2017年高中物理 第5章 新時(shí)空觀的確立 5.3 走近廣義相對(duì)論 無(wú)窮的宇宙學(xué)案 滬科版選修3-4

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1、 3　走近廣義相對(duì)論　無(wú)窮的宇宙 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.了解廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理.2.初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論及主要觀測(cè)證據(jù).3.了解宇宙的演化． 1．超重：在一個(gè)具有向上的加速度的系統(tǒng)中，物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?大于物體所受重力的現(xiàn)象． 2．廣義相對(duì)論的兩條基本原理 (1)廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過(guò)程和規(guī)律都是相同的． (2)等效原理：一個(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)． 3．廣義相對(duì)論的預(yù)言與證實(shí) 天體間的引力作用使時(shí)空彎曲，引力場(chǎng)存在時(shí)，光線彎曲、光在傳播時(shí)頻率變低(引力紅移)，這些結(jié)論通過(guò)宇宙中觀測(cè)

2、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(yáng)光譜中的鈉譜線的引力紅移等)得到證實(shí)． 4．無(wú)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(shuō)．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(kāi)始，隨著爆炸的發(fā)生，不斷地向各個(gè)方向迅速膨脹． 宇宙演化的過(guò)程是：從粒子到恒星到黑洞. 一、廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 乘電梯時(shí)，當(dāng)電梯開(kāi)始啟動(dòng)上升時(shí)，你有什么感受？如果電梯一直加速上升，你又會(huì)有什么感受？ 答案　電梯啟動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)加速過(guò)程，正是這個(gè)加速度使你感到被向下壓，產(chǎn)生沉重的感覺(jué)，即出現(xiàn)超重．也就是說(shuō)，在電梯

3、加速上升時(shí)，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(gè)加速參考系就相當(dāng)于給你加上了一個(gè)均勻向下的引力． [要點(diǎn)提煉] 　廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 1．廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中(包括慣性參考系)，物理過(guò)程和規(guī)律都是相同的． 2．等效原理：一個(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)． 例1　假如宇宙飛船是全封閉的，航天員與外界沒(méi)有任何聯(lián)系．但是航天員觀察到，飛船內(nèi)沒(méi)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？ 解析　飛船內(nèi)沒(méi)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

4、于某個(gè)星球的引力場(chǎng)中．實(shí)際上飛船內(nèi)部的任何物理過(guò)程都不能告訴我們飛船到底是加速運(yùn)動(dòng)還是停泊在某個(gè)行星的表面． 答案　不能 二、廣義相對(duì)論的預(yù)言與證實(shí) [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 你知道廣義相對(duì)論的一些有趣的結(jié)論嗎？ 答案　時(shí)空彎曲、光線彎曲、引力紅移 [要點(diǎn)提煉] 　廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論 1．時(shí)空彎曲：廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空不是平直的，而是彎曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于時(shí)空中物質(zhì)的質(zhì)量或能量的分布．如果質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲的程度也就越大． 2．光線彎曲：在引力場(chǎng)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(qiáng)引力場(chǎng)中，時(shí)鐘要走得慢些．因此，光在引力場(chǎng)中傳播時(shí)，它的頻率會(huì)變低

5、，波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)． 例2　按照愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．天體之間的引力作用是時(shí)空彎曲的原因 B．光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲 C．氫原子發(fā)射的光從太陽(yáng)傳播到地球時(shí)，它的頻率要比地球上氫原子發(fā)射的光的頻率低 D．光在真空中是沿直線傳播的 解析　根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的引力會(huì)使光線彎曲，引力越強(qiáng)，彎曲越厲害，因此在地球上看到的星體位置與實(shí)際位置不符．在強(qiáng)引力的星球附近時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢，光線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變小，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤． 答案　ABC 三、無(wú)窮的宇宙 [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 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

6、炸學(xué)說(shuō)，即我們的宇宙是從一個(gè)尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化出來(lái)的.1929年美國(guó)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(kāi)的速度越大，后來(lái)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(lái)，其他星系都在遠(yuǎn)離自己． [要點(diǎn)提煉] 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(shuō)． (2)宇宙大爆炸的證據(jù)：宇宙空間存在當(dāng)時(shí)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(duì)遠(yuǎn)距離星云觀測(cè)時(shí)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(shuō)明星系系統(tǒng)處于一種膨脹

7、狀態(tài)． (2)在宇宙演化過(guò)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(chǎng)對(duì)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(huì)出現(xiàn)“引力紅移”說(shuō)明什么？ 答案　根據(jù)多普勒效應(yīng)，如果恒星向著我們運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)變長(zhǎng)，即向紅色的一端移動(dòng)，這說(shuō)明：不管往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去． 1．宇宙的大爆炸學(xué)說(shuō)是俄裔美國(guó)物理學(xué)家______提出的． 答案　伽莫夫 2．黑洞是________演化的結(jié)果．

8、答案　恒星 3．廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理是指(　　) A．光速不變?cè)? B．廣義相對(duì)性原理 C．等效原理 D．同時(shí)的相對(duì)性 答案　BC 解析　根據(jù)廣義相對(duì)論基本原理內(nèi)容． 4．下列說(shuō)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(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢 D．廣義相對(duì)論可以解釋引力紅移現(xiàn)象 答案　ACD 解析　由廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論可知A、C、D正確． [基礎(chǔ)題] 1．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．萬(wàn)有引力可以用狹義相對(duì)論做出正確的解釋 B．電磁力可以用狹義相對(duì)論做出正確的解釋 C．狹義相

9、對(duì)論是慣性參考系之間的理論 D．萬(wàn)有引力理論無(wú)法納入狹義相對(duì)論的框架 答案　BCD 解析　狹義相對(duì)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(yùn)動(dòng)速度不能夠影響到遠(yuǎn)處的另一個(gè)星球，所以萬(wàn)有引力理論無(wú)法納入狹義相對(duì)論，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B、D正確；狹義相對(duì)論是慣性參考系之間的理論，故選項(xiàng)C正確． 2．關(guān)于廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論之間的關(guān)系．下列說(shuō)法正確的是(　　) A．它們之間沒(méi)有任何聯(lián)系 B．有了廣義相對(duì)論，狹義相對(duì)論就沒(méi)有存在的必要了 C．狹義相對(duì)論能夠解決時(shí)空彎曲問(wèn)題 D．為了解決狹義相對(duì)論中的參考系問(wèn)題提出了廣義相對(duì)論 答案　D 解析　狹義相對(duì)論之所以稱

10、為狹義相對(duì)論，就是對(duì)于慣性參考系來(lái)講的，時(shí)空彎曲問(wèn)題是有引力存在的問(wèn)題，需要用廣義相對(duì)論進(jìn)行解決． 3．下列說(shuō)法正確的是(　　) A．由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的影響，我們有可能看到太陽(yáng)后面的恒星 B．強(qiáng)引力作用可使光譜線向紅端偏移 C．引力場(chǎng)越強(qiáng)的位置，時(shí)間進(jìn)程越慢 D．由于物質(zhì)的存在，實(shí)際的空間是彎曲的 答案　ABCD 解析　由廣義相對(duì)論我們可知道：物質(zhì)的引力使光線彎曲．在引力場(chǎng)中時(shí)間進(jìn)程變慢，而且引力越強(qiáng)，時(shí)間進(jìn)程越慢，因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象． 4．以下說(shuō)法中錯(cuò)誤的是(　　) A．矮星表面的引力很強(qiáng) B．時(shí)鐘在引力場(chǎng)弱的地方比引力場(chǎng)強(qiáng)的地方走得快些 C．引力場(chǎng)越弱的地方，

11、物體的長(zhǎng)度越短 D．在引力場(chǎng)強(qiáng)的地方，光譜線向綠端偏移 答案　CD 5．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．“紅移”現(xiàn)象說(shuō)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(shí)質(zhì)上就是一個(gè)無(wú)光線的區(qū)域 答案　ABC 6．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(chǎng)對(duì)周圍物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)，證實(shí)黑洞的存在． 7．如何驗(yàn)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(shí)產(chǎn)生的

12、微波輻射．在實(shí)驗(yàn)中能否探測(cè)到這一微波輻射，就被認(rèn)為是初步驗(yàn)證大爆炸理論的關(guān)鍵.20世紀(jì)60年代初，美國(guó)科學(xué)家威爾遜和彭齊亞斯在一次實(shí)驗(yàn)中意外地發(fā)現(xiàn)了這種微波輻射，證實(shí)了大爆炸理論的正確性． [能力題] 8．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(yùn)動(dòng)，一束光垂直于運(yùn)動(dòng)方向在飛船內(nèi)傳播，下列說(shuō)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(duì)論基本原理可知A、D正確． 9．黑洞是質(zhì)

13、量非常大的天體，由于質(zhì)量很大，引起了其周圍的時(shí)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(méi)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(gè)小的星體經(jīng)過(guò)黑洞，將會(huì)被吸引進(jìn)去 答案　BCD [探究與拓展題] 10．在外層空間的宇宙飛船上，如果你正在一個(gè)以加速度g＝9.8 m/s2向頭頂方向運(yùn)動(dòng)的電梯中，這時(shí)，你舉起一個(gè)小球自由地丟下，請(qǐng)說(shuō)明小球是做自由落體運(yùn)動(dòng)． 答案　見(jiàn)解析 解析　由廣義相對(duì)論中的等效原理知，一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)．當(dāng)電梯向頭頂方向加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，自由丟下的小球相對(duì)于電梯的加速度為g＝9.8 m/s2，與在地球引力場(chǎng)中做自由落體運(yùn)動(dòng)相同． 6