魯科版物理選修3-4配套學(xué)案第6章第3節(jié)廣義相對論初步第4節(jié)探索宇宙Word版含答案

第3節(jié)廣義相對論初步第4節(jié)探索宇宙1.知道廣義相對論的兩個基本原理，知道什么是慣性力.（重點(diǎn)＋難點(diǎn)）2.了解廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)，了解時空彎曲.（重點(diǎn)＋難點(diǎn)）3.了解廣義相對論的三個實驗驗證.（重點(diǎn)）4.了解宇宙的起源、演化和未來，知道宇宙里有些什么.5.了解人類對宇宙的永不停息的探索.一、廣義相對論初步1.廣義相對論的兩個基本原理（1）廣義相對性原理：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與均勻引力場不可區(qū)分.（3）在一個以加速度a運(yùn)動的非慣性參考系中，任何物體都會受到一個與非慣性系運(yùn)動方向相反的力，這個力叫慣性力.其中F＝－ma.2.廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)廣義相對論深刻地揭示了時間、空間與物質(zhì)的運(yùn)動和分布的密切關(guān)系.（1）引力的存在對時間的影響：在引力場中，時鐘變慢；引力場越強(qiáng)，時鐘變慢越甚.（2）引力的存在對空間的影響：引力的存在會使空間變形，在引力方向上，空間間隔不變，在與引力垂直方向上，空間間隔變短（直尺變短），發(fā)生了彎曲，引力越強(qiáng)的地方，這種效應(yīng)越明顯.3.廣義相對論的實驗檢驗（1）水星近日點(diǎn)的進(jìn)動；（2）光線在引力場中的彎曲；（3）引力紅移現(xiàn)象；（4）雷達(dá)回波延遲.1.實驗驗證愛因斯坦廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)理論是正確的，那么牛頓的時空結(jié)構(gòu)理論就是錯誤的，這種認(rèn)識是否正確？提示：牛頓力學(xué)理論及時空觀理論是相對論理論在低速宏觀情境下的近似，有著實際的現(xiàn)實意義，并不能說是錯誤的.二、探索宇宙1.宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型認(rèn)為，宇宙起源于一個奇點(diǎn)，在該點(diǎn)，溫度為無窮大，物質(zhì)密度為無窮大，空間急劇膨脹，即發(fā)生宇宙大爆炸，之后，宇宙不斷膨脹，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（1）太陽是一顆恒星，在太陽系中，除有八大行星外，還有衛(wèi)星、彗星和流星體，由恒星組成的集團(tuán)叫星系，現(xiàn)在已知存在的星系有1000億個以上.（2）黑洞是看不見的天體，是沒有“出口”的“洞”，是一個具有巨大引力的空間區(qū)域.3.永不停息的探索16世紀(jì)初，意大利科學(xué)家伽利略首次利用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空觀測.后來，人們又發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡，并修建了天文臺.各國還先后發(fā)射了許多人造衛(wèi)星及宇宙飛行器，用于天文觀測.2.有限無邊的靜態(tài)宇宙模型中“有限”和“無邊”是否相矛盾？提示：二者并不矛盾，它們是從相對靜止與運(yùn)動的發(fā)展趨勢兩個不同方面對同一事物的辯證認(rèn)識.了解廣義相對論1.狹義相對論的局限性（1）狹義相對論認(rèn)為一切物理規(guī)律在任何慣性系中都具有相同的形式.但客觀世界中并不存在慣性參考系.（2）引力作用下的運(yùn)動規(guī)律本身就不是慣性規(guī)律，牛頓的萬有引力定律無法滿足狹義相對論的要求.2.廣義相對論的兩個基本原理（1）廣義相對性原理：愛因斯坦把狹義相對性原理從慣性參考系推廣到了包括非慣性系在內(nèi)的所有參考系，一切參考系對于描述物理規(guī)律和物理現(xiàn)象來說都是平等的，無論用什么參考系，物理規(guī)律都是相同的.（2）等效原理：在物理學(xué)中，一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系的慣性力場有等效性.3.廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)廣義相對論允許在加速參考系中描述自然現(xiàn)象，加速參考系中出現(xiàn)的慣性力等效于引力.那么，引力的出現(xiàn)對時空的影響，也就等效于加速參考系中的時空結(jié)構(gòu)，通過對轉(zhuǎn)動大圓盤的研究可知：（1）引力場中，時鐘變慢，引力場越強(qiáng)，時鐘變慢越明顯，這就是引力的存在對時間的影響.因此，在加速參考系中，時鐘也會變慢.（2）引力的存在會使空間變形，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.引力越強(qiáng)的地方，這種效應(yīng)越明顯.（3）引力場是由質(zhì)量不為零的物質(zhì)產(chǎn)生的，引力使時空發(fā)生變化，其實是由于物質(zhì)的存在使時空發(fā)生變化.廣義相對論的時空觀認(rèn)為，時間和空間不僅與參考系有關(guān)，還與物質(zhì)的運(yùn)動和分布有關(guān)，在密度越大，質(zhì)量越大處空間彎曲越嚴(yán)重.（1）廣義相對論的等效性原理揭示了非慣性系中出現(xiàn)的慣性力與引力在力學(xué)效應(yīng)上是等效的.（2）廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)是客觀世界的真實反映，牛頓的經(jīng)典力學(xué)時空觀和狹義相對論的時空觀都是在特定情形下的一種近似.假如宇宙飛船是全封閉的，航天員與外界沒有任何聯(lián)系，但是航天員觀察到，飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底，請分析這些物體運(yùn)動的原因及由此得到的結(jié)論.[思路點(diǎn)撥]勻加速參考系中的慣性力場與均勻力場不可區(qū)分.[解析]飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底的原因可能是飛船正在向遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行，也可能是由于飛船處于某個星球的引力場中，實際上飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們飛船到底是加速運(yùn)動還是停泊在一個行星的表面.這個事實說明：一個勻加速運(yùn)動的非慣性系中出現(xiàn)的慣性力與引力在力學(xué)效應(yīng)上是等效的.即勻加速參考系中的慣性力場與均勻引力場不可區(qū)分.[答案]見解析典型問題——相對論速度變換公式及應(yīng)用1.公式：設(shè)參考系相對地面的運(yùn)動速度為v，參考系中的物體以速度u′沿參考系運(yùn)動的方向相對參考系運(yùn)動，那么物體相對地面的速度u＝eq\f(u′＋v,\a\vs4\al(1＋\f(u′v,c2))).2.理解（1）當(dāng)物體運(yùn)動方向與參考系相對地面的運(yùn)動方向相反時，公式中的u′取負(fù)值.（2）若物體運(yùn)動方向與參考系運(yùn)動方向不共線，此式不可用.（3）由公式可知：u一定比u′＋v小，但當(dāng)u′?c，v?c時，可認(rèn)為u＝u′＋v，這就是低速下的近似，即經(jīng)典力學(xué)中的速度變換式.（4）若u′＝v＝c時，u＝c，從而證明了光速是速度的極限，也反證了光速不變的原理，即c在任何慣性系中都是相同的.地球上一觀察者，看見一飛船A以速度2.5×108m/s從他身邊飛過，另一飛船B以速度2.0×108m/s與A反向飛行.求：（1）A上的乘客看到B的速度是多大？（2）B上的乘客看到A的速度是多大？[解題探究]取A飛行的方向為正時，A上的乘客看到地面的速度為正還是負(fù)？B相對地面的速度為正還是負(fù)？[解析]（1）取A飛行的方向為正，A上的乘客看到地面的速度為u′＝－2.5×108m/s，B相對地面的速度v＝－2.0×108m/s則A上的乘客看B的速度為：u＝eq\f(u′＋v,1＋（u′v/c2）)＝eq\f(－2.5×108－2.0×108,1＋\f(－2.5×108×（－2.0×108）,（3×108）2))m/s＝－2.9×108m/s.（2）同理B看A的速度大小為2.9×108m/s.[答案]（1）2.9×108m/s（2）2.9×108m/s設(shè)想有一艘飛船以v＝0.8c的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿其運(yùn)動方向拋出一物體，該物體相對于飛船的速度為0.9c，從地面上的人看