人教版高中物理選修廣義相對(duì)論簡介教學(xué)課件

廣義相對(duì)論簡介廣義相對(duì)論簡介

初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)及主要觀測證據(jù)

關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展教學(xué)目標(biāo)

初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)及主要觀測證據(jù)

關(guān)注

廣義相對(duì)性原理和等效原理理解廣義相對(duì)論的主要結(jié)論：引力使光線彎曲和強(qiáng)引力場附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)

廣義相對(duì)性原理和等效原理理解廣義相對(duì)論的主要結(jié)論：引力使狹義相對(duì)論出現(xiàn)以后，整個(gè)世界都處于震驚和贊嘆之中。而愛因斯坦卻在冷靜地思考狹義相對(duì)論無法解決的兩個(gè)問題：現(xiàn)成的理論都不涉及這個(gè)問題。萬有引力定律無法納入狹義相對(duì)論的理論框架。狹義相對(duì)論只適用于慣性系為什么慣性系具有這樣的地位？狹義相對(duì)論無法解釋1、引力問題2、非慣性系問題引力的作用以什么速度傳遞？狹義相對(duì)論出現(xiàn)以后，整個(gè)世界都處于震驚和贊嘆之中。而愛因斯坦因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)問題，狹義相對(duì)論無法解釋，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。愛因斯坦人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)問題，狹義相對(duì)論無法解釋，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)

理解等效原理理解廣義相對(duì)性原理廣義相對(duì)論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介

理解等效原理理解廣義相對(duì)性原理廣義相對(duì)論的基本原理人教版1、廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。

伽利略相對(duì)性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系都是相同的

愛因斯坦狹義相對(duì)性原理在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都有是相同的

愛因斯坦廣義相對(duì)論原理在任何參考系中(包括非慣系），所有的物理規(guī)律都是相同的，稱為廣義相對(duì)性原理。廣義相對(duì)論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介1、廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。

2、等效原理：一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)廣義相對(duì)論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介2、等效原理：一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)2、等效原理：在封閉的宇宙飛船內(nèi)，一小球以某一加速度落向艙底。這可能是由于飛船處于某個(gè)星球的引力場中；

也可能飛船正在遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行。飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們，飛船到底是在加速運(yùn)動(dòng)，還是停泊在一個(gè)行星的表面。一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)廣義相對(duì)論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介2、等效原理：在封閉的宇宙飛船內(nèi)，一小球以某一加速度落向艙底狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論愛因斯坦相對(duì)性原理不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的廣義相對(duì)性原理等效原理真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的光速恒定一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的比較人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論愛因斯坦相對(duì)性原理不同的慣性參考系中一切對(duì)于時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論光速恒定等效原理時(shí)空性質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)物質(zhì)本身的存在決定時(shí)空的性質(zhì)慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的比較人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介對(duì)于時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論光速恒定等效原理時(shí)空性質(zhì)繼續(xù)理解等效原理學(xué)習(xí)利用慣性力處理非慣性參考系問題慣性力人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介繼續(xù)理解等效原理學(xué)習(xí)利用慣性力處理非慣性參考系問題慣性力人教如果在一個(gè)參考系中牛頓定律能夠成立，這個(gè)參考系稱作慣性參考系。牛頓運(yùn)動(dòng)定律不能成立的參考系則是非慣性參考系。非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介如果在一個(gè)參考系中牛頓定律能夠成立，這個(gè)參考系稱作慣性參考系以車廂為參考系，當(dāng)列車加速運(yùn)行時(shí)，小球會(huì)相對(duì)于車廂加速向后運(yùn)動(dòng)非慣性系和慣性系光滑表面人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介以車廂為參考系，當(dāng)列車加速運(yùn)行時(shí)，小球會(huì)相對(duì)于車廂加速向后運(yùn)加速運(yùn)動(dòng)的列車是個(gè)非慣性參考系。為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力。光滑表面非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介加速運(yùn)動(dòng)的列車是個(gè)非慣性參考系。為了讓牛頓定律在非慣性系中能

“－”號(hào)表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反。

非慣性系和慣性系牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介

“－”號(hào)表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反。

非慣

以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘坐電梯的人除了受到重力的作用，還受到一個(gè)向下的慣性力。重力和慣性力的合力使人感受到了超重。

非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介

以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘坐電梯的人除了受到

21世紀(jì)，人類在空間站中長期生活，為了克服失重帶來的不利影響，可以將空間站設(shè)計(jì)成一個(gè)大轉(zhuǎn)輪，繞軸自轉(zhuǎn)，其上各點(diǎn)都有一個(gè)指向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的向心加速度。因此，以空間站為參考系，與它一起旋轉(zhuǎn)的物體都受到一個(gè)背離轉(zhuǎn)動(dòng)軸的慣性力，這就是所謂的人造重力。非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介

21世紀(jì)，人類在空間站中長期生活，為了克服失重帶來的不利影質(zhì)量的定義質(zhì)量是決定物體慣性大小的唯一因素物體之間的萬有引力與物體的質(zhì)量有關(guān)由慣性定義的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量

由引力定義的質(zhì)量稱為引力質(zhì)量

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介質(zhì)量的定義質(zhì)量是決定物體慣性大小的唯一因素物體之間的萬有引力位于地面且靜止加速飛行此時(shí)的質(zhì)量為慣性質(zhì)量此時(shí)的質(zhì)量為引力質(zhì)量引力和慣性力都可以使物體加速下落慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介位于地面且靜止加速飛行此時(shí)的質(zhì)量為慣性質(zhì)量此時(shí)的質(zhì)量為引力質(zhì)慣性質(zhì)量是物體被當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)時(shí)，其慣性大小的量度“－”號(hào)表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反“m”應(yīng)該叫做慣性質(zhì)量牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介慣性質(zhì)量是物體被當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)時(shí)，其慣性大小的量度“－”號(hào)表示慣性事實(shí)上，到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究都沒有找到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的差別。這向我們提示：加速運(yùn)動(dòng)的參考系和萬有引力，二者之間可能存在某種深刻的聯(lián)系。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介事實(shí)上，到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究都沒有找到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理可以得出一些意想不到的結(jié)論人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理可以得出一些意想不到的結(jié)論人教版高中理解引力作用下光線彎曲了解引力使時(shí)間變慢了解引力紅移現(xiàn)象廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介理解引力作用下光線彎曲了解引力使時(shí)間變慢了解引力紅移現(xiàn)象廣義飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）如果飛船做勻速直線運(yùn)動(dòng)，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線。如果飛船做勻加速運(yùn)動(dòng)，在光向右傳播的同時(shí)，飛船的速度也在不斷增大，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。引力透鏡效應(yīng)人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）如果飛船做勻速假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個(gè)巨大的物體，在它的引力場作用下，飛船內(nèi)的物理過程受到影響。等效原理物體的引力能使光線彎曲引力場越強(qiáng)，彎曲越厲害引力透鏡效應(yīng)人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介人教版高中物理選修341廣義相對(duì)論簡介假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個(gè)巨大的物體，在它的引力場作用下由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時(shí)間是發(fā)生日全食的時(shí)候通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)相對(duì)論的最早證實(shí)引力透鏡效應(yīng)由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的星球的強(qiáng)引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無法直接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強(qiáng)的引力場，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一。無法觀測黑洞引力透鏡效應(yīng)星球的強(qiáng)引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效地球表面有引力，為什么說在地球表面均勻介質(zhì)中光沿直線傳播？地球表面的引力場很弱，對(duì)光的傳播方向影響很小，所以認(rèn)為光沿直線傳播。

引力透鏡效應(yīng)地球表面有引力，為什么說在地球表面均勻介質(zhì)中光沿直線傳播？地引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，除了轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動(dòng)，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心。時(shí)間間隔和引力場有關(guān)引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大。根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的時(shí)間進(jìn)程較慢。圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，引力勢較低。得出：引力勢較低的位置，時(shí)間進(jìn)程比較慢。

時(shí)間間隔和引力場有關(guān)地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大。根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近引力紅移按照廣義相對(duì)論，引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別。宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多。各類星體對(duì)比時(shí)間間隔和引力場有關(guān)引力紅移按照廣義相對(duì)論，引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)引力紅移矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，因此光振動(dòng)會(huì)變慢，相應(yīng)的光的波長變長、頻率變小，光譜線會(huì)發(fā)生向紅光一端移動(dòng)的現(xiàn)象，光譜線的這種移動(dòng)是在引力作用下發(fā)生的，所以叫“引力紅移”。各類星體對(duì)比時(shí)間間隔和引力場有關(guān)引力紅移矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，因此光振動(dòng)會(huì)變慢，相應(yīng)的光引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大。根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的桿的長度較短。圓盤上的人認(rèn)為：引力勢較低的位置，桿的長度越短。引力勢由高到低變化

桿的長度與引力場有關(guān)引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別地面上看到：由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”桿的長度和引力場有關(guān)由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”桿的天文觀測顯示，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)（或遠(yuǎn)日點(diǎn)）有進(jìn)動(dòng)（行星繞太陽一周后，橢圓軌道也隨之有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，叫做“進(jìn)動(dòng)”）。這個(gè)效應(yīng)以離太陽最近的水星最為顯著，這與牛頓力學(xué)理論的計(jì)算結(jié)果有較大的偏差，而愛因斯坦的廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果十分近似。水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)天文觀測顯示，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)（或遠(yuǎn)廣義相對(duì)論所作出的以上預(yù)言全部被實(shí)驗(yàn)觀測所證實(shí)。還有其他一些事實(shí)也支持廣義相對(duì)論。目前，廣義相對(duì)論已經(jīng)在宇宙結(jié)構(gòu)、宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用。廣義相對(duì)論的成就廣義相對(duì)論所作出的以上預(yù)言全部被實(shí)驗(yàn)觀測所證實(shí)。還有其他幾何學(xué)反應(yīng)的是人對(duì)空間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。歐幾里得幾何學(xué)有史以來人們只在比較小的空間尺度中接觸比較弱的引力場。這種情況下空間的彎曲可以忽略，在此基礎(chǔ)上人類發(fā)展了歐