高中物理第6章相对论与天体物理第3节广义相对论初步第4节探索宇宙教师用书鲁科版选修34
第4节 探索宇宙
学 习 目 标 | 知 识 脉 络 |
1.了解广义相对论的基本原理．(重点) 2.知道广义相对论的时空结构和实验检验．(难点) 3.了解人类对宇宙的认识和不息的探索. | |
广 义 相 对 论 初 步 | |
[先填空]
1．广义相对论的基本原理
2．广义相对论的时空结构
(2)引力的存在对空间的影响
引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短，发生了弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显．
3．广义相对论的实验检验
广义相对论建立之后，爱因斯坦提出了三项实验检验：水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移.20世纪60年代后，人们又提出了雷达回波延迟．
11超新星
[再判断]
1．提出狭义相对论后，没必要再提广义相对论．(×)
2．广义相对论的结论只是猜想，没有科学依据．(×)
3．在广义相对论的时空结构中，引力场越强，时钟变慢的效应越明显．(√)
[后思考]
地球表面有引力，为什么说在地球表面均匀介质中光沿直线传播？
【提示】 地球表面的引力场很弱，对光的传播方向影响很小，所以认为光沿直线传播．
[核心点击]
1．广义相对论的两个基本原理的理解
(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从惯性参考系推广到了非惯性系在内的所有参考系，一切参考系对于描述物理规律和物理现象来说都是平等的，无论用什么参考系，物理规律都是相同的．
(2)等效原理：在物理学中，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系的惯性力场有等效性．
2．光线在引力场中弯曲：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．
3．引力红移：按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．例如，在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象．
广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测证实．还有其他一些事实也支持广义相对论．目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥了主要作用．
1．下面说法符合广义相对论的是( )
【导学号：78510072】
A．物质的引力使光线弯曲
B．物质的引力不能使光线弯曲
C．强引力场附近的时间进程会变慢
D．强引力场附近的时间进程会变快
E．恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲
【解析】 观测结果证实了引力使光线弯曲的结论，A正确，B错误；引力红移的存在，证明了强引力场附近的时间进程会变慢，C正确，D错误；恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲，E正确．
【答案】 ACE
2．在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是( )
A．船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的
B．船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的
C．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的
D．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的
E．在加速参考系中的惯性力场等效于引力场
【解析】 在惯性参考系中，光是沿直线传播的，故A正确，B错误．而在非惯性参考系中，因为有相对加速度，根据等效原理，光将做曲线运动，D正确，C错误．在加速参考系中的惯性力场等效于引力场，E正确．
【答案】 ADE
应用广义相对论的原理解决时空变化问题的方法
1．应该首先分析研究的问题或物体做怎样的运动，是处于怎样的参考系中．无论是匀加速运动的参考系，还是均匀的引力场中，其规律是相同的．
2．然后根据“引力使时间变慢，空间变短”的理论分析其所在位置或运动情况会产生怎样的变化．
探 索 宇 宙 | |
[先填空]
1．宇宙的起源
“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度为无穷大，物质密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低．大约经历了150亿年，形成了我们今天的宇宙．
2．宇宙里有什么
太阳是一颗恒星，在太阳系中，除有八大行星外，还有卫星、彗星和流星体，由恒星组成的集团叫星系，现在已知存在的星系有1 000亿个以上．
3．永不停息的探索
宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测．著名的哈勃太空望远镜是目前最先进的空间望远镜．
[再判断]
1．哈勃发现远处的星系正急速地远离我们而去．(√)
2．宇宙起源于一个“奇点”．(√)
3．科学家还没有证据证明黑洞的存在．(×)
[后思考]
有限无边的静态宇宙模型中“有限”和“无边”是否相矛盾？
【提示】 二者并不矛盾，它们是从静止与运动的发展趋势两个方面对同一事物的辩证认识．
[核心点击]
1．宇宙的起源
(1)爱因斯坦用广义相对论引力场方程建立了有限无边的静态宇宙模型．
(2)“大爆炸”宇宙模型
宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度无穷大，密度无穷大，发生了大爆炸，空间急剧膨胀，温度不断降低．大约经历了150亿年，形成了现在的宇宙．
(3)对于宇宙演化的认识
大爆炸宇宙模型告诉我们，决定宇宙几何性质的两个因素——膨胀率和密度，决定了宇宙的命运．如果宇宙膨胀率很小，或者质量密度很高，宇宙将成为闭合的，宇宙现在的膨胀将停止并将转为收缩；如果宇宙膨胀率很大，质量密度小，宇宙将持续膨胀下去，未来的发展有两种可能：一是开宇宙，二是闭宇宙．
2．宇宙的组成与恒星的演化
(1)卫星绕着行星转动，行星绕着恒星转动，众多的恒星组成星系，而众多的星系组成宇宙．
(2)恒星将要消亡时会突然爆发，亮度在2～3天内突然增加几万倍或者几百万倍形成新星，或者亮度突然增加几千万倍或几亿倍形成“超新星”，爆发后的残骸是中子星，少数可能形成黑洞．黑洞是一个具有巨大引力的空间区域．
3．关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是( )
A．宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始
B．宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在
C．宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止
D．宇宙起源的“奇点”温度无穷大，密度无穷大
E．宇宙膨胀到某个极大值后会收缩
【解析】 根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无穷高，密度无穷大，认为该点拥有无穷的能量，但体积无穷小．故D正确．宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能，一是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”，故C错．“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的起点又是空间的始点，故A正确，B错．宇宙膨胀到某个极大值后会收缩，E正确．
【答案】 ADE
4．黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为正确的是( )
【导学号：78510073】
A．内部也是漆黑一片，没有任何光
B．内部的光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出
C．内部应该是很亮的
D．如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去
E．人类还没有发现黑洞存在的证据
【解析】 黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出，而不是内部没有光线．由于引力的作用，其光线弯曲程度很大，不能射出，因此内部应该很亮．当有一个小的星体经过黑洞时，由于黑洞质量很大，对小星体有很强大的万有引力，把小星体吸引进去．科学家通过先进的探测手段已发现了黑洞存在的证据，E错误．因此正确选项是B、C、D.
【答案】 BCD
宇宙起源的三点说明
1．所有关于宇宙的理论学说都有待于去进一步验证，“大爆炸”理论只是其中相对比较成熟的一种．
2．关于宇宙的起源与演化要用到较多的高等数学知识，本节的许多结论都是直接给出的．
3．黑洞是恒星演化而成的有着巨大引力的空间区域，产生的引力连光线都不能摆脱．
学业分层测评(十六)
发布评论