经典时空观和相对论时空观

经典时空观与相对论时空观

吴绍轩

海洋资源与环境一班 2220133807

【摘要】比较经典时空观与现代时空观的区别，阐述相对论时空观的主要思想。【关键词】时空观、经典时空观、相对论时空观、爱因斯坦、牛顿

一、 经典时空观

经典力学认为时间和空间都是绝对的,同一个事件不同状态的人测量情况一样.

经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。

经典时空理论承认时间和空间的客观存在，牛顿认为时间和空间与物质及其运动无关。时间的坐标系和空间的坐标系是完全脱离物质而独立存在的，时间间隔与空间间隔在不同的惯性系中保持不变，即时间和空间观念与物质运动状态无关且时间和空间彼此无关，各自独立存在。

自十七世纪以来，牛顿力学不断发展并取得了巨大的成就，以牛顿力学为基础建立了天体力学、应用力学等等，从地面上的各种物体的运动，各种现代化交通工具的、及天体的运动，都服从牛顿

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狭义相对论时空观380841班

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主讲内容一、 同时概 念的相 对性二、 长度缩 短效应

总述： 研究思 路

三、 时间膨胀 效应(动 钟变慢)

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本章的基本内容及研究思路狭义相对论产生的历史背景→狭义相对论的基本 原理→洛伦兹变换式→狭义相对论的主要结论(狭义相对

论的时空观) →广义相对论及主要结论。 狭义相对论的主要结论：同时的相对性、长度的 收缩、时间的延缓(时间膨胀)、动量与速度的关系、质 量与速度的关系、质能关系式和动量与能量的关系。 学习相对论，需要有丰富的想象力(抽象思维能 力和逻辑思维能力)!

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狭义相对论的历史背景

经典的时空观时间是绝对的，空间是绝对的，时间和空间是彼此独立， 没有任何联系。从而同时也是绝对的。

绝对空间是指长度的量度与参照系无关，绝对时间是指时间的 量度与参照系无关。同样两点的距离或同样的前后两个事件之间的时间间隔 无论在哪个惯性系中测量都是一样的，而且时间和空间是彼 此独立、没有任何联系的。

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1865年麦克斯韦(James Clark Maxwell)用以太 的弹性理论建立了一组电磁场方程并由此预言了电磁波的 存在，1888年赫兹(H.

5.2 经典时空观与相对论时空观

(一)教学目标 1．知识与技能

(1)了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系。

(2)了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因。

(3)了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。

(4)知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。 2．过程与方法

(1)通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。 (2)解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。 (3)通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”。

(4)解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性． (5)对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别。

3．情感、态度与价值观

(1)通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神。

(2)通过了解时空观的变革，从中认识物

5.2 经典时空观与相对论时空观

(一)教学目标 1．知识与技能

(1)了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系。

(2)了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因。

(3)了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。

(4)知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。 2．过程与方法

(1)通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。 (2)解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。 (3)通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”。

(4)解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性． (5)对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别。

3．情感、态度与价值观

(1)通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神。

(2)通过了解时空观的变革，从中认识物

4.3 狭义相对论的时空观

4.3.1 同时的相对性

光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。

1 “同时”的定义

设A、B两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A、B的中心点同时收到两光信号，则A、B两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验”

设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A，B两点重合时，站台上的A，B两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A点的闪光早于B点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。

在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性

设在惯性系S中,在

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§5.2 经典时空观与相对论时空观

【学习目标】

知识与技能：

1、了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系．

2、了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因．

3、了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响．

4、知道经典时空观与相对论时空观的主要区别．

过程与方法：

1、通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理．

2、解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾．

3、通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”．

4、解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性．

5、对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别．

情感、态度与价值观：

1、通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神．

2、通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用．

【学习重点】

1

习 题

4-1 一辆高速车以0.8c的速率运动。地上有一系列的同步钟，当经过地面上的一台钟时，驾驶员注意到它的指针在t?0，他即刻把自己的钟拨到t'?0。行驶了一段距离后，他自己的钟指到6 us时，驾驶员看地面上另一台钟。问这个钟的读数是多少？ 【解】?t??t01?u/c22?6?s1?(0.8c/c)2?10(?s)

所以地面上第二个钟的读数为

t?t'??t?10(?s)

4-2 在某惯性参考系S中，两事件发生在同一地点而时间间隔为4 s，另一惯性参考系S′ 以速度u?0.6c相对于S系运动，问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔和空间间隔各是多少？

【解】已知原时?t?4(s)，则测时

?t'??t1?u/c22?4s1?0.6，得：

2?5(s)

由洛伦兹坐标变换x'?x?ut1?u/c?22?x'?x2'?x1'?

x0?ut11?u2/c2x0?ut21?u2/c2?u?t1?u2/c2?9.0?108(m)

4-3 S系中测得两个事件的时空坐标是x1=6×104 m，y1=z1=0，t1=2×10-4 s和x2=12×104 m，y2=z2=0，t2=1×10-4 s。如果S′ 系测得这两个事件同时发

摘 要

时空观是人们对时间和空间的根本看法和观点。人们对时空问题的思考，随实践活动的发展经历了漫长的演变过程。客体时空观把时间看作是与人的活动无关的无限推移，同时割断空间与人类实践的联系，抹杀了人的实践对时空的影响；主体时空观把时空视为人的先天固有的认识形式，丢弃了时空的客观本性。现代科学技术的发展表明，时间和空间与人的实践息息相关。历史唯物主义认为，时间和空间与人的自由紧密相连。从人的实践维度出发，探索时空问题的本性，对于思考人的自由问题具有重要意义。

本文以对时空观的历史考察为主线，旨在说明单纯从主体出发或客体着眼，都不能合理说明时空问题的本性，都会导致时空观与人的自由问题分离。只有从哲学高度上把人的时空存在与自由存在视为一个生命整体，才能达到对主体的关照。自然时空观与哲学时空观的趋向统一，启示我们超越传统哲学的本体论的思维模式，把理论问题还原于实践，通过研究技术时代人的实践方式变革实际带来的时空观念变化，运用马克思的实践时空观对当今人类面临的技术理性困境进行解读，解开其带给人类的精神困惑，为促进个人的自由与全面发展服务。

文章分为三章：

第一章：对传统时空观的历史演变进行梳理，重在展现人类对时空研究的思维方式转变过程，古希腊的时空观念把时空当作

18 - 1 伽利略变换式

牛顿的绝对时空观

第十八章 相对论

一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理 相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答:

对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .

18 - 1 伽利略变换式

牛顿的绝对时空观

第十八章 相对论

伽利略变换

s yyo

s'

y'

当

t t' 0

时

y'

vx'x

*

P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )

o 与 o'重合位置坐标变换公式

vto' z' z'

x' x vt

z z

x' x

z' zt' t

y' y

经典力学认为：1)空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 2)时间的量度也是绝对的，与 参考系无关 .

18 - 1 伽利略变换式

牛顿的绝对时空观

第十八章 相对论

伽利略速度变换公式

u'x ux v u' y u y u'z uz加速度变换公式

y sy

s'

y'

y'

vx'x

*

P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )

a' x a x

a' y a ya' z a z

a a ' F ma ' F

摘 要

时空观是人们对时间和空间的根本看法和观点。人们对时空问题的思考，随实践活动的发展经历了漫长的演变过程。客体时空观把时间看作是与人的活动无关的无限推移，同时割断空间与人类实践的联系，抹杀了人的实践对时空的影响；主体时空观把时空视为人的先天固有的认识形式，丢弃了时空的客观本性。现代科学技术的发展表明，时间和空间与人的实践息息相关。历史唯物主义认为，时间和空间与人的自由紧密相连。从人的实践维度出发，探索时空问题的本性，对于思考人的自由问题具有重要意义。

本文以对时空观的历史考察为主线，旨在说明单纯从主体出发或客体着眼，都不能合理说明时空问题的本性，都会导致时空观与人的自由问题分离。只有从哲学高度上把人的时空存在与自由存在视为一个生命整体，才能达到对主体的关照。自然时空观与哲学时空观的趋向统一，启示我们超越传统哲学的本体论的思维模式，把理论问题还原于实践，通过研究技术时代人的实践方式变革实际带来的时空观念变化，运用马克思的实践时空观对当今人类面临的技术理性困境进行解读，解开其带给人类的精神困惑，为促进个人的自由与全面发展服务。

文章分为三章：

第一章：对传统时空观的历史演变进行梳理，重在展现人类对时空研究的思维方式转变过程，古希腊的时空观念把时空当作