大学物理小论文相对论的时空观念

第一篇：大学物理小论文相对论的时空观念

北航物理小论文

之

相对论的时空观念

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班级：

摘要...........3

一、光速有限、电磁场理论与以太理论........3

1.光速有限的发现..........3

2.电磁场理论与牛顿理论的冲突...........3

3.以太理论的提出与失败..........4

二、经典物理学的时空观.............4

1.时间空间独立存在..............4

2.时间与空间是绝对的............4

3.不存在静止的绝对标准..........5

三、相对论的时空观...........5

1.时空是不可分割的........5

2.四维时空观.............5

3.空间与时间可弯曲........6

四、小结.............6

摘要 介绍相对论提出的时代背景与历史意义，重点阐述其对绝对时空观的冲击与影响。爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观，对当时的科学界中的以太理论产生了巨大的冲击。相对论不仅拨开了迈克尔逊-莫雷实验的阴云，还将物理大厦的构建提升到了一个新的阶段。本文将重点介绍其对时空观的影响。

关键词：相对论、时空观

一、光速有限、电磁场理论与以太理论

1.光速有限的发现

1676年丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·罗默首次发现，光以有限但非常高的速度行进。罗默通过观测木星卫星的月食，发现木星卫星的月食并没有以相等的时间间隔发生。罗默就这一现象给出了一种解释。如果以光以有限速度行进，我们将在每次月食发生之后的某一时间看到它。如果木星不改变离开地球的距离，那么每次月食延迟的时间相同。但是事实是，木星与地球的距离在运动中不断的改变，因此光延迟的时间也就不相同。罗默利用这个延迟的时间差首次计算出光速。虽然他不能很精确的测量地球和木星之间的距离变化，测出的光速为每秒140000英里（现在我们认为是每秒186000英里），但是他不仅证明了光以有限的速度行进，而且测量了这个速度，成就无疑是卓越的。要知道，这些工作都是在牛顿的《自然哲学的数学原理》之前11年进行的。

2.电磁场理论与牛顿理论的冲突

1865年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了电磁场理论，他成功统一了那时描述电力和磁力部分理论，并且极大的推动了光的波动学说的发展。这时科学界才得到了电磁波传播的正确理论。麦克斯韦在数学上证明了：这些电力和磁力不是有粒子之间相互直接作用而引起，而是每个电荷和电流在周围空间产生一个长，场将力作用在位于那个空间内的其他每一个电荷核电路上。他发现每一个单独的场都携带电力和磁力，他把这个统一的力称为电磁力，携带它的称作电磁场。

麦克斯韦方程预言，在电磁场中如果产生波状的微扰，这些微扰将以固定的速度前进，正如池塘水面的涟漪一样。他计算出这个速度后，发现竟然与光速一致。这就意味着电磁波与光波以某种固定的速度前进。这就与牛顿理论中不存在静止的绝对标准的观点产生了严重的分歧。在牛顿理论中，物体相对于地面的速度为参考系相对于地面速度与物体相对于参考系速度之和，如果光速不变，那么这就意味着对于光速难以产生一致的意见。

3.以太理论的提出与失败

为了让麦克斯韦理论与牛顿的经典物理学“和谐共处”，人们猜测存在一种称为“以太”的物质，它无处不在，甚至于存在在真空的宇宙空间中。而以太则是光传播的一种介质（现在认为光不需要传播介质）。根据以太理论，从麦克斯韦方程推出的光速是相对以太的速度，而不是相对于实际观测者的速度。按照这一观点，不同的观测者会发现光以不同的速度设想他们，但是光相对于以太的速度保持不变。于是，当时人们便开始寻找在实验中测的光速的方法。

1887年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷做了一个非常精细而且困难的实验。迈克尔逊和莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上，并让大理石漂浮在水银槽上，可以平稳地转动。并当整个仪器缓慢转动时连续读数,这时该仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条条纹移动，用该仪器测条纹移动应该是很容易的。迈克尔逊和莫雷设想：如果让仪器转动90度，光通过OM1、OM2的时间差应改变，干涉条纹要发生移动，从实验中测出条纹移动的距离，就可以求出地球相对以太的运动速度，从而证实以太的存在。但实验结果是:未发现任何条纹移动。

在1887到1905年，科学家们想要挽回以太理论的失败。然而却都以失败告终。这时候，阿尔伯特·爱因斯坦在他的论文中提出，只要人们愿意抛弃绝对时空的观念，以太理论完全是多余的。

二、经典物理学的时空观

1.时间空间独立存在经典时空观认为时间和相间与物体的运动是无关的，是独立存在的，时间记录着物体的运动过程和运动状态，而空间是提供了物体运动的舞台。在牛顿时空观中，时间和空间是互不关联的，空间仅仅是“盛放物质的容器”。在不同时间的两个事件可以确定是否在空间的相同位置上，而且牛顿相信人们可以毫无歧义的测量两个事件之间的时间间隔，只要使用好的时钟，不管观测者的运动状态如何，这个时间都是一样的。这是被当时的大多数科学家都作为常识来看待的，同样，根据牛顿物理学的时空观，只要确定了物体三维坐标，便可以确定物体的位置。在牛顿的经典物理学中，时间与空间是相互独立的。

2.时间与空间是绝对的在牛顿的理论中，空间是绝对的，平坦的，时间则是绝对的，匀速的。不管观测者如何运动，时间始终以同样的速度流逝。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。这在当时就引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。特别是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。

3.不存在静止的绝对标准

根据伽利略相对性原理，物体运动的状态是相对的，没有一个物体可以相对所有参考系都是静止的，同样，绝对静止的参考系是不存在的，但是存在绝对运动。从某种意义上来说，不存在静止的绝对标准在暗示着观测者无法确定不同时间发生的事件是不是在同一个空间位置上，已经略有些否定绝对空间的意味，但是牛顿对他的理论的这一观点一直带有排斥态度，因此在很长时间内人们对这一观点都没有太过重视。

举一个例子，一辆行动的列车上，一个乒乓球落在了车厢里，在车到站后，在车厢内的观测者可能就会认为球落在地面上发生在车厢某一点上，而车厢外的观测者就可能认为球落在车行驶过程中时的一点上，这样俩者就球的落点就很难达成一致。因此暗示了否定决定空间。

三、相对论的时空观

1.时空是不可分割的相对论中认为，时空是紧密相连的一个整体，时间的流逝状况、空间的弯曲程度都与物体的运动状态密切相关，就此引出了四维时空。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。

2.四维时空观

目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。

四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场

用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。

3.空间与时间可弯曲

1919年5月29日在地球上的一些地区发生日全食，A.S.爱丁顿和F.戴森率领的两个探测小组分赴西非的普林西北岛和巴西的索勃拉市拍摄日全食太阳附近的星空照片，与太阳不在这一天区的星空照片相比较，得出的光线偏折值分别为1.61″±0.40和1.98″±0.16，与爱因斯坦的理论预言符合得很好，曾引起世界的轰动。以后几乎每逢有便于进行日全食观测时，各国的天文学家都要作此项观测。20世纪70年代以后，射电天文学的进展，在射电波段进行观测，观测精度更为提高，观测结果与理论预言符合得更好。

这一观测现象证明，引力场可引起空间的弯曲，从而导致光线偏折。而根据光锥这一模型，我们了解到光锥内部事件传播速度是低于光速的，而光锥外部事件传播速度是高于光速的，根据光速不变理论，光锥外面的传播速度似乎是不可发生的，但在强引力的作用下，时空会发生扭曲，或许从空间的某一参考系就能看到出现光锥外侧的速度。这或许就为空间扭曲，时空倒流提供了一种思考。

四、小结

通过这次物理小论文的撰写，我了解到了许多从课本上了解不到的关于相对论的知识，对相对论的时空观有了一个初步的认识。相对论作为近代物理的一个重要理论，其时空观必将在解决现代理论物理学诸多问题上产生积极的影响，对黑洞等问题的探讨也必将在其时空观的指引下继续进行。

参考文献：

1.《时间简史(插图本)》，史蒂芬·霍金，湖南科学技术出版社，2011年9月

2.《相对论》，阿尔伯特·爱因斯坦，江苏人民出版社，2011年3月

3.《大学物理通用教程·近代物理》，陈熙牟，北京大学出版社，2009年7月

第二篇：大学物理 相对论总结

时间、空间与运动

———狭义相对论及其伟大科学意义

航空航天与力学学院 工程力学系 曹玉梦 1153410

前言:在这一学期的普通物理学课程中,我们开始学习现代物理学的相关知识,尤其是相对论和量子物理学部分,虽然有些难以理解但真的激起了我很大的探究兴趣.我在课下查阅了很多关于相对论的知识,在这学期即将结束的时候在这里做一下总结和梳理,并以此来表达我在着一个学期中对物理学学习的心得与体会.以下就是我对狭义相对论的学习梳理.爱因斯坦1905年创立的划时代的狭义相对论,发现了时间和空间与运动的相对性关系,建立了以实验事实为基础的适用于全部物理学和自然科学的新的相对时空理论及其新的运动学定律,从而彻底推翻了统治物理学已二百多年的牛顿的绝对时空理论,成为物理学、自然科学和哲学史上一次最伟大的科学革命.从狭义相对论的相对时空结构理论得出的最令人叹为观止,也最令人惊奇的结论,是最深刻地揭示了自然界最深层的一个极为神奇而又非常有趣的现象和基本规律:时空的相对性结构是一切自然界定律对相对运动保持其不变性和对称性的基础,也是自然界因果关系成立的基础.没有时空的相对性结构就没有自然界定律对运动的不变性和对称性,也没有自然界的因果关系,反之亦然.正是两者的辩证统一构成和展示了自然界的和谐性和统一性.有人认为狭义相对论证明了世界上的一切事物都是相对的,没有绝对的,只有相对真理,没有绝对真理,这完全是一种误解.狭义相对论只是相对时空结构理论,只是证明了时间和空间是相对性的,而不是绝对的,只是证明了正是时空的相对性结构保证了一切自然界定律对运动的不变性和对称性,并没有否定自然界定律的不变性和绝对性.为此,爱因斯坦在多年内一直把狭义相对论称之为相对性原理,用以强调时间和空间的相对性结构,1915年起才开始称之为狭义相对论,以区别于广义相对论.物理学的三大革命

19世纪末,由于实验和理论研究的深入发展,发现了一系列新的物理现象,诸如X射线、放射性、塞曼效应、电子等,利用已有的经典物理学理论无法作出解释,使物理学陷入了空前危机,也进入了一个新的革命性转折时期.因此,在20世纪初物理学相继发生了三次史无前例的伟大革命,这就是狭义相对论、广义相对论和量子论革命,革命性地改变了物理学的公理基础和概念结构.狭义相对论发现了时间和空间的相对性结构,建立了新的相对时空结构理论及其新的运动学定律,改变了人类对时间和空间的认识.广义相对论则揭示了四维弯曲时空几何结构与引力的关系,建立了新的引力场理论,由此建立了科学地研究宇宙起源、演化及其结构的现代宇宙学.量子论则深化了对物质微观结构的认识,建立了研究微观粒子运动规律的量子力学,有力地促进了分子和原子物理学、固体物理学、核物理学和基本粒子物理学以及化学等学科的飞跃发展.三大革命开辟了现代物理学的研究及其新纪元,为现代高科技发展奠定了牢固的理论基础.狭义相对论和广义相对论革命是爱因斯坦一人独力完成的,他对量子论革命也作出了至关重要的开创性贡献.因此,爱因斯坦的伟大科学成就被举世一致公认为物理学和科学史上非常罕见的奇迹,爱因斯坦也被公认为有史以来最伟大的物理学家和科学大师.划时代的狭义相对论是爱因斯坦在1905年创立的,也是他在科学征途上攀登的第一座科学高峰.当时他才26岁,跨出大学校门只短短5年,但已充分展示了他非凡的科学天才.由于发现和建立了适用于全部物理学和自然科学的新的相对时空结构理论及其新的运动学定律,不

但圆满解决了长久以来困扰物理学界的麦克斯韦电动力学不能应用于运动物体的问题,也解决了力学与电动力学在相对运动上的不对称性,为物理学理论的统一迈出了新的一步,由此发现了自然界一系列的新奇定律,脱颖而出,因此爱因斯坦也很快成为科学界刮目相看的一颗光芒灿然的科学新星.牛顿的绝对时空观

时间和空间是一切物质存在、运动和相互作用的基础,一切自然界现象和事件都是在时间和空间中发生的.因此时间和空间概念是物理学和一切自然科学描述自然界现象和事件的基础.物理学中的时间和空间概念起源于17世纪的伽利略和牛顿.牛顿在其伟大著作《自然哲学之数学原理》一书中指出“绝对的、真正的、数学的时间,就其本性而言是永远均匀地流逝,与一切外界事物无关的”.又指出“绝对空间就其本性而言,是永远处处相同和不动的,与一切外界事物无关的”.一般称之为牛顿的绝对时空.绝对时空最鲜明的特点是时间和空间结构都与运动和一切外界事物无关,是绝对的,永远不变的.绝对时空也是牛顿力学定律对一切匀速运动保持其不变性和对称性的基础.牛顿的绝对时空在物理学中的体现和应用,是伽利略相对性原理及其数学表示式伽利略变换,也称为伽利略运动学.相对性原理是关于时间和空间与运动关系的原理.在物理学中一般利用坐标系来定义和描述物体的静止和运动状态,坐标系是时间和空间坐标的组合.最常用的一种坐标系是适合牛顿惯性定律的惯性坐标系(一般简称为惯性系).伽利略变换就是描述时间和空间在一切惯性坐标系内与运动关系的数学形式,其中时间不受运动和外界事物的影响,是绝对的,不变的;物体的空间位置虽随运动而变化,但牛顿认为这种相对空间只是绝对空间的可动部份或者量度,而绝对空间本身则是永远处处相同和不动的.牛顿力学定律完全适合伽利略相对性原理,对伽利略变换保持其不变性和对称性,都不受坐标系或者观察者运动状态的影响,因此两者共同构成了一个逻辑一致的理论体系.牛顿的绝对时空观由于没有任何实验事实作为依据,因此从其问世之后曾经不断遭到其同时代学者及以后历代学者的批判.19世纪末叶,奥地利著名物理学家和实证主义哲学家马赫,更从实证主义出发,对牛顿的绝对时空概念进行了系统而深刻的批判,认为一切物理学定律和物理理论都只能包含可观测量,而不应包含不可观测量,牛顿的绝对时空由于没有任何观测事实依据,应从力学和所有物理学中彻底清除出去.由于马赫及其他学者的批判,至19世纪末开始形成了两个明确认识:一是牛顿力学定律并不是了解一切物理现象的先决条件或前提;二是把一切物理现象纳入牛顿力学框架,也不是人类理性的要求.马赫的批判对爱因斯坦青年时代思想的发展有深远影响,对他后来创立狭义相对论的相对时空理论无疑有重要启发意义.因此爱因斯坦一直对马赫给予了很高评价,称赞马赫的批判给他留下了持久而深刻的印象.他认为马赫的伟大之处是他不折不挠的怀疑主义和独立精神.但在爱因斯坦之前,从未有人提出过以实验事实为依据的科学的时空理论,来取代牛顿形而上学的绝对时空理论.实际上,牛顿的绝对时空理论并非是毫无经验事实依据的无稽之论.绝对时空观不但完全符合人们在日常生活中从未觉察到时间和空间本身有任何变化的直接感觉经验,而且在低速情况下也有其牢固的实验基础.因为在低速情况下,由于时间和空间的相对性结构而产生的相对论效应一般极其微小,不但测量不出来,也不产生任何影响,只有在接近光速的高速物理现象中相对论效应才起着重要作用.正是由于这些原因,至19世纪末的二百多年内,牛顿的绝对时空和牛顿力学定律从未受到过任何实验事实的冲击和挑战,可以圆满地成功地应用于行星运动以及一切宏观物体的运动,今天也仍然如此.因此,在过去二百年中,牛顿力学在物理学的各个领域都取得了令人瞩目和惊异的伟大成就,一直被公认为是全部物理学甚至是整个自然科学的统一基础.物理学家一直试图把全部物理学都统一到力学框架内,从力学定律推导出一切物理学定律,由此建立对自然界的统一力学世界观.但是,麦克斯韦电动力学和光学实验的发展,从根本上动摇了力学作为全部物理学和自然科学牢固基础的教条式信念.3 狭义相对论的伟大科学意义

狭义相对论的伟大科学意义爱因斯坦创立划时代的狭义相对论的论文有一个朴实无华的简单题目《论运动物体电动力学》这也是当时物理学界共同关心和研究的热门课题.但只有爱因斯坦建立了全新的相对时空结构理论及其新的运动学定律,才使这一问题圆满解决.这篇论文也是科学史上最具有特色的论文,不但其科学内容的革命性和创造性以及所展示的非凡物理洞察力和新思维是科学史上十分罕见的,而且其理论结构也构成了一个从最少基本原理出发的既完美又自洽一致的逻辑演绎体系.为此,爱因斯坦强调指出,狭义相对论体现了理论科学在现代发展的基本特征,也更接近于一切科学的伟大目标,即从最少的假设或者公理出发,通过逻辑演绎方法,概括最多的经验事实.又指出,过去适用于科学发展早期的占主导地位的归纳法,正在让位于探索性的演绎法.狭义相对论正是爱因斯坦倡导的逻缉演绎法的一个典范.现在演绎法已成现代理论物理学发展的主要模式.再者,其文体风格也十分特殊,没有引用任何参考文献和实验事实作为依据,论文本身独立成篇,结构严密,逻辑清晰,无任何冗词赘句,所用数学也不高深,至今仍是学习和了解狭义相对论的最佳入门文献.全文除开头3段提要性的简明引言外,主要分为运动学部分和电动力学部分,每一部分又各分为5小节,在形式上也是很对称的.从论文的结构明显看出,爱因斯坦创立狭义相对论经历了主要两个步骤:首先是使时间和空间结构(即时空度规)适合光学和电磁现象以及麦克斯韦电动力学方程对运动的不变性和对称性,由此发现了同时性、时间和空间对运动的相对性结构,运动对钟和尺的影响,建立了全新的相对时空结构理论及其新的运动学定律.其次是使全部物理学适合新的相对时空结构理论及新的运动学定律,由此圆满地解决了麦克斯韦电动力学及一切光学定律应用于运动物体的问题,建立了简明而又逻辑一致的运动物体电动力学,推导出和发现了一系列新的运动物体的光学和电磁学定律以及电子在电磁场内的运动定律.尔后又发现了质量与能量的统一性及其相互转化定律,以及在高速运动情况下对牛顿力学和热力学等的相对论修正.从狭义相对论的相对时空结构理论推导出的最令人叹为观止,也最令人惊异的结论,就是最深刻地揭示了自然界最深层的一个极其神奇而又非常有趣的现象和规律:时空的相对性结构是一切自然界定律对相对运动保持其不变性和对称性的基础,也是自然界因果关系成立的基础.没有时空的相对性结构,就没看一切自然界定律对运动的不变性和对称性,也没有自然界的因果关系,反之亦然.正是两者的辩证统一构成和展示了自然界的和谐性和统一性.狭义相对论的伟大科学意义,已不言而喻.爱因斯坦一生潜心致力于研究自然界的基本规律.他对自然界定律的不变性和对称性具有最坚定的物理信念,最敏锐的物理直觉和最深刻的物理洞察力,一生对其锲而不舍,孜孜不倦地探索和研究.他所取得的一系列突破性的伟大科学成就几乎都与此有关.正是由于他的倡导和研究,导致发现了对称性和不变性在自然界起着一种至关重要的作用,守恒定律也与对称性有关,大大深化了我们对自然界对称性结构的认识,并且已发展成为对称性决定相互作用的原理,即从某种对称性出发,推导出满足这种对称性的数学方程来发现自然界的规律.爱因斯坦的广义相对论就是运用对称性原理要求更普遍的坐标对称性,并结合等效原理而取得了伟大成功的典范.现在对称性原理已成为探索自然界规律的指导性原理之一,在各种场论、基本粒子物理学、原子和分子物理学、核物理学、晶体学和化学中都起着重要作用,已成为一种行之有效的方法,不断取得了引人注目的成功.有些人认为狭义相对论证明了世界上的一切事物都是相对的,没有绝对的,只有相对真理,没有绝对真理,这完全是一种误解.实际上,狭义相对论只是相对时空结构理论,只是证明了时间和空间是相对的,而不是绝对的,只是证明了正是时空的相对性结构保证了一切自然界定律对运动的不变性和对称性,并没有否定自然界定律的不变性和绝对性.因此爱因斯坦在最初几年内曾把狭义相对论称之为不变性理论,又称它为相对性原理,用以强调时间和空间的相对性结构.德国著名数学家克莱因也曾建议称之为不变性理论,著名数学家韦耳也称狭义相对论为

不变性和对称性理论.爱因斯坦从1915年起才开始称之为狭义相对论,以区别于广义相对论.由此可以明显看出狭义相对论的实质是什么.但有些人望文生义得出了种种错误结论,完全是一种误解.也有一些别有用心的人故意对狭义相对论加以歪曲和利用,以达到其不可告人的目的.狭义相对论起源于光学和电磁实验以及麦克斯韦电动力学理论,也是麦克斯韦电动力学的继续发展.由于麦克斯方程本身蕴涵了时空的相对性,由此导致发现了时间和空间的相对性结构,建立了适用于全部物理学和自然科学的新的相对时空结构理论及其新的运动学定律.因此它的伟大科学意义已远远超出了光学和电动力学的范围,涉及了全部物理学和自然科学.正如爱因斯坦强调指出的,狭义相对论是一种原理性理论,推导出了一切自然界定律都必须满足的限制性原理和数学条件,任何自然界定律都必须对相对论运动学定律保持其不变性和对称性,为此爱因斯坦曾经称它类似于热力学中的永动机不可能原理.因此狭义相对论可以称之为原理中的原理.爱因斯坦在其电动力学论文及其后发表的另一篇短文中,应用新的相对时空结构理论及其新的运动学定律,研究了两个相对运动坐标系内的物理现象特别是光学和电磁现象,由于时间和空间的相对性结构,推导出和发现了自然界的一系列新奇定律,不但与经典物理学截然不同,也超出人们感觉经验的范围,但却是自然界的普遍规律,适用于全部物理学和自然科学.从狭义相对论得出的自然界的普遍结论和规律有:

1)发现了时间和空间与运动的相对性结构,证明了同时性、时间和空间都是相对的,而不是绝对的,由此建立了新的相对时空结构理论及其新的运动学定律.由于时空的相对性结构,运动的钟会变慢,运动的尺会缩短,并且推导出了它们与运动和光速关系的定量定律.因此,每个运动坐标系都有自己的时间和空间,而不存在绝对的时间和空间,从而彻底推翻了统治物理学已二百多年的牛顿的绝对时空理论.所有这些结论在接近光速的高速运动中与实验事实全不矛盾.但在低速情况下,时空相对性结构效应极其微小,不会产生任何可测量影响.2)著名数学家闵可夫斯基从狭义相对论的相对时空理论进一步发现了四维连续时空及其几何结构,证明了时间和空间的统一性和不可分割性.正如他强调指出的,狭义相对论的时间和空间概念是从实验物理学土壤中生长出来的,这就是其威力所在.这些观点是根本性的.从今以后,孤立的时间和孤立的空间都已消失为阴影,只有两者的统一才能保持其独立的物理实在性.3)爱因斯坦在广义相对论中把相对性原理从匀速运动推广到匀加速运动,发现了四维弯曲时空几何结构与引力的关系.引力是弯曲时空几何结构的性质,宇宙中物质引起时空弯曲构成了引力,进一步揭示了时间和空间与物质(惯性)的关系,建立了新的引力场理论,使我们对引力本质有了全新的认识.由此预言了光线经过太阳边沿的引力弯曲以及光谱线的引力红移,解开了长期困扰科学界的水星近日点异常进动之谜,且均已获得观测和实验证实.在广义相对论中,时间和空间己变成动力学量,不但受到宇宙中物质和能量分布及其运动的影响,反过来也影响物质和能量分布及其运动,从而共同构成了一个不可分割的统一体,没有物质也没有时间和空间,反之亦然.正如爱因斯坦指出的,过去人们认为世界上的所有物质消失了,时间和空间依然存在,但广义相对论则证明了物质消失了,时间和空间也一起消失.但广义相对论最伟大的科学成就则是建立了现代宇宙学,开辟了科学地研究宇宙起源、演化及其结构的广阔途径,由此发现了各种前所未知的新天体和新的天文现象,大大深化了我们对宇宙结构的认识.过去认为宇宙本质上是一成不变的,但现在理论和观测结果都证明了宇宙起源于大爆炸,在不断膨胀和收缩,并不是静止不变的.各种天体既有其开端,亦有其终结.因此,广义相对论已成为指导研究引力性质和宇宙大尺度结构的唯一正确理论.4)从狭义相对论得出的最具有深远意义和重大影响的结论,则是揭示了物体的惯性(质量)与能量的同一性,由此发现了质量与能量相互转化定律,即著名的质能公式E=mc2(c为光速),它已成为代表爱因斯坦的特殊性标志.证明了质量与能量是等价的,质量是其所含能量的量度,两者能够相互转化.在经典物理学中质量与能量是各自独立的,各有其单独的守恒定律,而现在则统一成为不可分开的质能守恒定律.质能转化定律已成为人类利用核能的理论基础,也是了解太阳日日夜夜,源源不断地辐射庞大光能和热能的唯一法门.当前核能利用有两种形式,一种是铀核裂变能,是当前核能利用的主要形式;另一种是氢核聚变能,虽然早已制成了氢弹,但实现可控的核聚变反应尚未成功.当前各国科学家正在为实现可控核聚变反应而共同努力,一旦成功,人类即可获得充足的廉价的清洁能源,从而永远摆脱能源危机.5)推导出了新的速度合成定律,不但证明了光速的不变性,也证明了光速是宇宙间的极限速度,任何物体速度都不能超过光速.两个光速相加仍然等于光速.但当速度远小于光速时,相对论的速度合成定律则简化为牛顿力学中的速度合成定律,证明了后者只是前者在低速情况下的一种近似,并不是自然界的精确定律.6)推导出了质量随速度增加定律.但在低速情况下,质量增加极其微小,不可能测量出来,也不会产生任何影响,因此在牛顿力学中有单独的质量守恒定律.只有在接近光速的高速情况下,质量随速度增加才起着重要作用,不但理论预言与实验结果完全符合一致,而且已成为高能物理学实验必须考虑的重要因素.7)深化了我们对光和电磁现象本质的认识,使光和电磁场彻底摆脱了以太幽灵的困扰而成为独立的物理实在和独立的物质形态,由此不但消除了麦克斯韦电动力学与牛顿力学对相对运动的不对称性矛盾,使两者统一起来,而且也解决了麦克斯韦电动力学和一切光学定律应用于运动物体的问题,并且推导出了一系列新的光学和电磁学定律以及电子在电磁场内运动的定律,解决了力学、热力学、分子和原子物理学、量子力学以及基本粒子物理学等应用于高速运动的问题,使物理学各个领域在相对时空结构上有了统一的基础.以上只是爱因斯坦从狭义相对论得出的部分主要结论,但足已充分证明狭义相对论内容的博大精深,令人叹为观止,堪称为科学史上非常罕见的丰碑.狭义相对论由于只在接近光速的高速物理现象中起着至关重要的作用,与我们日常生活和感觉经验不发生任何联系,广大公众往往对它存在某种神秘莫测之感,是完全可以理解的.又由于从它得出的结论往往超出了经典物理学和人类感觉经验的范围,使人们难以理解,也一直不断地引起各种争论.但狭义相对论所依据的两条基本原理,都是从大量的实验事实中发现的自然界的普遍原理,不但具有最牢固的实验基础,而且两条原理简单明了,人人能懂,并不玄妙.最为重要者,狭义相对论问世至今已一百多年,经历了各种严峻实验的检验,与实验事实全都不矛盾,而且在高能物理学、基本粒子物理学以及在高科技领域都有了广泛的实际应用.因此,狭义相对论已成为放诸四海而皆准的颠扑不破的科学真理.

第三篇：大学物理小论文

导语：充分利用新课程理念在物理教学中的指导作用，从学生的发展出发，以下是小编为大家整理的大学物理小论文，欢迎大家阅读与借鉴！

大学物理小论文（1）

新课程改革给中学物理教学带来了教学方式与学习方式的可喜变化，给课堂教学注入了新的生机与活力。作为教师，我们就要深刻理解新课程理念的精神实质，灵活运用“自主、合作、探究”的学习方式，搞好“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标的有效整合，提高驾驭新课堂的教学能力。那么，怎样才能深入推进新课程改革，落实新课程理念，构建和谐高效课堂，提高课堂效率与教学质量?下面结合笔者在中学物理教学工作中的探索与实践，谈淡笔者的思考与认识：

一、营造民主和谐的课堂氛围，增强师生互动的有效性

首先，教师有一个良好的情绪状态。课堂教学中教师的情绪应该是愉快的，精神是饱满的。人们常说“亲其师，信其道”，一旦学生感到教师的可亲可敬，教师的话就很容易被他们接受，师生间容易擦出理解信任的火花。教师的情绪和精神极易感染学生，当教师由于种种原因烦躁不安地走进教室，打开书本进行教学或操作实验时，学生会感到压抑，从而使得心理闭锁，阻碍了新信息的输入。而当教师面带微笑，怀着喜悦的心情进入课堂教学时，学生会倍感亲切，快乐之情油然而生。以教师自己的快乐情绪来影响和引发学生的快乐情绪，会使学生思维活跃，更有效地接受信息的输入。

其次，加强对教学内容的情感处理。教师对教学内容的讲解不死板，善于创设各种情景，以唤起学生情感的共鸣。例如《物理》“机械运动”一节内容比较平淡，几个基本概念显得抽象、分散，学生听课容易厌倦。笔者在教学中采用了诗词引入法：“两只黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天”“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”，再配上动画效果，使学生在诗情画意中体验到自然界是运动的，运动是美丽的。然后笔者又创设情景：“今天，老师和你们一起去旅行，让我们在从郑州到北京的旅途中来学习几个物理量。”从而引出参照物、机械运动和路程等几个物理基本概念，辨别了运动和静止的相对性。这样，通过调动学生的兴趣，使学生在愉快的情景中学到抽象的物理知识，这样的课堂必然是高效的。

二、创设有效的教学情境，激发学生物理学习的兴趣

皮亚杰说过：“兴趣，实际上就是需要的延伸，教学要以多种形式激发学生的学习兴趣。” 一个耐人寻味的恰当的教学情境可以激起学生思维的浪花。因此，教学中要结合教学内容精心设计教学情境来吸引学生的注意力，提升他们的学习兴趣。

例如：在探究“影响液体沸点的因素”时，笔者当堂表演了如下魔术：水沸腾后把烧瓶从火焰上拿开，水会停止沸腾。迅速塞上瓶塞，把烧瓶倒置并向瓶底浇冷水，结果，烧瓶中的水又重新沸腾。“哇!”学生当即被眼前的情景惊得目瞪口呆!“这是怎么回事?”“真奇怪啊”……

在日常生活中，我们常常用冷水来降低物体的温度，而学生经常认为只有提高温度才能使停止沸腾的水重新沸腾起来。而在此实验中，给停止沸腾的水浇上冷水后，水会重新沸腾起来。由于这个实验现象与日常观察到的现象相悖，打破了学生原有认知结构的平衡状态，使学生充满热情地投入思考，一下子把学生推到了主动探索的位置上。

三、引导学生自主合作探究，提高课堂的有效性

课堂教学的核心是调动全体学生积极主动参与到学习中来，使学生自主学习、合作学习、探究学习，从而使学生和谐地发展。学习过程是否有效，是课堂教学是否高效的关键，而学生的学习过程需要教师的巧妙引导。因此，物理课堂教学应该多给学生一点思考的时间，多给一点活动的余地，让学生做学习的主人，教师只需要适当引导和点拨。

笔者说：“其实杯中本来就没有蜡烛，大家刚才看到的杯中蜡烛是玻璃板前面的，这就是我们今天要学习的‘平面镜成像’。”

“学贵知疑，小疑则小进，大疑则大进”，在笔者的引导下，学生自然而然进入到“平面镜成像”的合作探究中，提高了学习过程的高效性。

四、灵活运用现代教育技术，提高课堂教学有效性

物理是一门自然科学，有许多摸不着、看不到的现象，学生对那些抽象的概念和现象缺少丰富的感性认识，很难理解和掌握，更谈不上什么创新。而物理教学中大量的内容又是实验无法直接向学生提供的。例如：天体运动、大型船闸、航天发射、磁场、电流方向等，这些学生都难以见到的、有重要物理意义的教学内容。可利用电视录像或多媒体课件，突破时间和空间的局限，把所讲的对象化小为大、化远为近、化虚为实、化静为动、化快为慢、化繁为简，从而把看不见、看不清的东西通过多媒体变成看得见、看得清，抽象的东西变成具体的，遥远的东西变成眼前的，使事物的形、声、色直接付诸于学生感官，从而为学生的学习活动和创新活动提供了大量感性材料和时空环境，学生见其形、闻其声、观其色，丰富了学生的知识领域，开阔了学生的视野，帮助学生加深认识，形成映像，深刻地理解抽象和复杂的教学内容。灵活运用现代教育技术，有力地激发了学生积极的思维，使教学难点得到了较好的突破。

五、要关注学生差异，把学习主动权交给学生

毋庸讳言，学生的个体差异是客观存在的，他们有的思维活跃，有的想象力丰富，也有的同学在学习物理上存在一些困难。为了建立和谐高效课堂，我们应关注每一个学生，在课堂教学中，知识内容应由易到难，教师的语言要深入浅出，照顾到接受能力较差、层次较低的学生，使他们不掉队，学得扎实。学习要求应有层次性，让各层次的学生都吃得好吃得饱，让所有的学生知识得到积累、能力得到提高、个性得到发展。同时，物理课堂要想真正高效，还应把学习的主动权交给学生。正如叶圣陶先生所说：“请老师们时刻想到，学生跟种子一样，有自己的生命力，老师要做的，只是供给他们适应学习的条件和营养，让他们自己成长。”教师必须指导学生学会学习，使他们能主动地、积极地、创造性地学，要摆正自己在教学中的位置，真心诚意地把学生当作学习的主人，恰当地发挥主导作用，努力提高“导”的艺术，从而在教学中恰到好处地去启发、点拨、设疑、解惑。课堂上要尽可能给学生多一点思考的时间，多一点活动余地，多一点表现自己的机会，多一点体验成功的愉悦。为了促使学生主动学习，可以改变固定的课堂教学模式，采取班级集中授课、小组合作交流和个别辅导学习相结合的综合模式，从而使课堂有利于学生学习，提高课堂效能。

大学物理小论文（2）

构建高效课堂是新课程改革的目标之一，也是我们追求教学效益最大化、提高教学成绩的最有效策略。因此不少同行都在努力探索构建高效课堂的途径。那么到底什么是高效课堂呢?到底怎样构建高效课堂呢?我想谈谈自己的一些粗浅认识。

一、我眼中的高效课堂

提到高效课堂，每个人都有自己的理解。我个人觉得高效课堂用我们初中物理里学到的“有用功的功率”，即单位时间内所做的有用功来理解比较恰当。只要单位时间内所做的有用功多，我觉得无论采用“洋思模式”还是“杜郎口模式”或其他模式都是高效。

为了准确地把握“高效课堂”的内涵，我查阅了很多资料，找到了高效课堂的多种理解方式。我比较认同江西邱林政教师的理解方式，邱教师是这样写到的：

从学生角度来讲，高效课堂应具备以下两个条件：一是学生对三维教学目标的达成度要高。二是在实现这种目标达成度的过程中，学生应主动参与并积极思考。

从教师角度来说，高效课堂应具备以下三个条件：一是教师能够依据课程标准的要求和学生的实际情况，科学合理地确定课堂的三维教学目标。二是教学的过程必须是学生主动参与的过程。三是教学中适时跟进、监测、反馈、消解，以多种方式巩固学生的学习成果，使三维教学目标的达成度更高。

师生如果能达到这样的课堂，才是真正的高效课堂。

二、高效课堂的构建

透过邱教师对高效课堂内涵的理解，我从五方面来谈谈自己对高效课堂构建的认识。

1.仔细钻研教材，分析学情是构建高效课堂的前提

教材是提供给教师进行教学的素材，也是学生开展学习的重要资源。它不仅决定了我们课堂教学的内容，还提供了教学活动的基本线索和方法。因此，仔细钻研教材是组织好课堂教学的重要基础和前提。

对于教材，首先，我们应该从整体上钻研初中阶段三本教材中各个部分的顺序为什么要这样安排，都安排了哪些内容，各部分教材内容的地位及作用等。其次，我们需要精读每一节教材，钻研教材中的语言措辞和讲授的概念、规律、定义的物理意义以及所反映的物理过程，认识到各部分知识之间的内在联系。进而做到分析教材中的重点、难点，确定教学目的，选择合适的教学方法，为准备好教学设计打下坚实的基础。

例如，在讲授“杠杆”一节内容时，如果教师没有从整体上把握教材，就很难帮学生解决为什么前面在讲授“天平的使用”内容时，平衡螺母到底要向哪边调节的问题。

再如，对于“分子热运动”一节中液体扩散现象的实验，教材提到了一个关键词“静放”，如果没有仔细钻研教材，忽略了“静放”，很多学生就会认为水和硫酸铜溶液混合后，用玻璃棒搅动使其颜色变均匀，也能说明分子在不停地做无规则运动，这样就会使学生产生误解，达不到预期的目标。

此外，对于学情的把握也至关重要。以“杠杆”这一节内容为例，很多教师会认为力臂的画法很简单，常常会一嘴带过。但事实上，由于很多学生的数学基础比较薄弱，他们对于数学上“点到直线的距离”都没有掌握，那么力臂的画法就必定会成为这部分学生学习的难点。如果学生没有掌握力臂的画法，那么对杠杆的分类，也就只能是茫然。这样一来，这节课学生就基本没有学到东西，更谈不上高效课堂了。因此，我认为仔细钻研教材，分析学情是构建高效课堂的前提。

2.充分调动学生学习的积极性、主动性是构建高效课堂的关键

新课标倡导教师要充分保护和利用学生的积极性、主动性;鼓励学生积极大胆参与科学探究;并能够根据物理学科的特点，注意强化实验教学，不断培养学生的自主创新能力。因此，我们要善于挖掘能够激发学生的学习兴趣的小实验、小故事，通过这些有趣的小实验和小故事引入新课，激发学生的学趣。

例如，在讲授“焦耳定律”内容时，我将一根铜丝和一根电炉丝串联起来，接入电路中。然后在上面分别裹上纸巾，通电后，学生会发现裹在电炉丝上的纸巾迅速燃烧起来，而裹在铜丝上的纸巾却安然无恙。此时所有学生都睁大眼睛，觉得很有趣，也很想知道为什么。这样学生的学习兴趣就被大大激发了，有利于对焦耳定律这个重点内容的学习。

再如，在讲授“流体压强和流速的关系”内容时，可以让学生都准备两个纸杯，将两个纸杯叠放在一起，然后向两纸杯上方吹气，会观察到放在上方的纸杯会飞出去。通过这个小实验，也一定会大大激发学生求知欲。

“好的开始是成功的一半”，所以我们应该在课堂的引入环节上下力气，争取一开始上课就能抓住学生的眼球，积极调动学生的学习积极性和主动性，让学生能够参与到课堂中来。

此外，对于教学重点的强化和教学难点的突破，也可以采用开展丰富多彩的小实验的方法来激发学生克服畏难心理，提高学生的学习效率。

3.精心设计作业，抓好作业落实是构建高效课堂的根本保证

对于作业的设计，应该包括三个部分：预习作业、随堂作业和课后作业。

对于预习作业，教师除了要把课堂教学内容拆解成一个个知识单元的常规任务外，还应该把这些知识单元设计成“台阶形式”，让预习内容有难度与梯度。与此同时还应设计一些能够引发学生思考或者能够激发学生学习欲望的预习内容。让学生带着这些思考和兴趣去开展预习，这样教师在课堂上讲解重点和难点的时间就会更加充分，学生的学习效果也会更好。

对于随堂作业，既可以设计成独立思考型的、小组讨论型的，又可以设计成训练和检测型的。在完成这些作业的过程中，教师尤其应该注意学法的指导。

例如，在讲授“压强”一节内容时，很多学生会错误认为压力就是重力，教师这时就可以抓住这个问题，引发学生思考讨论压力和重力到底是不是一样?学生通过讨论得到压力和重力的区别，会比教师讲解记忆的更深刻。另外，教师在设计随堂作业时，还应该注意学生语言表达能力的提高，以及严谨缜密的物理素质的培养，这就需要教师还要设计一些记录型的作业作为补充。当然，训练和检测型的作业也是必不可少的，因为这些作业可以有效检验学生课堂的学习效果，并可以为教师后续指导提供诊断信息。

对于课后作业，我们通常以重复的训练型作业为主，这样的作业学生往往要投入很多精力，但收获甚微。适量的训练型作业可以帮助学生熟练掌握已学知识。但在布置训练型作业时应注意分层布置，对于学习有困难的学生可布置基础题目，而对于学有余力的学生需布置拓展型作业。此外，教师在设计课后作业时，还要注意训练型作业和自主梳理型作业的关系。要给予学生充足时间开展知识梳理活动，培养学生归纳、总结的能力。

4.学生的物理学科素养和利用所学知识解决实际问题的能力是高效课堂的检验标准

对于高效课堂的评价，由于受制于当前的教育体制，所以评价体系往往是片面的。仅仅评价一堂课是否高效，或者是仅仅用成绩来衡量高效都是不够全面的。“十年树木，百年树人”，教育不是一朝一夕的，绝不能只凭一时的学业成绩来评价课堂的效果。我觉得我们除了要参考学业成绩来评价高效课堂的成果外，还应该通过学生表现出来的物理学科素养以及学生利用所学知识解决实际问题的能力来评价高效课堂的成果。只有这个评价机制跟上课改步伐，才能让更多的教师投身于高效课堂的教学改革中来。

第四篇：大学物理小论文题目参考

《大学物理下》课程小论文基本要求

①以宿舍为单位，一个宿舍写一篇，用word写并打印，1500字左右。最好原创。

②打印稿必须排版工整，引文必须标明出处。参考文献3篇以上，参考文献要是公开发表的论文，不要书，不要网页内容。中国知网上面有很多文献，从学校主页进入，点 “图书馆”，查询相关数据库。

③内容：

1、物理学电磁学及近代物理相关内容；

2、对物理学的认识，物理学是什么，有什么重大作用。生活中什么现象，什么设备，什么仪器用到了哪方面的物理知识；

3、物理学原理与工业革命或者与现代技术间的联系；

4、物理学导致的各种生活观念的变革；

5、3D技术的发展与展望；

6、干涉或衍射在精密仪器的应用；

7、自己某个问题独到的想法；

8、影视节目中体现出的物理学原理。（比如《变形金刚1、2、3》，《全面回忆》等。）

9、你认为电气工程专业应该多讲授哪些物理内容、为什么；

10、光通讯和无线网络搭建；

11、人性化智能家居、智能家电的搭建；

12、计算机模拟某个物理模型。

④格式：

题目

专业，班级，宿舍成员姓名，学号

摘要：

关键词：

正文

参考文献：正式发表的文献（写清哪个杂志，第几页，什么时候出版的），正式发表的硕博士论文（写清哪个学校、机构的论文，论文题目，第几页）。

⑤评分原则：平时分30分中的20分，网上原文摘抄最高10分。

整篇论文，符合格式，内容要求。最低12分。

两篇文章完全一样的，宿舍成员最高14分。

电磁学的计算方法，论惯性，光的本性类的文章最高14分。

纯个人感受想法，个人观点，有一定事实依据，最低16分。

网上多个资料引用并有一定个人观点，摘要总结得当，参考文献引用丰富，18分。

提交小论文时间：2013年1月份的第一次大学物理课

第五篇：大学物理小论文题目

2013－2014学年第一学期

大学物理（A2）小论文要求及推荐题目

为了培养学生的科学素质，大学物理课程设置了学生小论文必做项目。

要求：（1）论文要与本学期所学的大学物理课程内容相关。大学物理教研室提供以下可供学生参考的论文题目, 具体论文题目可由学生自己选定，最好是关于自己对实际生活中遇到的、本专业中涉及到的物理现象或关于目前你所了解到的物理前沿问题的独立思考和见解。

（2）小论文占期末大学物理课程总评成绩5%，不交论文者，该部分分数计为0分。要求学生在教师指导下独立完成论文，严禁抄袭，对不合格的论文退回重做。

（3）字数限制在1500-3000字之间。应包涵以下几部分：标题、作者（姓名 班级 学号）、摘要（150字内）、论文正文、主要参考文献（约3-5篇）。

参考题目：

1.论述静电的产生、利用及其危害。

2.论述电磁辐射产生及其电磁干扰的防护。

3.地球的磁场及起源。

4.激光光盘的物理原理分析。

5.霍尔效应的发现及量子霍尔效应的最新研究。

6.论述太阳能电池的基本工作原理。

7.电场对空气密度的影响。

8.如何由迈克斯韦方程组预言电磁波的存在？

9.麦克耳逊-莫雷实验及其思考。

10.狭义相对论基本原理及其思考。

11.广义相对论基本原理及其思考。

12.人类对光本性的认识。

13.对波粒二象性的理解与认识。

14.对测不准原理的理解和应用。

15.物理与新技术（与自己的专业相结合，比如：“物理与信息技术”、“物理与计算机

技术”、“物理与新型电机”、“磁学与生物的关系”等）。

大学物理教研室