经典时空观与相对论时空观(2019年11月整理)
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经典时空和相对论时空观
经典时空观认为时间和空间是独立的绝对存在,不受物质和能量的影响,是永恒不变的。
相对论时空观则认为时间和空间是相互联系的,是随着物质和能量的存在而弯曲和变化的。
在经典时空观中,时间是一个不可逆的流,空间是一个无限延伸的三维空间。
相对论时空观则将时间和空间合为一个四维时空,其中时间和空间是相对的,取决于观察者的运动状态,即存在时间和空间的相对性。
相对论时空观还引入了引力波和黑洞等概念,解释了宇宙中一些奇特的现象。
例如,引力波是由两个大质量物体运动而产生的能量波动,可以被探测器观测到。
黑洞则是由质量极大的天体引力强大到无法逃逸的区域,其存在和性质也与相对论时空观密切相关。
总的来说,相对论时空观是一种更加全面和深入的时空观,已经成为现代物理学的基础之一。
它深刻地影响和改变了我们对自然界的认识,为我们理解宇宙的奥秘提供了更多的线索。
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比较相对论时空观和牛顿经典时空观,浅谈科学发展中的肯定与否定“天地万物之逆旅,光阴者百代之过客”,人类生存于天地之间,漫步于时间长河,对于时间与空间的思考萦绕于一代又一代人的心头。
随着人类文明的发展,人们对时空观的认识也在不断变化,在这其中相对论时空观和牛顿经典时空观是公认的科学史上有很大影响力的时空观,下面我就对这二者进行比较,谈一谈人类科学发展中的“肯定”与“否定”。
首先,从理论基础来看这两个时空观。
这两个时空观是建立在不同的理论基础之上的。
牛顿的经典时空观是以经典力学为基础建立起来的,爱因斯坦提出的相对论时空观是以光速c不变为理论基础。
其次,从内容来看这两个时空观。
由于二者理论基础的不同,这也就决定了这两个时空观内容的截然不同。
这就像种下两个种类不同的种子,那最后长出来的东西肯定是不同的。
这两个时空观对时间和空间与物质的关系看法不同。
牛顿经典时空观是绝对时空观,认为时间和空间与物质及其运动无关,时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的,时间间隔和空间间隔在不同的惯性系中保持不变,即时间空间观念与物质运动状态无关。
而相对论时空观认为有物质才有时间和空间,时间和空间与物体的运动状态有关。
这两个时空观对时间与空间的关系看法也不同。
牛顿经典时空观认为时间和空间彼此无关,独立各自。
而相对论时空观则恰恰相反,它认为两个时间在不同的惯性系看来,它们的空间关系是相对的,时间关系也会是相对的,时间和空间不是互相独立的而是彼此不可分解的整体,只有空间和时间联系在一起才有意义,光速c是建立不同惯性系间的时间和空间变换的纽带。
毋庸置疑,事实是唯一的,然而这两个时空观却给出了迥然不同的答案。
我们是不是能够肯定一方而否认另一方呢我认为不能。
虽然相对论时空观得到了大多数人的认可,但我们不能否定牛顿经典时空观。
它为科学的发展做出了重要的贡献。
自十七世纪,牛顿力学不断发展并取得巨大成就,以牛顿力学为基础建立了天体力学和应用力学等等。
相对论一、时间和空间的相对性1.“同时”的相对性(1)经典的时空观:在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察也是相同的。
(2)相对论的时空观:“同时”具有相对性,即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察不一定同时。
2.“长度”的相对性(1)经典的时空观:一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。
(2)相对论的时空观:“长度”也具有相对性,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。
3.时间间隔的相对性(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们的时间间隔总是相同的。
(2)相对论的时间观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不同的。
4.相对论时空观(1)经典时空观:空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空间和时间之间也是没有联系的。
(2)相对论时空观:空间和时间与物质的运动状态有关。
二、狭义相对论1.狭义相对论的基本假设(1)在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
2.时间间隔的相对性。
3.长度的相对性。
4.相对论的速度变换公式21cv u vu u '++'=。
5.相对论质量。
6.质能方程E =mc 2。
三、对狭义相对论的理解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.光速的大小与选取的参考系无关,因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的,无任何前提条件。
3.狭义相对论认为物体的质量m 与物体的速度v 有关,其关系式为。
四、广义相对论1.广义相对论的两个基本原理(1)广义相对性原理:在任何参考系中物理规律都是一样的。
(2)等效原理:一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的惯性系统是等效的。
2.广义相对论的几个结论:(1)光在引力场中传播时,将会发生偏折,而不再是直线传播;(2)引力场使光波发生频移;(3)引力场中时间会延缓,引力越强,时钟走得越慢;(4)有质量的物质存在加速度时,会向外辐射出引力波。
第2节经典时空观与相对论时空观新课教学:一.经典时空观从参考系的概念引入经典时空观,是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发点,使学生领会经典时空观是经典力学的理论基础。
[讨论与交流]在匀速前进的车厢中的自由落体,相对于车厢中静止的观察者做竖直向下初速度为零的匀加速直线运动,相对于地面上静止的观察者做平抛运动。
[讨论与交流](1)我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系,物体不受外力或者所受合外力为零时的惯性运动。
(2)一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说,速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的。
了解牛顿引入绝对时空观的缘由,教学中要注意理清以下思路:经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的,而所有的运动都是在一定的时间、空间中进行的,机械运动是物体的位置移动,位置涉及空间概念,移动涉及速度,涉及时间概念,所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系。
机械运动的描述离不开参考系,然而牛顿定律并不适用于所有的参考系(后人把牛顿定律适用的参考系叫做惯性参考系),但是经典力学的理论框架本身并不能能明确给出什么是惯性参考系,牛顿的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间,用以判断各物体足处于静止、匀速运动还是加速运动状态.参见课程资源——《牛顿对绝对空间的设想》。
对绝对时空观及其三个推论的教学建议采用举例和联想、比喻的方式,使学生结合生活经验了解和领会。
牛顿认为,宇宙本身结构是不会变的,他称这结构为绝对空间.我们打个比方,把“空间”设想成物体做机械运动的舞台和背景,在日常生活中我们有这样的经验:在一个箱子中可以放进一定数量的东西,这是箱子的一种性质,可以叫做箱子的容积,也就是箱子的空间.这个容积大小或空间大小是与箱子里放什么东西(以及放不放东西)没有关系的.在卖箱子的商店里,总是要标出26×26×10等等尺寸,之所以能这样标出,就是以容积是箱子的不受“外在的情况”影响的本性这一点为依据的.进一步,我们设想箱子无限地扩大,这就得到了一个与任何特殊的物质无关的、绝对的空间.它就是牛顿的绝对空间。
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,都服从牛顿力学的规律,这些充分说明了牛顿力学规律的正确性。
在十九世纪末,以牛顿力学为基础的经典物理理论,在解释新实验事实时遇到了困难。
电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后,绝对时空观面临着严峻的局面。
按麦克斯韦方程中存在的常数C[4],表明电磁波在真空中沿个方向均以不变的速度C传播,这与伽利略相对性原理发生了矛盾。
因为根据绝对时空观的经典速度合成定理,在不同惯性系中,光的传播速度不应在各个方向均相等。
似乎只有在某一特殊参考系中麦氏方程才取标准形式,光在各个方向上均以C传播。
人们曾引入“以太”假设[3],认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止,光是以“以太”介质中的波动,相应于“以太”的惯性参考系就是那个特殊的参考系。