《广义相对论初步》参考课件2

6.3《广义相对论初步》教学目标

知识与技能：

（1）了解广义相对论基本原理广义相对性原理和等效原理

（2）广义相对论主要结论物质的引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢

（3）介绍广义相对论的实验验证过程与方法：

了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程情感态度和价值观：

体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量教学重点、难点：

1、广义相对性原理和等效原理 2、广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢相对论简介

19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现．相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑．一、广义相对论的基本原理1、广义相对性原理：在任何参考系(包括非惯性系)中物理定律都是相同的。伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的爱因斯坦狭义相对性原理(1905年)

在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的；

爱因斯坦广义相对论原理（1916年）在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律都是相同的，称为广义相对性原理。逻辑形式逐渐简约2、等效原理：匀加速参考系中的惯性力场与均匀引力场不可区分。

引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．

对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心．

地面上看到：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．

圆盘上的人认为：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，时间进程比较慢．二、广义相对论的时空结构

引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别．

地面上看到：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．

圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短．杆的长度与引力场有关引力势由高到低变化杆的长度与引力场有关

由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理广义相对论与几何学

几何学反应的是人对空间关系的认识．有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场．这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际．广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何．作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用．

如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。三、广义相对论的实验检验1、物质的引力使光线发生弯曲

如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）

飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）2、通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．1919年5月29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，这是对广义相对论的最早证实．3.透镜效应

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镜效应．星体星体无法观测黑洞

宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一．各类星体对比

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光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移．4、引力红移狭义、广义相对论比较狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的

任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的

一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理

如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系．在不同参考系中观察物体的运动情况非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系

以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动．光滑表面非惯性系和惯性系加速运动的列车是个非惯性参考系为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立，引入惯性力．光滑表面非惯性系和惯性系牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式“－”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反．注意不要混淆非惯性系和惯性系

以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重．21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度，因此，以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力．非惯性系和惯性系惯性质量和引力质量地面静止加速飞行引力和惯性力都可以使物体加速下落引力质量惯性质量广义相对论简介牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式“－”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反．注意不要混淆“m”应该叫做惯性质量．惯性质量和引力质量

事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别，这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深刻的联系．广义相对论简介狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的

任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的

一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理

广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论．广义相对论简介广义相对论简介

在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线．半透明屏光源等效原理物体的引力能使光线弯曲

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，飞船内的物理过程受到影响．

通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳

由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．

1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分