2018-2019版高中物理 第5章 新时空观的确立 5.4 走近广义相对论 5.5 无穷的宇宙学案 沪科版选修3-4

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1、5.4　走近广义相对论 5.5　无穷的宇宙 [学习目标]1.了解广义相对论的两个基本原理.2.初步了解广义相对论的几个结论及主要观测证据.3.了解宇宙的演化． 1．广义相对论的两条基本原理 (1)广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的． (2)等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价． 2．广义相对论的预言与证实 天体间的引力作用使时空弯曲，引力场存在时，光线弯曲、光在传播时频率变低(引力红移)，这些结论通过宇宙中观测到的一些现象(比如：行星轨道不是严格封闭的， 宇宙中的“海市蜃楼”、太阳光谱中的钠谱线的引力红移等)得到证实．

2、 3．无穷的宇宙 关于宇宙的起源，目前比较有影响的理论是物理学家伽莫夫的宇宙大爆炸学说．该理论认为，宇宙从最初的温度极高、密度极大、体积极小开始，随着爆炸的发生，不断地向各个方向迅速膨胀． 宇宙演化的过程是：从粒子到恒星到黑洞． 一、广义相对论的两个基本原理 [导学探究]　乘电梯时，当电梯开始启动上升时，你有什么感受？如果电梯一直加速上升，你又会有什么感受？ 答案　电梯启动实际上是一个加速过程，正是这个加速度使你感到被向下压，产生沉重的感觉，即出现超重．也就是说，在电梯加速上升时，好像地球对你的引力增加了，因此，我们完全可以认为，电梯这个加速参考系就相当于给你加上了一个均匀向下

3、的引力． [知识深化]　广义相对论的两个基本原理 1．广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的． 2．等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价． 例1　假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系．但是航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底．根据这一现象航天员能判断飞船处于某一星球表面吗？ 答案　不能 解析　飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任意天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中．实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在某个行星

4、的表面． 二、广义相对论的预言与证实 [导学探究]　你知道广义相对论的一些有趣的结论吗？ 答案　时空弯曲、光线弯曲、引力红移 [知识深化]　广义相对论的几个结论 1．时空弯曲：广义相对论认为，时空不是平直的，而是弯曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于时空中物质的质量或能量的分布．如果质量越大，时空弯曲的程度也就越大． 2．光线弯曲：在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的． 3．引力红移：在强引力场中，时钟要走得慢些．因此，光在引力场中传播时，它的频率会变低，波长会变长． 例2　在日全食的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明恒星发出的光(　　) A．经太阳时发生

5、了衍射 B．可以穿透太阳及其他障碍物 C．在太阳引力场作用下发生了弯曲 D．经过太阳外的大气层时发生了折射 答案　C 解析　根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲，所以可以在适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确． 三、无穷的宇宙 [导学探究]　关于宇宙起源，目前比较有影响的理论是什么？ 答案　比较有影响的理论是宇宙大爆炸学说，即我们的宇宙是从一个尺度极小的状态发展演化出来的.1929年美国天文学家哈勃发现银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，离开的速度越大，后来的分析表明，这是由于我们所处的宇宙正在膨胀，因此星系间距

6、离在不断增大，在任何地方看起来，其他星系都在远离自己． [知识深化] 1．宇宙的起源 (1)关于宇宙起源，目前最有影响的理论是宇宙的大爆炸学说． (2)宇宙大爆炸的证据：宇宙空间存在当时产生的微波辐射． 2．宇宙的演化 (1)天文学家哈勃用望远镜对远距离星云观测时发现遥远的恒星发出的光谱线普遍存在“红移”现象．这一现象表明：那些恒星正离我们远去，也说明星系系统处于一种膨胀状态． (2)在宇宙演化过程中，黑洞是恒星演化的结果． (3)黑洞本身不能发出光线，所以不可能直接显示它的存在．但是，可以观察到它巨大的引力场对周围物质产生的效应． 例3　观察遥远的恒星发出的光谱会出现“引力

7、红移”说明什么？ 答案　根据多普勒效应，如果恒星向着我们运动，光的颜色偏蓝；如果恒星离我们而去，光的颜色偏红．遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，其波长变长，即向红色的一端移动，这说明：不管往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去． 1．走近广义相对论 2．无穷的宇宙 1．宇宙的大爆炸学说是俄裔美国物理学家______提出的． 答案　伽莫夫 2．黑洞是________演化的结果． 答案　恒星 3．(多选)广义相对论的两个基本原理是指(　　) A．光速不变原理 B．广义相对性原理 C．等效原理 D．同时的相对性 答案　BC 解析　根据广义相对论

8、基本原理内容． 4．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．物质的引力使光线弯曲 B．光线弯曲的原因是由于介质不均匀而非引力作用 C．在强引力的星球附近，时间进程会变慢 D．广义相对论可以解释引力红移现象 答案　ACD 解析　由广义相对论的几个结论可知A、C、D正确． 一、选择题 1．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释 B．电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释 C．狭义相对论是惯性参考系之间的理论 D．万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 答案　BCD 解析　狭义相对论理论认为电磁相互作用的传播速度c是自然界中速度的

9、极限，而星球的运动速度不能够影响到远处的另一个星球，所以万有引力理论无法纳入狭义相对论，故选项A错误，B、D正确；狭义相对论是惯性参考系之间的理论，故选项C正确． 2．关于广义相对论和狭义相对论之间的关系．下列说法正确的是(　　) A．它们之间没有任何联系 B．有了广义相对论，狭义相对论就没有存在的必要了 C．狭义相对论能够解决时空弯曲问题 D．为了解决狭义相对论中的参考系问题提出了广义相对论 答案　D 解析　狭义相对论之所以称为狭义相对论，就是对于惯性参考系来讲的，时空弯曲问题是有引力存在的问题，需要用广义相对论进行解决． 3．(多选)下列说法正确的是(　　) A．由于太阳

10、引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星 B．强引力作用可使光谱线向红端偏移 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 答案　ABCD 解析　由广义相对论我们可知道：物质的引力使光线弯曲．在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象． 4．(多选)以下说法中错误的是(　　) A．矮星表面的引力很强 B．时钟在引力场弱的地方比引力场强的地方走得快些 C．引力场越弱的地方，物体的长度越短 D．在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移 答案　CD 5．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．“红移”现象说明了

11、星系系统处于一种膨胀状态 B．黑洞是恒星演化的结果 C．包括光在内的任何东西都不可能逃出黑洞 D．黑洞实质上就是一个无光线的区域 答案　ABC 6．(多选)在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是(　　) A．船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的 B．船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的 C．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的 D．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的 答案　AD 解析　由广义相对论基本原理可知A、D正确． 7．(多选)黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了

12、其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为正确的是(　　) A．内部也是漆黑一片，没有任何光 B．内部光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出 C．内部应该是很亮的 D．如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去 答案　BCD 二、非选择题 8．黑洞本身不发光，不可能直接显示它的存在，那么又如何知道它的存在呢？ 答案　黑洞本身不发出光线．所以不可能直接显示它的存在．但是，可以观察到它巨大的引力场对周围物质产生的效应，证实黑洞的存在． 9．如何验证大爆炸理论的正确性？ 答案　伽莫夫根据自己的大爆炸理论预言，作为爆炸的后果，宇宙空间应该存在当时产生的微波辐射．在实验中能否探测到这一微波辐射，就被认为是初步验证大爆炸理论的关键.20世纪60年代初，美国科学家威尔逊和彭齐亚斯在一次实验中意外地发现了这种微波辐射，证实了大爆炸理论的正确性． 10．在外层空间的宇宙飞船上，如果你正在一个以加速度g＝9.8m/s2向头顶方向运动的电梯中，这时，你举起一个小球自由地丢下，请说明小球是做自由落体运动． 答案　见解析 解析　由广义相对论中的等效原理知，一个均匀的引力场与一个做加速运动的参考系等价．当电梯向头顶方向加速运动时，自由丢下的小球相对于电梯的加速度为g＝9.8m/s2，与在地球引力场中做自由落体运动相同． 6