选修3-4《第五章 相对论 第04节 广义相对论》优秀ppt课件

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（2）．但是，在飞船的宇航员看来，地球上发生的过程比飞船上发生的过程同样延缓（因为相对于宇航员，地球向相反方向高速运动），因此，他回到地球上后似乎应该看到：尽管他自己的年龄已大了一岁，而他的儿子还是一岁零几天的婴儿呢！

问题：这里出现了两个不同的答案，到底哪个答案对呢？

解析：根据狭义相对论，飞船里的宇航员观察到地球上的过程时间延长的现象，只在飞船做匀速直线运动时才是正确的。事实上，飞船离开地球后，开始时加速，然后在一段时间内做匀速直线运动，在返转航向的这段时间内，飞船先是减速，然后反向加速，又再做匀速直线运动，因而不是惯性系。这时宇航员观察到的现象就不属于狭义相对论的范围，时间延长效应公式就不再适用了。而地球是一个惯性系，狭义相对论对地面参考系是适用的。在这个例子里，飞船参考系和地面参考系是不能以同等地位看待的。因此，上述两个答案中，只有第一个答案是对的。即宇航员归来后，会比他的儿子年轻。

2、材料：在狭义相对论建立两年后，1907年，爱因斯坦在《我是如何创立相对论》的演说中说道：“我对狭义相对论感到不满足，因为它限制在彼此匀速直线运动的参照系，不能用于一般运动的参照系。我极力想去掉这个限制，希望能系统地阐述一般情况下的问题……。”爱因斯坦几乎是一个人经过长达8年的研究，将相对性原理从惯性系推广到非惯性系，于1915年建立了广义相对论。

问题：1、狭义相对论有哪些无法解决的问题？

2、爱因斯坦如何解决这些问题？

1、狭义相对论有哪些无法解决的问题？

狭义相对论有两个无法解决的问题，第一个是引力传递能不花时间与任何速度不能超过光速相矛盾；第二个是狭义相对论不适用于非惯性系，但事实上存在很多非惯性系。

2、爱因斯坦如何解决这些问题？

爱因斯坦提出了两个基本假设：

1．等效原理。通过“思想实验”思考将均匀引力场等效为做匀加速运动的参考系。

2．广义相对性原理。将相对性原理从惯性系推广到非惯性系，认为所有参考系都是平等的。

问题：请根据生活事例或理想假设来进行类似的“思想实验”，以加深对等效原理和广义相对性原理的理解。

基于上述两个假设，爱因斯坦发现并提出了广义相对论。并且很快得到了科学界的承认。原因是什么呢？

科学强调和尊重经验事实对理论的检验，实验验证是物理学的生命线。所以，当根据广义相对论推出的三个主要结论得到验证后，爱因斯坦相对论理论为人类从宏观低速世界进入微观高速世界奠定了科学基础，准备了先进的理论分析工具，人类从此跨进了“爱因斯坦时空”。

广义相对论的三个已经得到证实的主要结论是什么？

广义相对论的三个主要结论

1．光线在引力场中偏转

2．引力红移

3．水星近日点的进动

1、假设宇宙飞船是全封闭的，宇航员和外界没有任何联系，宇航员如何判断使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力？

结论：宇航员没有办法进行判断，因为引力场与一个做匀加速运动的参考系是等效的。

2、如何理解光线在引力场中偏转？

假设在引力可以忽略的宇宙空间中有一艘飞船做匀加速直线运动，一束光垂直于飞船运动方向射入飞船。船外静止的观察者会看到这束光是沿直线传播的，但飞船中的观察者以飞船为参考系时却会看到光是弯曲的。假如他在飞船中等距地放置一些半透明的屏，光可以透过这些屏，同时在屏上留下光点，以记录光的径迹。由于飞船在前进，光到达下一屏的位置总会比到达上一屏的位置更靠近船尾。如果飞船做匀速直线运动，光在任何相邻两屏之间飞行时，飞船前进的距离都相等，飞船上的观察者看到的光的径迹仍是一条直线，尽管直线的方向与船外静止观察者看到的直线方向不一样。如果飞船做匀加速直线运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下来的径迹会是一条抛物线。

根据等效原理，飞船中的观察者也可以认为飞船没有加速运动，而是在船尾方向存在一强引力物体，它的引力影响了飞船内的物理进程。因此得出结论：引力能使光线弯曲。