广义相对论简介
教学目标
初步了解广义相对论的几个主要观点及主要观测证据 关注宇宙学研究的新进展
教学重点
广义相对性原理和等效原理
教学难点
理解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。
狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和赞叹之中。 而爱因斯坦却在冷静地思考狭义相对论无法解决的两个问题：
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
广义相对论的几个结论
理解引力作用下光线弯曲 了解引力红移现象 了解引力使时间变慢
引力透镜效应
飞船外观察者看到这束光是直线 传播的（水平向右）
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。
理
狭义相对论和广义相对论的比较
对于时空观的认识 狭义相对论
时空性质和物 质的运动有关
惯性系平权 光速恒定
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
所有参考系平权 等效原理
惯性力
继续理解等效原理 学习利用惯性力处理非惯性参考系问题
非惯性系和惯性系
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。
狭义相对论和广义相对论的比较
狭义相对论
爱因 斯坦 相对 性原 理
不同的惯性参考 系中一切物理规 律都是相同的
光 真空中的光速在 速 不同惯性参考系 恒 中都是相等的 定
广义相对论ຫໍສະໝຸດ 任何参考系（包括 非惯性系）中物理 规律都是相同的
广义 相对 性原 理
一个均匀的引力场 等 与一个做匀加速运 效 动的参考系等价 原
引力透镜效应
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
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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。
“－”号表示惯性力的方向与非惯性 系的加速度方向相反。
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。
非惯性系和惯性系
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。
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，这是对相对论的最早证实
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2、等效原理： 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价
广义相对论的基本原理
2、等效原理： 在封闭的宇宙飞船内，一小球以某一加速度落向舱底。
飞船内部的任何物理过程都不 能告诉我们，飞船到底是在加 速运动，还是停泊在一个行星 的表面。
一个均匀的引力场与一个做匀 这可能是由于飞船处于 也可能飞船正在远离任何 加速运动的参考系等价 某个星球的引力场中； 天体的空间加速飞行。
1、引力问题
2、非惯性系问题
引力的作用以什么速度传递？ 狭义相对论只适用于惯性系
现成的理论都不涉及这个问题。
万有引力定律无法纳入狭义相 对论的理论框架。
为什么惯性系具有这样的地位？ 狭义相对论无法解释
因为上述两个问题，狭义相对论无法解释，爱因斯坦提出了广义 相对论。
爱因斯坦
广义相对论的基本原理
理解等效原理 理解广义相对性原理
如果飞船做匀加速运动，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的光 的径迹是一条抛物线。
引力透镜效应
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。
等效原理
物体的引力能使光线弯曲 引力场越强，弯曲越厉害
引力透镜效应
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
广义相对论的基本原理
1、广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。
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 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 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。
广义相对论的基本原理
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。
惯性质量和引力质量
质量的定义
质量是决定物体惯性大 小的唯一因素
物体之间的万有引力与物 体的质量有关
运动状态难改变
由惯性定义的质量称为 惯性质量
由引力定义的质量称为 引力质量
惯性质量和引力质量
位于地面且静止 此时的质量为惯性质量
无
法
观
黑洞
测
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引力透镜效应
地球表面有引力，为什么说在地球表面均匀介质中光沿直线 传播？ 地球表面的引力场很弱，对光的传播方向影响很小，所以认 为光沿直线传播。
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引力和惯性力都可 以使物体加速下落
加速飞行 此时的质量为引力质量
惯性质量和引力质量
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
惯性质量是物体被当做质点 时，其惯性大小的量度
“m”应该叫做惯性质量
“－”号表示惯性力的方向与 非惯性系的加速度方向相反
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。
牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系。
非惯性系和惯性系
光滑表面 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
非惯性系和惯性系
加速运动的列车是 个非惯性参考系。
光滑表面 为了让牛顿定律在非惯性系 中能够成立，引入惯性力。
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