5.4走近广义相对论-5.5无穷的宇宙 学案（2020年沪科版高中物理选修3-4）

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1、5.4 走近广义相对论走近广义相对论 5.5 无穷的宇宙无穷的宇宙 学习目标 1.了解广义相对论的两个基本原理.2.初步了解广义相对论的几个结论及主要观 测证据.3.了解宇宙的演化 1广义相对论的两条基本原理 (1)广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的 (2)等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价 2广义相对论的预言与证实 天体间的引力作用使时空弯曲， 引力场存在时， 光线弯曲、 光在传播时频率变低(引力红移)， 这些结论通过宇宙中观测到的一些现象(比如：行星轨道不是严格封闭的， 宇宙中的“海市蜃楼”、太阳光谱中的钠谱线的引力红移等)得到证实

2、 3无穷的宇宙 关于宇宙的起源， 目前比较有影响的理论是物理学家伽莫夫的宇宙大爆炸学说 该理论认为， 宇宙从最初的温度极高、密度极大、体积极小开始，随着爆炸的发生，不断地向各个方向迅 速膨胀 宇宙演化的过程是：从粒子到恒星到黑洞 一、广义相对论的两个基本原理 导学探究 乘电梯时，当电梯开始启动上升时，你有什么感受？如果电梯一直加速上升， 你又会有什么感受？ 答案 电梯启动实际上是一个加速过程， 正是这个加速度使你感到被向下压， 产生沉重的感 觉，即出现超重也就是说，在电梯加速上升时，好像地球对你的引力增加了，因此，我们 完全可以认为，电梯这个加速参考系就相当于给你加上了一个均匀向下的引力 知识

3、深化 广义相对论的两个基本原理 1广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的 2等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价 例 1 假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系但是航天员观察到，飞船 内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底 根据这一现象航天员能判断飞船处于某一星球 表面吗？ 答案 不能 解析 飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任意 天体的空间加速飞行， 也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中 实际上飞船内部的任何 物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在某个行星的表面 二、广义相对论的预言

4、与证实 导学探究 你知道广义相对论的一些有趣的结论吗？ 答案 时空弯曲、光线弯曲、引力红移 知识深化 广义相对论的几个结论 1时空弯曲：广义相对论认为，时空不是平直的，而是弯曲或“扭曲”的，扭曲的根本原 因在于时空中物质的质量或能量的分布如果质量越大，时空弯曲的程度也就越大 2光线弯曲：在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的 3引力红移：在强引力场中，时钟要走得慢些因此，光在引力场中传播时，它的频率会 变低，波长会变长 例 2 在日全食的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明恒星发出的光( ) A经太阳时发生了衍射 B可以穿透太阳及其他障碍物 C在太阳引力场作用下发生了弯曲 D

5、经过太阳外的大气层时发生了折射 答案 C 解析 根据爱因斯坦的广义相对论可知， 光线在太阳引力场作用下发生了弯曲， 所以可以在 适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故 C 正确 三、无穷的宇宙 导学探究 关于宇宙起源，目前比较有影响的理论是什么？ 答案 比较有影响的理论是宇宙大爆炸学说， 即我们的宇宙是从一个尺度极小的状态发展演 化出来的.1929 年美国天文学家哈勃发现银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离 越远，离开的速度越大，后来的分析表明，这是由于我们所处的宇宙正在膨胀，因此星系间 距离在不断增大，在任何地方看起来，其他星系都在远离自己 知识深化 1宇宙的起源

6、(1)关于宇宙起源，目前最有影响的理论是宇宙的大爆炸学说 (2)宇宙大爆炸的证据：宇宙空间存在当时产生的微波辐射 2宇宙的演化 (1)天文学家哈勃用望远镜对远距离星云观测时发现遥远的恒星发出的光谱线普遍存在“红 移”现象这一现象表明：那些恒星正离我们远去，也说明星系系统处于一种膨胀状态 (2)在宇宙演化过程中，黑洞是恒星演化的结果 (3)黑洞本身不能发出光线，所以不可能直接显示它的存在但是，可以观察到它巨大的引 力场对周围物质产生的效应 例 3 观察遥远的恒星发出的光谱会出现“引力红移”说明什么？ 答案 根据多普勒效应，如果恒星向着我们运动，光的颜色偏蓝；如果恒星离我们而去，光 的颜色偏红遥远

7、的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，其波长变长，即向红色 的一端移动，这说明：不管往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去 1走近广义相对论 两个基本原理 广义相对性原理 等效原理 广义相对论的几个结论 时空弯曲 光线弯曲 引力红移 2无穷的宇宙 宇宙的起源 大爆炸学说 大爆炸的证据：微波辐射 宇宙的演化 膨胀状态 黑洞是恒星演化的结果 1宇宙的大爆炸学说是俄裔美国物理学家_提出的 答案 伽莫夫 2黑洞是_演化的结果 答案 恒星 3(多选)广义相对论的两个基本原理是指( ) A光速不变原理 B广义相对性原理 C等效原理 D同时的相对性 答案 BC 解析 根据广义相对论基本原理内容 4(多选)下列说法中正确的是( ) A物质的引力使光线弯曲 B光线弯曲的原因是由于介质不均匀而非引力作用 C在强引力的星球附近，时间进程会变慢 D广义相对论可以解释引力红移现象 答案 ACD 解析 由广义相对论的几个结论可知 A、C、D 正确