时空平权的绝对性与相对性

7、牛顿的时空观在经典力学中,空间与时间的本性被认为就是与任何物体及运动无关的,存在着绝对空间与绝对时间。

Newton在《自然哲学的数学原理》中说:“绝对空间,就其本性来说,与任何外在的情况无关。

始终保持着相似与不变”“绝对的、纯粹的数学的时间,就其本性来说均匀地流逝,而与任何外在的情况无关”。

Newton还指出:“相对空间就是绝对空间的可动部分或者量度。

我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它,并且通常把它当作不动的空间瞧待。

如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都就是这样来确定的”;“相对的、表观的与通常的时间,就是期间的一种可感觉的、外部的,或者就是精确的,或者就是变化着的量度。

人们通常就用这种量度,如小时、日、月、年,代表真正的时间。

”这就就是Newton 的相对时空观。

Newton的绝对时空概念,只就是Newton对时空的一种数学抽象,这从“绝对的、真正的与数学的时间自身在流逝着,”可以十分明显地瞧出。

其中‘数学’二字表明Ne wton怕别人误解而特意指明绝对时间就是一种数学的抽象。

Newton的相对时空概念,就是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分。

牛顿认为:“相对空间就是绝对空间的可移动部分或量度,我们的感官通过绝对空间对其她物体的位置而确定了它,并且通常把它当作不动的空间瞧待。

如相对于地球而言的地下,大气,或天体等空间就都就是这样来确定的。

”可见,牛顿的相对空间概念与我们今天的相对空间概念,没有什么不同。

牛顿清醒地认识到,我们周围的空间都就是相对空间。

牛顿还深刻地认识到,相对空间就是表观的,在表观的相对空间的背后或内部,隐藏着真正的空间,这就就是绝对空间。

从Newton力学的基本定律与概念出发,就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。

物体的位置移动,就要求空间“空”;物体的静止,就要求空间保持相对的“不动”;物体的匀速运动,就要求空间“平直”、“均匀”;而且还要求时间相对的均匀,没有太明显的快慢节奏。

时空相对性与时空绝对性
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胡良绝对时间，时间量度与参考系无关；绝对空间，长度量度与参考系无关。

意味着，相同两点之间距离或相同前后两个事件之间的时间，无论在什么惯性系中，其测量结果都是相同的。

时空相对性，将物体置于宇宙中，表达时间，空间及物质之间的整体联系；相对空间体现了在绝对空间中的运动。

时空相对性及时空绝对性二象性，与，波动性与粒子性二象性，其内涵是相同的。

换句话说，时空相对性及时空绝对性二象性，等价于，波粒二象性。

牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一殷业上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234yinye@摘要：时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。

从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但这些答案还不是最终答案。

本文分析了历史上存在的各种时空观，从笛卡尔的“物质空间”思想出发重新审视了时间和空间的关系，通过分析说明：不同的“物质空间”中时间是不同的，从而获得了对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一认识。

关键词：虚空；物质空间；绝对时间；相对时间；相对论；牛顿力学中图分类号：O412 文献标识码：A0. 引言时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。

从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2]，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案还不是最终答案。

以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的“物质空间”思想[3,4,14]为基础的时空观中，时间和空间可分成两种，一种是“虚空”中的时间和空间，对应“牛顿的绝对时间和空间”，另一种是“物质空间”中的时间和空间，对应“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间是空间无关的，后一种时间是空间相关的，所以在“物质空间时空观”中牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观可以得到了统一，下面我们对这两种不同的时间和空间的有关问题进行讨论。

1. 虚空和物质空间牛顿在“原理”[1]中阐述的绝对空间是：“绝对空间就其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动”。

牛顿的绝对空间有如下几层含义，（1）绝对空间是真实感知空间的抽象；我们可以设想一个玻璃围成的正方体，假设这个玻璃正方体相对绝对空间静止，将玻璃正方体中的所有物质抽去（包括引力场），并让玻璃壁变得无限薄，并最终消失，这样得到的玻璃正方体围成的空间，就是绝对空间。

第一节 狭义相对论的基本原理第二节 时空相对性的科学探究思想和逻辑推理方法．一、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的． 二、狭义相对论的两个基本假设： 1．狭义相对性原理在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的； 2．光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．三、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 “同时”是相对的．在一个参考系中看来“同时”的，在另一个参考系中却可能“不同时”的．2．长度的相对性一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小．即l ′＝l 01－(v c)2式中l 是沿杆运动方向的长度，l 0是杆静止时的长度．3．时间间隔的相对性 从地面上观察，高速运动的飞船上时间进程变慢，飞船上的人则感觉地面上的时间进程变慢．Δt ′＝Δt1－(v c)2式中Δt ′是运动的参考系中测得的两事件的时间间隔，Δt 是静止的参考系中测得的两事件的时间间隔．四、相对论的时空观 1．经典物理学的时空观经典物理学认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的．2．相对论的时空观相对论认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关，因而时间与空间并不是相互独立的．预习交流学生讨论：什么是惯性系？什么是非惯性系？答案：牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系，例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋、树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速的车厢就是非惯性系．相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．一、对狭义相对论的两个基本假设的理解1．如何理解经典相对性原理？答案：（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．（2）这里的力学规律是指“经典力学规律”．（3）本原理可以有不同表示，比如：在一个惯性系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是平权的．2．对光速不变原理如何理解？答案：我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度也不同，这是经典力学中速度的概念，但是1887年迈克耳孙—莫雷实验中证明的结论是：不论取怎样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关，光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的，它没有任何前提条件，所以这个速度不是指相对某个参考系的速度．3．学生讨论：试述当经典力学时空观遇到光速不变的实验事实这一困难时，爱因斯坦是如何解决的，它的意义如何．答案：爱因斯坦提出了两条基本假设即爱因斯坦相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．“光速不变原理”：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同．两条基本假设的提出解决了光速不变的困难．同时为狭义相对论的建立奠定了基础，使得人们的时空观发生了重大的变革，使得看似毫无联系的时间与空间紧密地联系在了一起．分析下列几种说法：（1）所有惯性系统对物理基本规律都是等价的．（2）在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．（3）在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同．关于上述说法（）．A．只有（1）（2）是正确的B．只有（1）（3）是正确的C．只有（2）（3）是正确的D．三种说法都是正确的答案：D解析：狭义相对论认为：物体所具有的一些物理量可以因所选参考系的不同而不同，但它们在不同的参考系中所遵从的物理规律却是相同的，即（1）（2）都是正确的．“光速不变原理”认为：在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都是相同的．（3）正确．对两个基本原理的正确理解：1．自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律．2．强调真空中的光速不变，指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向．3．几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理．二、对“同时”相对性的理解1．怎样理解同时的相对性？答案：同时是指两个事件发生的时刻是相同的，“相同”是观察者得出的结论，不同的观察者观察到的结果是不“相同”的．2．怎样理解时间间隔的相对性？答案：运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟变慢．3．怎样理解经典时空观与相对论时空观的区别？答案：经典力学时空观：绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关；绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变．经典力学时空观的几个具体结论：（1）同时的绝对性：在一个参考系中的观察者在某一时刻观测到两个事件．对另一参考系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者做匀速直线运动的状态无关．（2）时间间隔的绝对性：任何事件所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的运动无关．（3）空间距离的绝对性：如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与参考系的选择无关．相对论时空观：空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动的速度有关．4．如图所示：车厢长为L，正以速度v匀速向右运动，车厢底面光滑，两只完全相同的小球，从车厢中点以相同的速率v0相对于车厢分别向前后匀速运动．（1）在车厢内的观察者看来，两球是否同时到达两壁？（2）在地面上的观察者看来，两球是否同时到达两壁？答案：（1）在车厢内的观察者看来，两球同时到达两壁．（2）在地面上的观察者看来，两球不同时到达两壁．解析：（1）在车上的观察者看来，A球经时间t A＝L 2v0＝L2v0到达后壁，B球经时间t B＝L2v0＝L2v0到达前壁，因此两球同时到达前后壁．（2）在地面上的观察者看来，A球经时间t A′＝L 2v0＋v ＝L2(v0＋v)到达后壁，B球经时间t B′＝L2v0－v＝L2(v0－v)到达前壁，因此两球不同时到达前后壁．如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距离的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：（1）在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？（2）在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？答案：（1）同时收到（2）B先接收到解析：（1）因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播的速度相等，则光到达A、B 两点，所需要的时间相等，即在地面参考系中观测，两接收器同时收到光信号．（2）对于火车参考系来说，光源和A、B两接收器都沿BA方向运动，当光源发出的光向A、B传播时，A和B都沿BA方向运动了一段距离到达A′，B′，如图所示，所以光到达A′的距离长，到达B′的距离短，即在火车参考系中观测，B比A先收到光信号．1．经典物理学认为，同时发生的两件事在任何参考系中观察，结果都是同时的．2．相对论观点认为，“同时”是相对的，在一个参考系中看来是“同时”的，在另一个参考系中却可能是“不同时”的．三、长度的相对性如图所示，地面上的人看到杆的M 、N 两端发出的光同时到达他的眼睛，他读出N 、M 的坐标之差为l ，即地面上的观察者测得杆的长度为l 0，若在向右匀速运动的车上的观察者测得的杆长为l ，则l 和l 0是否相等？为什么？答案：不相等，l 0＞l ，因为车上的观察者看到N 端先发光，而M 端后发光，车上的观察者测得的长度l 比地上的观察者测得的长度l 0小，这是因为同时的相对性导致了长度的相对性．严格的数学推导告诉我们l 0和l 之间的关系为l ＝l 01－(vc)2，可见总有l ＜l 0．在一飞船上测得飞船的长度为100 m ，高度为10 m ．当飞船以0.60c 的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？答案：10 m 80 m解析：因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高度10 m ．设飞船原长为l 0，观测到飞船的长度为l ，则根据尺缩效应有l ＝l 01－(v c )2＝100×1－(0.6c c)2m ＝80 m所以观测到飞船的高度和长度分别为10 m 、80 m ．1．在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．2．这种长度的变化是相对的，如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了．3．由l ＝l 01－(v c)2知v 越小长度的变化越小．四、时间间隔的相对性一列高速火车上发生两个事件：假定车厢上安装着一个墨水罐，它每隔一定时间滴出一滴墨水．墨水在t 1、t 2两个时刻在地上形成P 、Q 两个墨点，设车上的观察者测得两事件间隔为Δt ，地面上的观察者测得两事件间隔为Δt ′，车厢匀速前进的速度为v ，试比较Δt ′和Δt 的大小．答案：Δt ＞Δt ′解析：车上观察者认为两个事件的时间间隔：Δt ＝t 2－t 1地面观察者认为两个事件的时间间隔：Δt ′＝t 2′－t 1′ 根据公式l ＝l 01－(v c)2，通过一定的数学推导可以得出：Δt ′＝Δt1－(v c)2，即Δt ＞Δt ′一对孪生兄弟，出生后甲乘高速飞船去旅行，测量出自己飞行30年回到地面上，乙在地面上生活，问甲回来时30岁，乙这时是多少岁？（已知飞船速度v ＝32c ）答案：60岁解析：飞船中的甲经时间Δt ′＝30年，地面上的乙经过的时间为Δt ＝Δt ′1－(v c)2＝301－(32c c)2年＝60年，可见乙这时60岁了． 1．由“同时”的相对性引起了长度的相对性．从而引起了时间的相对性．2．由Δt ′＝Δt1－(v c)2知，v 越大，Δt ′越短．1．某地发生洪涝灾害，灾情紧急，特派一飞机前往，飞机在某高度做匀速直线运动，投放一包救急品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落到灾民救济处，根据经典时空观，则下列说法正确的是（ ）．A ．飞机为非惯性参考系B ．飞机为惯性参考系C ．灾民为非惯性参考系D ．灾民为惯性参考系 答案：BD解析：物品投放后，仅受重力作用，飞行员是初速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动定律，故飞机为惯性参考系，B 对；而地面上的人员看物品做初速度不为零的抛体运动，也符合牛顿运动定律，D 也对．2．如图所示，强强乘速度为0.9c （c 为真空中的光速）的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为（ ）．A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．1.0c答案：D解析：根据爱因斯坦的狭义相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c ．故选项D 正确．3．麦克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论（ ）． A ．以太不存在B ．光速的合成满足经典力学法则C ．光速不变D ．光速是相对的，与参考系的选取有关答案：AC解析：麦克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太是不存在的． 4．假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是（ ）．A ．这个人是一个矮胖子B ．这个人是一个瘦高个子C ．这个人矮但不胖D ．这个人瘦但不高 答案：D解析：取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D ．5．以8 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了多少时间？答案：（1＋3.6×10－10）min解析：卫星上观测到的时间为Δt ′＝1 min ，卫星运动的速度v ＝8×103m/s ，所以地面上观测到的时间为Δt ＝Δt ′1－v 2c 2＝11－(8×1033×108)2min＝（1＋3.6×10－10）min ．。

从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观自古以来，人们对时间和空间的研究活动从未停止过。

人类对时空的认识，随着自然科学的发展，是不断变化的。

人类的时空观念的演变，大体上经历了三个时期：几何学时代、动力学时代及相对论时代。

1905年，爱因斯坦总结了前人的成就，分析了经典物理学的困难，以彻底创新的精神革新了旧有观念，他发表了题为《论动体的电动力学》一文，正式宣告了狭义相对论的诞生。

相对论的建立使人们对物质、运动、时间、空间的观念发生了革命性的变化，由于这些基本概念的简历和思想的变革，又进一步导致了人类自然观和哲学思想的变化，并且为人类文明开辟了新的前景。

在本文中，我们对牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观进行比较、评论。

一、时空观的比较1.牛顿的绝对时空观牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，对时间和空间给出了如下定义：“1.绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为‘延续性’；相对的、表现的和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的（无论是精确的或是不相等的）通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间。

2.绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。

相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。

”也就是说，时间在宇宙中均匀流逝着，而空间好像一个容器，两者之间没有联系，也不与物质运动发生关系。

牛顿的绝对时空观在18世纪和19世纪居于统治地位，它的权威被打破已经是20世纪的事情了。

2.爱因斯坦的相对时空观（1）狭义相对论的时空观爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。

一是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关：二是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。

在这两个基本假设中，爱因斯坦抛弃了经典物理学中的“以太”和绝对的时空观。

从这两个基本假设出发，爱因斯坦又推出以下主要结论：(1)长度收缩，即运动物体在运动方向上长度缩短；(2)时钟变慢，即运动着的时钟要变慢；(3)光速极限，即任何物体的运动速度都不可能超过光速；(4)同时性是相对的，即在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个惯性系中测量便不是同时发生的；(5)如果物质运动速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，因此相对论比牛顿力学具有更普遍的意义。

19.9.4要求无特殊参考系的“相对性原理”与“相对时空”矛盾但以理(中国)物理研究院叶建敏温州（DANIEL ABRAHAM）325000“绝对时空”与“相对时空”有各自的“相对性原理”（论文导读）“相对性原理”看似符合物理实际，这与物理历史上的几次错误有关。

“相对性原理”不是“相对论”，但“相对论”的名称由来就是因为它含有“相对性原理”。

1）我们知道“绝对时空”里有“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”，“相对时空”里同样有“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”，所以2个时空里都有各自的“相对性原理”；而爱因斯坦所说的“相对性原理”到底是“绝对时空”、还是“相对时空”里的“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”，这就要看“绝对时空”与“相对时空”里的“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”中的“规律的相同形式”是什么，即满足什么变换。

基于“伽利略相对性原理”的“伽利略变换”在“绝对时空”里自洽，“绝对时空”里“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”要满足“伽利略变换”，所以“伽利略相对性原理”就是“绝对时空”里的“相对性原理”，“伽利略变换”是其等价数学式。

那仅仅是把适用于“绝对时空”里（经典力学）的“伽利略相对性原理”人为扩大使用范围后，就说成是“相对时空”里的“狭义相对性原理”，错误就来了；更何况说“相对时空”里“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”是满足无特殊参考系的“爱因斯坦变换”，即无特殊参考系的“爱因斯坦变换”是“相对时空”里的“相对性原理”。

那错误就更大了，爱因斯坦都不想想1个时空里有“狭义相对性原理”与“爱因斯坦变换”这2个“物理规律在所有惯性系里都有相同的形式”能对吗？他连“爱因斯坦变换”是“闵时空”里的“物理规律在所有惯性系里都有相同的形式”都没有认识到，还一个劲地说“狭义相对性原理”是“闵时空”里的“运动规律在所有惯性系里都有相同的形式”。

所以，爱因斯坦的这个逻辑及数理错误使我们不得不重新思考他所说的那个“相对性原理”与“绝对时空”里的“物理规律在所有参考系里都有相同的形式”有什么关系。

空间和时间的绝对性和相对性
空间和时间既具有绝对性，又具有相对性，是绝对性和相对性的辩证统空间和时间的绝对性是指空间和时间的客观实在性。

空间和时间是运动着的物质存在的基本形式，在空间和时间之外不可能有任何物质的存在。

既然运动着的物质是不依赖于人的意识而客观存在着，是永恒的，无条件的，绝对的，那么，空间和时间也必然具有客观实在性，是永恒的，无条件的，绝对的。

空间和时间的相对性是指空间和时间的具体性、可变性。

空间的广延性是指运动着的物质的广延性，时间的顺序性、持续性是指运动着的物质的顺序性，持续性。

因此，空间和时间随着物质特性和运动状况的不同而不同，随着物质运动状况的变化而变化。

辩证唯物主义关于空间和时间是绝对性和相对性的辩证统一的原理已为科学的发展所证实。

爱因斯坦的相对论不仅证明了空间和时间的客观实在性，而且深刻揭示了空间和时间同物质运动的内在联系，揭示了物质运动的特性制约着空间和时间的特性。

辩证唯物主义关于空间
和时间相统一的原理，不仅驳斥了唯心主义时空观，而且也是对形而上学唯物主义时空观的有力批判。

唯心主义者利用人们时空观念改变的事实，宣称空间和时间只不过是人们意识的产物，时空的客观性已不复存在，唯物主义已被推翻。

形而上学唯物主义时空观虽然承认时空的客观性，但否认时空的可变性。

这两种时空观都是违背科学事实的。

总体的相对性从原则上说理应允许其局部的绝对性，否则这相对性就是虚妄的，是以相对性窃取绝对对性的地位。

相对论简介【学习目标】1．理解经典的相对性原理．2．理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．3．理解狭义相对论的两个基本假设．4．理解同时的相对性．5．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．6．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的7．知道相对论的速度叠加公式．8．知道相对论质量．9．知道爱因斯坦质能方程．10．知道广义相对性原理和等效原理．11．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．【要点梳理】【高清课堂：相对论简介】要点一、相对论的诞生1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．2．伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的．即任何惯性参考系都是平权的．这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑，麦克尔逊—莫雷实验和观测表明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．3．麦克尔逊—莫雷实验（1）实验装置，如图所示．（2）实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．（3）实验原理：如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于1M 和2M 不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向1M 和2M 的光速不相同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M 的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动．因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理的提出提供有力的实验证据．（4）实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的．4．狭义相对论的两个基本假设（1）狭义相对性原理．在不同的惯性参考系中，一切物理定律总是相同的．（2）光速不变原理．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．【高清课堂：相对论简介】要点二、时间和空间的相对性1．“同时”是相对的A B 、两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．汽车以较快的速度匀速行驶，车厢中央的光源发出的闪光，对车上的观察者，这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的．对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁．这两个事件是不同时发生的．2．长度的相对性（尺缩效应）长度的测量方法：同时测出杆的两端M N 、的位置坐标．坐标之差就是测出的杆长．如果与杆相对静止的人认为杆长为0l ．与杆相对运动的人认为杆长为l ．则 201v l l c ⎛⎫=- ⎪⎝⎭． 一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．3．时间间隔的相对性（钟慢效应）某两个事件在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔不一样．在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为τ∆，与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为t ∆． 21t v c ∆=⎛⎫- ⎪⎝⎭．4．相对论的时空观相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关．经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间没有什么联系．虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为相对论在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用．【高清课堂：相对论简介】要点三、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v ，车上的人以速度u ＇沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度2''1u v u u v c+=+． 理解这个公式时请注意：（1）如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则u ＇取负值．（2）如果v c ，'u c ，这时2'u v c 可忽略不计，这时相对论的速度合成公式可近似变为u u v =+＇（3）如果u ＇与v 的方向相垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用．2．相对论质量相对论中质量和速度的关系为m =．理解这个公式时请注意：（1）式中0m 是物体静止时的质量（也称为静质量），m 是物体以速度v 运动时的质量．这个关系式称为相对论质速关系，它表明物体的质量会随速度的增大而增大．（2）v c 时，近似地0m m =．（3）微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于光子质量．例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动的周期变大后，它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．3．质能方程爱因斯坦质能关系式：2E mc =．理解这个公式请注意：（1）质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．（2）静止物体的能量为200E m c =，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有静质能．（3）对于一个以速率v 运动的物体，其动能222001)k E m c mc m c =-=-．（4）物体的总能量E 为动能与静质能之和，即20k E E E mc =+=（m 为动质量）．（5）由质能关系式可知2E mc ∆=∆．（6）能量与动量的关系式E ∆= 【高清课堂：相对论简介】要点四、广义相对论、宇宙学简介1．狭义相对论无法解决的问题（1）万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．（2）惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．2．广义相对论的基本原理（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．（2）等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．3．广义相对论的几个结论（1）光线在引力场中偏转：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．（2）引力红移：按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．例如，在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象．光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“引力红移”．（3）水星近日点的进动：天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点（或远日点）有进动（行星绕太阳一周后，椭圆轨道的长轴也随之有一点转动，叫做“进动”），这个效应以离太阳最近的水星最为显著．广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实．还有其他一些事实也支持广义相对论．目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用．（4）时间间隔与引力场有关，引力场的存在使得空间不同位置时间进程出现差别．（5）杆的长度与引力场有关．空间不是均匀的，引力越大的地方，长度越小．4．大爆炸宇宙学宇宙起源于一个奇点，在该奇点，温度为无穷大，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200亿年形成我们今天的宇宙．宇宙还处于膨胀阶段，未来将会怎样演化，目前还不能完全确定．要点五、本章知识结构要点六、专题总结1．时空的相对性（1）“同时”的相对性：在经典的物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的．（2）“长度”的相对性：①如果与杆相对静止的人认为杆长是0l ，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为：l l = ②一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．（3）“时间间隔”的相对性：运动的人认为两个事件时间间隔为τ∆，地面观察者测得的时间间隔为t ∆，则两者之间关系为：t ∆=．2．质速关系与质能关系（1）质速关系物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量0m 之间的关系：m =（2）质能关系①相对于一个惯性参考系以速度v 运动的物体其具有的相对论能量2E mc ===．其中200E m c =为物体相对于参考系静止时的能量．②物体的能量变化E ∆与质量变化m ∆的对应关系：2E mc ∆∆=．【典型例题】类型一、相对论的诞生例1如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为 5 kg m =的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的 5 N F =的拉力作用，求经过10 s 时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？【思路点拨】力学规律在任何惯性系中都是相同的．【答案】见解析【解析】对车上的观察者：物体的初速00v =，加速度21m/s F a m==， 经过10 s 时速度110 m/s v at ==．对地上的观察者解法一：物体初速度020 m/s v =，加速度相同21m/s F a m==． 经过10 s 时速度2030 m/s v v at =+=．解法二：根据速度合成法则()210 1020 m/s 30 m/s v v v =+=+=．【总结升华】在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10 m/s ，另一个30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则．也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的．例2 考虑几个问题：（1）如图所示，参考系O ＇相对于参考系O 静止时，人看到的光速应是多少？（2）参考系O ＇相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？（3）参考系O 相对于参考系O ＇以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？【答案】三种情况都是c ．【解析】根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c ，第二种情况应是c v +，第三种情况应是c v -，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c ．【总结升华】麦克耳孙——莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用．类型二、时间和空间的相对性例3（2014 长沙模拟)(1)某火箭在地面上的长度为L 0，发射后它在地面附近高速(约0.3c )飞过，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是________。

绝对时空观与相对时空观的辩证关系作者：鞠昕彤来源：《科教导刊》2010年第32期摘要在古代,人们认为空间就是指具体地点,如山川海洋等;时间就是指具体时段,如白天夜晚等。

这种原始的时空观体现了时空与物质是紧密联系的,时空依存于物质的具体形态而存在,这是一种具体的时空观。

在近代,时空观则经历了牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观。

本文认为爱因斯坦的时空观并不是对牛顿时空观的全盘否定,而是对它的完善和发展。

牛顿表明了宏观时空的绝对性及其自身固有的内在特性,爱因斯坦则揭示了具体时空的相对性及其与物质联系的外在属性。

中图分类号:B01文献标识码:A哲学界普遍把牛顿的时空观称之为形而上学的绝对时空观,并予以批判和贬斥。

他的时空观是当时人们认识的最高成就,是人类实践经验的总结。

爱因斯坦的相对论时空观则被誉为是对牛顿时空观的否定与取代。

我认为这是不完整、不科学的,对牛顿和爱因斯坦的时空观应有新的关系分析。

牛顿绝对时空观建立在他的经典力学体系之上,体现了时空具有绝对性;爱因斯坦相对时空观建立在他的相对论理论体系之上,体现了时空具有相对性。

马克思主义认为,绝对性是无条件的,相对性是有条件的。

绝对中体现相对,相对中蕴含绝对。

绝对性与相对性应是辩证的对立统一关系。

1 牛顿绝对时空观与爱因斯坦相对时空观的对立性第一,在与物质的紧密联系方面,两种时空观是对立的。

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。

牛顿认为, 绝对空间是“上帝的感官”或者是上帝自身:“上帝是无时不在和无所不在的。

正因为他无时不在和无所不在,他就成了时间和空间。

”①他把时空的绝对性“片面地、夸大地、过分地扩大为脱离了物质、脱离了自然、神化了的绝对。

”他的“理念的、真正的、数学的、消除了偏见之后的”绝对时空,只能寄托于上帝或上帝的感官,它是同经验世界根本隔绝的先验世界。

在爱因斯坦相对时空观中,爱因斯坦则抛弃了那种与物质脱离了联系的抽象时空,而把时空与物质和运动都密切联系在了一起,把时间和空间自身也密切联系起来了。