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。
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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.。