经典时空观与相对论时空观

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。

教学设计第二节经典时空观与相对论时空观整体设计经典力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比)运动时总结出来的，对于微观粒子和高速运动的宏观物体经典力学不适用。

当光的电磁本质被揭示出来以后，对光在空间的传播问题的研究和思考，引发了物理学的一场革命,导致了相对论的建立，改变了我们对时间和空间的认识.那么相对论给出的时空观是怎样的呢？教学难点经典时空观与相对论时空观的主要区别.教学重点1。

知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论。

知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性.2。

了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。

体会相对论的建立对人类认识世界的影响.教学方法质疑探究、讨论课时安排1课时三维目标知识与技能1。

了解伽利略相对论原理，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.通过对参考系和运动的“讨论与交流"，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。

2.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。

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.3.感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想象力，启发学生勇于质疑、富于想象，培养思维的多向性和发散性。

4。

通过了解时空观的变革，使学生认识到自然界是可以被人认识的，科学是认识自然最有效的途径,科学对自然界有解释和预见的功能，科学知识具有想对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究,是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新。

第3节时间、长度的相对性1.在一个参考系中，同时发生的两个事件在另一惯性系中观察可能是不同时发生的。

2．运动的时钟变慢了，时间间隔的相对性公式为τ＝τ01－(u c)2。

3．运动的尺子变短了，长度的相对性公式为l ＝l 01－(u c)2。

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同时的。

(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可能不是同时而是一先一后发生的。

2．运动时钟的变慢(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)相对论的时空观：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。

设τ0表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，τ表示相对事件发生地以u 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是τ＝τ01－u 2c 2。

3．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。

设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l ，杆相对于观察者的速度为u ，则l 、l 0、u 的关系是：l ＝l 01－u 2c2。

[跟随名师·解疑难]1．对“动钟变慢”的理解(1)由时间间隔的相对性公式：τ＝τ01－(u c )2，在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀。

(2)时间延缓效应的来源是光速不变原理。

(3)时间延缓效应是时空的一种属性。

在运动参考系中的时间节奏变缓慢了。

(一切物理过程、化学过程、乃至观察者自己的生命节奏变慢了)2．对“动棒缩短”的理解 (1)狭义相对论中的长度公式：l ＝l 01－(u c)2中，l 0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度u 运动时，静止的观察者测量的长度。

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。

经典力学和狭义相对论的时空观经典力学和狭义相对论是两个重要的物理学理论，它们都对时空观有着自己的理解。

下面将分别从经典力学和狭义相对论两个方面来探讨时空观。

经典力学的时空观：经典力学是牛顿于17世纪提出的一种物理学理论，它认为时间和空间是绝对不变的，即时间和空间是独立于物体和观察者的。

在经典力学中，时间被视为一个普遍可用的全局参考系，所有运动都可以在这个参考系下描述。

另外，在经典力学中，物体的质量、速度、加速度等物理量都是绝对不变的。

此外，在经典力学中还有一个重要概念——惯性参考系。

惯性参考系是一个相对于其他参考系静止或做匀速直线运动的参考系，在这个参考系下牛顿第一定律（惯性定律）成立。

这意味着如果一个物体在惯性参考系内静止或做匀速直线运动，则它会保持这种状态直到受到外部作用力而改变状态。

总之，在经典力学中，时空观是绝对的，时间和空间是独立于物体和观察者的，惯性参考系是一个非常重要的概念。

狭义相对论的时空观：与经典力学不同，狭义相对论是爱因斯坦于20世纪初提出的一种物理学理论。

它认为时间和空间是相互关联的，即时间和空间不是绝对不变的，而是依赖于物体和观察者。

在狭义相对论中，时间和空间被视为一个整体——时空。

具体来说，在狭义相对论中有两个重要概念：光速不变原理和相对性原理。

光速不变原理指出，在任何参考系下，光速都保持恒定。

这意味着如果两个事件在一个参考系内同时发生，则在另一个参考系内它们可能会发生在不同时刻；如果两个事件在一个参考系内处于同一位置，则在另一个参考系内它们可能会处于不同位置。

相对性原理指出，在所有惯性参考系中物理规律都应该保持不变。

这意味着如果两个惯性参考系以匀速运动，则它们之间不存在任何实验能够检测到的差异。

这也是狭义相对论中的相对性原理。

总之，在狭义相对论中，时空观是相对的，时间和空间是依赖于物体和观察者的，光速不变原理和相对性原理是两个非常重要的概念。

结论：经典力学和狭义相对论都有自己的时空观。

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。

一. 万有引力定律：1. 内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比，与它们之间距离r 的二次方成反比．公式：叫引力常量其中万2211221/1067259.6,kg m N G rm m GF ∙⨯==-2. 条件：此公式适用于质点间的相互作用．当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点．均匀的球体可视为质点，r 是两球心间的距离．一个均匀球体与球外一个质点间的万有引力也适用，其中r 为球心到质点间的距离．(1)对万有引力定律公式中各量的意义一定要准确理解，尤其是距离r 的取值，一定要搞清它是两质点之间的距离. 质量分布均匀的球体间的相互作用力，用万有引力公式计算，式中的r 是两个球体球心间的距离．(2)不能将公式中r 作纯数学处理而违背物理事实，如认为r→0时，引力F→∞，这是错误的，因为当物体间的距离r→0时，物体不可以视为质点，所以公式F ＝Gm 1m 2r 2就不能直接应用计算．(3)物体间的万有引力是一对作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反的，遵循牛顿第三定律，因此谈不上质量大的物体对质量小的物体的引力大于质量小的物体对质量大的物体的引力，更谈不上相互作用的一对物体间的引力是一对平衡力． 万有定律的应用1.讨论重力加速度g 随离地面高度h 的变化情况： 物体的重力近似为地球对物体的引力，即2)(h R Mm Gmg +=。

所以重力加速度2)(h R M Gg +=，可见，g 随h 的增大而减小。

2．算中心天体的质量的基本思路：(1)从环绕天体出发:通过观测环绕天体运动的周期T 和轨道半径r;就可以求出中心天体的质量M(2)从中心天体本身出发:只要知道中心天体的表面重力加速度g 和半径R 就可以求出中心天体的质量M 。

3．解卫星的有关问题：在高考试题中，应用万有引力定律解题的知识常集中于两点： 一是天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力。

第五章第一、二节经典力学的成就与局限性经典时空观与相对论时空观课时作业一、单项选择题1．下列运动中经典力学不．能适用的是()A．火箭的发射B．宇宙飞船绕地球的运动C．“勇气号”宇宙探测器D．微观粒子的波动性2．20世纪初，提出了狭义相对论，引起了人们对时空观认识的改革的科学家是() A．惠更斯B．普朗克C．爱因斯坦D．洛伦兹3．下列说法错误的是()A．牛顿运动定律只适用于相对静止的参考系B．在任何惯性系中，物体的加速度都具有不变性C．按照经典时空理论，物体的长度、质量和运动时间都与参考系的运动无关D．伽利略相对性原理表明，在惯性运动的范围内不存在绝对空间和绝对运动4．惯性系S中有一边长为l的正方形(如图所示)，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()5．有一对孪生兄弟小明和小伟，当他们长大到20岁时，由于航天的需要，小伟要乘坐航天飞船去太空进行科学研究，小明在地球上经过了20年后，小伟才返回地面，则下列判断正确的是()A．小明显得更年轻B．小伟显得更年轻C．他们俩一样年轻D．无法判断谁更年轻6．日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是()A．运动中的物体无法称量其质量B．物体的速度远小于光速，质量变化极小C．物体的质量太小D．物体的质量不随速度的变化而变化二、双项选择题7．在力学理论建立的过程中，有许多伟大的科学家作出了贡献．关于科学家和他们的贡献，下列说法正确的是()A．伽利略发现了行星运动的规律B．卡文迪许通过实验测出了引力常数C．牛顿最早指出力不是维持物体运动的原因D．笛卡儿对牛顿第一定律的建立作出了贡献8．下列选项中属于狭义相对论的基本假设的是()A．爱因斯坦相对性原理B．经典力学的时空观C．光速不变原理D．同时的绝对性原理9．在地面附近有一高速飞过的火箭，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()A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C．火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均无变化D．火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了10．爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命，主要是因为() A．否定了经典力学的绝对时空观B．揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性C．打破了经典力学体系的局限性D．使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界1解析：选D.经典力学不能适用的情况是微观、高速物体的运动．2解析：选C.20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，揭示了时间、空间与物体的运动速度之间的必然联系，引起了人们对时空观认识的改革．3解析：选A.牛顿运动定律只适用于惯性系，而相对静止的参考系不一定是惯性系；伽利略的相对性原理表明，所有的惯性系都是等效的；经典时空理论中，物体的长度、质量和运动时间都与参考系的运动无关．4解析：选C.物体运动时在运动方向上，相对观察者缩短，因物体相对S系沿x方向运动，故在x方向上缩短，C正确．5解析：选B.狭义相对论的时空观认为，时间是相对的，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，根据爱因斯坦的时间延缓效应，当飞船接近光速时，时间会变慢．故小伟显得更年轻．6解析：选B.在宏观物体的运动中，由于v≪c，所以质量变化不大，而不是因为物体的质量太小或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项为B.7解析：选BD.行星运动的规律是开普勒发现的，A错误；卡文迪许通过扭秤实验测出了万有引力常数，B正确；伽利略最早指出力不是维持物体运动的原因，C错误；笛卡儿在《哲学原理》中以第一和第二自然定律的形式比较完整地第一次表述了惯性定律：只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止，为牛顿第一定律的建立作出了贡献，D正确．8解析：选AC.狭义相对论的出发点是以下两条基本假设：第一是爱因斯坦相对性原理，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的．第二是光速不变原理，不管是哪个惯性系中，测得真空中的光速都相同．9解析：选BD.根据“尺缩效应”、“动钟变慢”原理，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程应该变慢了，A错误，B正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了，C错误，D正确．10解析：选BC.相对论并未否定经典力学，只是说明经典力学是有局限性的．。