人教版高中物理选修3-4课件：15.4《广义相对论简介》.ppt

1、15.4广义相对论简介 教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能： （1）了解广义相对论基本原理）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效广义相对性原理和等效 原理原理 （2）广义相对论主要结论）广义相对论主要结论 物质的引力使光线弯曲和强物质的引力使光线弯曲和强 引力场附近的时间进程会变慢引力场附近的时间进程会变慢 （3）介绍广义相对论的实验验证）介绍广义相对论的实验验证 过程与方法：过程与方法： 了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程 情感态度和价值观：情感态度和价值观： 体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大

2、力量 教学重点、难点教学重点、难点 ： 1、广义相对性原理和等效原理、广义相对性原理和等效原理 2、广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场、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附近的时间进程会变慢 相对论简介相对论简介 1919世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质我们已经知道，电人们认识到了光的电磁本质我们已经知道，电 磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁 场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了

3、相对论的出现相对论的出现 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循 的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识， 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座 重要的里程碑重要的里程碑 如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个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考系则是非惯性参考系 在不同参在不同参 考系中观考系中观 察物体的察物体的 运动情况运动情况 非惯

4、性系和惯性系非惯性系和惯性系 非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相 对于车厢加速向后运动对于车厢加速向后运动 a a 光滑表面光滑表面 非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 加速运动的加速运动的 列车是个非列车是个非 惯性参考系惯性参考系 aa 为了让牛顿定律在为了让牛顿定律在 非惯性系中能够成非惯性系中能够成 立，引入惯性力立，引入惯性力 maF i 光滑表面光滑表面 非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 牛顿第二定律的表达式牛顿第二定律的表达式 惯性力的定义式惯性力的定义式 maF i maF “”号表示惯性力的方向

5、与非惯”号表示惯性力的方向与非惯 性系的加速度方向相反性系的加速度方向相反 注意不注意不 要混淆要混淆 非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 以加速上升的电梯为参以加速上升的电梯为参 考系，我们可以认为乘坐电考系，我们可以认为乘坐电 梯的人除了受到重力的作用，梯的人除了受到重力的作用， 还受到一个向下的惯性力，还受到一个向下的惯性力， 重力和惯性力的合力使人感重力和惯性力的合力使人感 受到了超重受到了超重 a a maG 2121世纪，人类在空间站世纪，人类在空间站 中长期生活，为了克服失重中长期生活，为了克服失重 带来的不利影响，可以将空带来的不利影响，可以将空 间站设计成一个大转轮，绕间站设计

6、成一个大转轮，绕 轴自转，其上各点都有一个轴自转，其上各点都有一个 指向转动轴的向心加速度，指向转动轴的向心加速度， 因此，以空间站为参考系，因此，以空间站为参考系， 与它一起旋转的物体都受到与它一起旋转的物体都受到 一个背离转动轴的惯性力，一个背离转动轴的惯性力， 这就是所谓的人造重力这就是所谓的人造重力 非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 惯性质量和引力质量惯性质量和引力质量 地面静止地面静止 加速飞行加速飞行 a 引力和惯性力都可引力和惯性力都可 以使物体加速下落以使物体加速下落 引力质量引力质量 惯性质量惯性质量 广义相对论简介广义相对论简介 牛顿第二定律的表达式牛顿第二定律的表达式 惯

7、性力的定义式惯性力的定义式 maF i maF “”号表示惯性力的方向与非惯”号表示惯性力的方向与非惯 性系的加速度方向相反性系的加速度方向相反 注意不注意不 要混淆要混淆 “m”应该叫做惯性质量应该叫做惯性质量 惯性质量和引力质量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 深刻的联系深刻的联系 广义相对论简介广义相对论简介 狭义相对论狭义相对论

8、广义相对论广义相对论 不同的惯性不同的惯性 参考系中一参考系中一 切物理规律切物理规律 都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系 （包括非惯性（包括非惯性 系）中物理规系）中物理规 律都是相同的律都是相同的 真空中的光真空中的光 速在不同惯速在不同惯 性参考系中性参考系中 都是相等的都是相等的 一个均匀的引一个均匀的引 力场与一个做力场与一个做 匀加速运动的匀加速运动的 参考系等价参考系等价 更进一步更进一步 等等 效效 原原 理理 光光 速速 恒恒 定定 爱因爱因 斯坦斯坦 相对相对 性原性原 理理 广义广义 相对相对 性原性原 理理 广义相对论的两个基本原理可以得出一些广义相对论的两个基

9、本原理可以得出一些 意想不到的结论意想不到的结论 广义相对论简介广义相对论简介 广义相对论简介广义相对论简介 在一个引力可以忽在一个引力可以忽 略的宇宙空间有一艘宇略的宇宙空间有一艘宇 宙飞船在做匀加速直线宙飞船在做匀加速直线 运动，船上的观察者记运动，船上的观察者记 录光的径迹是一条抛物录光的径迹是一条抛物 线线 a 半半 透透 明明 屏屏 光光 源源 等效原理等效原理 物体的引力能使光线弯曲物体的引力能使光线弯曲 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它假设飞船静止，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的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响 广

10、义相对论简介广义相对论简介 通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，2020世纪只能观测到太阳世纪只能观测到太阳 引力场引起的光线弯曲引力场引起的光线弯曲 太阳太阳 由于太阳引由于太阳引 力场的作用，我力场的作用，我 们有可能观测到们有可能观测到 太阳后面的恒星，太阳后面的恒星， 最好的观测时间最好的观测时间 是发生日全食的是发生日全食的 时候时候 19191919年年5 5月月2929日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行日，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观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实 广

11、义相对论简介广义相对论简介 星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这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种现象叫做引力透镜效应 星体星体 星体星体 无无 法法 观观 测测 黑黑 洞洞 宇宙中很可能存在黑洞，宇宙中很可能存在黑洞， 它不辐射电磁波，因此无法直它不辐射电磁波，因此无法直 接观测，但是它的巨大质量和接观测，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，引力透镜是探索黑的引力场，引力透镜是探索黑 洞的途径之一洞的途径之一 时间间隔与引力场有关时间间隔与引力场有关 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间

12、不同位置的时间进程 出现差别出现差别 对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除 了转动轴的位置外，各点都在了转动轴的位置外，各点都在 做加速运动，越是靠近边缘，做加速运动，越是靠近边缘， 加速度越大，方向指向盘心加速度越大，方向指向盘心 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，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靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，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，时间进程比较慢引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比

13、较慢 各各 类类 星星 体体 对对 比比 宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，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个现象叫做引力红移 时间间隔与引力场有关时间间隔与引力场有关 引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度 出现了差别出现了差别 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相

14、对论，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靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短引力势较低的位置，杆的长度越短 杆的长度与引力场有关杆的长度与引力场有关 引力势引力势 由高到由高到 低变化低变化 杆的长度与引力场有关杆的长度与引力场有关 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生了“弯曲”：发生了“弯曲”： 对于时空观的认识对于时空观的认识 物质本身的存在决物质本身的存在决 定时空的性质定时空的性质 时空性质和物时空性质和物 质的运动有关质的运动有关 狭义相对论狭义

15、相对论 广义相对论广义相对论 惯性系平权惯性系平权 所有参考系平权所有参考系平权 时时 空空 观观 光速恒定光速恒定 等效原理等效原理 广义相对论与几何学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来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力 场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上场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人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的 实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因实际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此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几 何何 作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的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，还将继续发挥作用适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用