人教版高中物理选修广义相对论简介

对于高速转动的圆盘，除了转动轴 的位置外，各点都在做加速运动， 越是靠近边缘，加速度越大，方向 指向盘心。
人教版高中物理选修3-4 15.4广义相对论简介(共40张PPT)
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时间间隔和引力场有关
地面上看到： 越是靠近边缘，速度越大。 根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较 慢。
各 类 星 体 对 比
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宇宙中有一类恒星，体 积很小，质量却很大， 叫做矮星，引力势比地 球低的多。
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时间间隔和引力场有关
引力红移
矮星表面的时间进程比较慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频 率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象，光谱线的这种移动是在引力 作用下发生的，所以叫“引力红移”。
宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波， 因此无法直接观测，但是它的巨大质量和 极小的体积使其附近产生极强的引力场， 引力透镜是探索黑洞的途径之一。
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无
法
观
黑洞
测
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引力透镜效应
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杆的长度和引力场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”
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1、引力问题
2、非惯性系问题
引力的作用以什么速度传递？ 狭义相对论只适用于惯性系
现成的理论都不涉及这个问题。
万有引力定律无法纳入狭义相 对论的理论框架。
为什么惯性系具有这样的地位？ 狭义相对论无法解释
因为上述两个问题，狭义相对论无法解释，爱因斯坦提出了广义 相对论。
爱因斯坦
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广义相对论的基本原理
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
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广义相对论的基本原理
2、等效原理： 在封闭的宇宙飞船内，一小球以某一加速度落向舱底。
非惯性系和惯性系
如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称 作惯性参考系。 牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系。
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非惯性系和惯性系
光滑表面 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动
爱因斯坦狭义相对性原理 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的
爱因斯坦广义相对论原理 在任何参考系中(包括非惯系），所有的物理规律都是相同的，称为广义相对性原理。
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1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测， 证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实
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引力透镜效应
星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应
广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论
广义相对论的几个结论
理解引力作用下光线弯曲 了解引力红移现象 了解引力使时间变慢
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引力透镜效应
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飞船外观察者看到这束光是直线 传播的（水平向右）
圆盘上的人认为： 盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引 力势较低。
得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢。
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时间间隔和引力场有关
引力红移 按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。
广义相对论的成就
广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实。 还有其他一些事实也支持广义相对论。 目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥了主要作用。
广义相对论与几何学
几何学反应的是人对空间关系的认识。 有史以来人们只在比较小的空间 尺度中接触比较弱的引力场。
欧几里得几何学
这种情况下空间的弯曲可以忽略， 在此基础上人类发展了欧几里得 几何学，它反映了平直空间的实 际。
一个均匀的引力场 等 与一个做匀加速运 效 动的参考系等价 原
理
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狭义相对论和广义相对论的比较
对于时空观的认识 狭义相对论
时空性质和物 质的运动有关
惯性系平权 光速恒定
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广义相对论与几何学
广义相对论告诉我们实际空间 是弯曲的，因此描述实际空间 的应该是更具有一般意义的非 欧几何。
作为非欧几何的特例，欧几里 得几何学在它的适用范围内仍 是正确的，还将继续发挥作用。
总结
广义相对性原理和等 效原理
广义相对论
物质的引力使光线弯曲
广义相对论的两个 结论
引力场的存在使空间不同位置的时 间进程出现差别
地球表面有引力，为什么说在地球表面均匀介质中光沿直线 传播？ 地球表面的引力场很弱，对光的传播方向影响很小，所以认 为光沿直线传播。
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时间间隔和引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别
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非惯性系和惯性系
加速运动的列车是 个非惯性参考系。
光滑表面 为了让牛顿定律在非惯性系 中能够成立，引入惯性力。
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飞船内部的任何物理过程都不 能告诉我们，飞船到底是在加 速运动，还是停泊在一个行星 的表面。
一个均匀的引力场与一个做匀 这可能是由于飞船处于 也可能飞船正在远离任何 加速运动的参考系等价 某个星球的引力场中； 天体的空间加速飞行。
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广义相对论的基本原理
理解等效原理 理解广义相对性原理
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广义相对论的基本原理
1、广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。
伽利略相对性原理力学规律 在任何惯性系都是Leabharlann Baidu同的
广义相对论简介
教学目标
初步了解广义相对论的几个主要观点及主要观测证据 关注宇宙学研究的新进展
教学重点
广义相对性原理和等效原理
教学难点
理解广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场 附近的时间进程会变慢。
狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和赞叹之中。 而爱因斯坦却在冷静地思考狭义相对论无法解决的两个问题：
假设飞船静止，而在船尾存在一个巨 大的物体，在它的引力场作用下，飞 船内的物理过程受到影响。
等效原理
物体的引力能使光线弯曲 引力场越强，弯曲越厉害
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引力透镜效应
通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲
由于太阳引力场的作用， 我们有可能观测到太阳后 面的恒星，最好的观测时 间是发生日全食的时候
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
惯性质量是物体被当做质点 时，其惯性大小的量度
“m”应该叫做惯性质量
“－”号表示惯性力的方向与 非惯性系的加速度方向相反
惯性质量和引力质量
事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力 质量之间的差别。
这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存 在某种深刻的联系。
狭义相对论和广义相对论的比较
狭义相对论
爱因 斯坦 相对 性原 理
不同的惯性参考 系中一切物理规 律都是相同的
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光 真空中的光速在 速 不同惯性参考系 恒 中都是相等的 定
广义相对论
任何参考系（包括 非惯性系）中物理 规律都是相同的
广义 相对 性原 理
重力和惯性力的合力使人感 受到了超重。
非惯性系和惯性系
21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间 站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度。
因此，以空间站为参考系，与它一 起旋转的物体都受到一个背离转动 轴的惯性力，这就是所谓的人造重 力。
如果飞船做匀速直线运动，船上观察 者记录下的光的径迹是一条直线。
如果飞船做匀加速运动，在光向右 传播的同时，飞船的速度也在不断 增大，因此船上观察者记录下的光 的径迹是一条抛物线。
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引力透镜效应
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水星近日点的进动
天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点（或远 日点）有进动（行星绕太阳一周后，椭圆轨道也随之有一点转动，叫 做“进动”）。
这个效应以离太阳最近的水星最为显著，这与牛顿力学理论的计算结 果有较大的偏差，而爱因斯坦的广义相对论的计算结果与实验观察结 果十分近似。
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广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
所有参考系平权 等效原理
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惯性力
继续理解等效原理 学习利用惯性力处理非惯性参考系问题
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惯性质量和引力质量
质量的定义
质量是决定物体惯性大 小的唯一因素
物体之间的万有引力与物 体的质量有关
运动状态难改变
由惯性定义的质量称为 惯性质量
由引力定义的质量称为 引力质量
惯性质量和引力质量
位于地面且静止 此时的质量为惯性质量
引力和惯性力都可 以使物体加速下落
加速飞行 此时的质量为引力质量
惯性质量和引力质量
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非惯性系和惯性系
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
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“－”号表示惯性力的方向与非惯性 系的加速度方向相反。
非惯性系和惯性系
以加速上升的电梯为参考系， 我们可以认为乘坐电梯的人除 了受到重力的作用，还受到一 个向下的惯性力。
各 类 星 体 对 比
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杆的长度与引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别
引力势由高到 低变化 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大。 根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短。 圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短。