相对论时空观
高中物理必修二 第五章 第二节 相对论时空观
A.0.4c C.0.9c
B.0.5c
√D.c
根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到的真空中的光速c都一 样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为c， 选项D正确.
例2 假设地面上有一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
(1)沿着运动方向上的长度变短了于运动方向不发生长度收缩效应现象.
例4 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上 的人观察到的结果正确的是 A.火箭A上的时钟走得最快
√B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢
3.长度收缩：(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)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为l′＝
l 1－vc2 ，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度 不变 .
4.牛顿力学时空观和相对论时空观的区别 牛顿力学认为时间和空间是 脱离 物质而存在的，时间和空间之间也是 没有 联系的.相对论则认为 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 (填“是”或“不是”) 相对独立的，这在时间延缓效应和长度收缩效应中已体现出来.
本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v运动，一条棱与运动方向
平行， 则坐标系中观察者测得该条棱的长度为 l＝l0
1－vc2
测得立方体的体积为 V＝l02l＝l03 1－vc2.
总
结
提 升
1.物体静止长度 l0 和运动长度 l 之间的关系为 l＝l0 1－vc22.
2.相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：
相对论时空观解析
相对论时空观解析
相对论时空观是指爱因斯坦的特殊相对论和广义相对论中对时空的理解。
这一理论从根本上改变了牛顿的经典力学中关于时间和空间的认识。
特殊相对论中，爱因斯坦提出了“光速不变原理”，即光速在任何运动状态下都是不变的。
这一原理颠覆了以往对时间和空间的绝对观念，提出了“相对论时空观”。
在相对论中，时间和空间不是分离的，而是构成一个“时空”的整体。
同时，因为物体的运动状态会影响时空的结构，所以时空也是相对的。
广义相对论进一步丰富了相对论时空观。
它将万有引力理解为时空的弯曲，即物体和物质会影响周围的时空结构，造成时空的扭曲。
这种扭曲进一步影响其他物体的运动状态和运动轨迹，使得牛顿力学中的引力概念受到了颠覆。
相对论时空观被广泛应用于现代物理学的各个领域，包括天文学、高能物理学、量子物理学等。
它对现代科学的发展产生了深远的影响。
同时，相对论时空观也具有哲学上的启示意义，使我们对时间、空间和世界本质的理解有了更为深刻的认识。
相对论时空观的内容
相对论时空观的内容相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。
相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。
相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。
牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。
相对于一个惯性系来说，在不同的地点、同时发生的两个事件，相对于另一个与之作相对运动的惯性系来说，也是同时发生的。
狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。
同时性问题是相对的，不是绝对的。
在某个惯性系中在不同地点同时发生的两个事件，到了另一个惯性系中，就不一定是同时的了。
在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。
宇宙的概念:宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。
是一切空间和时间的综合。
宇宙的标准模型概念:大爆炸模型，宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。
赫罗图的概念:这张图是研究恒星演化的重要工具，赫罗图是恒星的光谱类型与光度之关系图，赫罗图的纵轴是光度与绝对星等，而横轴则是光谱类型及恒星的表面温度，从左向右递减。
黑洞的概念:黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。
当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。
这时恒星就变成了黑洞。
虫洞的概念：“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。
相对论时空观
四、速度变换法则
在S系中
dx
dy
dz
ux dt , uy dt , uz dt
在S 系中
ux
dx dt
,
uy
d y dt
,
uz
dz dt
7
对洛伦兹变换求微分，得
dx
dx v dt 1 v2 / c2
d y d y
dz dz
dt
dt
v dx
/
c2
1 v 2 / c 2
8
S系到S 系的速度变换公式 速度变换公式的逆变换
例5：试讨论静止参照系中介子的平均寿命。
解：从静止参照系看来，实验室的运动速率为u= 0.99c,实验室中测得的距离l =52m ,为原长，在介 子参照系中测量此距离应为：
13
l l
1
v2 c2
7.3m
而实验室飞过此距离所用时间为：
Δ t l 7.3m 2.5108 s v 0.99c
系)观测， 介子的寿命为：
0
2.603 108
s
1 v 2 / c2 1 (0.9200 )2
6
= 2.603 108 2.552 s = 6.642 108 s
在衰变前可以通过的路程为
s = v = ( 0.9200c 6.642 108 ) m
= 18.32 m >17 m
即 介子在衰变前可以通过17 m的路程。
S 系两个不同地点同时发生的事件，在S系看也不是
同时发生的。
二、时间延缓效应
如果在S 系的同一地点先后发生了两个事件，时间
是t1 和t2 ，时间间隔为
t = t2 t1
2
则
Δ
相对论时空观
相对论时空观
物理学家爱因斯坦提出的相对论时空观认为，时间和空间是不独立的、彼此相互联系的概念，其相互关系集合在一起构成一个4D的时空，亦即现在流行的“时空洞”理论。
通过相对论时空观认为，各个物体并不真实可靠，而是有自己的时空定义，也就是说，一个物体只有在另一个物体相对于它而存在的情况下才存在。
因此，相对论时空观建议世界是有变化的，且会给造物主以创新的可能。
即便一个物体不表现出改变，由于它比另一个物体处于不同的时空，其状态也会随着它们之间的关系改变。
再者，相对论时空观也承认在认知的世界里，某一特定的时空构建多个世界以及各自的时间维度，这样就提供了更多的解读，有助于更好理解世界的本质及我们的彼此关系。
从另一个角度看，相对论时空观仍然给出一些有益的实质性思考，其一是面对多尺度宇宙的本质，由于宇宙是因空间时间而发展出来的，可以像（空时间流动），而不是定义一个特定的常识（静止），进而完善宇宙的构建；其二是可以促进宇宙的变化，因为一切都可以影响宇宙的角度；其三是可以随意从宏观到微观研究宇宙，由它的各个时空动态互动而产生多样，可以揭开宇宙间深奥联系。
总之，爱因斯坦的相对论时空观既有理论预言又有它自身解释宇宙的洞察力，弥漫宇宙间的奥秘，令它更加神秘而又神奇。
期望未来面对宇宙本质时，该理论依然可以给出一些完美的时隙步骤推理，从而让我们对现在神秘的宇宙有更深刻的理解。
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种物理学理论，它涉及到了时间和空间的观念。
狭义相对论的三个时空观如下：
1. 相对性原理：狭义相对论的第一个时空观是相对性原理，它认为物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
换句话说，物理定律在不同的观察者之间是不变的，无论他们的运动状态如何。
这意味着没有一个特定的参考系是绝对的，而是都是相对的。
2. 光速不变原理：狭义相对论的第二个时空观是光速不变原理，它指出光速在真空中是恒定不变的，无论观察者自身的运动状态如何。
这意味着光在不同的参考系中传播的速度始终是相同的。
这个原理对于理解狭义相对论中的时间和空间的变化至关重要。
3. 时空的相对性：狭义相对论的第三个时空观是时空的相对性。
根据狭义相对论，时间和空间是相互关联的，构成了一个四维时空的连续体。
观察者的运动状态会导致时间和空间的相对变化，即时间的流逝速度和空间的长度会随着观察者的运动状态而发生变化。
这个时空观对于理解相对论中的时间膨胀和长度收缩等效应至关重要。
试论相对论时空观及其哲学意义
试论相对论时空观及其哲学意义
相对论时空观认为，时空是相对的，也就是一个“流动”的概念，没有
一个固定的点可以完全描述世界，时间和空间之间互相关联，大小和时间变
化节奏互相依存。
相对论时空观有着关乎哲学意义的深刻影响。
首先，相对论时空观指出，空间和时间的真相并不是独立的，它们是一
个紧密结合的整体。
这里的核心观点是，时间和空间本质上是一个整体，它
们在形式上影响着对象，而对象又将自身影响主客观之间的关系。
这也解释
了为什么经典物理学研究中会意外地发现，时空客观和经验双重性本质上关联。
其次，相对论时空观颠覆了经典物理学的“恒定性”和“永恒性”观念，宣称时空是不可预测的，它可以按照观察者的需要安排其自身的形态。
这表
明人的感受能够影响和改变世界，而不是像过去保守的斯宾诺莎一般认为的，客观世界高位于个体而且无法改变。
最后，相对论时空观指出，作为一个全局整体，时间和空间可以在现象
之外的深处探测前人们所未知的超越客观性。
人们可以通过相对论时空观连
接自身和宇宙，体验更为上层次和更深层次的运作，从而得到心灵的安慰和
平静。
总之，相对论时空观让人们审视世界的现象，从而体会客观和主观的统一，发现世界的真相，获取安详。
只有明白了时间和空间的内在关系，才能
领会到世界的无限魅力。
相对论时空观知识点总结
相对论时空观知识点总结相对论是现代物理学中的重要理论之一，由爱因斯坦提出。
其中，相对论时空观是相对论的核心内容之一，它彻底改变了我们对时间和空间的传统认知。
接下来，让我们一起深入了解相对论时空观的重要知识点。
一、狭义相对论的基本假设狭义相对论基于两个基本假设：1、相对性原理：物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着，无论我们处于哪个匀速直线运动的参考系中，观察到的物理现象都应该遵循相同的规律。
2、光速不变原理：真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，与光源和观察者的相对运动无关。
这两个假设是相对论时空观的基石。
二、时间膨胀时间膨胀是相对论时空观中的一个奇特现象。
当一个物体相对于观察者以接近光速的速度运动时，观察者会发现运动物体上的时间流逝变慢了。
例如，假设在地球上有一个精确的时钟，而有一艘宇宙飞船以接近光速的速度飞行。
对于地球上的观察者来说，飞船上的时间过得比地球上慢。
当飞船返回地球时，地球上可能已经过去了很长时间，而飞船上的宇航员却感觉时间没有过去那么久。
时间膨胀的公式为：＄＼Delta t' ＝＼Delta t ／＼sqrt{1 （v^2 ／c^2)｝＄，其中＄＼Delta t'＄是运动物体上的时间间隔，＄＼Deltat$ 是静止观察者测量的时间间隔，＄v$ 是物体的运动速度，＄c$ 是真空中的光速。
三、长度收缩与时间膨胀相对应的是长度收缩。
当一个物体在运动方向上的长度，对于静止的观察者来说会变短。
比如，一根静止时长度为＄L$ 的杆子，如果它以速度＄v$ 运动，那么在观察者眼中，它的长度会收缩为＄L' ＝ L ＼sqrt{1 （v^2 ／c^2)｝＄。
四、同时的相对性在经典物理学中，同时性是绝对的。
但在相对论中，同时性是相对的。
假设在一列高速行驶的火车中间有一个光源，同时向车头和车尾发出光。
对于火车上的观察者来说，光同时到达车头和车尾。
但对于站在地面上的观察者来说，由于火车在运动，光先到达车尾，后到达车头。
爱因斯坦相对论时空观
爱因斯坦相对论时空观
爱因斯坦相对论时空观是现代物理学史上一次伟大的革命。
相对论时空观发明了一种全新的空间和时间的概念，推翻了经典牛顿物理学的观点，成为后来相对论物理学和量子力学的基石。
下面我们一起来了解一下爱因斯坦相对论时空观的重要内容。
1. 空间和时间的统一
在爱因斯坦相对论时空观中，空间和时间是不可分割的，它们构成了一个四维空间时间。
这个四维空间时间的度量不再是绝对的，而是相对的，取决于物体的运动状态。
这样一来，牛顿经典物理学中的“绝对空间”和“绝对时间”就不再存在了。
2. 速度限制
在爱因斯坦相对论时空观中，光速是唯一不变的物理常数，它是所有运动物体所能达到的最大速度。
当物体的速度逼近光速时，它的质量会增加，时间会变慢，长度会缩短。
这些现象成为“时间膨胀”和“长度收缩”。
3. 相对论质能关系
爱因斯坦相对论时空观还提出了质能等价原理（E=mc²），这种质能等价关系表明，质量和能量是可以相互转化的，其中c代表光速。
这个
公式的发现推动了后来原子弹和核能的发展。
4. 引力场
相对论时空观也改变了我们对引力的理解。
牛顿引力定律认为，物体之间的引力效应是由于它们之间的万有引力作用引起的。
而相对论时空观则认为，引力是由物体所在空间的弯曲产生的。
引力场的强度和物体的质量有关，被描述为时空弯曲。
总结：
以上内容仅仅是爱因斯坦相对论时空观的一些要点，不仅涉及到科学哲学、自然哲学、数学等多学科，也具有经典性和普遍性，对于理解整个宇宙的演化和自然规律有很大的帮助。
相对论如何改变我们的时空观
相对论如何改变我们的时空观关键信息项1、相对论的基本原理狭义相对论广义相对论2、时空观的传统概念牛顿的绝对时空观3、相对论对时空的重新定义时间膨胀长度收缩时空弯曲4、相对论在现代科学和技术中的应用全球定位系统（GPS）高能物理实验5、对人类认知和哲学思考的影响对因果关系的重新理解对宇宙本质的探索11 相对论的基本原理相对论是现代物理学的重要理论之一，由阿尔伯特·爱因斯坦提出。
狭义相对论主要基于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出物理规律在所有惯性参考系中都是相同的；光速不变原理则表明真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的。
广义相对论则进一步将引力现象纳入相对论的框架，认为物质和能量会弯曲时空，而物体在弯曲时空中沿着测地线运动。
111 狭义相对论狭义相对论带来了一系列令人惊讶的结论。
其中，时间膨胀和长度收缩是两个重要的效应。
当物体运动速度接近光速时，时间会变慢，长度会缩短。
这与我们日常生活中的直觉截然不同，挑战了传统的时空观念。
112 广义相对论广义相对论描述了引力的本质是时空的弯曲。
大质量物体如恒星和星系会使周围的时空发生弯曲，其他物体在这个弯曲的时空中运动。
这一理论成功地解释了许多天文现象，如光线在太阳附近的弯曲、水星近日点的进动等。
12 时空观的传统概念在相对论出现之前，牛顿的绝对时空观占据主导地位。
牛顿认为时间和空间是绝对的、独立的，与物质和运动无关。
时间均匀地流逝，空间是平坦且无限延伸的。
这种观点在低速、宏观的世界中能够很好地描述和解释物理现象，但在接近光速和强引力场的情况下就不再适用。
13 相对论对时空的重新定义相对论彻底改变了我们对时空的理解。
时间不再是绝对的，而是与观察者的运动状态有关。
高速运动的观察者会经历时间膨胀，即相对于静止的观察者，他们的时间流逝得更慢。
同样，物体在运动方向上的长度会收缩。
此外，广义相对论揭示了时空是弯曲的，引力场越强，时空弯曲程度越大。
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
核心目标
1.知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
【阅读+理解】提前学知识要点
问题
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，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
由于1－ < 1，所以总有l < l0，此种情况称为长度收缩效应。
（1）式和（2）式表明：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。
这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。要验证（1）（2）两式是否正确，首先要找到高速运动的物体。科学家发现µ子以 0.99 c 甚至更高的速度飞行。根 据经典理论可计算每秒到达地球的µ子数，这个数值小于实际观察到的µ子数。观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁 的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是 ：闪光先到达后壁，后到达前壁（图乙）。因此，这两个事件不是同时发 生的。
在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果。
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＝ （1）
由于 1－ < 1，所以总有Δt >Δτ，此种情况称 为时间延缓效应。
如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，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 ＝ l0 （2）
相对论的时空观课件PPT
广义相对论中的时空曲率
时空曲率的概念
在广义相对论中，物质和能量会导致时空发生弯曲，这种弯曲被 称为时空曲率。
时空曲率与引力的关系
时空曲率决定了物体在引力场中的运动轨迹，引力则被视为是物体 沿着时空曲率运动的趋势。
时空曲率的应用
时空曲率在解释行星轨道、光线偏折、引力透镜效应等现象中起着 关键作用，也是构建宇宙模型的重要基础。
相对论在通信领域的应用
1 2
全球定位系统（GPS） 相对论效应对GPS定位精度至关重要，需要考虑 时间膨胀和长度收缩效应，以确保准确的导航。
深空通信
相对论在深空通信中发挥了关键作用，解释了无 线电信号在太空中的传播延迟现象。
3
量子通信
相对论对量子通信的发展产生了影响，解释了量 子纠缠等现象，为未来的通信技术提供了新的可 能性。
相对论的时空观课件
目录
• 相对论的时空观简介 • 相对论的时空观的基本原理 • 狭义相对论的时空观 • 广义相对论的时空观 • 相对论的时空观的实验验证 • 相对论的时空观的应用
01
相对论的时空观简介
什么是相对论的时空观是 一个统一的整体，称为时空。
光速不变原理
总结词
光速不变原理是指在任何惯性参照系中，光在真空中的传播速度都是恒定的， 约为每秒299,792,458米。
详细描述
光速不变原理是相对论的重要基石之一。它表明光速是一个绝对常数，不依赖 于光源或观察者的运动状态。这一原理排除了超距作用的可能性，并强调了时 间和空间相对性的重要性。
等效原理
广义相对论中的引力透镜效应
引力透镜效应的概念
当光线经过引力场时，由于时空曲率的作用，光线会发生弯曲，形 成像透镜一样的效果，称为引力透镜效应。
第三节相对论时空观
N N 0e
止的 子的平均寿命为 0 2.21 106 s 。 在 1963 年的一次实验中，在海拔 1910m 高处，测得由宇宙线产生的速度在 0.9950~0.9954c 之间铅直向下运动的 子数为平均每小时 56310 个， 而在离海 平面 3m 处， 测得同样速度的 子数为平均每小时 4089 个(其它 子已经发生了 衰变)。试求： (1) 运动 子的平均寿命； (2) 验证明间膨胀公式
0
1 v2 1 2 c
0
1 1 (0.75) 2
2.6 108 3.93 108 s
《大学物理》
教师：
胡炳全
所以，在 S 系中测量时， 介子从产生地到衰变地要平均飞行的距离为：
l v 0.75 3 108 3.93 108 s 8.84m
•根据同时性的相对性，在一个参照系中校准的时钟在另 一个参照系看来是没有校准的。
《大学物理》
教师：
胡炳全
二、时间延缓效应
1、本征时间（固有时间）： 一个惯性系中同一地点先后发生的两个事件的时 间间隔，在狭义相对论中叫做本征时间或固有时间。
2L t ' c
就是发光后接收到光这两个事 件的本征时间或固有时间。
《大学物理》
教师：
胡炳全
由光速不变原理，S系中的光速仍为c，故Δt应满足：
s 2 2 t L (vt / 2) 2 c c
解之可得：
2L t c
1 v 1 2 c
2
t ' v2 1 2 c
为了书写简洁，我们常用如下符号简写：
1 v2 1 2 c v c 1 1
相对论的时空观
τ = γ τ0
固有时间:静系中 静系中同地事件的时间间隔 同地事件的时间间隔 非固有时间:动系中 动系中异地事件的时间间隔 异地事件的时间间隔 三、长度收缩效应
L = γ −1 L0
原长： 原长：相对于被测物体静止的参考系测得的长度 相对于被测物体静止的参考系测得的长度。 的参考系测得的长度。 非原长： 非原长：相对于被测物体运动的参考系测得的长度 相对于被测物体运动的参考系测得的长度。 的参考系测得的长度。 t1=t2
x ′ = γ ( x − ut ) y′ = y z′ = z u t′ = γ t − 2 x c
不同惯性系中观察者时空观念的关联 I ( x1 , t1 ) 系 S S ′系 事件 II ( x2 , t2 )
x = γ (x ′ + u t ′ )
′, t1 ′) I ( x1 ′ , t2 ′) II ( x2
u ∆t′ = γ (∆t − 2 ∆x) c
2
γ = 1
1− u c
2
≥1
狭义相对论的时空观
一、同时的相对性 发生在两个惯性系中两个事件的时间间隔 发生在两个惯性系中两个事件的时间间隔： 时间间隔： 如果在S系的两个不同地点分别同时发出一光脉冲 信号A和B，它们的时空坐标分别为 A ( x 1 , y 1 , z 1 , t 1) 和 B ( x2 , y2 , z2 , t2) 因为是同时发出的， 因为是同时发出的，所以 t1 = t2。 在S′ 系观察， 系观察，两个光脉冲信号发出的时间分别是
即：一个惯性系中的同时、 一个惯性系中的同时、同地事件， 同地事件，在其它惯性系 中必为同时事件； 中必为同时事件；一个惯性系中的同时、 一个惯性系中的同时、异地事件， 异地事件， 在其它惯性系中必为不同时事件。 在其它惯性系中必为不同时事件。
相对论的时空观
相对论的时空观相对论是现代物理学中最重要的理论之一，它提出了一种全新的时空观。
相对论的时空观与牛顿经典物理学中的时空观存在明显差异，引发了对时间和空间本质的深入思考。
本文将详细探讨相对论的时空观。
首先，相对论认为时间和空间是相互关联且不可分割的。
牛顿经典物理学中，时间和空间是分离的独立维度，而在相对论中，它们被统一成为时空。
时空构成了我们所处的宇宙，它具有弯曲、伸缩和相对性等特性。
相对论主张，时空不再是一个静态的背景，而是与物质和能量紧密联系的动态载体。
其次，相对论提出了时空的弯曲概念。
爱因斯坦在广义相对论中指出，质量和能量会弯曲时空。
这种弯曲效应使物体在弯曲时空中行进时，呈现出与牛顿力学中不同的运动轨迹。
弯曲时空的概念在解释引力现象上具有重要意义。
牛顿力学中，引力被视为两个物体之间的相互作用力，而相对论将引力解释为时空的弯曲效应。
另外，相对论还引入了时空的伸缩观念。
根据相对论，当物体的速度接近光速时，时间会相对慢下来，而长度会相对缩短。
这一现象被称为时间膨胀和长度收缩。
时间膨胀意味着，快速运动的物体相对于静止的观察者经历的时间较长。
长度收缩意味着，快速运动的物体在运动方向上的长度会比静止物体的长度更短。
这些伸缩效应揭示出了物体运动速度对时空观的影响。
最后，相对论还提出了时空的相对性原理。
根据相对性原理，物理定律在所有惯性参考系中都要成立，无论参考系之间的相对速度如何。
这意味着物理现象的规律不会因为观察者的运动状态而发生变化。
相对论的相对性原理颠覆了牛顿时空观中的绝对时间和空间概念，强调了观察者的相对性和观察参考系的重要性。
综上所述，相对论的时空观是一种全新的物理学观念，它引领了现代物理学的发展方向。
相对论认为时空是统一的、弯曲的，时间和空间不再是独立的，而是相互关联的。
相对论还探讨了时空的伸缩效应和相对性原理，深化了我们对时间和空间本质的认识。
相对论的时空观对于解释引力、物体运动以及物理现象的规律具有重要意义，它在现代物理学领域扮演着重要角色。
经典时空观与相对论时空观
第二节 经典时空观与相对论时空观
【例题】A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上， B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行， vB<vC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最 快？
【答案】C时钟走得最慢，A走得最快。
1-75
6
第二节 经典时空观与相对论时空观
【例题】一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人 测得：某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，那
1-75
1
第二节 经典时空观与相对论时空观
二.相对论时空观
1.狭义相对论的理论前提 ①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 ——不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
2.狭义相对论的基本结论 ①“同时”的相对性 ②运动的时钟变慢 ③运动的尺子缩短
④物体质量随速度的增大而增大。
么按照火车上人的测量，闪光先到达前壁还是后壁？火车 上的人怎样解释自己的测量结果？
【解答】
火车上的人测得：闪光先到达前壁。
如图，由于地面人测得闪光同时
到达前后两壁，而在光向前后两壁传
播的过程中，火车要相对于地面向前
运动一段距离，所以光源发光的位置
【注意】只有高速运动时，以上1-75效应才明显。
2
第二节 经典时空观与相对论时空观
三.两种时空观的对比较来自经典时空观相对论时空观
同时的绝对性
同时的相对性
主要 时间间隔的绝对性 结论 空间距离的绝对性
运动的时钟变慢 运动的尺子变短
质量不变
质量随速度的增大而增大
主要 内容
时间和空间彼此独立、互 时间和空间相互关联，质
第二节 经典时空观与相对论时空观
相对论与现代时空观
相对论与现代时空观一、相对论的概念及历史背景相对论是指狭义相对论和广义相对论两个部分组成的物理学理论，它是由德国物理学家爱因斯坦在20世纪初提出的。
狭义相对论主要探讨了运动状态下的物体间的时间、空间和质量等物理量之间的关系，而广义相对论则进一步探讨了引力场和时空曲率等问题。
相对论的提出，彻底颠覆了牛顿力学所建立起来的经典物理学体系，并为现代物理学的发展奠定了基础。
二、狭义相对论1. 时间与空间狭义相对论中最重要的一个概念就是时间与空间是不可分割的整体，即时空统一。
这意味着时间与空间并不是绝对存在的，而是依赖于观察者所处的参考系。
同时，在运动状态下，时间和空间会发生变形，即时间会变慢、长度会缩短。
2. 光速不变原理狭义相对论中还有一个重要概念就是光速不变原理。
无论在任何惯性参考系中，光速都保持不变，即光速是一个普适常数。
这一原理的提出，彻底颠覆了牛顿力学中的绝对时间和绝对空间观念。
3. 质量与能量狭义相对论还提出了著名的质能方程E=mc²。
这个方程表明，质量和能量是可以互相转化的，而且在高速运动状态下，物体的质量会增加。
三、广义相对论1. 引力场广义相对论主要探讨了引力场和时空曲率等问题。
它认为，引力并不是一种力，而是由于物体所处的时空曲率所产生的效应。
这意味着，在引力场中运动的物体会受到弯曲轨迹、时间变慢等影响。
2. 时空曲率广义相对论中还有一个重要概念就是时空曲率。
它指出，在存在质量或能量密度的地方，时空就会发生弯曲和扭曲。
这个概念被广泛应用于黑洞、宇宙演化等领域。
3. 宇宙学原理广义相对论还提出了宇宙学原理。
它认为，在较大尺度上，宇宙是均匀且各向同性的。
这个原理为宇宙学研究提供了基础。
四、现代时空观相对论的提出，颠覆了牛顿力学中的经典物理学观念，并为现代时空观的形成奠定了基础。
现代时空观认为，时间和空间是不可分割的整体，是相互影响、相互作用的。
同时，在高速运动状态下，时间会变慢、长度会缩短，而引力场会导致时空曲率和扭曲。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
狭义相对论的时空观
摘要：相对论是近代物理学的两大理论支柱之一，是我们进入大学以来，第一次接触牛顿经典力学以外的新的理论体系。
而狭义相对论中的时空观给了我们极大的震撼，让我们明白了牛顿时空观虽然承认时间和空间的客观性但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的，在麦克斯韦方程建立以及明确了光速的恒定性和最大性后这种把时间和空间看做作是脱离物质运动而独立存在的观点显然不再正确。
本文阐述了在狭义相对论下的时空观。
通过分析牛顿时空观的不足之处来说明狭义相对论下时空观存在的道理，并最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间上再加一维时间。
通过本文的论述，有利于理解狭义相对论神奇而平凡的一面。
关键词：相对论光速不变洛伦兹变换式
牛顿在他的《原理》一书中写道：“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的，不变的。
绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不依赖于任何外界事物。
”
牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。
这在当时引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。
在十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。
按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各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同。
似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。
人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。
相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。
然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。
且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。
相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。
迈克尔孙和莫雷原本是千方百计地想观察地球的运动对光的传播速度的影响，他们还认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。
这样，它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。
当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。
在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。
我们把这叫做速度相加定理。
但是，迈克耳孙和莫雷却发现，地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。
这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的时候，
地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止不动的状态。
为了检验事情是不是这样，当地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又重复做了那个实验。
但是，这一次也同样测不出光速有任何不同。
我们再拿电中性的π介子作为例子吧。
π介子是一种非常小的亚原子粒子，它在衰变时会发射出两个光脉冲。
已经发现，不管这两个脉冲的发射方向同原来母π介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度总是相同的。
于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：前一种实验表明，光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度。
总而言之，我们的发现是：不管观察者在做什么运动，也不管光源在做什么运动，光在真空中的速度总是具有恒定的值。
光速还有另外一个性质即光速是无法超越的极限速度。
既然光速固定不变是一个实验事实，所以，在现在所说的这个例子里，合成速度就必定小于我们上面所预期的速度值——它不能超过极限值c 。
因此，我们应该得出结论说，即使对于比较小的速度来说，古典的速度相加定理也肯定是不正确的。
1905年，爱因斯坦创立狭义相对论。
提出了两条基本假设：
1.在互作匀速直线运动的所有惯性系内，一切物理规律都是相同的。
此即相对论的相对性原理。
2．在所有惯性系内，真空中的光速c 在各个方向都相同，与光源的运动状态无关。
此即光速不变原理。
这两条原理构成狭义相对论的基础，且从本质上改变了牛顿绝对时空观。
既然按相对性原理，一切物理规律在任何惯性系中都相同，一切惯性系都是平权的，没有哪个惯性系更优越，这就使绝对空间的概念失去了意义。
绝对时空观实际上包含着这样一个假定：存在信号传播的无限大速度，物质的相互作用是一种“瞬时超距作用”。
所以存在“绝对时间”。
爱因斯坦摒弃了“以太”观点，取消了无限大速度的溉念，认为真空中的光速c 是信号传播的极限速度，这就动摇了绝对时间的基础，从而接触到了时间和空间的相对性问题，揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系，引起人类时空观的变革。
从狭义相对论的两条基本原理出发，可以得出在沿x 方向相互以速度v 作匀速直线运动的两个惯性系),,,(t z y x k 和),,,(t z y x k '''''中，描述同一事件的时空坐标之间的变换关系为：
)()(2x c
u t t z z y y ut x x '+'='='=+'=
γ
式中
此即著名的洛仑兹变换式。
它是相对论时空观的具体体现。
由此容易得出，一个杆的长度(空间间隔)在两个惯性系中的关系为：l l γ=' 式中211
βγ-=
即空间间隔是相对的。
同一杆的长度在不同参考系中测出的结果是不同的。
在相对于杆静止的k '系中，杆测出的长度l '最大，在相对于k '运动的参考系中测出的长度则发生收缩，缩短为静止长度(或固有长度)的，所谓收缩只是测量效应，它取决于测量参考系与被测物体之间(客观)的关系。
同样，两事件的时间间隔在不同参考系中也是不同的，且与事件所在空间坐标有关。
而四维时空间隔则是不变的，所有这些充分表现了狭义相对论所引起的时空观的重大变革，它揭示了时间和空间的内在联系以及对时空的测量依赖于参考系的选择。
综上我们来谈谈狭义相对论的本质狭义相对论是四维时空的数学框架，其本质和牛顿的三维绝对空间加一维时间相同。
它只是对客观物理时间和空间的理论抽象，仅仅是一种数学合理化的抽象，是研究工作所利用的工具。
运动中的尺子会“收缩”，时钟会“变慢”都是因为我们用光做工具对运动物体进行测量的结果，如果不是用光做工具，或者不是对运动物体进行测量，就不会发生任何效应。
因此原子钟环球飞行实验、u 子衰变、质量增加等现象不能用狭义相对论来解释，这些物理现象是高速运动物体客观上内在固有的真正的物理变化，而不同于狭义相对论的观测效应，研究这些物理现象的本质将是现代物理学的一个重要命题。
狭义相对论的这一性质，使我们更多地把它看成是用物理名义所阐发的哲学原则：即同一位观测者，观测同一个对象（物体），因为观测条件的不同（观测者坐标系相对于运动物体坐标系的运动状态）而得到完全不同的观测结果（尺缩钟慢）。
狭义相对论的成立，需要极其严格的条件，在现实中，这种条件根本不存在。
所以，用现实实验结果与狭义相对论相对应，来说明狭义相对论的“正确”或“错误”的方法是不正确的。
所以，如果我们搞清楚狭义相对论的本质，那么我们就会明白包括μ介子寿命延长、双生子佯谬、潜水艇悖论等在内的实验讨论都是对狭义相对论原理的误解。
c u
c u =
-=-=ββγ22
)(1111
参考文献：
[1] 赵近芳.大学物理学.北京邮电大学出版社[M],2006,2,103—114.
[2] 王亚平.解析相对论.黑龙江科学技术出版社[M],2008,3,84—97.
[3] 陈应天. 相对论时空. 海科技教育出版社[M],2006,3,146—176.。