第一篇：大學(xué)物理 相對論總結(jié)

時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)

———狹義相對論及其偉大科學(xué)意義

航空航天與力學(xué)學(xué)院 工程力學(xué)系 曹玉夢 1153410

前言:在這一學(xué)期的普通物理學(xué)課程中,我們開始學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)的相關(guān)知識(shí),尤其是相對論和量子物理學(xué)部分,雖然有些難以理解但真的激起了我很大的探究興趣.我在課下查閱了很多關(guān)于相對論的知識(shí),在這學(xué)期即將結(jié)束的時(shí)候在這里做一下總結(jié)和梳理,并以此來表達(dá)我在著一個(gè)學(xué)期中對物理學(xué)學(xué)習(xí)的心得與體會(huì).以下就是我對狹義相對論的學(xué)習(xí)梳理.愛因斯坦1905年創(chuàng)立的劃時(shí)代的狹義相對論,發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和空間與運(yùn)動(dòng)的相對性關(guān)系,建立了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)的適用于全部物理學(xué)和自然科學(xué)的新的相對時(shí)空理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,從而徹底推翻了統(tǒng)治物理學(xué)已二百多年的牛頓的絕對時(shí)空理論,成為物理學(xué)、自然科學(xué)和哲學(xué)史上一次最偉大的科學(xué)革命.從狹義相對論的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論得出的最令人嘆為觀止,也最令人驚奇的結(jié)論,是最深刻地揭示了自然界最深層的一個(gè)極為神奇而又非常有趣的現(xiàn)象和基本規(guī)律:時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu)是一切自然界定律對相對運(yùn)動(dòng)保持其不變性和對稱性的基礎(chǔ),也是自然界因果關(guān)系成立的基礎(chǔ).沒有時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu)就沒有自然界定律對運(yùn)動(dòng)的不變性和對稱性,也沒有自然界的因果關(guān)系,反之亦然.正是兩者的辯證統(tǒng)一構(gòu)成和展示了自然界的和諧性和統(tǒng)一性.有人認(rèn)為狹義相對論證明了世界上的一切事物都是相對的,沒有絕對的,只有相對真理,沒有絕對真理,這完全是一種誤解.狹義相對論只是相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論,只是證明了時(shí)間和空間是相對性的,而不是絕對的,只是證明了正是時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu)保證了一切自然界定律對運(yùn)動(dòng)的不變性和對稱性,并沒有否定自然界定律的不變性和絕對性.為此,愛因斯坦在多年內(nèi)一直把狹義相對論稱之為相對性原理,用以強(qiáng)調(diào)時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu),1915年起才開始稱之為狹義相對論,以區(qū)別于廣義相對論.物理學(xué)的三大革命

19世紀(jì)末,由于實(shí)驗(yàn)和理論研究的深入發(fā)展,發(fā)現(xiàn)了一系列新的物理現(xiàn)象,諸如X射線、放射性、塞曼效應(yīng)、電子等,利用已有的經(jīng)典物理學(xué)理論無法作出解釋,使物理學(xué)陷入了空前危機(jī),也進(jìn)入了一個(gè)新的革命性轉(zhuǎn)折時(shí)期.因此,在20世紀(jì)初物理學(xué)相繼發(fā)生了三次史無前例的偉大革命,這就是狹義相對論、廣義相對論和量子論革命,革命性地改變了物理學(xué)的公理基礎(chǔ)和概念結(jié)構(gòu).狹義相對論發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu),建立了新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,改變了人類對時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí).廣義相對論則揭示了四維彎曲時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)與引力的關(guān)系,建立了新的引力場理論,由此建立了科學(xué)地研究宇宙起源、演化及其結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代宇宙學(xué).量子論則深化了對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),建立了研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué),有力地促進(jìn)了分子和原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)以及化學(xué)等學(xué)科的飛躍發(fā)展.三大革命開辟了現(xiàn)代物理學(xué)的研究及其新紀(jì)元,為現(xiàn)代高科技發(fā)展奠定了牢固的理論基礎(chǔ).狹義相對論和廣義相對論革命是愛因斯坦一人獨(dú)力完成的,他對量子論革命也作出了至關(guān)重要的開創(chuàng)性貢獻(xiàn).因此,愛因斯坦的偉大科學(xué)成就被舉世一致公認(rèn)為物理學(xué)和科學(xué)史上非常罕見的奇跡,愛因斯坦也被公認(rèn)為有史以來最偉大的物理學(xué)家和科學(xué)大師.劃時(shí)代的狹義相對論是愛因斯坦在1905年創(chuàng)立的,也是他在科學(xué)征途上攀登的第一座科學(xué)高峰.當(dāng)時(shí)他才26歲,跨出大學(xué)校門只短短5年,但已充分展示了他非凡的科學(xué)天才.由于發(fā)現(xiàn)和建立了適用于全部物理學(xué)和自然科學(xué)的新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,不

但圓滿解決了長久以來困擾物理學(xué)界的麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)不能應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的問題,也解決了力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)在相對運(yùn)動(dòng)上的不對稱性,為物理學(xué)理論的統(tǒng)一邁出了新的一步,由此發(fā)現(xiàn)了自然界一系列的新奇定律,脫穎而出,因此愛因斯坦也很快成為科學(xué)界刮目相看的一顆光芒燦然的科學(xué)新星.牛頓的絕對時(shí)空觀

時(shí)間和空間是一切物質(zhì)存在、運(yùn)動(dòng)和相互作用的基礎(chǔ),一切自然界現(xiàn)象和事件都是在時(shí)間和空間中發(fā)生的.因此時(shí)間和空間概念是物理學(xué)和一切自然科學(xué)描述自然界現(xiàn)象和事件的基礎(chǔ).物理學(xué)中的時(shí)間和空間概念起源于17世紀(jì)的伽利略和牛頓.牛頓在其偉大著作《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書中指出“絕對的、真正的、數(shù)學(xué)的時(shí)間,就其本性而言是永遠(yuǎn)均勻地流逝,與一切外界事物無關(guān)的”.又指出“絕對空間就其本性而言,是永遠(yuǎn)處處相同和不動(dòng)的,與一切外界事物無關(guān)的”.一般稱之為牛頓的絕對時(shí)空.絕對時(shí)空最鮮明的特點(diǎn)是時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)都與運(yùn)動(dòng)和一切外界事物無關(guān),是絕對的,永遠(yuǎn)不變的.絕對時(shí)空也是牛頓力學(xué)定律對一切勻速運(yùn)動(dòng)保持其不變性和對稱性的基礎(chǔ).牛頓的絕對時(shí)空在物理學(xué)中的體現(xiàn)和應(yīng)用,是伽利略相對性原理及其數(shù)學(xué)表示式伽利略變換,也稱為伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué).相對性原理是關(guān)于時(shí)間和空間與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的原理.在物理學(xué)中一般利用坐標(biāo)系來定義和描述物體的靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),坐標(biāo)系是時(shí)間和空間坐標(biāo)的組合.最常用的一種坐標(biāo)系是適合牛頓慣性定律的慣性坐標(biāo)系(一般簡稱為慣性系).伽利略變換就是描述時(shí)間和空間在一切慣性坐標(biāo)系內(nèi)與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的數(shù)學(xué)形式,其中時(shí)間不受運(yùn)動(dòng)和外界事物的影響,是絕對的,不變的;物體的空間位置雖隨運(yùn)動(dòng)而變化,但牛頓認(rèn)為這種相對空間只是絕對空間的可動(dòng)部份或者量度,而絕對空間本身則是永遠(yuǎn)處處相同和不動(dòng)的.牛頓力學(xué)定律完全適合伽利略相對性原理,對伽利略變換保持其不變性和對稱性,都不受坐標(biāo)系或者觀察者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響,因此兩者共同構(gòu)成了一個(gè)邏輯一致的理論體系.牛頓的絕對時(shí)空觀由于沒有任何實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為依據(jù),因此從其問世之后曾經(jīng)不斷遭到其同時(shí)代學(xué)者及以后歷代學(xué)者的批判.19世紀(jì)末葉,奧地利著名物理學(xué)家和實(shí)證主義哲學(xué)家馬赫,更從實(shí)證主義出發(fā),對牛頓的絕對時(shí)空概念進(jìn)行了系統(tǒng)而深刻的批判,認(rèn)為一切物理學(xué)定律和物理理論都只能包含可觀測量,而不應(yīng)包含不可觀測量,牛頓的絕對時(shí)空由于沒有任何觀測事實(shí)依據(jù),應(yīng)從力學(xué)和所有物理學(xué)中徹底清除出去.由于馬赫及其他學(xué)者的批判,至19世紀(jì)末開始形成了兩個(gè)明確認(rèn)識(shí):一是牛頓力學(xué)定律并不是了解一切物理現(xiàn)象的先決條件或前提;二是把一切物理現(xiàn)象納入牛頓力學(xué)框架,也不是人類理性的要求.馬赫的批判對愛因斯坦青年時(shí)代思想的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響,對他后來創(chuàng)立狹義相對論的相對時(shí)空理論無疑有重要啟發(fā)意義.因此愛因斯坦一直對馬赫給予了很高評價(jià),稱贊馬赫的批判給他留下了持久而深刻的印象.他認(rèn)為馬赫的偉大之處是他不折不撓的懷疑主義和獨(dú)立精神.但在愛因斯坦之前,從未有人提出過以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)的科學(xué)的時(shí)空理論,來取代牛頓形而上學(xué)的絕對時(shí)空理論.實(shí)際上,牛頓的絕對時(shí)空理論并非是毫無經(jīng)驗(yàn)事實(shí)依據(jù)的無稽之論.絕對時(shí)空觀不但完全符合人們在日常生活中從未覺察到時(shí)間和空間本身有任何變化的直接感覺經(jīng)驗(yàn),而且在低速情況下也有其牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).因?yàn)樵诘退偾闆r下,由于時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的相對論效應(yīng)一般極其微小,不但測量不出來,也不產(chǎn)生任何影響,只有在接近光速的高速物理現(xiàn)象中相對論效應(yīng)才起著重要作用.正是由于這些原因,至19世紀(jì)末的二百多年內(nèi),牛頓的絕對時(shí)空和牛頓力學(xué)定律從未受到過任何實(shí)驗(yàn)事實(shí)的沖擊和挑戰(zhàn),可以圓滿地成功地應(yīng)用于行星運(yùn)動(dòng)以及一切宏觀物體的運(yùn)動(dòng),今天也仍然如此.因此,在過去二百年中,牛頓力學(xué)在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了令人矚目和驚異的偉大成就,一直被公認(rèn)為是全部物理學(xué)甚至是整個(gè)自然科學(xué)的統(tǒng)一基礎(chǔ).物理學(xué)家一直試圖把全部物理學(xué)都統(tǒng)一到力學(xué)框架內(nèi),從力學(xué)定律推導(dǎo)出一切物理學(xué)定律,由此建立對自然界的統(tǒng)一力學(xué)世界觀.但是,麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展,從根本上動(dòng)搖了力學(xué)作為全部物理學(xué)和自然科學(xué)牢固基礎(chǔ)的教條式信念.3 狹義相對論的偉大科學(xué)意義

狹義相對論的偉大科學(xué)意義愛因斯坦創(chuàng)立劃時(shí)代的狹義相對論的論文有一個(gè)樸實(shí)無華的簡單題目《論運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)》這也是當(dāng)時(shí)物理學(xué)界共同關(guān)心和研究的熱門課題.但只有愛因斯坦建立了全新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,才使這一問題圓滿解決.這篇論文也是科學(xué)史上最具有特色的論文,不但其科學(xué)內(nèi)容的革命性和創(chuàng)造性以及所展示的非凡物理洞察力和新思維是科學(xué)史上十分罕見的,而且其理論結(jié)構(gòu)也構(gòu)成了一個(gè)從最少基本原理出發(fā)的既完美又自洽一致的邏輯演繹體系.為此,愛因斯坦強(qiáng)調(diào)指出,狹義相對論體現(xiàn)了理論科學(xué)在現(xiàn)代發(fā)展的基本特征,也更接近于一切科學(xué)的偉大目標(biāo),即從最少的假設(shè)或者公理出發(fā),通過邏輯演繹方法,概括最多的經(jīng)驗(yàn)事實(shí).又指出,過去適用于科學(xué)發(fā)展早期的占主導(dǎo)地位的歸納法,正在讓位于探索性的演繹法.狹義相對論正是愛因斯坦倡導(dǎo)的邏緝演繹法的一個(gè)典范.現(xiàn)在演繹法已成現(xiàn)代理論物理學(xué)發(fā)展的主要模式.再者,其文體風(fēng)格也十分特殊,沒有引用任何參考文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為依據(jù),論文本身獨(dú)立成篇,結(jié)構(gòu)嚴(yán)密,邏輯清晰,無任何冗詞贅句,所用數(shù)學(xué)也不高深,至今仍是學(xué)習(xí)和了解狹義相對論的最佳入門文獻(xiàn).全文除開頭3段提要性的簡明引言外,主要分為運(yùn)動(dòng)學(xué)部分和電動(dòng)力學(xué)部分,每一部分又各分為5小節(jié),在形式上也是很對稱的.從論文的結(jié)構(gòu)明顯看出,愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論經(jīng)歷了主要兩個(gè)步驟:首先是使時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)(即時(shí)空度規(guī))適合光學(xué)和電磁現(xiàn)象以及麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)方程對運(yùn)動(dòng)的不變性和對稱性,由此發(fā)現(xiàn)了同時(shí)性、時(shí)間和空間對運(yùn)動(dòng)的相對性結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)對鐘和尺的影響,建立了全新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律.其次是使全部物理學(xué)適合新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,由此圓滿地解決了麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)及一切光學(xué)定律應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的問題,建立了簡明而又邏輯一致的運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué),推導(dǎo)出和發(fā)現(xiàn)了一系列新的運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)和電磁學(xué)定律以及電子在電磁場內(nèi)的運(yùn)動(dòng)定律.爾后又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量與能量的統(tǒng)一性及其相互轉(zhuǎn)化定律,以及在高速運(yùn)動(dòng)情況下對牛頓力學(xué)和熱力學(xué)等的相對論修正.從狹義相對論的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論推導(dǎo)出的最令人嘆為觀止,也最令人驚異的結(jié)論,就是最深刻地揭示了自然界最深層的一個(gè)極其神奇而又非常有趣的現(xiàn)象和規(guī)律:時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu)是一切自然界定律對相對運(yùn)動(dòng)保持其不變性和對稱性的基礎(chǔ),也是自然界因果關(guān)系成立的基礎(chǔ).沒有時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu),就沒看一切自然界定律對運(yùn)動(dòng)的不變性和對稱性,也沒有自然界的因果關(guān)系,反之亦然.正是兩者的辯證統(tǒng)一構(gòu)成和展示了自然界的和諧性和統(tǒng)一性.狹義相對論的偉大科學(xué)意義,已不言而喻.愛因斯坦一生潛心致力于研究自然界的基本規(guī)律.他對自然界定律的不變性和對稱性具有最堅(jiān)定的物理信念,最敏銳的物理直覺和最深刻的物理洞察力,一生對其鍥而不舍,孜孜不倦地探索和研究.他所取得的一系列突破性的偉大科學(xué)成就幾乎都與此有關(guān).正是由于他的倡導(dǎo)和研究,導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了對稱性和不變性在自然界起著一種至關(guān)重要的作用,守恒定律也與對稱性有關(guān),大大深化了我們對自然界對稱性結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),并且已發(fā)展成為對稱性決定相互作用的原理,即從某種對稱性出發(fā),推導(dǎo)出滿足這種對稱性的數(shù)學(xué)方程來發(fā)現(xiàn)自然界的規(guī)律.愛因斯坦的廣義相對論就是運(yùn)用對稱性原理要求更普遍的坐標(biāo)對稱性,并結(jié)合等效原理而取得了偉大成功的典范.現(xiàn)在對稱性原理已成為探索自然界規(guī)律的指導(dǎo)性原理之一,在各種場論、基本粒子物理學(xué)、原子和分子物理學(xué)、核物理學(xué)、晶體學(xué)和化學(xué)中都起著重要作用,已成為一種行之有效的方法,不斷取得了引人注目的成功.有些人認(rèn)為狹義相對論證明了世界上的一切事物都是相對的,沒有絕對的,只有相對真理,沒有絕對真理,這完全是一種誤解.實(shí)際上,狹義相對論只是相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論,只是證明了時(shí)間和空間是相對的,而不是絕對的,只是證明了正是時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu)保證了一切自然界定律對運(yùn)動(dòng)的不變性和對稱性,并沒有否定自然界定律的不變性和絕對性.因此愛因斯坦在最初幾年內(nèi)曾把狹義相對論稱之為不變性理論,又稱它為相對性原理,用以強(qiáng)調(diào)時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu).德國著名數(shù)學(xué)家克萊因也曾建議稱之為不變性理論,著名數(shù)學(xué)家韋耳也稱狹義相對論為

不變性和對稱性理論.愛因斯坦從1915年起才開始稱之為狹義相對論,以區(qū)別于廣義相對論.由此可以明顯看出狹義相對論的實(shí)質(zhì)是什么.但有些人望文生義得出了種種錯(cuò)誤結(jié)論,完全是一種誤解.也有一些別有用心的人故意對狹義相對論加以歪曲和利用,以達(dá)到其不可告人的目的.狹義相對論起源于光學(xué)和電磁實(shí)驗(yàn)以及麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)理論,也是麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)的繼續(xù)發(fā)展.由于麥克斯方程本身蘊(yùn)涵了時(shí)空的相對性,由此導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu),建立了適用于全部物理學(xué)和自然科學(xué)的新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律.因此它的偉大科學(xué)意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的范圍,涉及了全部物理學(xué)和自然科學(xué).正如愛因斯坦強(qiáng)調(diào)指出的,狹義相對論是一種原理性理論,推導(dǎo)出了一切自然界定律都必須滿足的限制性原理和數(shù)學(xué)條件,任何自然界定律都必須對相對論運(yùn)動(dòng)學(xué)定律保持其不變性和對稱性,為此愛因斯坦曾經(jīng)稱它類似于熱力學(xué)中的永動(dòng)機(jī)不可能原理.因此狹義相對論可以稱之為原理中的原理.愛因斯坦在其電動(dòng)力學(xué)論文及其后發(fā)表的另一篇短文中,應(yīng)用新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,研究了兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)的物理現(xiàn)象特別是光學(xué)和電磁現(xiàn)象,由于時(shí)間和空間的相對性結(jié)構(gòu),推導(dǎo)出和發(fā)現(xiàn)了自然界的一系列新奇定律,不但與經(jīng)典物理學(xué)截然不同,也超出人們感覺經(jīng)驗(yàn)的范圍,但卻是自然界的普遍規(guī)律,適用于全部物理學(xué)和自然科學(xué).從狹義相對論得出的自然界的普遍結(jié)論和規(guī)律有:

1)發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和空間與運(yùn)動(dòng)的相對性結(jié)構(gòu),證明了同時(shí)性、時(shí)間和空間都是相對的,而不是絕對的,由此建立了新的相對時(shí)空結(jié)構(gòu)理論及其新的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律.由于時(shí)空的相對性結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)的鐘會(huì)變慢,運(yùn)動(dòng)的尺會(huì)縮短,并且推導(dǎo)出了它們與運(yùn)動(dòng)和光速關(guān)系的定量定律.因此,每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系都有自己的時(shí)間和空間,而不存在絕對的時(shí)間和空間,從而徹底推翻了統(tǒng)治物理學(xué)已二百多年的牛頓的絕對時(shí)空理論.所有這些結(jié)論在接近光速的高速運(yùn)動(dòng)中與實(shí)驗(yàn)事實(shí)全不矛盾.但在低速情況下,時(shí)空相對性結(jié)構(gòu)效應(yīng)極其微小,不會(huì)產(chǎn)生任何可測量影響.2)著名數(shù)學(xué)家閔可夫斯基從狹義相對論的相對時(shí)空理論進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了四維連續(xù)時(shí)空及其幾何結(jié)構(gòu),證明了時(shí)間和空間的統(tǒng)一性和不可分割性.正如他強(qiáng)調(diào)指出的,狹義相對論的時(shí)間和空間概念是從實(shí)驗(yàn)物理學(xué)土壤中生長出來的,這就是其威力所在.這些觀點(diǎn)是根本性的.從今以后,孤立的時(shí)間和孤立的空間都已消失為陰影,只有兩者的統(tǒng)一才能保持其獨(dú)立的物理實(shí)在性.3)愛因斯坦在廣義相對論中把相對性原理從勻速運(yùn)動(dòng)推廣到勻加速運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)了四維彎曲時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)與引力的關(guān)系.引力是彎曲時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)的性質(zhì),宇宙中物質(zhì)引起時(shí)空彎曲構(gòu)成了引力,進(jìn)一步揭示了時(shí)間和空間與物質(zhì)(慣性)的關(guān)系,建立了新的引力場理論,使我們對引力本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí).由此預(yù)言了光線經(jīng)過太陽邊沿的引力彎曲以及光譜線的引力紅移,解開了長期困擾科學(xué)界的水星近日點(diǎn)異常進(jìn)動(dòng)之謎,且均已獲得觀測和實(shí)驗(yàn)證實(shí).在廣義相對論中,時(shí)間和空間己變成動(dòng)力學(xué)量,不但受到宇宙中物質(zhì)和能量分布及其運(yùn)動(dòng)的影響,反過來也影響物質(zhì)和能量分布及其運(yùn)動(dòng),從而共同構(gòu)成了一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體,沒有物質(zhì)也沒有時(shí)間和空間,反之亦然.正如愛因斯坦指出的,過去人們認(rèn)為世界上的所有物質(zhì)消失了,時(shí)間和空間依然存在,但廣義相對論則證明了物質(zhì)消失了,時(shí)間和空間也一起消失.但廣義相對論最偉大的科學(xué)成就則是建立了現(xiàn)代宇宙學(xué),開辟了科學(xué)地研究宇宙起源、演化及其結(jié)構(gòu)的廣闊途徑,由此發(fā)現(xiàn)了各種前所未知的新天體和新的天文現(xiàn)象,大大深化了我們對宇宙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí).過去認(rèn)為宇宙本質(zhì)上是一成不變的,但現(xiàn)在理論和觀測結(jié)果都證明了宇宙起源于大爆炸,在不斷膨脹和收縮,并不是靜止不變的.各種天體既有其開端,亦有其終結(jié).因此,廣義相對論已成為指導(dǎo)研究引力性質(zhì)和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的唯一正確理論.4)從狹義相對論得出的最具有深遠(yuǎn)意義和重大影響的結(jié)論,則是揭示了物體的慣性(質(zhì)量)與能量的同一性,由此發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化定律,即著名的質(zhì)能公式E=mc2(c為光速),它已成為代表愛因斯坦的特殊性標(biāo)志.證明了質(zhì)量與能量是等價(jià)的,質(zhì)量是其所含能量的量度,兩者能夠相互轉(zhuǎn)化.在經(jīng)典物理學(xué)中質(zhì)量與能量是各自獨(dú)立的,各有其單獨(dú)的守恒定律,而現(xiàn)在則統(tǒng)一成為不可分開的質(zhì)能守恒定律.質(zhì)能轉(zhuǎn)化定律已成為人類利用核能的理論基礎(chǔ),也是了解太陽日日夜夜,源源不斷地輻射龐大光能和熱能的唯一法門.當(dāng)前核能利用有兩種形式,一種是鈾核裂變能,是當(dāng)前核能利用的主要形式;另一種是氫核聚變能,雖然早已制成了氫彈,但實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)尚未成功.當(dāng)前各國科學(xué)家正在為實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)而共同努力,一旦成功,人類即可獲得充足的廉價(jià)的清潔能源,從而永遠(yuǎn)擺脫能源危機(jī).5)推導(dǎo)出了新的速度合成定律,不但證明了光速的不變性,也證明了光速是宇宙間的極限速度,任何物體速度都不能超過光速.兩個(gè)光速相加仍然等于光速.但當(dāng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí),相對論的速度合成定律則簡化為牛頓力學(xué)中的速度合成定律,證明了后者只是前者在低速情況下的一種近似,并不是自然界的精確定律.6)推導(dǎo)出了質(zhì)量隨速度增加定律.但在低速情況下,質(zhì)量增加極其微小,不可能測量出來,也不會(huì)產(chǎn)生任何影響,因此在牛頓力學(xué)中有單獨(dú)的質(zhì)量守恒定律.只有在接近光速的高速情況下,質(zhì)量隨速度增加才起著重要作用,不但理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合一致,而且已成為高能物理學(xué)實(shí)驗(yàn)必須考慮的重要因素.7)深化了我們對光和電磁現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí),使光和電磁場徹底擺脫了以太幽靈的困擾而成為獨(dú)立的物理實(shí)在和獨(dú)立的物質(zhì)形態(tài),由此不但消除了麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)與牛頓力學(xué)對相對運(yùn)動(dòng)的不對稱性矛盾,使兩者統(tǒng)一起來,而且也解決了麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)和一切光學(xué)定律應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的問題,并且推導(dǎo)出了一系列新的光學(xué)和電磁學(xué)定律以及電子在電磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)的定律,解決了力學(xué)、熱力學(xué)、分子和原子物理學(xué)、量子力學(xué)以及基本粒子物理學(xué)等應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)的問題,使物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域在相對時(shí)空結(jié)構(gòu)上有了統(tǒng)一的基礎(chǔ).以上只是愛因斯坦從狹義相對論得出的部分主要結(jié)論,但足已充分證明狹義相對論內(nèi)容的博大精深,令人嘆為觀止,堪稱為科學(xué)史上非常罕見的豐碑.狹義相對論由于只在接近光速的高速物理現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用,與我們?nèi)粘Ｉ詈透杏X經(jīng)驗(yàn)不發(fā)生任何聯(lián)系,廣大公眾往往對它存在某種神秘莫測之感,是完全可以理解的.又由于從它得出的結(jié)論往往超出了經(jīng)典物理學(xué)和人類感覺經(jīng)驗(yàn)的范圍,使人們難以理解,也一直不斷地引起各種爭論.但狹義相對論所依據(jù)的兩條基本原理,都是從大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)中發(fā)現(xiàn)的自然界的普遍原理,不但具有最牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),而且兩條原理簡單明了,人人能懂,并不玄妙.最為重要者,狹義相對論問世至今已一百多年,經(jīng)歷了各種嚴(yán)峻實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn),與實(shí)驗(yàn)事實(shí)全都不矛盾,而且在高能物理學(xué)、基本粒子物理學(xué)以及在高科技領(lǐng)域都有了廣泛的實(shí)際應(yīng)用.因此,狹義相對論已成為放諸四海而皆準(zhǔn)的顛撲不破的科學(xué)真理.

第二篇：大學(xué)物理I-1(力學(xué)與相對論練習(xí))

大學(xué)物理I-1練習(xí)（期中）（打*題選做）

A力 學(xué) 練習(xí)

一．選擇題

1．有一勁度系數(shù)為k的輕彈簧，原長為l0.下端固定在桌面，當(dāng)它上端放一托盤平衡時(shí)，其長

度變?yōu)閘1．然后在托盤中放一重物，彈簧長度變?yōu)閘2，則由l1縮短至l2的過程中，彈性力所

作的功為

(A)??kxdx．(B)?kxdx． ll11l2l

2??(C)

2．l0?l2l0?l1kxdx．(D)?l?l02l0?l1kxdx．［］

質(zhì)量為M的車以速度v0沿光滑水平地面直線前進(jìn)，車上的人將一質(zhì)量為m的物體相對于車以速度u豎直上拋，則此時(shí)車的速度v為：

(A)-v0．(B)v0．

(C)(M-m)v0/M．(D)(M-m)v0/m

［］

3．兩質(zhì)量分別為m1、m2的小球，用一勁度系數(shù)為k的輕彈簧相連，放在水平光滑桌面上，如圖所示．今以等值反向的力分別作用于兩小球，則兩小球和彈簧這系統(tǒng)的(A)動(dòng)量不守恒，機(jī)械能守恒．??m m(B)動(dòng)量不守恒，機(jī)械能不守恒.(C)動(dòng)量守恒，機(jī)械能守恒．

(D)動(dòng)量守恒，機(jī)械能不守恒.［］

4．質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度v沿一直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它對該直線上某一點(diǎn)的距離為d時(shí) , 則它

對此直線上該點(diǎn)的角動(dòng)量為__________．

(A)?m?d(B)0

(C)m?

5.?(D)?m?d［］

?如圖所示，質(zhì)量為m的子彈以水平速度v0射入靜止的木 塊并陷入木塊內(nèi)，設(shè)子彈入射過程中木塊M不反彈，則墻壁 對木塊的沖量為：

(A)-M?0(B)0 ?

(C)

-m?0(D)??m?0［］

在相對地面靜止的坐標(biāo)系內(nèi)，A、B二船都以2 m/s速率勻速行駛，A船沿x軸正向，B

??

船沿y軸正向．今在A船上設(shè)置與靜止坐標(biāo)系方向相同的坐標(biāo)系(x、y方向單位矢用i、j表示)，那么在A船上的坐標(biāo)系中，B船的速度（以m/s為單位）為

????

(A)2i＋2j．(B)?2i＋2j．

????

(C)－2i－2j．(D)2i－2j．［］

7．某物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為dv/dt??kvt，式中的k為大于零的常量．當(dāng)t?0時(shí)，初速為v0，則速度v與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系是

21kt?v0,(B)v??kt2?v0,221kt211kt21

??(C)?,(D)??［］

v2v0v2v0

(A)v?

8．豎直上拋一小球．若空氣阻力的大小不變，則球上升到最高點(diǎn)所需用的時(shí)間，與從最高點(diǎn)下降到原位置所需用的時(shí)間相比

(A)前者長．(B)前者短．(C)兩者相等．(D)無法判斷其長短．［］ 9．

一質(zhì)點(diǎn)在如圖所示的坐標(biāo)平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，有一力???

F?F0(xi?yj)作用在質(zhì)點(diǎn)上．在該質(zhì)點(diǎn)從坐標(biāo)原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到(0，2R）

?

位置過程中，力F對它所作的功為

(A)F0R．(B)2F0R．

(C)3F0R．(D)4F0R．［］

二．填空題 1.A、B二彈簧的勁度系數(shù)分別為kA和kB，其質(zhì)量均忽略不計(jì)．今將二彈簧連接起來并豎直放置，如圖所示．當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，二彈簧的彈性勢能

EPA與EPB之比為.2．

如圖，在光滑水平桌面上，有兩個(gè)物體A和B緊靠在一起．它們 的質(zhì)量分別為mA＝3 kg，mB＝5kg．今用一水平力F＝8 N推物體A，則A推B的力等于______________．如用同樣大小的水平的力從右邊推B，則B推A的力等于___________________．*3．

繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪均勻地減速，t＝0時(shí)角速度為??0＝10 rad / s，t＝5 s時(shí)角

速度為? = 0.6??0，則飛輪的角加速度??＝______________，t＝0到 t＝20 s

時(shí)間內(nèi)飛輪所轉(zhuǎn)過的角度??＝___________________．

假如地球半徑縮短 0.5％，而它的質(zhì)量保持不變，則地球表面的重力加速度g

增大的百分比是______________．

*5．

質(zhì)量為m的小球，用輕繩AB、BC連接，如圖，其中AB水平．剪斷繩AB前后的瞬間，繩BC中的張力比 T : T′＝____________________．A6．

???

粒子B的質(zhì)量是粒子A的質(zhì)量的4倍，開始時(shí)粒子A的速度vA0?3i?4j,粒子B的???

速度vB0?2i?7j；在無外力作用的情況下兩者發(fā)生碰撞，碰后粒子A的速度變?yōu)?/p>

????

vA?3i?8j，則此時(shí)粒子B的速度vB＝______________．

7．有一質(zhì)量為m＝5 kg的物體，在0到10秒內(nèi)，受到如圖所示的變力F的作用．物體由靜止開始沿x軸正向運(yùn)動(dòng)，力的方向始終為x軸的正方向．則10秒內(nèi)變力F所做的功為____________．

三．計(jì)算題 1．

質(zhì)量為m=1g,速率為v=10m/s的小球，以入射角??

? 與墻壁相6

碰，又以原速率沿反射角?方向從墻壁彈回．設(shè)碰撞時(shí)間為?t=0.5s, 求墻

壁受到的平均沖力2．

??

質(zhì)量m＝3 kg的質(zhì)點(diǎn)在力F?12ti(SI)的作用下，從靜止出發(fā)沿x軸正向作直線運(yùn)動(dòng)，求前2秒內(nèi)該力所作的功． *3.某彈簧不遵守胡克定律.設(shè)施力F，相應(yīng)伸長為x，力與伸長的關(guān)系為F＝8x＋12x2（SI）求：

(1)將彈簧從伸長x1＝0.50 m拉伸到伸長x2＝1.00 m時(shí)，外力所需做的功．

(2)將彈簧橫放在水平光滑桌面上，一端固定，另一端系一個(gè)質(zhì)量為3 kg的物體，然后將彈簧拉伸到一定伸長x2＝1.00 m，再將物體由靜止釋放，求當(dāng)彈簧回到x1＝0.50 m時(shí)，物體的速率．

(3)此彈簧的彈力是保守力嗎？ 4．

???

2一質(zhì)量為1 kg的質(zhì)點(diǎn)，在xy平面上運(yùn)動(dòng)，受到外力F?4i?24tj(SI)的作用，t = 0

???

時(shí)，它的初速度為v0?3i?4j(SI)，求t = 1 s時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度.5．

設(shè)想有兩個(gè)自由質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)量分別為m1和m2，它們之間的相互作用符合萬有引力定

律．開始時(shí)，兩質(zhì)點(diǎn)間的距離為l，它們都處于靜止?fàn)顟B(tài)，試求當(dāng)它們的距離變?yōu)閘時(shí)，兩質(zhì)點(diǎn)的速度各為多少？

3B相對論練習(xí)

一、選擇題 1.一火箭的固有長度為L，相對于地面作勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度為v 1，火箭上有一個(gè)人從火箭的后端向火箭前端上的一個(gè)靶子發(fā)射一顆相對于火箭的速度為v 2的子彈．在火箭上測得子彈從射出到擊中靶的時(shí)間間隔是：(c表示真空中光速)(A)

LL

．(B)．

2v1?v2v1?(v1/c)

(C)

LL

．(D)．［］

v2?v1v

22.宇宙飛船相對于地面以速度v作勻速直線飛行，某一時(shí)刻飛船頭部的宇航員向飛船尾部發(fā)出一個(gè)光訊號(hào)，經(jīng)過?t(飛船上的鐘)時(shí)間后，被尾部的接收器收到，則由此可知飛船的固有長度為(c表示真空中光速)(A)

c??t?(v/c)

(B)v·?t

(C)c·?t (D)c??t??(v/c)［］

3.兩個(gè)慣性系S和S′，沿x(x′)軸方向作勻速相對運(yùn)動(dòng).設(shè)在S′系中某點(diǎn)先后發(fā)生兩個(gè)事件，用靜止于該系的鐘測出兩事件的時(shí)間間隔為?0?，而用固定在S系的鐘測出這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為??．又在S′系x′軸上放置一靜止于是該系, 長度為l0的細(xì)桿，從S系測得此桿的長度為l, 則

(A)?? < ?0；l < l0．(B)?? > ?0；l < l0．

(C)?? > ?0；l > l0．(D)?? < ?0；l > l0．［］

*4.根據(jù)相對論力學(xué)，動(dòng)能為0.511 MeV的電子，其運(yùn)動(dòng)速度約等于(A)0.1c(B)0.5 c

(C)0.76 c(D)0.87 c［］(c表示真空中的光速，電子的靜能m0c2 = 0.51 MeV)5.令電子的速率為v，則電子的動(dòng)能EK對于比值v / c的圖線可用下列圖中哪一個(gè)圖表示？（c表示真空中光速）

/c

/c /c

/c

［］

6.設(shè)某微觀粒子的總能量是它的靜止能量的K倍，則其運(yùn)動(dòng)速度的大小為(以c表示真空中的光速)

cc ．(B)?K2．K?1Kcc

(C)K(K?2)．(D)K2?1．［］

K?1K

(A)

二填空題 1.以速度v相對于地球作勻速直線運(yùn)動(dòng)的恒星所發(fā)射的光子，其相對于地球的速度的大小為______．2.已知慣性系S＇相對于慣性系S系以 0.８ c的勻速度沿x軸的正方向運(yùn)動(dòng)，若從S＇系的坐標(biāo)原點(diǎn)O＇沿x軸正方向發(fā)出一光波，則S系中測得此光波在真空中的波速為____________________________________．3.???????

-?+介子是不穩(wěn)定的粒子，在它自己的參照系中測得平均壽命是2.6×108 s，如果它相對于實(shí)驗(yàn)室以0.8 c(c為真空中光速)的速率運(yùn)動(dòng)，那么實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測得的?+介子的壽命是______________________s.三、計(jì)算題

1、-地球的半徑約為R0 = 6376 km，它繞太陽的速率約為v?30 km·s1，在太陽參考系中測量地球的直徑在哪個(gè)方向上縮短得最多？縮短了多少？(假設(shè)地球相對于太陽系來說近似于慣性系)2.要使電子的速度從v1 =1.0×108 m/s增加到v2 =2.0×108 m/s必須對它作多少功？(電子靜止質(zhì)量me ＝9.11×10-31 kg)

第三篇：大學(xué)物理小論文相對論的時(shí)空觀念

北航物理小論文

之

相對論的時(shí)空觀念

作者：

學(xué)號(hào)：

班級：

摘要...........3

一、光速有限、電磁場理論與以太理論........3

1.光速有限的發(fā)現(xiàn)..........3

2.電磁場理論與牛頓理論的沖突...........3

3.以太理論的提出與失敗..........4

二、經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀.............4

1.時(shí)間空間獨(dú)立存在..............4

2.時(shí)間與空間是絕對的............4

3.不存在靜止的絕對標(biāo)準(zhǔn)..........5

三、相對論的時(shí)空觀...........5

1.時(shí)空是不可分割的........5

2.四維時(shí)空觀.............5

3.空間與時(shí)間可彎曲........6

四、小結(jié).............6

摘要 介紹相對論提出的時(shí)代背景與歷史意義，重點(diǎn)闡述其對絕對時(shí)空觀的沖擊與影響。愛因斯坦以光速不變原理出發(fā)，建立了新的時(shí)空觀，對當(dāng)時(shí)的科學(xué)界中的以太理論產(chǎn)生了巨大的沖擊。相對論不僅撥開了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的陰云，還將物理大廈的構(gòu)建提升到了一個(gè)新的階段。本文將重點(diǎn)介紹其對時(shí)空觀的影響。

關(guān)鍵詞：相對論、時(shí)空觀

一、光速有限、電磁場理論與以太理論

1.光速有限的發(fā)現(xiàn)

1676年丹麥天文學(xué)家歐爾·克里斯琴森·羅默首次發(fā)現(xiàn)，光以有限但非常高的速度行進(jìn)。羅默通過觀測木星衛(wèi)星的月食，發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星的月食并沒有以相等的時(shí)間間隔發(fā)生。羅默就這一現(xiàn)象給出了一種解釋。如果以光以有限速度行進(jìn)，我們將在每次月食發(fā)生之后的某一時(shí)間看到它。如果木星不改變離開地球的距離，那么每次月食延遲的時(shí)間相同。但是事實(shí)是，木星與地球的距離在運(yùn)動(dòng)中不斷的改變，因此光延遲的時(shí)間也就不相同。羅默利用這個(gè)延遲的時(shí)間差首次計(jì)算出光速。雖然他不能很精確的測量地球和木星之間的距離變化，測出的光速為每秒140000英里（現(xiàn)在我們認(rèn)為是每秒186000英里），但是他不僅證明了光以有限的速度行進(jìn)，而且測量了這個(gè)速度，成就無疑是卓越的。要知道，這些工作都是在牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之前11年進(jìn)行的。

2.電磁場理論與牛頓理論的沖突

1865年詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出了電磁場理論，他成功統(tǒng)一了那時(shí)描述電力和磁力部分理論，并且極大的推動(dòng)了光的波動(dòng)學(xué)說的發(fā)展。這時(shí)科學(xué)界才得到了電磁波傳播的正確理論。麥克斯韋在數(shù)學(xué)上證明了：這些電力和磁力不是有粒子之間相互直接作用而引起，而是每個(gè)電荷和電流在周圍空間產(chǎn)生一個(gè)長，場將力作用在位于那個(gè)空間內(nèi)的其他每一個(gè)電荷核電路上。他發(fā)現(xiàn)每一個(gè)單獨(dú)的場都攜帶電力和磁力，他把這個(gè)統(tǒng)一的力稱為電磁力，攜帶它的稱作電磁場。

麥克斯韋方程預(yù)言，在電磁場中如果產(chǎn)生波狀的微擾，這些微擾將以固定的速度前進(jìn)，正如池塘水面的漣漪一樣。他計(jì)算出這個(gè)速度后，發(fā)現(xiàn)竟然與光速一致。這就意味著電磁波與光波以某種固定的速度前進(jìn)。這就與牛頓理論中不存在靜止的絕對標(biāo)準(zhǔn)的觀點(diǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的分歧。在牛頓理論中，物體相對于地面的速度為參考系相對于地面速度與物體相對于參考系速度之和，如果光速不變，那么這就意味著對于光速難以產(chǎn)生一致的意見。

3.以太理論的提出與失敗

為了讓麥克斯韋理論與牛頓的經(jīng)典物理學(xué)“和諧共處”，人們猜測存在一種稱為“以太”的物質(zhì)，它無處不在，甚至于存在在真空的宇宙空間中。而以太則是光傳播的一種介質(zhì)（現(xiàn)在認(rèn)為光不需要傳播介質(zhì)）。根據(jù)以太理論，從麥克斯韋方程推出的光速是相對以太的速度，而不是相對于實(shí)際觀測者的速度。按照這一觀點(diǎn)，不同的觀測者會(huì)發(fā)現(xiàn)光以不同的速度設(shè)想他們，但是光相對于以太的速度保持不變。于是，當(dāng)時(shí)人們便開始尋找在實(shí)驗(yàn)中測的光速的方法。

1887年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷做了一個(gè)非常精細(xì)而且困難的實(shí)驗(yàn)。邁克爾遜和莫雷將干涉儀裝在十分平穩(wěn)的大理石上，并讓大理石漂浮在水銀槽上，可以平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。并當(dāng)整個(gè)儀器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連續(xù)讀數(shù),這時(shí)該儀器的精確度為0.01% ,即能測到1/100條條紋移動(dòng)，用該儀器測條紋移動(dòng)應(yīng)該是很容易的。邁克爾遜和莫雷設(shè)想：如果讓儀器轉(zhuǎn)動(dòng)90度，光通過OM1、OM2的時(shí)間差應(yīng)改變，干涉條紋要發(fā)生移動(dòng)，從實(shí)驗(yàn)中測出條紋移動(dòng)的距離，就可以求出地球相對以太的運(yùn)動(dòng)速度，從而證實(shí)以太的存在。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是:未發(fā)現(xiàn)任何條紋移動(dòng)。

在1887到1905年，科學(xué)家們想要挽回以太理論的失敗。然而卻都以失敗告終。這時(shí)候，阿爾伯特·愛因斯坦在他的論文中提出，只要人們愿意拋棄絕對時(shí)空的觀念，以太理論完全是多余的。

二、經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀

1.時(shí)間空間獨(dú)立存在經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和相間與物體的運(yùn)動(dòng)是無關(guān)的，是獨(dú)立存在的，時(shí)間記錄著物體的運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而空間是提供了物體運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。在牛頓時(shí)空觀中，時(shí)間和空間是互不關(guān)聯(lián)的，空間僅僅是“盛放物質(zhì)的容器”。在不同時(shí)間的兩個(gè)事件可以確定是否在空間的相同位置上，而且牛頓相信人們可以毫無歧義的測量兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔，只要使用好的時(shí)鐘，不管觀測者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何，這個(gè)時(shí)間都是一樣的。這是被當(dāng)時(shí)的大多數(shù)科學(xué)家都作為常識(shí)來看待的，同樣，根據(jù)牛頓物理學(xué)的時(shí)空觀，只要確定了物體三維坐標(biāo)，便可以確定物體的位置。在牛頓的經(jīng)典物理學(xué)中，時(shí)間與空間是相互獨(dú)立的。

2.時(shí)間與空間是絕對的在牛頓的理論中，空間是絕對的，平坦的，時(shí)間則是絕對的，勻速的。不管觀測者如何運(yùn)動(dòng)，時(shí)間始終以同樣的速度流逝。牛頓絕對時(shí)空觀承認(rèn)時(shí)間和空間的客觀性，但卻把時(shí)間和空間看作是脫離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而獨(dú)立存在的。這在當(dāng)時(shí)就引起了一些科學(xué)家和哲學(xué)家的思考和懷疑。特別是電磁理論的發(fā)展和十九世紀(jì)中葉麥克斯韋方程建立后，絕對時(shí)空觀更面臨著嚴(yán)峻的局面。按麥?zhǔn)戏匠讨写嬖诘某?shù)c，表明電磁波或光在真空中沿各個(gè)方向均以不變的速度c傳播，這與伽利略相對性原理發(fā)生了矛盾。因?yàn)閾?jù)絕對時(shí)空觀的經(jīng)典速度合成定理，在不同慣性系中，光的傳播速度不應(yīng)在各個(gè)方向均相同。

3.不存在靜止的絕對標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)伽利略相對性原理，物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)是相對的，沒有一個(gè)物體可以相對所有參考系都是靜止的，同樣，絕對靜止的參考系是不存在的，但是存在絕對運(yùn)動(dòng)。從某種意義上來說，不存在靜止的絕對標(biāo)準(zhǔn)在暗示著觀測者無法確定不同時(shí)間發(fā)生的事件是不是在同一個(gè)空間位置上，已經(jīng)略有些否定絕對空間的意味，但是牛頓對他的理論的這一觀點(diǎn)一直帶有排斥態(tài)度，因此在很長時(shí)間內(nèi)人們對這一觀點(diǎn)都沒有太過重視。

舉一個(gè)例子，一輛行動(dòng)的列車上，一個(gè)乒乓球落在了車廂里，在車到站后，在車廂內(nèi)的觀測者可能就會(huì)認(rèn)為球落在地面上發(fā)生在車廂某一點(diǎn)上，而車廂外的觀測者就可能認(rèn)為球落在車行駛過程中時(shí)的一點(diǎn)上，這樣倆者就球的落點(diǎn)就很難達(dá)成一致。因此暗示了否定決定空間。

三、相對論的時(shí)空觀

1.時(shí)空是不可分割的相對論中認(rèn)為，時(shí)空是緊密相連的一個(gè)整體，時(shí)間的流逝狀況、空間的彎曲程度都與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，就此引出了四維時(shí)空。

馬赫和休謨的哲學(xué)對愛因斯坦影響很大。馬赫認(rèn)為時(shí)間和空間的量度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。時(shí)空的觀念是通過經(jīng)驗(yàn)形成的。絕對時(shí)空無論依據(jù)什么經(jīng)驗(yàn)也不能把握。休謨更具體的說：空間和廣延不是別的，而是按一定次序分布的可見的對象充滿空間。而時(shí)間總是又能夠變化的對象的可覺察的變化而發(fā)現(xiàn)的。1905年愛因斯坦指出，邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)實(shí)際上說明關(guān)于“以太”的整個(gè)概念是多余的，光速是不變的。而牛頓的絕對時(shí)空觀念是錯(cuò)誤的。不存在絕對靜止的參照物，時(shí)間測量也是隨參照系不同而不同的。他用光速不變和相對性原理提出了洛侖茲變換。

2.四維時(shí)空觀

目前為止，我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維，即三維空間加一維時(shí)間?，F(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思，只有數(shù)學(xué)意義，在此不做討論。

四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實(shí)空間，至少現(xiàn)在我們還無法感知。一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關(guān)系。四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢。另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場和磁場

用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場張量來描述。四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的?？梢哉f至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。

3.空間與時(shí)間可彎曲

1919年5月29日在地球上的一些地區(qū)發(fā)生日全食，A.S.愛丁頓和F.戴森率領(lǐng)的兩個(gè)探測小組分赴西非的普林西北島和巴西的索勃拉市拍攝日全食太陽附近的星空照片，與太陽不在這一天區(qū)的星空照片相比較，得出的光線偏折值分別為1.61″±0.40和1.98″±0.16，與愛因斯坦的理論預(yù)言符合得很好，曾引起世界的轟動(dòng)。以后幾乎每逢有便于進(jìn)行日全食觀測時(shí)，各國的天文學(xué)家都要作此項(xiàng)觀測。20世紀(jì)70年代以后，射電天文學(xué)的進(jìn)展，在射電波段進(jìn)行觀測，觀測精度更為提高，觀測結(jié)果與理論預(yù)言符合得更好。

這一觀測現(xiàn)象證明，引力場可引起空間的彎曲，從而導(dǎo)致光線偏折。而根據(jù)光錐這一模型，我們了解到光錐內(nèi)部事件傳播速度是低于光速的，而光錐外部事件傳播速度是高于光速的，根據(jù)光速不變理論，光錐外面的傳播速度似乎是不可發(fā)生的，但在強(qiáng)引力的作用下，時(shí)空會(huì)發(fā)生扭曲，或許從空間的某一參考系就能看到出現(xiàn)光錐外側(cè)的速度。這或許就為空間扭曲，時(shí)空倒流提供了一種思考。

四、小結(jié)

通過這次物理小論文的撰寫，我了解到了許多從課本上了解不到的關(guān)于相對論的知識(shí)，對相對論的時(shí)空觀有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。相對論作為近代物理的一個(gè)重要理論，其時(shí)空觀必將在解決現(xiàn)代理論物理學(xué)諸多問題上產(chǎn)生積極的影響，對黑洞等問題的探討也必將在其時(shí)空觀的指引下繼續(xù)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

1.《時(shí)間簡史(插圖本)》，史蒂芬·霍金，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2011年9月

2.《相對論》，阿爾伯特·愛因斯坦，江蘇人民出版社，2011年3月

3.《大學(xué)物理通用教程·近代物理》，陳熙牟，北京大學(xué)出版社，2009年7月

第四篇：大學(xué)物理總結(jié)

大學(xué)物理總結(jié)

--1603012022 陳軍

物理學(xué)學(xué)習(xí)是一次充滿迷茫、艱難探索、循序漸進(jìn)的長途旅行,對物理概念、物理定律和物理思想的理解要經(jīng)過反復(fù)思索、逐步加深、直到頓悟的漫長過程。學(xué)習(xí)大學(xué)物理，我們從開始就會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多概念和定律在中學(xué)都曾學(xué)習(xí)過，也有了一定的理解，遇到的一些問題也能用中學(xué)物理方法解決，這種不斷重復(fù)、逐步深化的方式本是學(xué)習(xí)物理學(xué)的常用方法。但這種方法易使我們產(chǎn)生輕敵思想，誤以為學(xué)習(xí)大學(xué)物理不難，對概念的理解、方法的掌握、物理思想的確立以及物理問題的處理思路習(xí)慣于停留在中學(xué)水平，忽視了對知識(shí)體系和思想體系的深入思考，慢慢地感到學(xué)習(xí)越來越困難，逐漸失去了對物理課的興趣，也就不可能有好的學(xué)習(xí)效果。因此，需要特別提醒的是，我們從開始就要十分重視對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，不僅要投入足夠的時(shí)間和精力，而且要掌握正確的學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)物理關(guān)鍵在于多思考，搞清楚其中的原理。學(xué)習(xí)物理不是簡單的套用公式，進(jìn)行數(shù)字推導(dǎo)；物理知識(shí)重要的是要掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)。要對基本物理概念、物理規(guī)律清楚弄清本質(zhì)，明白相關(guān)概念和規(guī)律之間的聯(lián)系，明白物理公式定理、定律在什么條件下應(yīng)用,而不能簡單地以做習(xí)題對基本概念和基本規(guī)律的學(xué)習(xí)和理解，如果概念不清做題不僅費(fèi)時(shí)間費(fèi)精力，而且遇到的矛盾或困惑就越多.做習(xí)題的目的是為了鞏固基本知識(shí)，從而達(dá)到靈活運(yùn)用。所以上課時(shí)是最重要的。這就是我學(xué)習(xí)大學(xué)物理的體會(huì)。

與學(xué)習(xí)任何課程一樣，學(xué)習(xí)大學(xué)物理也要牢牢抓住課前預(yù)習(xí)、課堂聽講、做好筆記、理解例題、課后復(fù)習(xí)（包括完成作業(yè)）和考前復(fù)習(xí)這幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。課前預(yù)習(xí)就是粗略瀏覽將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，目的在于明確課堂上必須重點(diǎn)解決的問題；課堂聽講就是要學(xué)習(xí)老師引出物理概念的目的、建立物理模型的思路、描述物理現(xiàn)象的方式、演繹物理原理的程序、解釋物理定律的思想、分析物理問題的過程、解決物理問題的方法。在課堂上最重要的是學(xué)習(xí)物理思想和物理方法，同時(shí)以提綱的形式記錄下老師授課的全過程，重點(diǎn)記錄課本上沒有的內(nèi)容和自己覺得重要的東西，以備查閱。講解例題是課堂教學(xué)的重要組成部分，學(xué)習(xí)例題也是 學(xué)會(huì)應(yīng)用理論的開始。教師通過對例題的分析和求解，一方面是要教會(huì)學(xué)生求解某一類題目的方法，另一方面是要培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，而更為重要的是要加深學(xué)生對基本理論的理解、提高應(yīng)用理論解決實(shí)際問題的能力。每個(gè)例題都是一個(gè)物理模型，物理題實(shí)際上已知模型的拓展和變化。如何懂一道題通一類題，剖開題目表面找到問題所在是我們學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。課后復(fù)習(xí)（包括完成作業(yè)）就是所謂的“把書讀厚”，既要全面回顧課堂聽講的過程和所學(xué)內(nèi)容，又要憑借記憶和查閱課本，把提綱式課堂筆記補(bǔ)充為詳細(xì)筆記，并寫下自己的思考體會(huì)，還要理清知識(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)以及解決某類物理問題的步驟和技巧，更要在完成作業(yè)的過程中鞏固所學(xué)知識(shí)、解決發(fā)現(xiàn)存在的問題?？记皬?fù)習(xí)就是所謂的“把書再讀薄”，此時(shí)的重點(diǎn)不在于記憶概念、定律和結(jié)論，而在于理清課程體系和知識(shí)框架、獨(dú)特的研究方法和思想模式、常見問題的處理流程和技巧、常用的數(shù)學(xué)知識(shí)，當(dāng)然還要查漏補(bǔ)缺。

當(dāng)然在大學(xué)學(xué)習(xí)物理不打你有文化課要學(xué)習(xí)，我們還有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)要做，這是在加強(qiáng)我們的動(dòng)手能力，所以在大一下學(xué)期開始，每一次實(shí)驗(yàn)，我們都要預(yù)習(xí)，寫好預(yù)習(xí)報(bào)告?；旧鲜峭ㄟ^看大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材，了解本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，并把它們寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊上，每次總要幾乎都寫不下，都要加好幾頁紙。雖然有時(shí)候我們不情愿寫，但是后來想想還是值得的，因?yàn)轭A(yù)習(xí)是這一步，很重要，它關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成敗。我覺得我自己準(zhǔn)備還是比較充分的，所以很多時(shí)候我都能順利地完成實(shí)驗(yàn)。在這些準(zhǔn)備的同時(shí)我們還需要學(xué)會(huì)共同學(xué)習(xí)，科學(xué)家很少獨(dú)立進(jìn)行研究，他們更多的是在團(tuán)隊(duì)中合作工作。如果能與同學(xué)或老師經(jīng)常面對面或通過互聯(lián)網(wǎng)等形式進(jìn)行交流，甚至參與老師的科研項(xiàng)目，或者與同學(xué)組成學(xué)習(xí)小組共同學(xué)習(xí)，那么將會(huì)收獲更多的知識(shí)和樂趣。

我在平時(shí)盡量要求自己，爭取每節(jié)課后提出一個(gè)問題。如果沒有問題，也可以在老師身邊聽聽其它同學(xué)有什么問題。有一些問題可能折射出我們在某個(gè)知識(shí)點(diǎn)上的欠缺，所以問問題是必要的查漏補(bǔ)缺環(huán)節(jié)。另外，經(jīng)常逛逛物理學(xué)習(xí)交流論壇，參與問題討論也是件很有樂趣的事。

總之，知之者不如好之者，好之者不如樂之者。態(tài)度決定一切，細(xì)節(jié)決定成敗。大學(xué)學(xué)習(xí)是人生事業(yè)的真正開始，每一門課程內(nèi)容都是專業(yè)知識(shí)體系的有機(jī)組成部分。我們作為學(xué)生，應(yīng)該端正學(xué)習(xí)態(tài)度，濃厚學(xué)習(xí)興趣，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，重視對所有課程的學(xué)習(xí)，投入足夠的精力和時(shí)間，在每一門課程的學(xué)習(xí)中取得最大收獲，充實(shí)地度過大學(xué)這段寶貴時(shí)光。并且我們在學(xué)習(xí)大學(xué)物理的過程中我們應(yīng)該踏踏實(shí)實(shí)，不要出現(xiàn)哪些三天打魚，兩天曬網(wǎng)的事，一步一個(gè)腳印相信你會(huì)很快掌握其中的知識(shí)，在一步的在學(xué)習(xí)的道路上走得更遠(yuǎn)，讓我們共同體會(huì)物理學(xué)家愛因斯坦的名言：發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲取專業(yè)知識(shí)放在首位。

最后我想說大學(xué)物理做為一門基礎(chǔ)學(xué)科，即使我們認(rèn)為它對于自己的專業(yè)用處不，但 我們也應(yīng)該好好學(xué)，這也是一門學(xué)術(shù)上的修養(yǎng)的一種培養(yǎng)。態(tài)度決定一切，細(xì)節(jié)決成敗。大學(xué)學(xué)習(xí)是人生事業(yè)的真正開始，每一門課程內(nèi)容都是專業(yè)知識(shí)體系的有機(jī)成部分。我們作為學(xué)生，應(yīng)該端正學(xué)習(xí)態(tài)度，濃厚學(xué)習(xí)興趣，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，重視對所有課程的學(xué)習(xí)，入足夠的精力和時(shí)間，在每一門課程的學(xué)習(xí)中取得最大收獲，充實(shí)地度過大學(xué)這段寶時(shí)光。

第五篇：大學(xué)物理總結(jié)

大學(xué)物理課程總結(jié)

本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了大學(xué)物理這門課，主要是電學(xué)中的電磁感應(yīng)以及熱學(xué)與光學(xué)?？v觀這學(xué)期的內(nèi)容，我對光學(xué)的內(nèi)容比較感興趣。課程總結(jié)就主要圍繞它來說吧。

光學(xué)這一部分主要分：振動(dòng)、波動(dòng)、光的干涉、光的衍射以及光的偏振。內(nèi)容彼此聯(lián)系。前面是基礎(chǔ)，后面是詳細(xì)講。我主要想就一點(diǎn)，半波損失來簡單談一談。

所謂的半波損失，就是光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)反射過程中，如果反射光在離開反射點(diǎn)時(shí)的振動(dòng)方向相對于入射光到達(dá)入射點(diǎn)時(shí)的振動(dòng)方向恰好相反，這種現(xiàn)象叫做半波損失。

從一般人的認(rèn)識(shí)中，反射應(yīng)該是不會(huì)改變的。但事實(shí)并非如此。從波動(dòng)理論知道，波的振動(dòng)方向相反相當(dāng)于波多走（或少走）了半個(gè)波長的光程。入射光在光疏媒質(zhì)中前進(jìn)，遇到光密媒質(zhì)界面時(shí)，在掠射或垂直入射2種情況下，在反射過程中產(chǎn)生半波損失，這只是對光的電場強(qiáng)度矢量的振動(dòng)而言。如果入射光在光密媒質(zhì)中前進(jìn)，遇到光疏媒質(zhì)的界面時(shí)，不產(chǎn)生半波損失。不論是掠射或垂直入射，折射光的振動(dòng)方向相對于入射光的振動(dòng)方向，永遠(yuǎn)不發(fā)生半波損失。在大學(xué)物理光學(xué)這一部分，光的干涉現(xiàn)象是有關(guān)光的現(xiàn)象中的很重要的一部分，而只要涉及到光的干涉現(xiàn)象，半波損失就是一個(gè)不得不考慮的問題。

光在反射時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生半波損失呢？通過查閱資料以及結(jié)合老師所講，這是和光的電磁本性有關(guān)的，可通過菲涅耳公式來解釋。由于知識(shí)有限，菲涅耳公式?jīng)]有深入了解，就不做理論證明了。

光在不同介質(zhì)表面反射時(shí)，在入射點(diǎn)處，反射光相對于入射光來說，可能存在半波損失，半波損失可以通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——干涉花樣——來得到驗(yàn)證。

在洛埃鏡實(shí)驗(yàn)中，如果將屏幕挪進(jìn)與洛埃鏡相接觸。接觸處兩束相干波的波程差為零，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接觸處不是明條紋，而是暗條紋。這一事實(shí)說明洛埃鏡實(shí)驗(yàn)中，光線自空氣射向平面鏡并在平面鏡上反射后有了量值為π的位相突變，這也相當(dāng)于光程差突變了半個(gè)波長。從而實(shí)驗(yàn)上證明了半波損失的存在。

半波損失理論在實(shí)踐生活中有很重要的應(yīng)用，如：檢查光學(xué)元件的表面，光學(xué)元件的表面鍍膜、測量長度的微小變化以及在工程技術(shù)方面有廣泛的應(yīng)用。

這些只是我對半波損失的一些粗淺認(rèn)識(shí)，在以后的學(xué)習(xí)中，無論是通過網(wǎng)絡(luò)資源還是書本，還會(huì)對它有更加深入的了解。對于厚厚的大學(xué)物理書，我深知有許多還沒學(xué)好的知識(shí)，雖然這門課這學(xué)期就要結(jié)束了，但它作為基礎(chǔ)學(xué)科，里面涉及的許多知識(shí)都將讓我終生受益。