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第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性的内容的考点：1、经典力学的局限性；2、经典相对性原理；3、狭义相对论的两个基本假设；4、“同时”的相对性；5、长度的相对性；6、时间间隔的相对性及其验证；7、相对论速度变换公式；8、相对论质量。
知识点1：相对论时空观与牛顿力学的局限性一、牛顿力学时空观绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。
该观点认为时间和空间是相互独立的。
不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v 船岸＝v 船水＋v 水岸。
二、相对论时空观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，并证明电磁波的传播速度等于光速c 。
1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
爱因斯坦两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
相对论的两个效应：时间延缓效应：如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝Δτ1－(v c )2。
Δt 与Δτ的关系总有Δt ＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。
长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝l 01－(v c)2。
l 与l 0的关系总有l ＜l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。
低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。
评析辨证唯物的时空观与牛顿时空观或相对论时空观的关系摘要：哲学是关于自然知识、社会知识和思维知识的概括和总结，它和各门具体科学都有着一般和特殊的联系。
哲学从总体上提示人与世界的关系，研究世界的本质和普遍规律；而各门具体科学只从某一方面、某一领域研究世界的具体规律。
本文通过对辨证唯物的时空观、牛顿时空观和相对论时空观的全面阐述，并将它们进行对比，总结出了它们之间的关系。
关键字：辩证唯物主义狭义相对论相对论时空观牛顿时空观一．辨证唯物时空观辩证唯物主义不仅从哲学基本问题的高度对世界本质做出了科学的规定，而且在坚持物质性的同时，认为物质的固有属性是运动，时间和空间是物质运动的存在形式。
马克思主义的物质观与运动观和时空观是紧密联系在一起的。
物质运动的持续性和顺序性，它表明一事物和另一事物、一运动过程和另一运动过程依次出现的先后顺序，一事物存在和一种运动过程的长短持续。
时间的特征是一维性或不可逆性，因为事物变化作为过程从绝对性的意义上是不可重复的，永远从过去、现在到将来，按照这一个方向前进，通常人们所说的“机不可失，时不再来”，就是指出了时间的一维性。
空间是运动着的物质广延和伸张性，任何事物都具有一定的规模、体积、形态和位置；多个事物之间具有前后、左右和上下之间方位上的并存关系。
空间的特征是三维的，现实存在的任何物体都具有长、宽、高。
设想仅有位置而没有体积的点，只有长度而无宽窄的线和无厚度的面，仅仅是数学的科学抽象，现实世界中并不存在这样的点、线、面。
现代物理学使用的“四维世界”概念，反映着事物存在于一维时间和三维空间之中。
时间和空间是运动着的物质的存在形式，同运动着的物质不能分离。
《马克思恩格斯选集》第3卷中指出“一切存在的基本形式是空间和时间，时间以外的存在和空间以外的存在，同样是非常荒诞的事情。
”这表明运动着的物质不能脱离时间和空间。
同样，时间和空间也不能脱离物质的运动，离开后者，前者就是空洞的抽象，就是纯粹的无。
牛顿的时空观Newton的绝对时空概念，只是Newton对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出.其中‘数学’二字表明Newton怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象.Newton的相对时空概念，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他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待.如相对于地球而言的地下，大气，或天体等空间就都是这样来确定的.”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，我们周围的空间都是相对空间.牛顿还深刻地认识到，相对空间是表观的，在表观的相对空间的背后或内部，隐藏着真正的空间，这就是绝对空间.从Newton力学的基本定律和概念出发，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.反过来，只有相对时间和空间概念才能保证Newton力学规律的有效性和可操作性.在Newton的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以.在Newton力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体.Newton完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.Newton承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事.不过，Newton是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念.他认为，物理的实在必须是能被感知的.那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?Newton 设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动.这就是著名的水桶实验，见前面的文章——运动的绝对性与相对性.绝对空间在哪里？Newton曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方.他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间.从现今的观点来看，Newton的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心.不过，Newton当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来.Einstein认为，Newton引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”.爱因斯坦看到牛顿力学是建立在绝对空间概念基础上的，空间（也含时间）在牛顿力学那里起着双重的作用，“首先，它们起着物理学中所出现的事件的载体或者构架的作用，事件是参照这种载体或构架用空间坐标和时间来描述的.原则上，物质被看作是由‘质点’所组成的，质点的运动构成了物理事件.……空间的第二个作用是作为一种“惯性系”.此惯性系之所以被认为比一切可想象的参照系都优越，就是因为对它们来说，惯性定律必定是成立的.牛顿完全清楚地认识到，在他的体系中，空间和时间正如同质点一样是实在的东西.因为如果人们除了物体之外，不承认空间和时间也是实在的东西，那么惯性定律和加速度概念就完全失去了意义.‘加速’只不过是意味着相对于空间的加速.牛顿物理学的特征在于它不得不认为空间和时间象物质一样，都是独立而实在的存在，这是因为在牛顿运动定律中出现了加速度的观念.但是，在这理论中，加速度只能指‘对于空间的加速度’，为了使人们能把那个出现在运动定律中的加速度，看作一个具有任何意义的量，牛顿的空间因而必须被认为是静止的，或者至少是‘非加速’的.对于时间也差不多一样，时间当然也同样进入加速度概念里.说一定要认为空间本身和它的运动状态都同样具有物理实在性，对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的；但是，如果人们要想给力学以清晰的意义，在当时都没有别的办法.当牛顿说空间是绝对的时候，他无疑是指空间的这种实在的意义，这使他必须把一种完全确定的运动状态加给空间，而这种运动状态看来是不能由力学现象完全确定下来的.”当代的物理教科书在讲Newton力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念.据考证，这想法是德国物理学家朗格（nge）提出的.在Newton力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的.若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立.我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质.用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了Newton力学的困难，但是并没有真正解决问题.这样，在Newton力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它Newton力学定律成立；在非惯性参考系内，Newton三定律不成立.在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的.在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象.在普利高津看来，在近代科学的经典．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．——．．牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数，是反演对称的，把．．-．t．有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． t．换为别．.．用时间的纯粹性很容易解释这一点：在牛顿力学中，物理定律是客观的，时间是纯粹的，纯粹的时间与客观的物理定律不发生直接的关系，既然如此，用-t替换t当然不会改变物理定律的形式.我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进.也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移.这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角.称为恒星的视差.恒星的视差很小，只有零点几个角秒.一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着.这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动.因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关.同一个物体越远看起来就越小.如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系.其实.天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系.同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间.同样地，时间的精度也在不断地提高.第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒.在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下.但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次.相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位.美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平.如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达1014的光学振动相比，原子的10９振动频率差了5个数量级.而伽玛射线的上限频率目前还未发现.我们以后得到的时间精度会更高.20世纪初相对论问世后，对牛顿时空观的批判纷至沓来，人们重新把牛顿的绝对时空观与同时代的莱布尼兹的观点比较（与牛顿同时代的莱布尼兹反对牛顿将时空观视为独立于物质和运动的绝对的东西.他甚至颇有远见的指出：“没有什么空间是没有物质的，以及空间本身不是一种绝对实在.空间和物质的区别就像时间和运动的区别一样.可是，这些东西虽有区别，却是不可分离的.”），激烈的抨击牛顿的时空观，说：“牛顿的时空观是一种典型的形而上学的时空观，……莱布尼兹……对他的批判充满了辩证法的精神.”。
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。
1 第5章狭义相对论习题及答案1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。
在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。
2. 狭义相对论的两个基本原理是什么？答：狭义相对论的两个基本原理是：（1）相对性原理在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。
3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。
解在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。
如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。
4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？（1）两事件发生于S 系的同一地点；（2）两事件发生于S 系的不同地点。
解由洛伦兹变化2()vt t x c g ¢D =D -D 知，第一种情况，0x D =，0t D =，故'S 系中0t ¢D =，即两事件同时发生；第二种情况，0x D ¹，0t D =，故'S 系中0t ¢D ¹，两事件不同时发生。
5-5飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求：（1）地面站测得飞船B 的速率；（2）飞船B 测得飞船A 的速率。
相对论和牛顿力学矛盾-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在本文中，我们将探讨相对论和牛顿力学之间存在的矛盾。
相对论和牛顿力学都是物理学中重要的理论，但它们在描述物理世界的运动和相互作用时存在明显的差异。
相对论是爱因斯坦于20世纪初提出的一种理论，它描述了高速运动的物体和引力场中的物体之间的相互关系。
相对论引入了狭义相对论和广义相对论两个重要概念，重新定义了时间、空间、和质量等物理量，并提出了著名的质能方程E=mc^2。
相比之下，牛顿力学是牛顿在17世纪提出的一种力学理论，适用于低速和较小质量物体的运动描述。
牛顿力学建立在三大基本定律上，包括惯性定律、运动定律和作用反作用定律，以及万有引力定律等。
在接下来的文章中，我们将分别介绍相对论和牛顿力学的基本原理，然后深入探讨它们之间的矛盾，并探讨这种矛盾对物理学研究和未来发展的影响和意义。
希望通过本文的探讨，读者能更深入地理解相对论和牛顿力学之间的关系，以及现代物理学的发展方向。
1.2 文章结构本文将分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分中，我们将简要介绍相对论和牛顿力学的基本原理，以及它们在物理学中的重要性。
接着，我们将详细阐述相对论的基本原理和牛顿力学的基本原理，分析它们之间的差异和矛盾。
在正文部分，我们将探讨相对论和牛顿力学的矛盾，通过比较它们在不同情况下对物理现象的解释，以及在高速或强引力场下的适用性。
最后，在结论部分，我们将总结相对论和牛顿力学的矛盾，探讨其对物理学理论发展和应用的影响和意义，并展望未来可能的研究方向。
通过这样的结构，我们将全面深入地探讨相对论和牛顿力学之间的矛盾，为读者提供一个清晰的逻辑框架和理解框架。
文章1.3 目的:本文的目的在于探讨相对论和牛顿力学之间的矛盾，并分析这种矛盾对我们对物理世界的认识以及科学理论的发展所产生的影响和意义。
通过比较相对论和牛顿力学的基本原理，我们可以更深入地理解这两种理论在描述运动和引力方面的差异，以及它们在不同物理学领域中的适用性和局限性。
牛顿力学与狭义相对论的描述比较一、引言牛顿力学和狭义相对论是两个经典物理理论，对于描述物体的运动都有重要意义。
本文将从空间观念、时间观念、质点运动以及相对性原理等方面进行比较，并讨论两者的异同。
二、空间观念的比较在牛顿力学中，空间被认为是绝对的、固定的，不随其他因素的变化而改变。
牛顿的时空观念认为，时间在所有地点是相同的，物体在不受力的作用下将保持静止或匀速直线运动。
这个观念对于描述大多数日常生活中的物体运动是非常准确的。
然而，在狭义相对论中，爱因斯坦提出了相对性原理。
根据相对性原理，物体的运动与所处的参考系有关，而参考系的选择将导致空间的扭曲和时间的变化。
这意味着空间不再是绝对的，而是与物体的运动和观察者的参考系有关。
三、时间观念的比较在牛顿力学中，时间被认为是绝对的，是普遍的、与运动无关的。
牛顿假设时间在宇宙中是相同的，无论物体的运动状态如何。
这种时间观念在很多经典物理学应用中非常有效。
然而，狭义相对论推翻了这个观念，提出了时间的相对性。
狭义相对论中的“时间膨胀”现象表明，运动速度越快的物体，时间过得越慢。
这个理论在实验中得到了验证，它对粒子加速器等高速实验的运算提供了准确的预测。
四、质点运动的比较在牛顿力学中，质点运动可以被描述为受力决定的加速度和速度的连续变化。
根据牛顿第一，第二定律以及万有引力定律，可以准确预测物体在给定力下的运动轨迹。
然而，牛顿力学无法解释高速运动物体的非直线运动。
相对论的质点运动理论提供了更加准确的描述。
根据相对论的质能方程，质量与能量之间有联系，当物体的速度接近光速时，质量会增加。
因此，在高速运动中，质点的质量和运动特性将与其在低速时有所不同。
五、相对性原理的比较相对于牛顿力学中认为绝对参考系的观念，相对性原理是狭义相对论的基础之一。
牛顿力学中的绝对时间和绝对空间在狭义相对论中被废弃，物体的运动被看作是相对于观察者的观测结果。
相对性原理揭示了运动和参考系之间的关系，它强调了观察者的主观性和参考系的相对性。
