牛顿力学和爱因斯坦相对论的时空观

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。

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。从地面上的各种物体运动到各种现代化交通工具以及天体的运动，都服从牛顿力学规律，这充分说明了牛顿力学规律的正确性。值得指出的是，牛顿的力学为十八世纪的工业革命及其之后的机器生产准备了科学理论。马克思曾经认为，在十八世纪臻于完善的力学是“大工业的真正科学的基础。”毫无疑问，当时这个“科学的基础”的最主要而且也是最重要的部分是牛顿的力学。牛顿的经典力学体系和他的方法论使物理学在十八、十九世纪期间得以迅速发展，并成为那时理论物理学的纲领或规范。迄至今日，人们关于自然过程的物理认识都可以看作是牛顿思想的一种系统的发展。到十九世纪末，牛顿经典力学在解释新实验事实时遇到了困难。相对论的提出成功的解决了这一问题，揭露了时间和空间某种普遍而新颖的联系，引起了人类时空观的变革，为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。这两个时空观各有其各自的价值，没有谁对谁错，我们不能单纯的肯定与否定。这看似不符合逻辑，但在很多时候我们是不能简单的肯定或否定的，这并不矛盾。

第七章 万有引力与宇宙航行

第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性

1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（ ）

A．同时的绝对性与同时的相对性

B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短

C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性

D．相对性原理与光速不变原理

【答案】D

【解析】爱因斯坦提出的狭义相对论两条基本假设是： 相对性原理与光速不变原理，其他内容均建立在这两点的基础之上；故选D。

2．假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其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】由l＝l0221uc可知路旁的人观察列车里的人，在运动方向上变短，好像人变瘦了．但垂直运动方向的长度，即身高不变，故D选项正确。

3．以下说法正确的是

A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子

B．相对论与量子力学否定了经典力学理论

C．在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变

D．经典力学理论具有一定的局限性

【答案】D

【解析】A．经典力学理论适应于宏观物体，不适应微观粒子，选项A错误；

B．相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，故B错误。C．在相对论中，物体的质量随运动状态而改变，在经典力学中，物体的质量与运动状态无关，故C错误。

D．经典力学理论具有一定的局限性，对高速微观粒子不适用，选项D正确。

4．对相对论的基本认识，下列说法正确的是

A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的

B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快

D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了

【答案】A

【解析】A．相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故A正确．

2ttv1()c2vLL1()c2020高一物理集体备课提纲

日期 2020年3月18日星期三 科目 高一物理 主讲人 王启阁

备课内容 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性备课提纲

参加教师 高一物理全体教师

教学目标 1.知道牛顿运动定律的适用范围。(重点）

2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。

3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时间的变化 。

教学重难点 重点是知道牛顿运动定律的适用范围。

难点是相对论的时空观

备课提纲 新课引入：设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球的观察者测量到的激光的速度是多少？

按照牛顿力学的时空观上面问题的答案是1.2c。然而事实并非如此！

一、相对论时空观

1、19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明了电磁波的传播速度等于光速c

2、1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同参考系中，光的传播速度都是一样的。

3、狭义相对论的两个基本假设

①爱因斯坦相对性原理：在不同的参考系中，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参考系中都是相同的。

4、相对论时空观

1）时间的相对性——“钟慢效应”

时间的相对性符合以下规律：

式中Δt′是运动体中的观察者观察到的时间间隔，Δt是地面上的观察者观察到的时间间隔。由于

2v1c（）＜1，所以Δt＞Δt′，即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了，从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的“钟慢效应”。

（2）空间的相对性——“尺缩效应”

空间的相对性符合以下规律：

式中L′是运动体中的观察者测得的长度，L是地面上的观察者测得的长度。由于2v1c（） ＜1，所以L＜ L′，即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。这就是所谓的“尺缩效应”。