天體間的引力作用使時(shí)空彎曲，引力場(chǎng)存在時(shí)，光線彎曲、光在傳播時(shí)頻率變低(引力紅移)，這些結(jié)論通過宇宙中觀測(cè)到的一些現(xiàn)象(比如：行星軌道不是嚴(yán)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(shí)4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學(xué)家伽莫夫的宇宙大爆炸學(xué)說該理論認(rèn)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(gè)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(duì)論的兩個(gè)基本原理問題設(shè)計(jì)乘電梯時(shí)，當(dāng)電梯開始啟動(dòng)上升時(shí)，你有什么感受？如果電梯一直加速上升，你又會(huì)有什么感受？答案電梯啟動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)加速過程，正是這個(gè)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(shí)，好像地球?qū)δ愕囊υ黾恿?，因此，我們完全可以認(rèn)為，電梯這個(gè)加速參考系就相當(dāng)于給你加上了一個(gè)均勻向下的引力要點(diǎn)提煉廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理1廣義相對(duì)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(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)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？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(yuǎn)離任意天體的空間加速飛行，也可能是由于飛船處于某個(gè)星球的引力場(chǎng)中實(shí)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(yùn)動(dòng)還是停泊在某個(gè)行星的表面答案不能二、廣義相對(duì)論的預(yù)言與證實(shí)問題設(shè)計(jì)你知道廣義相對(duì)論的一些有趣的結(jié)論嗎？答案時(shí)空彎曲、光線彎曲、引力紅移要點(diǎn)提煉廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論1時(shí)空彎曲：廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空不是平直的，而是彎曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于時(shí)空中物質(zhì)的質(zhì)量或能量的分布如果質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲的程度也就越大2光線彎曲：在引力場(chǎng)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(qiáng)引力場(chǎng)中，時(shí)鐘要走得慢些因此，光在引力場(chǎng)中傳播時(shí)，它的頻率會(huì)變低，波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)例2按照愛因斯坦的廣義相對(duì)論，下列說法中正確的是()A天體之間的引力作用是時(shí)空彎曲的原因B光線經(jīng)過太陽附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲C氫原子發(fā)射的光從太陽傳播到地球時(shí)，它的頻率要比地球上氫原子發(fā)射的光的頻率低D光在真空中是沿直線傳播的解析根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的引力會(huì)使光線彎曲，引力越強(qiáng)，彎曲越厲害，因此在地球上看到的星體位置與實(shí)際位置不符在強(qiáng)引力的星球附近時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢，光線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變小，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤答案ABC三、無窮的宇宙問題設(shè)計(jì)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(gè)尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化出來的.1929年美國(guó)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(yuǎn)離我們而去，距離越遠(yuǎn)，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(yuǎn)離自己要點(diǎn)提煉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(dāng)時(shí)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(yuǎn)鏡對(duì)遠(yuǎn)距離星云觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光譜線普遍存在“紅移”現(xiàn)象這一現(xiàn)象表明：那些恒星正離我們遠(yuǎn)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(chǎng)對(duì)周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)例3觀察遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光譜會(huì)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(yùn)動(dòng)，光的顏色偏藍(lán)；如果恒星離我們而去，光的顏色偏紅遙遠(yuǎn)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(zhǎng)變長(zhǎng)，即向紅色的一端移動(dòng)，這說明：不管往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去1宇宙的大爆炸學(xué)說是俄裔美國(guó)物理學(xué)家_提出的答案伽莫夫2黑洞是_演化的結(jié)果答案恒星3廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理是指()A光速不變?cè)鞡廣義相對(duì)性原理C等效原理D同時(shí)的相對(duì)性答案BC解析根據(jù)廣義相對(duì)論基本原理內(nèi)容4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(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢D廣義相對(duì)論可以解釋引力紅移現(xiàn)象答案ACD解析由廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論可知A、C、D正確基礎(chǔ)題1下列說法中正確的是()A萬有引力可以用狹義相對(duì)論做出正確的解釋B電磁力可以用狹義相對(duì)論做出正確的解釋C狹義相對(duì)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(duì)論的框架答案BCD解析狹義相對(duì)論理論認(rèn)為電磁相互作用的傳播速度c是自然界中速度的極限，而星球的運(yùn)動(dòng)速度不能夠影響到遠(yuǎn)處的另一個(gè)星球，所以萬有引力理論無法納入狹義相對(duì)論，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B、D正確；狹義相對(duì)論是慣性參考系之間的理論，故選項(xiàng)C正確2關(guān)于廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)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(duì)論，狹義相對(duì)論就沒有存在的必要了C狹義相對(duì)論能夠解決時(shí)空彎曲問題D為了解決狹義相對(duì)論中的參考系問題提出了廣義相對(duì)論答案D解析狹義相對(duì)論之所以稱為狹義相對(duì)論，就是對(duì)于慣性參考系來講的，時(shí)空彎曲問題是有引力存在的問題，需要用廣義相對(duì)論進(jìn)行解決3下列說法正確的是()A由于太陽引力場(chǎng)的影響，我們有可能看到太陽后面的恒星B強(qiáng)引力作用可使光譜線向紅端偏移C引力場(chǎng)越強(qiáng)的位置，時(shí)間進(jìn)程越慢D由于物質(zhì)的存在，實(shí)際的空間是彎曲的答案ABCD解析由廣義相對(duì)論我們可知道：物質(zhì)的引力使光線彎曲在引力場(chǎng)中時(shí)間進(jìn)程變慢，而且引力越強(qiáng)，時(shí)間進(jìn)程越慢，因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象4以下說法中錯(cuò)誤的是()A矮星表面的引力很強(qiáng)B時(shí)鐘在引力場(chǎng)弱的地方比引力場(chǎng)強(qiáng)的地方走得快些C引力場(chǎng)越弱的地方，物體的長(zhǎng)度越短D在引力場(chǎng)強(qiáng)的地方，光譜線向綠端偏移答案CD5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(shí)質(zhì)上就是一個(gè)無光線的區(qū)域答案ABC6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(chǎng)對(duì)周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)，證實(shí)黑洞的存在7如何驗(yàn)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(dāng)時(shí)產(chǎn)生的微波輻射在實(shí)驗(yàn)中能否探測(cè)到這一微波輻射，就被認(rèn)為是初步驗(yàn)證大爆炸理論的關(guān)鍵.20世紀(jì)60年代初，美國(guó)科學(xué)家威爾遜和彭齊亞斯在一次實(shí)驗(yàn)中意外地發(fā)現(xiàn)了這種微波輻射，證實(shí)了大爆炸理論的正確性能力題8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(yùn)動(dòng)，一束光垂直于運(yùn)動(dòng)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(duì)論基本原理可知A、D正確9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(shí)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(rèn)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(gè)小的星體經(jīng)過黑洞，將會(huì)被吸引進(jìn)去答案BCD探究與拓展題10在外層空間的宇宙飛船上，如果你正在一個(gè)以加速度g9.8 m/s2向頭頂方向運(yùn)動(dòng)的電梯中，這時(shí)，你舉起一個(gè)小球自由地丟下，請(qǐng)說明小球是做自由落體運(yùn)動(dòng)答案見解析解析由廣義相對(duì)論中的等效原理知，一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)當(dāng)電梯向頭頂方向加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，自由丟下的小球相對(duì)于電梯的加速度為g9.8 m/s2，與在地球引力場(chǎng)中做自由落體運(yùn)動(dòng)相同6