高中物理 15.4《廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介》課件 新人教版選修3-4.ppt

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高中物理新人教版 選修３- 4系列課件,15.4《廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介》,教學(xué)目標(biāo),知識(shí)與技能： （1）了解廣義相對(duì)論基本原理 廣義相對(duì)性原理和等效原理 （2）廣義相對(duì)論主要結(jié)論 物質(zhì)的引力使光線彎曲和強(qiáng)引力場(chǎng)附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢 （3）介紹廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 過(guò)程與方法： （1）了解愛(ài)因斯坦思考和推演廣義相對(duì)論思維過(guò)程 情感態(tài)度和價(jià)值觀： （1）體會(huì)在宇宙中人類的渺小和科學(xué)的巨大力量 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) ： 1、廣義相對(duì)性原理和等效原理2、廣義相對(duì)論的主要結(jié)論：引力使光線彎曲和強(qiáng)引力場(chǎng)附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢,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．,,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,,,,,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)．,,,,,,,,,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,,,為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力．,,光滑表面,,,,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,,,“－”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,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．,,,,,21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)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,慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量,,,,地面靜止,加速飛行,,,,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,,,,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,“－”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．,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．,,,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,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,,,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．,,,,,,,,,,,,,,,,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．,,,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．,太陽(yáng),,,,,,,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)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)．,,,,,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．,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．,,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),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,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,,,,,,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,,,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)展了歐幾里得幾何學(xué)，它反映了平直空間的實(shí)際．廣義相對(duì)論告訴我們實(shí)際空間是彎曲的，因此描述實(shí)際空間的應(yīng)該是更具有一般意義的非歐幾何． 作為非歐幾何的特例，歐幾里得幾何學(xué)在它的適用范圍內(nèi)仍是正確的，還將繼續(xù)發(fā)揮作用．,