高中物理 5.4《廣義相對(duì)論》課件 粵教版選修3-4

1、1廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論2相對(duì)論簡(jiǎn)介 19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場(chǎng)的研究不斷深入，人們認(rèn)識(shí)到了光的電磁本質(zhì)我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場(chǎng)的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對(duì)論的出現(xiàn) 相對(duì)論不僅給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對(duì)于時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上樹(shù)立了一座重要的里程碑3 如果在一個(gè)參考系中牛頓定律能夠成立，這個(gè)參考系稱作慣性參考系，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不能成立的參考系則是非慣性參考系在不同參考系中觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況非慣性系和慣性系4非慣性系和慣性系 以車廂為參考系，當(dāng)列車加速運(yùn)行時(shí)，小球會(huì)相對(duì)于車廂加速向后運(yùn)動(dòng)aa光滑

2、表面5非慣性系和慣性系加速運(yùn)動(dòng)的列車是個(gè)非慣性參考系a a為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力maFi光滑表面6非慣性系和慣性系牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式maFimaF “”號(hào)表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反注意不要混淆7非慣性系和慣性系以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘坐電梯的人除了受到重力的作用，還受到一個(gè)向下的慣性力，重力和慣性力的合力使人感受到了超重aamaG821世紀(jì)，人類在空間站中長(zhǎng)期生活，為了克服失重帶來(lái)的不利影響，可以將空間站設(shè)計(jì)成一個(gè)大轉(zhuǎn)輪，繞軸自轉(zhuǎn)，其上各點(diǎn)都有一個(gè)指向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的向心加速度，因此，以空間站為參考系，與它一起旋轉(zhuǎn)的物體都受到一個(gè)

3、背離轉(zhuǎn)動(dòng)軸的慣性力，這就是所謂的人造重力非慣性系和慣性系9慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量地面靜止加速飛行a引力和慣性力都可以使物體加速下落引力質(zhì)量慣性質(zhì)量10廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式maFimaF “”號(hào)表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反注意不要混淆 “m”應(yīng)該叫做慣性質(zhì)量11慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量 事實(shí)上，到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究都沒(méi)有找到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的差別，這向我們提示：加速運(yùn)動(dòng)的參考系和萬(wàn)有引力，二者之間可能存在某種深刻的聯(lián)系12廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的 任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速

4、在不同慣性參考系中都是相等的 一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理13 廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理可以得出一些意想不到的結(jié)論廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介14廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介 在一個(gè)引力可以忽略的宇宙空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，船上的觀察者記錄光的徑跡是一條拋物線a半透明屏光源等效原理物體的引力能使光線彎曲 假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個(gè)巨大的物體，在它的引力場(chǎng)作用下，飛船內(nèi)的物理過(guò)程受到影響15廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介通常物體的引力場(chǎng)都太弱，20世紀(jì)只能觀測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線彎曲由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，我們有可能觀測(cè)到太陽(yáng)后面的恒星，最好的觀測(cè)

5、時(shí)間是發(fā)生日全食的時(shí)候1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)相對(duì)論的最早證實(shí)16廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介星球的強(qiáng)引力場(chǎng)能使背后傳來(lái)的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)星體星體無(wú)法觀測(cè)黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無(wú)法直接觀測(cè)，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強(qiáng)的引力場(chǎng)，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一17時(shí)間間隔與引力場(chǎng)有關(guān)引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別 對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，除了轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動(dòng)，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心 地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對(duì)論，靠

6、近邊緣部位的時(shí)間進(jìn)程較慢 圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場(chǎng)，方向由盤心指向邊緣，引力勢(shì)較低，得出：引力勢(shì)較低的位置，時(shí)間進(jìn)程比較慢18各類星體對(duì)比宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢(shì)比地球低的多，矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來(lái)偏紅，這個(gè)現(xiàn)象叫做引力紅移時(shí)間間隔與引力場(chǎng)有關(guān)19引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的桿的長(zhǎng)度出現(xiàn)了差別 地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的桿的長(zhǎng)度較短 圓盤上的人認(rèn)為：引力勢(shì)較低的位置，桿的長(zhǎng)度越短桿的長(zhǎng)度與引力場(chǎng)有關(guān)引力勢(shì)由高到低變化20桿的長(zhǎng)度與引力場(chǎng)有關(guān) 由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：點(diǎn)擊觀看21對(duì)于時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)物質(zhì)本身的存在決定時(shí)空的性質(zhì)時(shí)空性質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)時(shí)空觀光速恒定等效原理22廣義相對(duì)論與幾何學(xué) 幾何學(xué)反應(yīng)的是人對(duì)空間關(guān)系的認(rèn)識(shí)有史以來(lái)人們只在比較小的空間尺度中接觸比較弱的引力場(chǎng)這種情況下空間的彎曲可以忽略，在此基礎(chǔ)上人類發(fā)