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1、第第3节广义相对论初步节广义相对论初步第第4节探索宇宙节探索宇宙2021/8/11 星期三1课前自主学案课前自主学案核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练课标定位课标定位知能优化训练知能优化训练 第第4节2021/8/11 星期三2课标定位定位学学习目目标：1.初步了解广初步了解广义相相对论的几个主要的几个主要观点以及主要点以及主要观测证据据2关注宇宙研究的新关注宇宙研究的新进展，体会人展，体会人类对自然的自然的认识在不断在不断扩展展3了解狭了解狭义相相对性原理和广性原理和广义相相对性原理的区性原理的区别重点重点难点：点：1.广广义相相对论的基本原理和的基本原理和时空空结构构2广广义
2、相相对论的的实验2021/8/11 星期三3课前自主学案课前自主学案一、广一、广义相相对论初步初步1广广义相相对论的两个基本原理的两个基本原理(1)广广义相相对性性原原理理：在在_中中 _都都是相同的是相同的(2)等等效效原原理理：_参参考考系系中中的的_与与_不可区分不可区分任何参考系任何参考系(包括非包括非惯性系性系)物理物理规律律匀加速匀加速惯性力性力场均匀引力均匀引力场2021/8/11 星期三4运运动2广广义义相相对论对论的的时时空空结结构构广广义义相相对对论论深深刻刻地地揭揭示示了了时时间间、空空间间与与物物质质的的_和和_的密切关系的密切关系(1)引引力力的的存存在在对对时时间间
3、的的影影响响：在在引引力力场场中中，时时钟钟_；引力；引力场场越越强强，时钟时钟_越甚越甚(2)引力的存在引力的存在对对空空间间的影响的影响引引力力的的存存在在会会使使空空间间变变形形，在在引引力力方方向向上上，空空间间间间隔隔不不变变，在在与与引引力力_方方向向上上，空空间间间间隔隔变变短短(直直尺尺变变短短)，发发生生了了弯弯曲曲，引引力力越越强强的的地地方方，这这种效种效应应越明越明显显分布分布变慢慢变慢慢垂直垂直2021/8/11 星期三53广广义义相相对论对论的的实验检验实验检验(1)水星近日点的水星近日点的_；(2)光光线线在引力在引力场场中的中的_；(3)引力引力_现现象；象；(
4、4)雷达回波雷达回波_进动弯曲弯曲红移移延延迟2021/8/11 星期三6二、探索宇宙二、探索宇宙1宇宙的起源宇宙的起源“大大爆爆炸炸”宇宇宙宙模模型型认为，宇宇宙宙起起源源于于一一个个_，在在该点点，温温度度为无无穷大大，物物质密密度度为无无穷大大，空空间_，即即发生生宇宇宙宙大大爆爆炸炸，之之后后，宇宇宙宙不不断断_，温温度度不不断断_，大大约经历了了_年年，形形成成了了我我们今今天天的的宇宇宙宙奇点奇点急急剧膨膨胀膨膨胀降低降低1502021/8/11 星期三72宇宙里有什么宇宙里有什么(1)太太阳阳是是一一颗颗恒恒星星，在在太太阳阳系系中中，除除有有八八大大行行星星外外，还还有有卫卫星
5、星、彗彗星星和和流流星星体体，由由恒恒星星组组成成的的集集团团叫叫_，现现在在已已知知存存在在的的星星系系有有1000亿亿个个以以上上(2)黑黑洞洞是是看看不不见见的的天天体体，是是没没有有“出出口口”的的“洞洞”，是一个具有是一个具有_的空的空间间区域区域3永不停息的探索永不停息的探索16世世纪纪初初，意意大大利利科科学学家家伽伽利利略略首首次次利利用用_对对准准天天空空观观测测后后来来，人人们们又又发发明明了了射射电电望望远远镜镜，并并修修建建了了_各各国国还还先先后后发发射射了了许许多多人人造造卫卫星及宇宙星及宇宙飞飞行器，用于天文行器，用于天文观测观测星系星系巨大引力巨大引力望望远镜天
6、文台天文台2021/8/11 星期三8核心要点突破核心要点突破一、了解广一、了解广义相相对论1狭狭义相相对论无法解决的无法解决的问题(1)万有引力理万有引力理论无法无法纳入狭入狭义相相对论的框架的框架(2)惯性参考系在狭性参考系在狭义相相对论中具有特殊的地位中具有特殊的地位.2021/8/11 星期三92广广义义相相对论对论的基本原理的基本原理(1)广广义义相相对对性性原原理理：爱爱因因斯斯坦坦把把狭狭义义相相对对性性原原理理从从匀匀速速和和静静止止参参考考系系推推广广到到做做加加速速运运动动的的参参考考系系，认认为为所所有有的的参参考考系系都都是是平平权权的的，不不论论它它们们是是惯惯性性系
7、系还还是是非非惯惯性性系系，对对于于描描述述物物理理现现象象来来说说都都是是平平等的等的(2)等等效效原原理理：在在物物理理学学上上，一一个个均均匀匀的的引引力力场场等等效于一个做匀加速运效于一个做匀加速运动动的参考系的参考系2021/8/11 星期三103广广义义相相对论对论的的时时空空结结构与构与实验检验实验检验(1)广广义义相相对论对论的的时时空空结结构构引力的存在引力的存在对时间对时间的影响的影响在在引引力力场场中中，时时钟钟变变慢慢引引力力场场越越强强，时时钟钟变变得越慢得越慢引力的存在引力的存在对对空空间间的影响的影响引引力力的的存存在在会会使使空空间间变变形形，在在引引力力方方向
8、向上上，空空间间间间隔隔不不变变在在与与引引力力垂垂直直的的方方向向上上，空空间间间间隔隔变变短短(直直尺尺变变短短)，发发生生了了弯弯曲曲引引力力越越强强的的地方地方这这种效种效应应越明越明显显2021/8/11 星期三11(2)相相对论对论的的实验检验实验检验水星近日点的水星近日点的进动进动天天文文观观测测显显示示行行星星的的轨轨道道并并不不是是严严格格闭闭合合的的，它它们们的的近近日日点点(或或远远日日点点)有有进进动动，这这个个效效应应以以离离太太阳阳最最近近的的水水星星最最为为显显著著牛牛顿顿对对此此作作出出的的解解释释与与实实际际观观测测结结果果不不相相符符，而而广广义义相相对对论
9、论成成功功地地解解释释了水星近日点的了水星近日点的进动进动2021/8/11 星期三12光光线在引力在引力场中偏中偏转根根据据电磁磁理理论和和经典典光光学学，在在无无障障碍碍的的情情况况下下，光光线是是直直线传播播的的但但按按照照爱因因斯斯坦坦的的广广义相相对论，在在引引力力场存存在在的的情情况况下下，光光线是是沿沿弯弯曲曲的的路路径径传播的引力播的引力场越越强强弯曲越弯曲越厉害害引力引力红移移在在强强引引力力的的星星球球附附近近，时间进程程会会变慢慢，因因此此光光振振动会会变慢慢，相相应的的光光的的波波长变长、频率率变小小，光光谱线会会发生生向向红光光一一端端移移动的的现象象光光谱线的的这种
10、种移移动是是在在引引力力作作用用下下发生生的的，所所以以叫叫“引引力力红移移”这一一现象象也也已已经在在对白白矮矮星星(天天狼狼星星伴伴星星)的的观测中所中所证实2021/8/11 星期三13雷达回波延雷达回波延迟光光经过大大质量量物物体体附附近近时发生生变曲曲，可可以以看看成成光光多多走走了了一一段段路路程程，或或等等效效为光光速速变慢慢从从地地球球上上发出出的的雷雷达达信信号号，经太太阳阳附附近近到到达达某某一一星星球球后后再再反反射射回回地地球球传播播时间会会有有所所延延迟.20.20世世纪6060年年代，人代，人们通通过大量大量实验，证实了延了延迟现象象2021/8/11 星期三14二
11、、宇宙的起源和构成二、宇宙的起源和构成1大爆炸宇宙模型的主要大爆炸宇宙模型的主要观点点(1)关于宇宙的起源关于宇宙的起源宇宇宙宙起起源源于于一一个个奇奇点点，奇奇点点温温度度无无穷高高、密密度度无无穷大大宇宇宙宙发生生大大爆爆炸炸，空空间急急剧膨膨胀；温温度度不不断断降降低低大大约经历了了150亿年，形成了年，形成了现在的宇宙在的宇宙(2)关关于于宇宇宙宙的的演演化化：决决定定宇宇宙宙几几何何性性质的的两两个个因因素素膨膨胀率和密度决定了宇宙的命运率和密度决定了宇宙的命运2021/8/11 星期三152宇宙在未来的宇宙在未来的发发展有两种可能展有两种可能(1)如如果果宇宇宙宙的的膨膨胀胀率率很
12、很大大，密密度度很很小小，那那么么宇宇宙宙可能不断膨可能不断膨胀胀下去，称下去，称为为开宇宙开宇宙(或平直宇宙或平直宇宙)(2)如如果果宇宇宙宙膨膨胀胀率率很很小小或或质质量量密密度度很很大大，现现在在的的宇宇宙宙膨膨胀胀到到某某个个极极大大值值后后便便收收缩缩，直直至至收收缩缩成成一一个个新新的的奇奇点点后后再再次次发发生生大大爆爆炸炸，称称为为闭闭宇宇宙宙(封封闭闭的宇宙的宇宙)3宇宙的宇宙的组组成成卫卫星星绕绕着着行行星星转转动动，行行星星绕绕着着恒恒星星转转动动，众众多多的的恒恒星星组组成成的的集集团团叫叫星星系系，如如银银河河系系，众众多多的的星星系系则则构成宇宙的主体构成宇宙的主体
13、2021/8/11 星期三164恒星的演化恒星的演化恒恒星星将将要要消消亡亡时时会会突突然然爆爆发发，亮亮度度在在23天天内内突突然然增增加加几几万万倍倍甚甚至至几几百百万万倍倍形形成成新新星星，或或者者亮亮度度增增加加几几千千万万倍倍或或几几亿亿倍倍形形成成超超新新星星，爆爆发发后后的的残残骸骸形形成成中中子子星星或或者者黑黑洞洞黑黑洞洞是是一一个个具具有巨大引力的空有巨大引力的空间间区域区域2021/8/11 星期三17即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)下列下列说法正确的是法正确的是()A哈哈勃勃发现的的“红移移”现象象说明明远处的的星星系系正正急速向我急速向我们靠近靠近B哈
14、哈勃勃发现的的“红移移”现象象说明明地地球球是是宇宇宙宙的的中心中心C“新星新星”和和“超新星超新星”是是刚刚产生的恒星生的恒星D“超超新新星星”和和“新新星星”的的产生生说明明恒恒星星正正在在不不断断灭亡亡2021/8/11 星期三18解解析析：选D.哈哈勃勃发现的的“红移移”现象象说明明远处的的星星系系在在远离离我我们，但但不不能能说明明我我们就就处于于宇宇宙宙的的中中心心，只只能能说明明我我们与与远处的的星星系系存存在在相相对运运动故故A、B错“新新星星”和和“超超新新星星”是是恒恒星星消消亡亡时的一种的一种现象故象故C错D对2021/8/11 星期三19课堂互动讲练课堂互动讲练类型类型
15、相对论的理解相对论的理解下列下列说法中不正确的是法中不正确的是()A由由于于太太阳阳引引力力场的的影影响响，我我们有有可可能能看看到到太太阳阳后面的恒星后面的恒星B强强引力引力场作用可使光作用可使光谱线向紫端偏移向紫端偏移C引力引力场越越强强的位置，的位置，时间进程越慢程越慢D由于物由于物质的存在，的存在，实际的空的空间是弯曲的是弯曲的例例例例2021/8/11 星期三20【精精讲精精析析】根根据据广广义相相对论的的结论，由由于于太太阳阳引引力力场的的影影响响，使使得得光光线发生生弯弯曲曲，所所以以我我们有有可可能能看看到到太太阳阳后后面面的的恒恒星星，A正正确确强强引引力力场作作用用使使光光的的波波长变长、频率率变低低，所所以以光光谱线向向红端端偏偏移移，B不不正正确确引引力力场越越强强的的位位置置，时间进程程越越慢慢，所所以以C正正确确物物质的的引引力使得空力使得空间变形，形，发生弯曲，所以生弯曲，所以D正确正确【答案答案】B2021/8/11 星期三21【方方法法总结】了了解解广广义相相对论的的几几个个结论才才能能做做出出正正确确的的选择，要要避避免免与与狭狭义相相对论的的结论混淆混淆产生生错误2021/8/11 星期三222021/8/11 星期三23