2013年鲁科物理选修3-4同步课件：第6章第3、4节广义相对论初步探索宇宙

第3节广义相对论初步第4节探索宇宙课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练课标定位知能优化训练第4节课标定位学习目标：1.初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据．2．关注宇宙研究的新进展，体会人类对自然的认识在不断扩展．3．了解狭义相对性原理和广义相对性原理的区别．重点难点：1.广义相对论的基本原理和时空结构．2．广义相对论的实验．课前自主学案一、广义相对论初步1．广义相对论的两个基本原理(1)广义相对性原理：在__________________________中___________都是相同的．(2)等效原理：_________参考系中的__________与____________不可区分．任何参考系(包括非惯性系)物理规律匀加速惯性力场均匀引力场运动2．广义相对论的时空结构广义相对论深刻地揭示了时间、空间与物质的_____和______的密切关系．(1)引力的存在对时间的影响：在引力场中，时钟______；引力场越强，时钟_____越甚．(2)引力的存在对空间的影响引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力______方向上，空间间隔变短(直尺变短)，发生了弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显．分布变慢变慢垂直3．广义相对论的实验检验(1)水星近日点的________；(2)光线在引力场中的________；(3)引力______现象；(4)雷达回波_______．进动弯曲红移延迟二、探索宇宙1．宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个______，在该点，温度为无穷大，物质密度为无穷大，空间___________，即发生宇宙大爆炸，之后，宇宙不断_____，温度不断_____，大约经历了_____年，形成了我们今天的宇宙．奇点急剧膨胀膨胀降低1502．宇宙里有什么(1)太阳是一颗恒星，在太阳系中，除有八大行星外，还有卫星、彗星和流星体，由恒星组成的集团叫______，现在已知存在的星系有1000亿个以上．(2)黑洞是看不见的天体，是没有“出口”的“洞”，是一个具有_________的空间区域．3．永不停息的探索16世纪初，意大利科学家伽利略首次利用_______对准天空观测．后来，人们又发明了射电望远镜，并修建了________．各国还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测．星系巨大引力望远镜天文台核心要点突破一、了解广义相对论1．狭义相对论无法解决的问题(1)万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．(2)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位.2．广义相对论的基本原理(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．(2)等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．3．广义相对论的时空结构与实验检验(1)广义相对论的时空结构①引力的存在对时间的影响．在引力场中，时钟变慢．引力场越强，时钟变得越慢．②引力的存在对空间的影响．引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变．在与引力垂直的方向上，空间间隔变短(直尺变短)，发生了弯曲．引力越强的地方．这种效应越明显．(2)相对论的实验检验①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，这个效应以离太阳最近的水星最为显著．牛顿对此作出的解释与实际观测结果不相符，而广义相对论成功地解释了水星近日点的进动．②光线在引力场中偏转根据电磁理论和经典光学，在无障碍的情况下，光线是直线传播的．但按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的．引力场越强．弯曲越厉害．③引力红移在强引力的星球附近，时间进程会变慢，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”．这一现象也已经在对白矮星(天狼星伴星)的观测中所证实．④雷达回波延迟光经过大质量物体附近时发生变曲，可以看成光多走了一段路程，或等效为光速变慢．从地球上发出的雷达信号，经太阳附近到达某一星球后再反射回地球．传播时间会有所延迟.20世纪60年代，人们通过大量实验，证实了延迟现象．二、宇宙的起源和构成1．大爆炸宇宙模型的主要观点(1)关于宇宙的起源①宇宙起源于一个奇点，奇点温度无穷高、密度无穷大．②宇宙发生大爆炸，空间急剧膨胀；温度不断降低．③大约经历了150亿年，形成了现在的宇宙．(2)关于宇宙的演化：决定宇宙几何性质的两个因素——膨胀率和密度决定了宇宙的命运．2．宇宙在未来的发展有两种可能(1)如果宇宙的膨胀率很大，密度很小，那么宇宙可能不断膨胀下去，称为开宇宙(或平直宇宙)．(2)如果宇宙膨胀率很小或质量密度很大，现在的宇宙膨胀到某个极大值后便收缩，直至收缩成一个新的奇点后再次发生大爆炸，称为闭宇宙(封闭的宇宙)．3．宇宙的组成卫星绕着行星转动，行星绕着恒星转动，众多的恒星组成的集团叫星系，如银河系，众多的星系则构成宇宙的主体．4．恒星的演化恒星将要消亡时会突然爆发，亮度在2～3天内突然增加几万倍甚至几百万倍形成新星，或者亮度增加几千万倍或几亿倍形成超新星，爆发后的残骸形成中子星或者黑洞．黑洞是一个具有巨大引力的空间区域．即时应用(即时突破，小试牛刀)下列说法正确的是()A．哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系正急速向我们靠近B．哈勃发现的“红移”现象说明地球是宇宙的中心C．“新星”和“超新星”是刚刚产生的恒星D．“超新星”和“新星”的产生说明恒星正在不断灭亡解析：选D.哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系在远离我们，但不能说明我们就处于宇宙的中心，只能说明我们与远处的星系存在相对运动．故A、B错．“新星”和“超新星”是恒星消亡时的一种现象故C错D对．课堂互动讲练相对论的理解下列说法中不正确的是()A．由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星B．强引力场作用可使光谱线向紫端偏移C．引力场越强的位置，时间进程越慢D．由于物质的存在，实际的空间是弯曲的例【精讲精析】根据广义相对论的结论，由于太阳引力场的影响，使得光线发生弯曲，所以我们有可能看到太阳后面的恒星，A正确．强引力场作用使光的波长变长、频率变低，所以光谱线向红端偏移，B不正确．引力场越强的位置，时间进程越慢，所以C正确．物质的引力使得空间变形，发生弯曲，所以D正确．【答案】B【方法总结】了解广义相对论的几个结论才能做出正确的选择，要避免与狭义相对论的结论混淆产生错误．