丹江口市物理 第十五章 相对论简介 15.4 广义相对论简介 新人教版选修3-4.ppt

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1、第四节第四节 广义相对论简介广义相对论简介(1)超越狭义相对论的思考超越狭义相对论的思考 介绍爱因斯坦思考狭义相对论无法解决介绍爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：的两个问题：第一个是引力问题，万有引力定律不满足洛第一个是引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；第二个是非惯性系问题，狭义相对论只适用第二个是非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。（2 2）广义相对论等效原理）广义相对论等效原理 在一个引力可以在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘忽略的宇宙空

2、间有一艘宇宙飞船在做匀加速直宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛记录光的径迹是一条抛物线物线半半透透明明屏屏光光源源等效原理等效原理引力场与匀加速参考系等价引力场与匀加速参考系等价 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下在它的引力场作用下,光的轨迹也是一条抛物线。光的轨迹也是一条抛物线。（3 3）广义相对论主要结论）广义相对论主要结论通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，2020世纪只能观测到太阳世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲引力场引起的光线弯曲太阳太阳太阳太阳由于太阳

3、引由于太阳引力场的作用，我力场的作用，我们有可能观测到们有可能观测到太阳后面的恒星，太阳后面的恒星，最好的观测时间最好的观测时间是发生日全食的是发生日全食的时候时候19191919年年5 5月月2929日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实早证实广义相对论结论（广义相对论结论（1）光线弯曲光线弯曲广义相对论结论（广义相对论结论（2）透镜效应透镜效应 星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透

4、镜效应种现象叫做引力透镜效应星体星体星体星体无无法法观观测测黑黑洞洞宇宙中很可能存在黑洞，宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一洞的途径之一广义相对论结论（广义相对论结论（3）引力场影响时间引力场影响时间引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别出现差别 对于高速转动的圆盘，对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都除了转动轴的位置外，各点都在做加

5、速运动，越是靠近边缘，在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心加速度越大，方向指向盘心 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢对论，靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢慢各各类类星星体体对对比比宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表

6、面的时间进程做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移广义相对论结论（广义相对论结论（4）引力引力红移红移引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别出现了差别 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短论，靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短

7、引力势较低的位置，杆的长度越短广义相对论结论（广义相对论结论（5）引力场影响长度引力场影响长度引力势由高到低变化引力势由高到低变化 由于物质的存在，实际空间并不是均匀由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了的，空间发生了“弯曲弯曲”：狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的 一个均匀的一个均匀的引力场与一个引力场与一个做匀加速运动做匀加速运动的参考系等价的参考系等价更进一步更进一步等等效效原原理理光光速速恒恒定定爱因爱因斯坦斯坦相对相对性原性原理理广广义义相相对对性性原原理理对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在决物质本身的存在决定时空的性质定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权所有参考系平权所有参考系平权时时空空观观光速恒定光速恒定等效原理等效原理