广义相对论_ppt04
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相对论简介课件PPT
时间膨胀是由于观察同一个物理过程 的参照系之间时间测量标准不同所导 致的，与光速不变原理密切相关。
时间膨胀现象
当观察同一个物理过程的参照系之间 相对运动时，时间会变慢，即时间膨 胀现象。
长度收缩现象及解释
长度收缩定义
长度收缩是指观察同一个物体的 长度在运动的参照系中会比静止
的参照系中更短。
长度收缩现象
03 广义相对论主要内容
等效原理及其意义
01
02
03
等效原理的表述
在局部范围内，加速系中 的物理规律与均匀引力场 中的物理规律完全相同。
等效原理的意义
揭示了引力与加速系中惯 性力之间的等效性，为广 义相对论的建立奠定了基 础。
实验验证
通过自由落体实验、扭秤 实验等验证了等效原理的 正确性。
时空弯曲概念与模型
04 相对论在物理学领域应用
粒子物理学中相对论效应
粒子速度接近光速时，时间膨胀 和质量增加的现象变得显著。
相对论提供了描述高速粒子行为 的数学框架，如狄拉克方程等。
在粒子加速器和高能物理实验中， 必须考虑相对论效应对粒子轨迹
和能量的影响。
天文学中恒星演化模型
相对论对于理解恒星内部结构 和演化过程至关重要。
发展新的相对论应用领域
相对论在航空航天、全球定位系统等领域的应用已经取得了显著成效， 未来有望在更多领域发掘相对论的应用潜力。
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原子钟精确计时原理
利用原子能级跃迁时释放的精确频率作为计时标准，同时 考虑相对论效应对原子钟计时精度的影响，确保原子钟的 长期稳定性和准确性。
原子钟的应用
广泛应用于航空航天、通信、导航等领域，提高了时间计 量的准确性和精度。
人教版高中物理课件-广义相对论简介
廣義相對論所作出的以上預言全部被實驗觀測所 證實.還有其他一些事實也支持廣義相對論.目前,
廣義相對論已經在宇宙結構、宇宙演化等方面發 揮主要作用.
課堂互動講練
質速關係的應用
例1 某人测得一静止棒长为 l,质量为 m,于是求得此 棒线密度为 ρ. (1)假定此棒以速度 v 在棒长方向上运动,此人再测棒 的线密度应为多少？ (2)若棒在垂直长度方向上以速度 v 运动,它的线密度 又是多少？(线密度 ρ＝ml )
物體以速度v運動時的品質m與
m0
靜止時的品質m0之間的關係是:m＝____1_－__vc__2 _,
因為總有v<c.可知運動物體的品質m總__大__於__它靜 止時的品質m0. 3．質能方程 物體品質m與其蘊含的能量E之間的關係是: __E_＝__m__c_2__.
二、廣義相對論簡介
1．廣義相對性原理 在任何參考系中,物理規律都是__相__同___的． 2．等效原理 一個__均__勻__的引力場與一個_做__勻__加__速__運__動___的參考 系等價．
課前自主學案
一、狹義相對論的其他結論 1.相對論速度變換公式 (1)速度變換公式:設在高速的火車上,火車對地面的 速度為v,車上的人以速度u′沿火車前進的方向相 對那火麼車他運 相動 對,地面的速度u＝___1u_＋′_u_＋′_c2_vv____,
如果車上人的運動與火車的運動方
向相反，則他相對於地面的速度u＝___________.
2.v≪c 时,vc2＝0,此时有 m＝m0,也就是说:低速运动 的物体,可认为其质量与物体运动状态无关. 3.微观粒子的速度很高,因此粒子运动的质量明显大 于静质量.
例如:迴旋加速器中被加速的粒子的品質會隨粒子 的加速明顯增加.導致粒子圓周運動的週期變大. 它的運動與加在D形盒上的交變電壓不再同步.迴 旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制.
廣義相對論已經在宇宙結構、宇宙演化等方面發 揮主要作用.
課堂互動講練
質速關係的應用
例1 某人测得一静止棒长为 l,质量为 m,于是求得此 棒线密度为 ρ. (1)假定此棒以速度 v 在棒长方向上运动,此人再测棒 的线密度应为多少？ (2)若棒在垂直长度方向上以速度 v 运动,它的线密度 又是多少？(线密度 ρ＝ml )
物體以速度v運動時的品質m與
m0
靜止時的品質m0之間的關係是:m＝____1_－__vc__2 _,
因為總有v<c.可知運動物體的品質m總__大__於__它靜 止時的品質m0. 3．質能方程 物體品質m與其蘊含的能量E之間的關係是: __E_＝__m__c_2__.
二、廣義相對論簡介
1．廣義相對性原理 在任何參考系中,物理規律都是__相__同___的． 2．等效原理 一個__均__勻__的引力場與一個_做__勻__加__速__運__動___的參考 系等價．
課前自主學案
一、狹義相對論的其他結論 1.相對論速度變換公式 (1)速度變換公式:設在高速的火車上,火車對地面的 速度為v,車上的人以速度u′沿火車前進的方向相 對那火麼車他運 相動 對,地面的速度u＝___1u_＋′_u_＋′_c2_vv____,
如果車上人的運動與火車的運動方
向相反，則他相對於地面的速度u＝___________.
2.v≪c 时,vc2＝0,此时有 m＝m0,也就是说:低速运动 的物体,可认为其质量与物体运动状态无关. 3.微观粒子的速度很高,因此粒子运动的质量明显大 于静质量.
例如:迴旋加速器中被加速的粒子的品質會隨粒子 的加速明顯增加.導致粒子圓周運動的週期變大. 它的運動與加在D形盒上的交變電壓不再同步.迴 旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制.
广义相对论简介 完整版课件
下列说法中正确的是( ACD ) A．物体的引力使光线弯曲 B．光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用 C．在强引力的星球附近，时间进程会变慢 D．广义相对论可以解释引力红移现象 [解析] 根据广义相对论知，光线弯曲是引力的作用，故A正 确B错误；强引力使时间进程变慢，光振动的周期变大，频率 变小，波长变长，光谱线出现红移现象，故C、D正确．
3．广义相对论的几个结论 (存在使空间不同位置的__时__间__进__程_出现差别，引力 场越强，时间越___慢__．
[想一想] 2.爱因斯坦提出狭义相对论后，为什么还要提出 广义相对论？ 提示：爱因斯坦提出狭义相对论后，遇到了狭义相对论无法 解决的两个问题：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架； 惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位.为了解决这两个 问题，爱因斯坦又向前迈进了一大步，提出了广义相对论.
易错辨析——光线在引力场中的弯曲 [范例] 在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒 星，这说明恒星发出的光( C ) A．经过太阳时发生了衍射 B．可以穿透太阳及其他障碍物 C．在太阳引力场作用下发生了弯曲 D．经过太阳外的大气层时发生了折射
[错因分析] 太阳后面的恒星发出的光能够在适当的时候接 收到，很容易把这种现象错误地理解成光线经太阳大气发生 了光的折射而错选D；或者错误地认为光发生了衍射或穿透 了太阳这一障碍物而错选A和B. [解析] 根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力 场作用下发生了弯曲，所以可以在适当的时候(如日全食时) 通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确，A、B、D均错． [真知灼见] 物质的引力使光线发生弯曲，通常物质的引力 场太弱，光线弯曲不易观测，太阳的引力场却能引起光线比 较明显的弯曲，在日全食时比较容易观测到.引力使光线弯曲 要和光线的折射及光的衍射现象区别开来.
chap4-6广义相对论简介(共33张)
1.广义相对性原理 物理定律在一切参考系（惯性系、非惯性系）中 数学形式相同。
意义： 实现惯性系和非惯性系的平权，完善对称性，是构建 理论的出发点。
如何实现惯性系和非惯性系的平权？
第2页，共33页。
2.等效原理
1）实验事实：惯性质量与引力质量相等
F(
r
)
G
Mm r2
rˆ
其中 m 反映物体产生和接受引力的性质：引力质量
1、引力使光线偏转
a
a
a
a
t1 t3
t1
t2
t3
t4
t2 t4
升降机
在加速运动的升降机内的观察者看到，光线相对于升降机 走弯曲的路线。由等效原理可知，加速运动的参考系与引力 场等效，因此，可以得出：光线在引力场中要发生偏转。
第18页，共33页。
日全食时观测恒星视位置(wèi zhi)与恒星实际位置(wèi zhi) 比较，可测得光线偏折角。
视在
光线 分之一的超级天文密晕物
光线
星系或黑洞
体通过恒星与地球之间， 恒星光被吸引聚集。
B
第20页，共33页。
1998年3月英国(yīnɡ ɡuó)用“默林”射电望远镜和哈勃太 空望远镜观测到完整的引力透镜成象“爱因斯坦环”
第21页，共33页。
2.光的引力频移(引力使时间(shíjiān)膨胀
)
左起： 泰勒（美.1941－） 赫尔斯（美.1950－）
第26页，共33页。
引力波探测站
美国华盛顿州汉福德的LIGO观测站
在PSR1913＋16区域的观 测表明，两个中子星因发射 引力波失去能量，它们因此 以螺旋轨道相互靠近。
第27页，共33页。
§8.6 相对论的意义(yìyì)和局限
意义： 实现惯性系和非惯性系的平权，完善对称性，是构建 理论的出发点。
如何实现惯性系和非惯性系的平权？
第2页，共33页。
2.等效原理
1）实验事实：惯性质量与引力质量相等
F(
r
)
G
Mm r2
rˆ
其中 m 反映物体产生和接受引力的性质：引力质量
1、引力使光线偏转
a
a
a
a
t1 t3
t1
t2
t3
t4
t2 t4
升降机
在加速运动的升降机内的观察者看到，光线相对于升降机 走弯曲的路线。由等效原理可知，加速运动的参考系与引力 场等效，因此，可以得出：光线在引力场中要发生偏转。
第18页，共33页。
日全食时观测恒星视位置(wèi zhi)与恒星实际位置(wèi zhi) 比较，可测得光线偏折角。
视在
光线 分之一的超级天文密晕物
光线
星系或黑洞
体通过恒星与地球之间， 恒星光被吸引聚集。
B
第20页，共33页。
1998年3月英国(yīnɡ ɡuó)用“默林”射电望远镜和哈勃太 空望远镜观测到完整的引力透镜成象“爱因斯坦环”
第21页，共33页。
2.光的引力频移(引力使时间(shíjiān)膨胀
)
左起： 泰勒（美.1941－） 赫尔斯（美.1950－）
第26页，共33页。
引力波探测站
美国华盛顿州汉福德的LIGO观测站
在PSR1913＋16区域的观 测表明，两个中子星因发射 引力波失去能量，它们因此 以螺旋轨道相互靠近。
第27页，共33页。
§8.6 相对论的意义(yìyì)和局限
第一章 广义相对论
1.3 广义相对论的宇宙现象与科研 应用
• 按照广义相对论，在局部惯性系内，不存在引力，一维 按照广义相对论，在局部惯性系内，不存在引力， 时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间； 时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间；在任意 参考系内，存在引力，引力引起时空弯曲， 参考系内，存在引力，引力引起时空弯曲，因而时空是 四维弯曲的非欧黎曼空间。 四维弯曲的非欧黎曼空间。爱因斯坦找到了物质分布影 响时空几何的引力场方程。 响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于 物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布， 物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布，而时间 空间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。 空间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。在引力 不强、时间空间弯曲很小情况下， 不强、时间空间弯曲很小情况下，广义相对论的预言同 牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致； 牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致；而 引力较强、时间空间弯曲较大情况下，两者有区别。 引力较强、时间空间弯曲较大情况下，两者有区别。广 义相对论提出以来，预言了水星近日点反常进动、 义相对论提出以来，预言了水星近日点反常进动、光频 引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟， 引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟，都被天文 观测或实验所证实。近年来， 观测或实验所证实。近年来，关于脉冲双星的观测也 从 光源射出的光线途经致密星体时发生偏折提供了有关广 义相对论预言存在引力波的有力证据。 义相对论预言存在引力波的有力证据。
1.4 广义相对论的实验检验
•
在广义相对论建立之初，爱因 在广义相对论建立之初， 斯坦提出了三项实验检验， 斯坦提出了三项实验检验，一是水 星近日点的进动， 星近日点的进动，二是光线在引力 场中的弯曲， 场中的弯曲，三是光谱线的引力红 其中只有水星近日点进动 近日点进动是已 移。其中只有水星近日点进动是已 经确认的事实， 经确认的事实，其余两项只是后来 才陆续得到证实。 年代以后 年代以后， 才陆续得到证实。60年代以后， 又有人提出观测雷达回波延迟、 又有人提出观测雷达回波延迟、引 力波等方案。 力波等方案。
[爱因斯坦广义相对论]广义相对论
![[爱因斯坦广义相对论]广义相对论](https://img.taocdn.com/s3/m/b5056c6b24c52cc58bd63186bceb19e8b8f6ec2a.png)
[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。
广义相对论简介优秀PPT
广义相对论简介
（general relativity）
广义相对论：研究空间、时间和引力的理论 狭义相对论：广义相对论在无引力存在时的特例
狭义相对论的缺陷： 承认惯性系的特殊地位。 不能建立令人满意的引力理论。
爱因斯坦的思考 1、非惯性系与惯性系 2、时空与物质
平权? 有关?
广义相对论 超越了 牛顿的引力论
F真
ma
ma0
ma
a
物体对惯性系
的加速度
因此在非惯性系中定义虚拟力：惯性力 f惯 ma非惯性系对惯性系
则非惯性系中的牛顿定律形式为： F相 互 作 用 力 f惯 性 力 ma物 体 对 非 惯 性 系
注意：上式表面上是非惯性系的，实质上是惯性
系的变形而已
F相互作用力 ma物体对非惯性系 f惯性力
0
引力 红移效应
红移z定义
z
0
0 0
1
2GM c2R
1
GM 1 c 2r
(1
1 2
2GM c2R
)
1
GM c2R
引力红移 gravitational redshift
若太阳发光 GM S 2.12 106
1
c2 RS
结论 引力时缓尺缩效应及引力红移
远离引力中心的地方观察引力场中发生在不 同地点的同一物理过程，引力场越强的地方，观 测时间越慢，空间距离越短，即引力的时缓尺缩 效应越显著。
广义相对性原理 :一切参考系（惯性系与非 惯性系）都是平权的,物理学定律在所有的参 考系中都具有相同的数学形式.
小结 广义相对论基本原理
1)等效原理 2)相对性原理
时空性质由物质及其运动所决定
? 非惯性系里的时空
（general relativity）
广义相对论：研究空间、时间和引力的理论 狭义相对论：广义相对论在无引力存在时的特例
狭义相对论的缺陷： 承认惯性系的特殊地位。 不能建立令人满意的引力理论。
爱因斯坦的思考 1、非惯性系与惯性系 2、时空与物质
平权? 有关?
广义相对论 超越了 牛顿的引力论
F真
ma
ma0
ma
a
物体对惯性系
的加速度
因此在非惯性系中定义虚拟力：惯性力 f惯 ma非惯性系对惯性系
则非惯性系中的牛顿定律形式为： F相 互 作 用 力 f惯 性 力 ma物 体 对 非 惯 性 系
注意：上式表面上是非惯性系的，实质上是惯性
系的变形而已
F相互作用力 ma物体对非惯性系 f惯性力
0
引力 红移效应
红移z定义
z
0
0 0
1
2GM c2R
1
GM 1 c 2r
(1
1 2
2GM c2R
)
1
GM c2R
引力红移 gravitational redshift
若太阳发光 GM S 2.12 106
1
c2 RS
结论 引力时缓尺缩效应及引力红移
远离引力中心的地方观察引力场中发生在不 同地点的同一物理过程，引力场越强的地方，观 测时间越慢，空间距离越短，即引力的时缓尺缩 效应越显著。
广义相对性原理 :一切参考系（惯性系与非 惯性系）都是平权的,物理学定律在所有的参 考系中都具有相同的数学形式.
小结 广义相对论基本原理
1)等效原理 2)相对性原理
时空性质由物质及其运动所决定
? 非惯性系里的时空
2019高中物理第十五章第3、4节狭义相对论的其他结论广义相对论简介课件新人教版选修3_4
Ek＝m0c2－m1－0c212＋vc122m0c2vc 2≈12m0v2。
(3)物体的总能量 E 为动能与静质能之和，即 E＝Ek＋
E0＝mc2(m 为动质量)。
(4)由质能关系式可知 ΔE＝Δmc2。
[典型例题] 例 1.一个原来静止的电子，经过 100 V 的电压加速后它的动能是多少？质量改变了 百分之几？速度是多少？此时还能否使用经 典的动能公式？(m0＝9.1×10－31 kg)
质子的静质能为 E0＝m0c2， 质子的动能为 Ek＝E－E0 ＝2.29m0c2－m0c2 ＝1.29m0c2， 两个质子的动能总和为 2Ek＝2.58m0c2。 答案：2.58m0c2
2×1.6×10－17 9.1×10－31
m/s≈5.9×106 m/s
2Ek m0
＝
上述计算表明，加速后的电子的速度远小于光
速，属于低速，可以使用经典的动能公式。
[ 答 案 ] 1.6×10 － 17 J 0.02% 5.9×106 m/s 可以使用经典动能公式
[点评] 相对论的质速关系
由相对论的质速关系 m＝
[解析] 由动能定理得 Ek＝eU＝1.6×10－19×100 J ＝1.6×10－17 J
根据质能方程 ΔE＝Δmc2，得 Δm＝ΔcE2 ＝Ec2k
质量的改变量是原来的
Δm m0
＝
Ek m0c2
×100%
＝
1.6×10－17 9.1×10－31×3×1082
×100%≈0.02%
加速后的速度为 v＝
[解析] 由广义相对论我们知道：物 质的引力使光线弯曲，A、D 正确；在引 力场中时间进程变慢，而且引力越强， 时间进程越慢，因此我们能观察到引力 红移现象，B 正确；由光速不变原理知， C 错误。