广义相对论课堂一

高中物理 15.4 广义相对论简介学案1 新人教版选修34学习目标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重点难点：广义相对论的主要结论的论证知识梳理一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：1、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；2、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。

二、广义相对性原理和等效原理把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。

三、广义相对论几个结论以及相关实验验证①光线经过强引力场中发生弯曲。

1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。

从而确认广义相对论的结论是正确的。

②引力红移。

我们观察到引力场空间弯曲的同时也将观测到引力场时钟变慢。

③水星轨道近日点的进动四、关于的宇宙大爆炸理论按照广义相对论，宇宙就是无所不包的最大的时空，而且它的弯曲情况和物质的分布应该符合爱因斯坦方程基础检测1、广义相对论是如何诞生的？答：（1）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；（2）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。

2、哪些领域验证了广义相对论的正确性？答：（1）1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。

从而确认广义相对论的结论是正确的。

这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。

到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。

第一&二章1. 设想有一光子火箭，相对于地球以速率v=0.95c 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？解 ：固有长度,2. 一长为 1 m 的棒静止地放在 O ’x ’y ’平面内，在S ’系的观察者测得此棒与O ’x ’轴成45°角，试问从 S 系的观察者来看，此棒的长度以及棒与 Ox 轴的夹角是多少？设想S ’系相对S 系的运动速度4.68ml ==第三章1.简述狭义相对论与广义相对论的基本原理。

P9、15、2*①狭义相对论：所有的基本物理规律都在任一惯性系中具有相同的形式。

这就叫狭义相对性原理。

相对性原理：一切惯性参照系等效，即物理规律在所有的惯性系中都具有完全相同的形式。

光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。

②广义相对论：一切参照系都是平权的。

或者说，客观的物理规律应在任意坐标变换下保持形式不变。

等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。

广义相对性原理：一切参考系都是平权的或客观的真实的物理规律应该在任意坐标变换下形式不变，即广义协变性。

2.什么是广义相对论的等效原理？强等效原理与弱等效原理有何区别？等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。

3.在牛顿力学中是否能够定义惯性参照系？什么是局部惯性系？P12、29引力与惯性力有何异同？定义不同：惯性力的度量是惯性质量写为F=ma，而引力的度量是引力质量，由万有引力定律写成(1)(2)2g gm mF Gr，从物理本质上是不同的。

相同：二者的实验量值是相等的，根据等效原理引力与惯性力的任何物理效果都是等效的4.弯曲时空是用什么几何量来描述的？什么是引力场的几何化？P35处于形变的四维时空区域，从物理上说可以认为是有引力存在的时空区域。

所以，表示时空弯曲的几何量，同时也表示了引力场的状态。

引力场中的物理问题便等价于弯曲时空的几何问题，这种看法就称为引力场的几何化。

广义相对论简单入门1905年，阿尔伯特·爱因斯坦断定惯性系之间的物理定律应当完全相同以及真空中的光速和观测者的速度无关。

这些是狭义相对论的基础，狭义相对论提出了物理学的新框架同时提出了关于时间和空间的新概念。

之后爱因斯坦花费了十年时间尝试把狭义相对论推广到加速系，最终他发表了广义相对论。

广义相对论提出，大质量的物体会引起时空的畸变，它自身也会感受到引力。

引力的拖拽两个物体会感受到对方给自己的吸引，这就是我们知道的引力。

艾萨克·牛顿建立了运动三定律并量化了两个物体之间引力的大小。

两个物体之间的引力大小取决于两者各自的质量以及他们之间的距离。

当地心将你向它拖拽，你也在拉拽地球。

但是引力对质量较大的物体拖拽不明显，你自身较小的质量使你觉得自身被牢牢固定在地面。

不过牛顿假设引力是一种可以作用一段距离的物体所固有的力。

阿尔伯特·爱因斯在狭义相对论中断定物理定律在所有惯性系中都是一样的；无论观测者以什么速度运行，他测到的真空中光速都是一样的。

事实上，他发现时间和空间可以相互交织在一起形成连续的时空。

某一观察者眼中同时发生的事情在其他观察者眼中可能发生在不同时刻。

质量使时空发生弯曲来源：wikipedia当爱因斯坦得到了广义性对论的公式时，他意识到质量巨大的物体可以令时空发生弯曲。

可以想象在蹦床的中心放置一个巨大的物体。

这个物体会把布面往下压使得它的表面出现凹陷。

在蹦床边缘滚动的球体就会向着中心的物体螺旋运动，就像引力在太空中吸引着行星周围的石块。

实验证据尽管实验装置不能直接看到或者测量到时空，但是时空弯曲所预言的许多现象已经被观察到。

引力透镜：在质量巨大的物体周围，光线会发生弯曲。

对于它后面的物体来说，这个物体就像是巨大的透镜一样。

天文学家一般利用这种办法研究超大物体背后的恒星和星系。

爱因斯坦十字来源：wikipedia爱因斯坦十字是位于飞马星座的类星体，它是引力透镜的典型例子。

广义相对论教程广义相对论是物理学中的一个分支，包含了研究引力、时空和宇宙演化的理论。

它由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期首先提出，是一项重要的科学成就。

下面是一份广义相对论的教程，包含以下主题：1. 引力和物质之间的关系2. 时空和宇宙的结构3. 黑洞和引力波4. 应用于宇宙学的广义相对论1. 引力和物质之间的关系引力是由物体之间的质量和距离产生的吸引力。

在广义相对论中，引力的本质是时空的弯曲。

具体而言，它是物质的存在使得时空出现弯曲的结果。

这个时空弯曲的概念是由爱因斯坦在1916年提出的。

他的理论是基于两个假设：首先，物体会沿着最短的路径（称为测地线）移动，而其路径是由弯曲的时空所确定的；其次，任何物体的质量都会影响时空的弯曲，从而影响其他物体的轨迹。

2. 时空和宇宙的结构在广义相对论中，时空不仅是物理现象的舞台，也是物理现象本身的一部分。

时空被认为是一个四维的坐标系，其中一个维度是时间。

这个坐标系被称为时空的Minkowski空间。

当物体存在时，它会改变Minkowski空间的形状，使其成为一个弯曲的空间。

这种弯曲是由物体质量的强度和位置所决定的。

宇宙这一概念在广义相对论中被定义为在空间和时间上统一的物理系统。

它是由大量物体和辐射组成的，其中每个物体都会影响时空的弯曲。

宇宙的演化可以通过求解爱因斯坦方程来描述，这个方程是将时空曲率与能量-动量张量相关联的方程。

3. 黑洞和引力波在广义相对论中，黑洞是一种极端的天体物理现象，它的引力强度超过其他物质的引力。

黑洞会吸引周围的物质，甚至是光线，因此被认为是绝对不透明的。

引力波是广义相对论的另一个预测。

它们是由加速物体所产生的时空弯曲所引起的，它们是与光速传播的引力的扰动。

当两个超 massive黑洞在合并时，就会产生引力波。

这一现象已被LIGO实验直接探测到。

4. 应用于宇宙学的广义相对论广义相对论在宇宙学领域中有着广泛的应用。

它的研究成果帮助我们更好地了解宇宙的演化。

[爱因斯坦广义相对论]广义相对论广义相对论一:广义相对论课件概念介绍黑洞爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；而多大质量的恒星会塌陷为黑洞则是印裔物理学家钱德拉塞卡的功劳——钱德拉塞卡极限（白矮星的质量上限）。

引力透像有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。

光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。

引力波广义相对论还预言了引力波的存在（爱因斯坦于1918年写的论文《论引力波》），现已被直接观测所证实。

此外,广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。

[2]时空关系19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。

爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。

狭义相对论提出两条基本原理。

（1）光速不变原理：即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，为299,792,458m/s，与光源及观察者的运动状况无关。

（2）狭义相对性原理：是指物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。

爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。

该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。

[3]万有引力广义相对论：是一种关于万有引力本质的理论。

爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。