2018-2019學(xué)年高中物理 第6章 相對(duì)論與天體物理 第2講 廣義相對(duì)論初步 探索宇宙學(xué)案 魯科版選修3-4

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1、第2講　廣義相對(duì)論初步　探索宇宙 [目標(biāo)定位]　1.了解廣義相對(duì)論的基本原理.2.初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)以及主要觀測(cè)證據(jù).3.了解宇宙起源與宇宙內(nèi)部構(gòu)成． 一、廣義相對(duì)論初步 1．廣義相對(duì)論的基本原理 (1)廣義相對(duì)性原理：在任何參考系(包括非慣性系)中物理規(guī)律都是相同的． (2)等效原理：勻加速參考系中的慣性力場(chǎng)與均勻引力場(chǎng)不可區(qū)分． 2．廣義相對(duì)論的時(shí)空結(jié)構(gòu) (1)引力的存在對(duì)時(shí)間的影響：在引力場(chǎng)中，時(shí)鐘變慢． (2)引力的存在對(duì)空間的影響：引力的存在會(huì)使空間變形，在引力方向上，空間間隔不變．在與引力垂直的方向上，空間間隔變短，發(fā)生了彎曲． 3．廣義相對(duì)論的

2、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) (1)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)還應(yīng)有每百年43.03″的附加值，這是時(shí)空彎曲對(duì)平方反比律的修正引起的． (2)光線在引力場(chǎng)中發(fā)生彎曲． (3)引力紅移現(xiàn)象 引力場(chǎng)的存在使原子在太陽(yáng)表面附近發(fā)出的光比同類原子在地球表面附近發(fā)出的光，波長(zhǎng)長(zhǎng)、頻率偏低、顏色偏紅． (4)雷達(dá)回波延遲：從地球上發(fā)出的雷達(dá)信號(hào)．經(jīng)太陽(yáng)附近到達(dá)某一星球后再反射回地球，傳播時(shí)間會(huì)有所延遲． 二、探索宇宙 1．宇宙的起源 宇宙起源于一個(gè)“奇點(diǎn)”，在該奇點(diǎn)，溫度為無(wú)窮大，物質(zhì)密度為無(wú)窮大，空間急劇膨脹，即發(fā)生宇宙大爆炸之后，宇宙不斷膨

3、脹，溫度不斷降低，大約經(jīng)歷了150億年，形成了我們今天的宇宙． 2．宇宙里有什么 宇宙中有眾多由恒星組成的星系，天穹上大多數(shù)光點(diǎn)是銀河系中的恒星，太陽(yáng)是銀河系中的一顆恒星．在太陽(yáng)系中除了八大行星外還有幾十顆衛(wèi)星、眾多小行星、難以計(jì)數(shù)的彗星和流星體等. 對(duì)廣義相對(duì)論的理解 1．廣義相對(duì)性原理與狹義相對(duì)性原理并不相同．狹義相對(duì)性原理僅適用于慣性系，而廣義相對(duì)性原理適用于一切參考系． 2．光線在引力場(chǎng)中彎曲，以及引力紅移現(xiàn)象都是在引力場(chǎng)很強(qiáng)的情況下產(chǎn)生的效應(yīng)． 3．光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的現(xiàn)象，在我們的日常生活中仍然成立． 例1　下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．在任何參考

4、系中，物理規(guī)律都是相同的，這就是廣義相對(duì)性原理 B．在不同的參考系中，物理規(guī)律都是不同的，例如牛頓定律僅適用于慣性參考系 C．一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)，這就是著名的等效原理 D．一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)，這就是著名的等效原理 解析　根據(jù)廣義相對(duì)論基本原理可知，選項(xiàng)A、D正確． 答案　AD 例2　下列說(shuō)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 解析　從廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)可以得出：物質(zhì)的引力使光線彎曲；引

5、力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別，如在矮星表面的引力很強(qiáng)，那里的時(shí)間進(jìn)程變慢，從而導(dǎo)致引力紅移，所以正確的選項(xiàng)為A、C、D. 答案　ACD 　　　對(duì)廣義相對(duì)論的理解 1．廣義相對(duì)論的兩條基本原理分別如下，廣義相對(duì)性原理：____________________________；等效原理：______________________________. 答案　在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的　一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià) 2．在日全食的時(shí)候，通過(guò)儀器可以觀察到太陽(yáng)后面的恒星，這說(shuō)明星體發(fā)出的光(　　) A．經(jīng)太陽(yáng)時(shí)發(fā)生了衍射 B．可以穿透太陽(yáng)及其他

6、障礙物 C．在太陽(yáng)引力場(chǎng)作用下發(fā)生了彎曲 D．經(jīng)過(guò)太陽(yáng)外的大氣層時(shí)發(fā)生了折射 解析　根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論可知，光線在太陽(yáng)引力場(chǎng)作用下發(fā)生了彎曲，所以可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(如日全食時(shí))通過(guò)儀器觀察到太陽(yáng)后面的恒星，故C正確． 答案　C 3．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．萬(wàn)有引力可以用狹義相對(duì)論作出正確的解釋 B．電磁力可以用狹義相對(duì)論作出正確的解釋 C．狹義相對(duì)論是慣性參考系之間的理論 D．萬(wàn)有引力理論無(wú)法納入狹義相對(duì)論的框架 答案　BCD 4．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(shuō)法正確的是(　　) A．它們之間沒(méi)有任何聯(lián)系 B．有了廣義相對(duì)論，狹義相對(duì)論就沒(méi)

7、有存在的必要了 C．狹義相對(duì)論能夠解決時(shí)空彎曲問(wèn)題 D．為了解決狹義相對(duì)論中的參考系問(wèn)題提出了廣義相對(duì)論 解析　狹義相對(duì)論之所以稱為狹義相對(duì)論，就是只能對(duì)于慣性參考系來(lái)講的，時(shí)空彎曲問(wèn)題是有引力存在的問(wèn)題，需要用廣義相對(duì)論進(jìn)行解決． 答案　D 5．下列說(shuō)法中，正確的是(　　) A．由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的影響，我們有可能看到太陽(yáng)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)程越快 D．由于物質(zhì)的存在，實(shí)際的空間是彎曲的 解析　由廣義相對(duì)論可知：物質(zhì)的引力使光線彎曲，因此選項(xiàng)A、D是正確的；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，所以選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤． 答案　ABD 6．若宇宙飛船是全封閉的，航天員與外界沒(méi)有任何聯(lián)系，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)飛船內(nèi)沒(méi)有支撐的物體都以某一加速度落向艙底，由此，他作出如下判斷中，正確的說(shuō)法是(　　) A．此飛船一定是停在某個(gè)星球的表面上 B．此飛船一定是正在遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行 C．此飛船可能是停在某個(gè)星球的表面上，也可能是正在遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行 D．此飛船可能在遠(yuǎn)離任何天體的空間中勻速飛行 答案　C 4