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(共18张PPT)
第6章　相对论与天体物理
第3节　广义相对论初步
第4节　探索宇宙
第6章　相对论与天体物理
　
任何参考系（包括非惯性系）
物理规律
匀加速
惯性力场
均匀引力场
惯性力
运动
分布
变慢
变慢
垂直
进动
弯曲
红移
延迟
奇点
急剧膨胀
膨胀
降低
150亿
星系
巨大引力
望远镜
天文台
　
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
疑难突破·思维升华
以例说法·触类旁通第3节 广义相对论初步 第4节 探索宇宙
1.下列属于广义相对论结论的有（　　）
①尺缩效应　　　　　　　　 ②时间变慢
③光线在引力场中偏转 ④水星近日点的进动
A.①② B．③④
C.①③ D．②④
解析：选B.①、②属于狭义相对论，③、④是广义相对论的实验验证现象.
2.在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光（　　）
A.经太阳时发生了衍射
B.可以穿透太阳及其他障碍物
C.在太阳引力场作用下发生了弯曲
D.经过太阳外的大气层时发生了折射
解析：选C.根据广义相对论，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲，所以可以在适当的时候通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C对，A、B、D错.
3.（多选）下列哪些是“相对论”的内容（　　）
A.狭义相对性原理
B.“尺缩效应”
C.时钟变慢
D.质量不变，因为它是物体的固有属性与运动状态无关
解析：选ABC.由相对论的知识可知，A、B、C是相对论的内容，D不是，故选ABC.
4.（多选）下列说法中正确的是（　　）
A.物体的引力使光线弯曲
B.光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用
C.在强引力的星球附近，时间进程会变慢
D.广义相对论可以解释引力红移现象
解析：选ACD.根据广义相对论知，光线弯曲是引力的作用，故A正确、B错误；强引力使时间进程变慢，光振动的周期变大，频率变小，波长变长，光谱线出现红移现象，故C、D正确.
5.绝对时空观、狭义相对论中的时空观和广义相对论中的时空观有何不同？
解析：三种时空观对比如下：
时间 空间
绝对时空观 时间均匀流逝，同时是绝对的，时间间隔也是绝对的 空间均匀分布，与时间无关，与物质无关
狭义相对论中的时空观 时间是相对的，不再均匀流逝，同时和时间间隔与物体的运动有关 空间与物体运动有关，沿运动方向长度收缩
广义相对论中的时空观 时间与物质的分布状态和运动有关 空间与物质的运动和分布有关
答案：见解析
[课时作业]
一、单项选择题
1.根据相对论判断下列说法正确的是（　　）
A.狭义相对论全面否定了经典力学理论
B.如果物体在地面上静止不动，任何人在任何参考系里面测出物体的长度都是一样的
C.由E＝mc2可知，质量可转变成能量
D.物体速度越大，质量也变得越大
解析：选D.由相对论的知识可知，D正确.
2.关于惯性力的说法，正确的是（　　）
A.惯性力和重力、弹力、摩擦力一样，都是物体对物体的作用
B.惯性力和惯性一样，都是物体本身所具有的属性
C.惯性力是为了使牛顿定律在非惯性系中也能在形式上成立而引入的一种形式上的力
D.惯性力的大小等于ma，方向与非惯性系的加速度方向相同
解析：选C.惯性力是为了牛顿定律在非惯性系中也成立而引进的一种形式上的力，方向与非惯性系的加速度方向相反，C正确.
3.以下说法中错误的是（　　）
A.矮星表面引力很强
B.在引力场弱的地方比引力场强的地方，时钟走得快些
C.在引力场越弱的地方，物体的长度越短
D.在引力场强的地方，光谱线向红端偏移
解析：选C.广义相对论告诉我们，强引力的星球附近，时间进程变慢.其中矮星虽体积小，但质量很大，其表面引力很强，A、B均正确；同样，据广义相对论的结论可知，在引力场越弱的地方，物体长度会越长，引力场强的地方，光谱线向红光偏移，即“红移”，C错误，D正确.
4.对大爆炸理论提供支持的事实是（　　）
A.水星近日点的进动
B.光线在引力场中的弯曲
C.哈勃发现，遥远恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长
D.长度缩短效应
解析：选C.大爆炸理论的主要观点是宇宙起源于一个“奇点”，发生大爆炸后，宇宙不断膨胀，温度不断降低.根据多普勒效应，如果恒星离我们而去，光的颜色偏红.哈勃的发现，表明不管往哪个方向看，远处的星系正急速远离我们而去，所以C正确.
5.惯性质量mi和引力质量mg的关系是（　　）
A.mi＝mg　　　　　　　 B．mi>mg
C.mi解析：选A.根据广义相对论对惯性质量与引力质量的阐述可知，mi＝mg，A正确.
6.如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着A、B、C三个时钟.下列说法正确的是（　　）
A.A时钟走时最慢，B时钟走时最快
B.A时钟走时最慢，C时钟走时最快
C.C时钟走时最慢，A时钟走时最快
D.B时钟走时最慢，A时钟走时最快
解析：选C.根据广义相对论的等效原理可知，加速参考系中出现的惯性力等效于引力，在引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越甚，转盘上的观察者认为，圆盘是静止的，在圆盘上存在着一个引力（与向心力大小相等、方向相反），方向指向边缘，越靠近边缘，引力越强，钟走时越慢，所以C选项正确.
二、多项选择题
7.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在飞船内传播，下列说法中正确的是（　　）
A.船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的
B.船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的
C.航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的
D.航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的
解析：选AD.船外静止的观察者所选的参考系是惯性参考系，看到光是沿直线传播的.飞船在做匀加速直线运动，是非惯性参考系.在非惯性参考系中，时钟变慢、空间弯曲，所以航天员看到的光是沿曲线传播的.
8.下列说法中，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.由于物质质量的存在，实际的空间是弯曲的
解析：选ABD.由广义相对论我们知道：物质的引力使光线弯曲，因此选项A、D正确；在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以B正确，C错误.
9.根据广义相对论相关理论，下列说法正确的是（　　）
A.一个均匀的引力场与一个匀加速运动的参考系等价
B.光线经过强引力场时发生弯曲
C.引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别
D.引力红移现象验证了广义相对论的正确性
解析：选ABCD.根据等效原理，均匀引力场与匀加速运动的参考系等价，A项正确.在引力场存在的情况下，光线沿弯曲的路径传播，B项正确.物质的引力使光线弯曲，故引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，如引力红移，C项正确.近年来，多次观测到的“引力红移”现象用爱因斯坦的狭义相对论无法解释，但是广义相对论很好解释，而且恰好证明了广义相对论的正确性，D项正确.
10.下列说法中正确的是（　　）
A.万有引力可以用狭义相对论作出正确的解释
B.电磁力可以用狭义相对论作出正确的解释
C.狭义相对论是惯性参考系之间的理论
D.万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架
解析：选BCD.万有引力与电磁力有很多相似之处，但万有引力却无法纳入狭义相对论的框架，A错误，B、D正确；狭义相对论是建立在惯性参考系之上的，C正确.
三、非选择题
11.引力场中，哪些位置的时间进程比较缓慢，哪些位置的空间尺度会发生收缩？
解析：引力场中，引力越强的位置，时间的进程越慢，空间尺度的收缩只发生在与引力垂直的方向上，引力越强的位置，空间尺度收缩越严重.
答案：见解析
12.在外层空间的宇宙飞船上，如果你正在一个以加速度g＝9.8 m/s2向头顶方向运动的电梯中，这时，你举起一个小球自由地丢下，请说明小球是做自由落体运动.
解析：由广义相对论中的等效原理知，一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价.当电梯向头顶方向加速运动时，小球相对于电梯的加速度为g＝9.8 m/s2，与在地球引力场中做自由落体运动相同.
答案：见解析


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6第3节 广义相对论初步第4节 探索宇宙
　1.知道广义相对论的两个基本原理，知道什么是惯性力.（重点＋难点）　2.了解广义相对论的时空结构，了解时空弯曲.（重点＋难点）　3.了解广义相对论的三个实验验证.（重点）　4.了解宇宙的起源、演化和未来，知道宇宙里有些什么.
5.了解人类对宇宙的永不停息的探索.
　
一、广义相对论初步
1.广义相对论的两个基本原理
（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均匀引力场不可区分.
（3）在一个以加速度a运动的非惯性参考系中，任何物体都会受到一个与非惯性系运动方向相反的力，这个力叫惯性力.其中F＝－ma.
2.广义相对论的时空结构
广义相对论深刻地揭示了时间、空间与物质的运动和分布的密切关系.
（1）引力的存在对时间的影响：在引力场中，时钟变慢；引力场越强，时钟变慢越甚.
（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
（1）水星近日点的进动；
（2）光线在引力场中的弯曲；
（3）引力红移现象；
（4）雷达回波延迟.
1.实验验证爱因斯坦广义相对论的时空结构理论是正确的，那么牛顿的时空结构理论就是错误的，这种认识是否正确？
提示：牛顿力学理论及时空观理论是相对论理论在低速宏观情境下的近似，有着实际的现实意义，并不能说是错误的.
二、探索宇宙
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，之后，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.宇宙里有什么
（1）太阳是一颗恒星，在太阳系中，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.
（2）黑洞是看不见的天体，是没有“出口”的“洞”，是一个具有巨大引力的空间区域.
3.永不停息的探索
16世纪初，意大利科学家伽利略首次利用望远镜对准天空观测.后来，人们又发明了射电望远镜，并修建了天文台.各国还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测.
2.有限无边的静态宇宙模型中“有限”和“无边”是否相矛盾？
提示：二者并不矛盾，它们是从相对静止与运动的发展趋势两个不同方面对同一事物的辩证认识.
　了解广义相对论
1.狭义相对论的局限性
（1）狭义相对论认为一切物理规律在任何惯性系中都具有相同的形式.但客观世界中并不存在惯性参考系.
（2）引力作用下的运动规律本身就不是惯性规律，牛顿的万有引力定律无法满足狭义相对论的要求.
2.广义相对论的两个基本原理
（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从惯性参考系推广到了包括非惯性系在内的所有参考系，一切参考系对于描述物理规律和物理现象来说都是平等的，无论用什么参考系，物理规律都是相同的.
（2）等效原理：在物理学中，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系的惯性力场有等效性.
3.广义相对论的时空结构
广义相对论允许在加速参考系中描述自然现象，加速参考系中出现的惯性力等效于引力.那么，引力的出现对时空的影响，也就等效于加速参考系中的时空结构，通过对转动大圆盘的研究可知：
（1）引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越明显，这就是引力的存在对时间的影响.因此，在加速参考系中，时钟也会变慢.
（2）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，发生了弯曲.引力越强的地方，这种效应越明显.
（3）引力场是由质量不为零的物质产生的，引力使时空发生变化，其实是由于物质的存在使时空发生变化.广义相对论的时空观认为，时间和空间不仅与参考系有关，还与物质的运动和分布有关，在密度越大，质量越大处空间弯曲越严重.
　（1）广义相对论的等效性原理揭示了非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的.
（2）广义相对论的时空结构是客观世界的真实反映，牛顿的经典力学时空观和狭义相对论的时空观都是在特定情形下的一种近似.
　假如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，请分析这些物体运动的原因及由此得到的结论.
[思路点拨]　匀加速参考系中的惯性力场与均匀力场不可区分.
[解析]　飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任何天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中，实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在一个行星的表面.
这个事实说明：一个匀加速运动的非惯性系中出现的惯性力与引力在力学效应上是等效的.即匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分.
[答案]　见解析

典型问题——相对论速度变换公式及应用
1.公式：设参考系相对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u′沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u＝.
2.理解
（1）当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u′取负值.
（2）若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用.
（3）由公式可知：u一定比u′＋v小，但当u′?c，v?c时，可认为u＝u′＋v，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度变换式.
（4）若u′＝v＝c时，u＝c，从而证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变的原理，即c在任何惯性系中都是相同的.
　地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5×108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0×108 m/s与A反向飞行.求：
（1）A上的乘客看到B的速度是多大？
（2）B上的乘客看到A的速度是多大？
[解题探究]　取A飞行的方向为正时，A上的乘客看到地面的速度为正还是负？B相对地面的速度为正还是负？
[解析]　（1）取A飞行的方向为正，A上的乘客看到地面的速度为u′＝－2.5×108 m/s，B相对地面的速度v＝－2.0×108 m/s
则A上的乘客看B的速度为：
u＝＝ m/s＝－2.9×108 m/s.
（2）同理B看A的速度大小为2.9×108 m/s.
[答案]　（1）2.9×108 m/s　（2）2.9×108 m/s

　设想有一艘飞船以v＝0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为（　　）
A.1.7c　　　　　　　　　 B．0.1c
C.0.99c D．无法确定
解析：选C.根据相对论速度变换公式：u＝，得
u＝＝0.99c，故选项C正确.

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