第3节 广义相对论初步
第4节 探索宇宙
1.知道广义相对论的两个基本原理，知道什么是惯性力.（重点＋难点） 2.了解广义相对论的时空结构，了解时空弯曲.（重点＋难点） 3.了解广义相对论的三个实验验证.（重点） 4.了解宇宙的起源、演化和未来，知道宇宙里有些什么.
5.了解人类对宇宙的永不停息的探索.
一、广义相对论初步
1.广义相对论的两个基本原理
（1）广义相对性原理：在任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的.
（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.
（3）在一个以加速度a运动的非惯性参考系中，任何物体都会受到一个与非惯性系运动方向相反的力，这个力叫惯性力.其中F＝－ma.
2.广义相对论的时空结构
广义相对论深刻地揭示了时间、空间与物质的运动和分布的密切关系.
（1）引力的存在对时间的影响：在引力场中，时钟变慢；引力场越强，时钟变慢越甚.
（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，在与引力垂直方向上，空间间隔变短（直尺变短），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
（1）水星近日点的进动；
（2）光线在引力场中的弯曲；
（3）引力红移现象；
（4）雷达回波延迟.
1.实验验证爱因斯坦广义相对论的时空结构理论是正确的，那么牛顿的时空结构理论就是错误的，这种认识是否正确？
提示：牛顿力学理论及时空观理论是相对论理论在低速宏观情境下的近似，有着实际的现实意义，并不能说是错误的.
二、探索宇宙
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
（1）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1000亿个以上.
江苏省洪泽中学高二物理教案（选修3－4）第十五章 相对论简介 主备人：孙志成 二次备课：
- 1 - §15-4广义相对论简介
教学目标
一、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
二、过程与方法：
（1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程
三、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
教学方法
阅读、讲解、小结
教学手段
多媒体课件
教学活动
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
引导学生在前述背景介绍下，思考怎样来解决这两个问题。爱因斯坦考虑要解决第二个问题，必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位，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
从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。
①光线经过强引力场中发生弯曲
介绍物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲的事实。如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。
广义相对论详解
广义相对论是爱因斯坦在20世纪初提出的一种重要的物理学理论，它是对牛顿力学的一种深刻扩展和修正。广义相对论的核心思想是：质量和能量会扭曲时空，而物质和能量的运动则会受到时空的扭曲影响。这种扭曲效应可以被看作是物质和能量对时空的“重力”作用，因此广义相对论被认为是一种描述重力的理论。
广义相对论的核心方程是爱因斯坦场方程，它描述了时空的几何结构和物质的分布之间的关系。这个方程通常写成：
Rμν - 1/2 gμνR = 8πTμν
其中Rμν是时空的曲率张量，gμν是时空的度规张量，R是曲率标量，Tμν是物质和能量的张量。这个方程的意义是：左边描述了时空的几何结构，右边描述了物质和能量的分布，两者之间通过这个方程建立了联系。
广义相对论是一种非常成功的理论，它在很多方面都得到了验证。例如，它成功地解释了黑洞的存在和性质，预测了引力波的存在并在2015年被实验观测到，还解释了宇宙加速膨胀的现象。此外，广义相对论还为现代宇宙学提供了重要的理论基础。
然而，广义相对论也存在一些问题和挑战。例如，它无法与量子力学相一致，因此需要发展出一种量子引力理论来解决这个问题。此外，广义相对论对于时空的奇异性（例如黑洞内部和宇宙大爆炸的起源）的描述也存在一些困难。
广义相对论是一种非常重要的物理学理论，它成功地解释了很多重要的现象，为现代物理学做出了巨大的贡献。然而，它仍然需要进一步的发展和完善，以更好地解释我们观测到的自然现象。
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
21510.95m4.68ml
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)2ggmmFGr，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。
