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1、高二物理广义相对论简介本讲稿第一页，共十八页复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是都是相同的相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相相同同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。关系。本讲稿第二页，共十八页二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1 1、“同时同时”的相对性的相对性2 2、动尺变短、动尺变短3 3、动钟变慢、动钟变慢4
2、 4、速度变换公式、速度变换公式本讲稿第三页，共十八页5 5、相对论质量、相对论质量6 6、质能方程、质能方程本讲稿第四页，共十八页阅读思考题阅读思考题1 1、狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？、狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？2 2、广义相对论的两个基本原理是什么？、广义相对论的两个基本原理是什么？与狭义相对论的两个假设有什么不同？与狭义相对论的两个假设有什么不同？3 3、根据广义相对论的两个基本原理可以导出那、根据广义相对论的两个基本原理可以导出那些重要结论？些重要结论？本讲稿第五页，共十八页一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考 爱因斯坦思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决
3、的两狭义相对论无法解决的两个问题：个问题：1 1、引力问题、引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的理万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；论框架；2 2、非惯性系问题，、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释 本讲稿第六页，共十八页二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1 1、广义相对性原理：、广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。在任何参考系中，物理规律都是相同的。伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在在任何惯性系任何惯
4、性系都是都是相同相同的的爱因斯坦狭义相对性原理爱因斯坦狭义相对性原理(1905年年)在在不同的惯性参考系不同的惯性参考系中，中，一切物理规律一切物理规律都有是都有是相同相同的；的；爱因斯坦广义相对论原理（爱因斯坦广义相对论原理（1916年）年）在在任何参考系中任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律包括非惯系）所有的物理规律都是都是相同相同的，的，称为广义相对性原理。称为广义相对性原理。逻逻辑辑形形式式逐逐渐渐简简约约本讲稿第七页，共十八页2 2、等效原理：、等效原理：一个一个均匀均匀的引力场与一个做的引力场与一个做匀加速匀加速运动运动的参考系等价。的参考系等价。本讲稿第八页，共十八页 如果飞
5、船做匀加速运动，在光向右如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。条抛物线。三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论1 1、物质的引力使光线发生弯曲、物质的引力使光线发生弯曲 如果飞船做匀速直线运动，船上观如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）（虚线）飞船外观察者看到这束光是直线传飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）播的（水平向右）本讲稿第九页，共十八页通常物体的引力场都太弱，通常物体
6、的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，20202020世纪只能观测到太阳引力世纪只能观测到太阳引力世纪只能观测到太阳引力世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲场引起的光线弯曲场引起的光线弯曲场引起的光线弯曲太阳太阳太阳太阳由于太阳引力由于太阳引力由于太阳引力由于太阳引力场的作用，我们有场的作用，我们有场的作用，我们有场的作用，我们有可能观测到太阳后可能观测到太阳后可能观测到太阳后可能观测到太阳后面的恒星，最好的面的恒星，最好的面的恒星，最好的面的恒星，最好的观测时间是发生日观测时间是发生日观测时间是发生日观测时间是发生日全食的时候全食的时候全食的时候全食的时候1919
7、191919191919年年年年5 5 5 5月月月月29292929日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西日，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，这是对广义相对论的最早证实进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实本讲稿第十页，共十八页透镜效应透镜效应 星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，
8、这种现星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现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象叫做引力透镜效应象叫做引力透镜效应象叫做引力透镜效应星体星体星体星体星体星体星体星体无无无无法法法法观观观观测测测测黑黑黑黑洞洞洞洞宇宙中很可能存在黑洞，它宇宙中很可能存在黑洞，它宇宙中很可能存在黑洞，它宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观不辐射电磁波，因此无法直接观不辐射电磁波，因此无法直接观不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的测，但是它的巨大质量和极小的测，但是它的巨大质量和极小的测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，体积
9、使其附近产生极强的引力场，体积使其附近产生极强的引力场，体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一引力透镜是探索黑洞的途径之一引力透镜是探索黑洞的途径之一引力透镜是探索黑洞的途径之一本讲稿第十一页，共十八页2 2、引力场的存在使得空间不同位置的时间进、引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别程出现差别 对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除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，各点都在做加了转动轴的位置外，各点都在做加了转动轴的位置外，各点都在做加了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越速运动，越是靠近边缘，加速度越速运动
10、，越是靠近边缘，加速度越速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心大，方向指向盘心大，方向指向盘心大，方向指向盘心 地面上看到：地面上看到：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，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：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，靠近盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近盘上存在引力场，方向由盘心指向
11、边缘，靠近盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢本讲稿第十二页，共十八页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，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率慢，哪里的发光的频率比同种的原
12、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低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移3 3、引力红移、引力红移本讲稿第十三页，共十八页 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了空间发生了“弯曲弯曲”：点击点击观看观看本讲稿第十四页，共十八页狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的不同的惯性惯性参参考系中一切考系中一切物理规律都物理规律都是相同的是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性系）（包括非惯性系）中物理规律都是中物理规律都是相同的相同的真空中的光速真空中的光速在不同惯性参在不同惯性参考系中
13、都是相考系中都是相等的等的 一个均匀的引一个均匀的引力场与一个做匀力场与一个做匀加速运动的参考加速运动的参考系等价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广义义相相对对性性原原理理本讲稿第十五页，共十八页对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在决定物质本身的存在决定时空的性质时空的性质时空性质和物质时空性质和物质的运动有关的运动有关狭义相对论狭义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本讲稿第十六页，共十八页 （一）爱因斯坦的贡献（一）爱因斯坦的贡献 （二）方
14、兴未艾的宇宙学（二）方兴未艾的宇宙学 （三）有趣的相对论佯谬（三）有趣的相对论佯谬 （四）黑洞的研究（四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立爱因斯坦与狭义相对论的建立.组织：小组（组织：小组（2-32-3人）人）方案：方案：利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章立的科普小文章.要求：要求：文章的时间脉络清晰，无科学性错误文章的时间脉络清晰，无科学性错误.本讲稿第十七页，共十八页课题研究课题研究题目：题目：（一）爱因斯坦的贡献（一）爱因斯坦的贡献 （二）方兴未艾的宇宙学（二）方兴未艾的宇宙学 （三）有趣的相对论佯谬（三）有趣的相对论佯谬 （四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论（四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立的建立.组织：组织：小组（小组（2-32-3人）人）方案：方案：利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章坦与狭义相对论建立的科普小文章.要求：要求：文章的时间脉络清晰，无科学性错误文章的时间脉络清晰，无科学性错误.本讲稿第十八页，共十八页