高中物理4 广义相对论简介教学ppt课件

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人民教育出版社 高二 | 选修3-4
学习目标：1. 了解广义相对性原理和等效原理。2. 了解广义相对论主要结论。
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复习回顾： 请同学们回忆一下狭义相对论的两个基本假设？ 答：（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。
人民教育出版社 高二 | 选修3-4
一、超越狭义相对论的思考：爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：1. 引力问题万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架。2. 非惯性系问题狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理：（1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。（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。1.怎样理解广义相对性原理？答：广义相对性原理关键一点是适用于任何参考系。
人民教育出版社 高二 | 选修3-4
2．怎样理解等效原理？答：我们可以从引力场和匀加速参考系产生的效果上来考虑等效原理，引力场的作用是使物体加速向下运动，如果参考系是加速向上运动的，我们将会观察到静止的物体也“向下”运动，它们两者产生的效果是一样的，所以称为等效原理。
假设宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系。但是，航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底。这是为什么？
三、广义相对论的几个结论：（1）光线在引力场中偏转。（2）引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现偏差(引力红移)。
实验证明：假设在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向射入飞船。为了记录光束在飞船中的径迹，航天员在船里等距离地放置一些半透明的屏，光可以在屏上留下光点。如果飞船做匀速直线运动，飞船上的观察者记录下的光的径迹仍是一条直线。
然而，如果飞船做匀加速直线运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增加，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条曲线。根据等效原理，船尾方向存在一个巨大的物体，它的引力场影响了飞船内的物理过程。因此我们得出第一个结论。
事实：如1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。
引力红移事实：宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却不小，叫做矮星。矮星表面的引力很强，那里的时间进程比较慢，原子发光看起来偏红。天文观测证实了这样的预言。现代技术也能在地球上验证引力红移。
课堂练习：例1：下列属于广义相对论结论的是(　　)A．尺缩效应B．时间变慢C．光线在引力场中弯曲D．物体运动时的质量比静止时大
解：根据相对论的基本假设可知，尺缩效应、时间变慢、物体运动时的质量比静止时大属于狭义相对论结论，选项C正确。
课堂练习：例2：下面说法正确的是( 　　)A．由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星B．强引力作用可使光谱线向红端偏移C．引力场越强的位置，时间进程越快D．由于物质的存在，实际的空间是弯曲的
人民教育出版社 高中 | 选修3-4
解：由广义相对论可知，物质的引力使光线弯曲，我们有可能看到太阳后面的恒星，实际的空间是弯曲的，选项A、D正确；在引力场中时间进程变慢，引力越强，时间进程越慢，物质发出的光谱线向红端偏移，选项C错误，选项B正确。