2018-2019版高中物理 第5章 新時空觀的確立 5.4 走近廣義相對論 5.5 無窮的宇宙學(xué)案 滬科版選修3-4.doc

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5.4　走近廣義相對論 5.5　無窮的宇宙 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解廣義相對論的兩個基本原理.2.初步了解廣義相對論的幾個結(jié)論及主要觀測證據(jù).3.了解宇宙的演化． 1．廣義相對論的兩條基本原理 (1)廣義相對性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過程和規(guī)律都是相同的． (2)等效原理：一個均勻引力場與一個做加速運動的參考系等價． 2．廣義相對論的預(yù)言與證實 天體間的引力作用使時空彎曲，引力場存在時，光線彎曲、光在傳播時頻率變低(引力紅移)，這些結(jié)論通過宇宙中觀測到的一些現(xiàn)象(比如：行星軌道不是嚴(yán)格封閉的， 宇宙中的“海市蜃樓”、太陽光譜中的鈉譜線的引力紅移等)得到證實． 3．無窮的宇宙 關(guān)于宇宙的起源，目前比較有影響的理論是物理學(xué)家伽莫夫的宇宙大爆炸學(xué)說．該理論認(rèn)為，宇宙從最初的溫度極高、密度極大、體積極小開始，隨著爆炸的發(fā)生，不斷地向各個方向迅速膨脹． 宇宙演化的過程是：從粒子到恒星到黑洞． 一、廣義相對論的兩個基本原理 [導(dǎo)學(xué)探究]　乘電梯時，當(dāng)電梯開始啟動上升時，你有什么感受？如果電梯一直加速上升，你又會有什么感受？ 答案　電梯啟動實際上是一個加速過程，正是這個加速度使你感到被向下壓，產(chǎn)生沉重的感覺，即出現(xiàn)超重．也就是說，在電梯加速上升時，好像地球?qū)δ愕囊υ黾恿?，因此，我們完全可以認(rèn)為，電梯這個加速參考系就相當(dāng)于給你加上了一個均勻向下的引力． [知識深化]　廣義相對論的兩個基本原理 1．廣義相對性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過程和規(guī)律都是相同的． 2．等效原理：一個均勻引力場與一個做加速運動的參考系等價． 例1　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．根據(jù)這一現(xiàn)象航天員能判斷飛船處于某一星球表面嗎？ 答案　不能 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)離任意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動還是停泊在某個行星的表面． 二、廣義相對論的預(yù)言與證實 [導(dǎo)學(xué)探究]　你知道廣義相對論的一些有趣的結(jié)論嗎？ 答案　時空彎曲、光線彎曲、引力紅移 [知識深化]　廣義相對論的幾個結(jié)論 1．時空彎曲：廣義相對論認(rèn)為，時空不是平直的，而是彎曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于時空中物質(zhì)的質(zhì)量或能量的分布．如果質(zhì)量越大，時空彎曲的程度也就越大． 2．光線彎曲：在引力場存在的情況下，光線是沿彎曲的路徑傳播的． 3．引力紅移：在強引力場中，時鐘要走得慢些．因此，光在引力場中傳播時，它的頻率會變低，波長會變長． 例2　在日全食的時候，通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星，這說明恒星發(fā)出的光(　　) A．經(jīng)太陽時發(fā)生了衍射 B．可以穿透太陽及其他障礙物 C．在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲 D．經(jīng)過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射 答案　C 解析　根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可知，光線在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲，所以可以在適當(dāng)?shù)臅r候(如日全食時)通過儀器觀察到太陽后面的恒星，故C正確． 三、無窮的宇宙 [導(dǎo)學(xué)探究]　關(guān)于宇宙起源，目前比較有影響的理論是什么？ 答案　比較有影響的理論是宇宙大爆炸學(xué)說，即我們的宇宙是從一個尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化出來的.1929年美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)銀河系以外的大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去，距離越遠(yuǎn)，離開的速度越大，后來的分析表明，這是由于我們所處的宇宙正在膨脹，因此星系間距離在不斷增大，在任何地方看起來，其他星系都在遠(yuǎn)離自己． [知識深化] 1．宇宙的起源 (1)關(guān)于宇宙起源，目前最有影響的理論是宇宙的大爆炸學(xué)說． (2)宇宙大爆炸的證據(jù)：宇宙空間存在當(dāng)時產(chǎn)生的微波輻射． 2．宇宙的演化 (1)天文學(xué)家哈勃用望遠(yuǎn)鏡對遠(yuǎn)距離星云觀測時發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光譜線普遍存在“紅移”現(xiàn)象．這一現(xiàn)象表明：那些恒星正離我們遠(yuǎn)去，也說明星系系統(tǒng)處于一種膨脹狀態(tài)． (2)在宇宙演化過程中，黑洞是恒星演化的結(jié)果． (3)黑洞本身不能發(fā)出光線，所以不可能直接顯示它的存在．但是，可以觀察到它巨大的引力場對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)． 例3　觀察遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光譜會出現(xiàn)“引力紅移”說明什么？ 答案　根據(jù)多普勒效應(yīng)，如果恒星向著我們運動，光的顏色偏藍(lán)；如果恒星離我們而去，光的顏色偏紅．遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光譜與地球上同種物質(zhì)的光譜相比，其波長變長，即向紅色的一端移動，這說明：不管往哪個方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去． 1．走近廣義相對論 2．無窮的宇宙 1．宇宙的大爆炸學(xué)說是俄裔美國物理學(xué)家______提出的． 答案　伽莫夫 2．黑洞是________演化的結(jié)果． 答案　恒星 3．(多選)廣義相對論的兩個基本原理是指(　　) A．光速不變原理 B．廣義相對性原理 C．等效原理 D．同時的相對性 答案　BC 解析　根據(jù)廣義相對論基本原理內(nèi)容． 4．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．物質(zhì)的引力使光線彎曲 B．光線彎曲的原因是由于介質(zhì)不均勻而非引力作用 C．在強引力的星球附近，時間進(jìn)程會變慢 D．廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象 答案　ACD 解析　由廣義相對論的幾個結(jié)論可知A、C、D正確． 一、選擇題 1．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．萬有引力可以用狹義相對論做出正確的解釋 B．電磁力可以用狹義相對論做出正確的解釋 C．狹義相對論是慣性參考系之間的理論 D．萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架 答案　BCD 解析　狹義相對論理論認(rèn)為電磁相互作用的傳播速度c是自然界中速度的極限，而星球的運動速度不能夠影響到遠(yuǎn)處的另一個星球，所以萬有引力理論無法納入狹義相對論，故選項A錯誤，B、D正確；狹義相對論是慣性參考系之間的理論，故選項C正確． 2．關(guān)于廣義相對論和狹義相對論之間的關(guān)系．下列說法正確的是(　　) A．它們之間沒有任何聯(lián)系 B．有了廣義相對論，狹義相對論就沒有存在的必要了 C．狹義相對論能夠解決時空彎曲問題 D．為了解決狹義相對論中的參考系問題提出了廣義相對論 答案　D 解析　狹義相對論之所以稱為狹義相對論，就是對于慣性參考系來講的，時空彎曲問題是有引力存在的問題，需要用廣義相對論進(jìn)行解決． 3．(多選)下列說法正確的是(　　) A．由于太陽引力場的影響，我們有可能看到太陽后面的恒星 B．強引力作用可使光譜線向紅端偏移 C．引力場越強的位置，時間進(jìn)程越慢 D．由于物質(zhì)的存在，實際的空間是彎曲的 答案　ABCD 解析　由廣義相對論我們可知道：物質(zhì)的引力使光線彎曲．在引力場中時間進(jìn)程變慢，而且引力越強，時間進(jìn)程越慢，因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象． 4．(多選)以下說法中錯誤的是(　　) A．矮星表面的引力很強 B．時鐘在引力場弱的地方比引力場強的地方走得快些 C．引力場越弱的地方，物體的長度越短 D．在引力場強的地方，光譜線向綠端偏移 答案　CD 5．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．“紅移”現(xiàn)象說明了星系系統(tǒng)處于一種膨脹狀態(tài) B．黑洞是恒星演化的結(jié)果 C．包括光在內(nèi)的任何東西都不可能逃出黑洞 D．黑洞實質(zhì)上就是一個無光線的區(qū)域 答案　ABC 6．(多選)在引力可以忽略的空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動，一束光垂直于運動方向在飛船內(nèi)傳播，下列說法中正確的是(　　) A．船外靜止的觀察者看到這束光是沿直線傳播的 B．船外靜止的觀察者看到這束光是沿曲線傳播的 C．航天員以飛船為參考系看到這束光是沿直線傳播的 D．航天員以飛船為參考系看到這束光是沿曲線傳播的 答案　AD 解析　由廣義相對論基本原理可知A、D正確． 7．(多選)黑洞是質(zhì)量非常大的天體，由于質(zhì)量很大，引起了其周圍的時空彎曲，從地球上觀察，我們看到漆黑一片，那么關(guān)于黑洞，你認(rèn)為正確的是(　　) A．內(nèi)部也是漆黑一片，沒有任何光 B．內(nèi)部光由于引力的作用發(fā)生彎曲，不能從黑洞中射出 C．內(nèi)部應(yīng)該是很亮的 D．如果有一個小的星體經(jīng)過黑洞，將會被吸引進(jìn)去 答案　BCD 二、非選擇題 8．黑洞本身不發(fā)光，不可能直接顯示它的存在，那么又如何知道它的存在呢？ 答案　黑洞本身不發(fā)出光線．所以不可能直接顯示它的存在．但是，可以觀察到它巨大的引力場對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)，證實黑洞的存在． 9．如何驗證大爆炸理論的正確性？ 答案　伽莫夫根據(jù)自己的大爆炸理論預(yù)言，作為爆炸的后果，宇宙空間應(yīng)該存在當(dāng)時產(chǎn)生的微波輻射．在實驗中能否探測到這一微波輻射，就被認(rèn)為是初步驗證大爆炸理論的關(guān)鍵.20世紀(jì)60年代初，美國科學(xué)家威爾遜和彭齊亞斯在一次實驗中意外地發(fā)現(xiàn)了這種微波輻射，證實了大爆炸理論的正確性． 10．在外層空間的宇宙飛船上，如果你正在一個以加速度g＝9.8m/s2向頭頂方向運動的電梯中，這時，你舉起一個小球自由地丟下，請說明小球是做自由落體運動． 答案　見解析 解析　由廣義相對論中的等效原理知，一個均勻的引力場與一個做加速運動的參考系等價．當(dāng)電梯向頭頂方向加速運動時，自由丟下的小球相對于電梯的加速度為g＝9.8m/s2，與在地球引力場中做自由落體運動相同．