广义相对论PPT教学课件

分析：起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光 通过；偏振方向平行时，光强度达到最大当其中一 个偏振片转动180度的过程中，两偏振片的方向由 垂直到平行再到垂直，所以通过的光先增强，又减
小到零，选项A正确．
小结：
• 光波是一种横波. • 偏振光会发生偏振现象
例 两个偏振片紧靠在一起将它们放在一盏灯的前面以致 没有光通过．如果将其中的一片旋转180度，在旋转过程 中，将会产生下述的哪一种现象（ ）
A、透过偏振片的光强先增强，然后又减少到零 B、透过偏振片的光强光增强，然后减少到非零的最 小值 C、透过偏振片的光强在整个过程中都增强 D、透过偏振片的光强先增强，再减弱，然后又增强
所以，光是一种横波．
4.偏振现象的应用
• 下一章我们会知道，光是电磁波,电磁波是横波， 电磁波中电场强度E和磁感应强度B的振动方向 都与电磁波的传播方向垂直．
• 实验指出，光波的感光作用和生理作用等主要 是由电场强度E所引起的，因此常将E的振动称 为光振动．在与光波传播方向垂直的平面内， 光振动的方向可以沿任意的方向．
• 如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧 形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵 波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下 图）．
受上面实验的启发，我们可以利用 类似的实验来判断光波是横波还是纵
波．
• 偏振片由特定的材料制成，它上面有一个特殊的 方向（叫做透振方向），只有振动方向与透振方 向平行的光波才能通过偏振片．偏振片对光波的 作用就像上图中的狭缝对于机械波的作用一样．
• 光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然 光．光振动沿着特定方向的光就是偏振光．
光的偏振现象并不罕见．除了从光源（如 太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常 看到的绝大部分光，都是偏振光．自然光射到 两种介质的界面上，如果光入射的方向合适， 使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这 时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振 方向互相垂直．
偏振现象的应用：拍摄
光的偏振现象有很多应用．如在拍摄日落 时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的 陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射 光的干扰，常使景像不清楚．如果在照相机镜 头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反 射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使 景像清晰．
偏振现象的应用：液晶显示
伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系都是相同的
逻
辑
形
爱因斯坦狭义相对性原理(1905年)
式
逐
在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的； 渐
简
约
爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 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。
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。
横波只沿着 某一个特定的方 向振动，称为波 的偏振．只有横 波才有偏振现 象．
3、通过第一个偏振片的偏振光再通过第二个偏振片（称为检偏器）时，如 果两个偏振片的透振方向平行，那么，通过第一个偏振光的振动方向跟 第二个偏振片的透振方向平行，透射光的强度最大．
4、如果两个偏振片的透振方向垂直，那么，偏 振光的振动方向跟第二个偏振片的透振方向垂 直，偏振光不能通过第二个偏振片，透射光的 强度为零．
1、太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传 播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振 动的光波的强度都相同．这种光叫做自然光 .
2、自然光通过第一个偏振片（叫做起偏器）之 后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的 光波才能通过．也就是说，通过第一个偏振片 的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着 一个特定的方向振动．这种光叫做偏振光．
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，为什么惯 性系具有这样的地位？狭义相对论无法解 释
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。
星体
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．
无
法
黑
星体
观
洞
测
2、引力场的存在使得空间不同位置的时间 进程出现差别．
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．
组织：小组（2-3人）
方案： 利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论
建立的科普小文章.
要求： 文章的时间脉络清晰，无科学性错误.
课题研究
题目： （一）爱因斯坦的贡献 （二）方兴未艾的宇宙学 （三）有趣的相对论佯谬 （四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论 的建立.
组织： 小组（2-3人） 方案：
15.4 广义相对论简介
复习
一、狭义相对论的两点假设： 1、狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，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是相 同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有 关系。
二、由狭义相对论推出的几个结论
1、“同时”的相对性
2、动尺变短
l l0
1 v 2 c
由于物质的存在，实际空间并不是均匀 的，空间发生了“弯曲”：
点击 观看
狭义、广义相对论比较
狭义相对论
广义相对论
广
爱因
义
斯坦 不同的惯性 相对 参考系中一
更进一步
任何参考系 （包括非惯性
相 对
性原 切物理规律
系）中物理规 性
理 都是相同的
律都是相同的 原
理
光 真空中的光 速 速在不同惯 恒 性参考系中 定 都是相等的
• 现在利用偏振片代替上面的带有狭缝的木板，来 做光学实验．
• 当只有一块偏振片时，以光 的传播方向为轴旋转偏振片， 透射光的强度不变．
当两块偏振片的透振方向平行时，透 射光的强度最大，但是，比通过一块 偏振片时要弱．
当两块偏振片的透振方向垂直时，透 射光的强度最弱，几乎为零.
3、产生上述现象的原因
一个均匀的 等 引力场与一个 效 做匀加速运动 原 的参考系等价 理
对于时空观的认识
狭义相对论
广义相对论
时空性质和物 质的运动有关
时 空 观
物质本身的存在决 定时空的性质
惯性系平权
所有参考系平权
Βιβλιοθήκη Baidu光速恒定
等效原理
（一）爱因斯坦的贡献 （二）方兴未艾的宇宙学 （三）有趣的相对论佯谬 （四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立.
利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯 坦与狭义相对论建立的科普小文章. 要求：
文章的时间脉络清晰，无科学性错误.
光的偏振
1、引入：
• 在纵波中，振动方向总是跟波的传播方向在同一直 线上．在横波中，振动方向总是垂直于波的传播方 向，但不同的横波，振动方向可以不同．
• 例如一列横波沿水平方向传播，质点在竖直平面内 可能沿着上下方向振动，也可能沿着左右方向振动， 也可能沿着任何其他方向振动．
另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳 光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水 平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分 的散射光。
2、观看立体电影:在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两 个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下 同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。 如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可 以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每 个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向 相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的 偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振 片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样， 银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中 就形成立体化的影像了。
三、广义相对论的几个结论
1、物质的引力使光线发生弯曲
飞船外观察者看到这束光是 直线传播的（水平向右）
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（虚线）
如果飞船做匀加速运动，在光 向右传播的同时，飞的速度也在不 断增大，因此船上观察者记录下的 光的径迹是一条抛物线。
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．
• 液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的 液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料— —胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。
偏振现象的应用：液晶显示
如果有光线进入,通过 第一个偏振片后，将被 液晶分子逐渐改变偏振 方向.由于光线沿着分子 排列的方向传播，光线 最终将从另一端射出．
如果两玻璃板之间加 上电压，分子排列方向 将与电场方向平行，光 线由于不能扭转将不会 通过第二个极板．
偏振现象的应用：液晶显示
• 液晶显示器就是利 用这一特性，在上下 两片栅栏相互垂直的 偏光板之间充满液晶， 利用电场控制液晶的 转动．不同的电场大 小就会形成不同的灰 阶亮度．
1、汽车车灯
汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大 灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有 偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从 前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时， 即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。
• 当然，对于一个确定的横波，它的振动方向是确定 的．
2、实验：
• 取一根软绳，一端固 定在墙上，手持另一 端上下抖动，就在软 绳上形成一列横波.
现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与 振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一 侧（图甲）．如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被 狭缝挡住而不能向前传播（图乙）．
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．
圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘， 靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进 程比较慢．
3、引力红移
各 类 星 体 对 比
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，矮星表面的时间进程 比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发 光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移．
3、生物的生理机能与偏振光
人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆 虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、 两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根 据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判 断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找 到的花丛。
再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但 是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航， 因而不会迷路。
太阳
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．
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，这是对广义相对 论的最早证实．
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．
3、动钟变慢
t
t0
1
v
2
c
4、速度变换公式
u
u v
1
uv c2
5、相对论质量 6、质能方程
m
m0
1
v
2
c
E mc2
阅读思考题
1、狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？
2、广义相对论的两个基本原理是什么？ 与狭义相对论的两个假设有什么不同？
3、根据广义相对论的两个基本原理可以导出 那些重要结论？