2025高中物理 拓展閱讀個體時間與系統(tǒng)時間素材

2025高中物理拓展閱讀個體時間與系統(tǒng)時間素材【拓展閱讀】個體時間與系統(tǒng)時間一、個體時間一切事物都處于運動之中，而且每一事物自始自終都在運動，沒有不運動的物質(zhì)。現(xiàn)代科學告訴我們，在自然界中，大到銀河系，小到基本粒子，都處在不停的運動之中。正是由于宇宙中所有的物質(zhì)都在做相對運動，所以不同物質(zhì)個體的運動也都各不相同，世界上沒有完全相同的兩個物質(zhì)運動存在。由于時間是由物質(zhì)的相對空間位置變化產(chǎn)生的，運動使物質(zhì)的空間位置不斷地發(fā)生變化，不同的運動方式又使得物質(zhì)的相對位置都各不相同，所以不同的物質(zhì)、不同的物質(zhì)個體都擁有自己的時間，不同的個體其時間也都各不相同。我們把不同的物質(zhì)個體擁有的自己的時間叫做個體時間。不同的事物的個體時間有著不同的表現(xiàn)形式，比如，樹葉由小變大、由綠變黃；樹木由低長高、由細長粗；一盆水由多變少，由少變干；一件衣服由新變舊、由平整變褶皺；頭發(fā)、指甲由短變長；黃瓜、白菜由新鮮變腐爛，等等。正是由于存在著各種各樣的個體時間，所以人們才能夠在生產(chǎn)實踐中發(fā)明出無數(shù)種的計時方法，比如，日晷、沙漏、燒香、點蠟等等。不同的個體其時間是不一樣的，一個主要的表現(xiàn)形式就是壽命的長短，不同的個體其壽命長短是不一樣的。我們都聽說過世界上沒有完全相同的兩片樹葉的故事，這個故事講的就是世界上沒有完全相同的兩個個體存在。世界上既不存在完全相同的兩片樹葉，也不會存在兩個完全相同的原子。不同的個體其發(fā)展變化都各不相同，個體時間可以無限接近但不能絕對相同。這種不同一方面是由于不同的個體所處的空間位置各不相同引起的，另一方面是因為不同的個體與周圍的物質(zhì)有著不同的聯(lián)系和不同的作用，正是由于這種不同的聯(lián)系和作用導致了不同的個體在時間上存在的差異。二、系統(tǒng)時間在生活中，我們經(jīng)常遇到同時性的問題，在狹義相對論中也有對同時性的討論，愛因斯坦稱“同時性具有相對性”。系統(tǒng)時間就是在研究同時性的問題時提出來的。同時性問題其實是一個系統(tǒng)問題，所謂系統(tǒng)，就是兩個以上事物或對象相互關聯(lián)而形成的統(tǒng)一體。在研究同時性問題時，我們可以認為兩個事物也構成一個系統(tǒng)。在實際工作中，系統(tǒng)的大小要根據(jù)我們研究對象的范圍來確定，當我們的研究對象是兩個事物時，那么同時性就是這兩個事物的同時性；當我們的研究對象是宇宙中所有的物質(zhì)時，那么同時性就是指宇宙中的所有物質(zhì)。系統(tǒng)問題不同于個體問題，系統(tǒng)問題需要我們把系統(tǒng)中所有的個體當作一個整體來進行考慮。在系統(tǒng)里，除了個體時間外，系統(tǒng)內(nèi)的所有物質(zhì)還應當遵守著一個共同的時間。當我們把一些事物當作系統(tǒng)來研究時，那么這些事物所共同遵守的時間就是系統(tǒng)時間。我們平時說的北京時間其實就是一個系統(tǒng)時間，這是全中國人民共同遵守的時間。系統(tǒng)時間的例子在我們的生活中比比皆是，比如，學校的上學、放學、上課、下課時間就是學校這個系統(tǒng)的系統(tǒng)時間；單位的上班、下班時間就是企事業(yè)單位的系統(tǒng)時間；列車時刻表是列車和旅客共同遵守的系統(tǒng)時間；軍事上導彈攔截所采用的時間是雙方導彈共同遵守的時間。系統(tǒng)時間和個體時間是相對而言的。物質(zhì)世界的結構層次是無限多的，現(xiàn)代科學把整個宇宙劃分為三個基本層次：微觀世界、宏觀世界和宇觀世界。物質(zhì)世界的這三個基本層次各自又都包含若干層次。這就說明一個事物既是由其它事物所組成的，同時又是別的事物的組成部分。相對于自身的組成物質(zhì)而言，物質(zhì)個體也都是一個系統(tǒng)，從這個角度來講，我們所說的個體時間也是系統(tǒng)時間；相對于更高一層的系統(tǒng)來講，系統(tǒng)時間又可以稱為個體時間。在確定系統(tǒng)時間之前，我們先來看看什么是同時性。同時就是同一時刻的意思，同時性就是要解決系統(tǒng)中多個個體之間的時間同步問題。前面我們講過，物質(zhì)個體都擁有自己的時間，而且個體時間都各不相同，那么不同的物質(zhì)個體會有共同的時間嗎？宇宙是由無窮無盡的物質(zhì)所組成，它們之間能有共同的時間嗎？答案是肯定的：有！宇宙中的萬事萬物在運動中都是步調(diào)一致的，它們的運行是嚴格地同步，它們的同時性分秒不差。那宇宙的同時性指的是什么呢？前面我們講過，時間是由物質(zhì)的空間位置的遠近次序發(fā)生的變化產(chǎn)生的，那么宇宙的同時性必然與物質(zhì)的空間位置有關。在確定同時性時，我們必須要選擇一個事物作為基準，沒有基準就沒有同時性，有了基準就有了同時性。宇宙的同時性就是指：當基準事物運動到某一具體位置時，其它所有物質(zhì)相對于基準事物的空間位置即為宇宙的同一時刻。這是因為當基準物質(zhì)運動到某一位置時，宇宙中其它所有的物質(zhì)相對于它的空間位置都是唯一的，它們不可能既在這個位置上又在那個位置上。同樣，對于一個系統(tǒng)來講，它的同時性就是：作為基準的個體運動到某一具體位置時，系統(tǒng)中其它所有物質(zhì)的相對位置。同時性只與相互比較的物質(zhì)的相對空間位置有關系。理論上講，宇宙存在著同時性，但實際上我們是測不到的，除非測量信號具有無限大的速度。假如有一種力量能讓宇宙中所有的物質(zhì)在一瞬間停止運動，讓宇宙凝固，那么這一時刻就是同時了，這個時候在宇宙中所觀察到的每一點都是同一個時刻發(fā)生的。當然了，這種情況只能存在于我們的想象當中。我們平時所講的同時，其實并不是真正意義上的同時，它只是我們測量到的或者觀察到的同時。它不是對被觀察對象的空間位置進行的直接比較，而是通過觀察者對時空對象發(fā)出來的信號進行的比較，是通過第三者進行的比較，是第三者眼中的同時。這種比較結果，不僅與時空對象有關，也與觀察者的運動狀態(tài)及傳輸信號的物質(zhì)有關，測量結果與實際真值之間會存在著一定的誤差。有了同時性，那我們又怎樣來確定系統(tǒng)時間呢？要確定系統(tǒng)時間，我們也必須要先確定一個事物作為基準，有了基準以后，系統(tǒng)中其它所有的物質(zhì)都與這個基準進行比較。用作基準的這個事物所具有的個體時間，就是標準時間，也就是這個系統(tǒng)的系統(tǒng)時間。當這個基準事物運動到某一具體位置時，系統(tǒng)中其它事物相對于基準事物的空間位置就是同一時刻。理論上可以選用任何一個“個體時間”作為系統(tǒng)的標準時間，比如，我們可以選用自家門前的一棵樹作為宇宙的標準時間，根據(jù)樹干的粗細變化來表示時間。但實際工作中，還要考慮到更多因素，比如，是否方便攜帶、是否容易復制，還要考慮到精確度等諸多問題，這樣一來作為標準的個體時間就不能隨意選擇了。但有一個原則是不能改變的，那就是作為標準的只能是一個個體，不能是兩個或者多個。前邊我們已經(jīng)討論過，時間是由物質(zhì)的運動產(chǎn)生的，不同物質(zhì)個體的運動各不相同，不同的個體都擁有自己不同的時間，所以用來作為系統(tǒng)時間的只能采用一個個體時間。標準只能有一個，兩個標準必然會帶來人們認知上的困難，因為當兩個標準不統(tǒng)一時，無法比較兩個標準誰更準確或者說誰更標準。如果不這樣做就會出現(xiàn)混亂，比如，張三說該上課了，李四說還有5分鐘，王五說早超過3分鐘了，你能說他們誰是對的誰是錯的？只有在允許存在誤差的情況下，才可以采用多個個體來計時，比如，我們可以先對時鐘，把幾個時鐘都調(diào)為同一時間，這樣幾個時鐘就都可以用作基準時間了。在這種情況下，系統(tǒng)時間的問題就變成了如何校對不在同一地點的兩個時鐘、如何傳遞時間信號、如何處理誤差的問題。關于伽利略與亞里士多德伽利略簡介伽利略全名伽利略·伽利萊，他是文藝復興后期近代實驗科學的創(chuàng)始人。1564年伽利略生于意大利的比薩城，1611年，伽利略應邀來到羅馬，在羅馬期間，伽利略為了確立新的自然研究法—實驗法的地位，又同教會的唯心論世界觀進行了激烈的斗爭，這就更加激怒了教會。1632年，他的名著《關于兩大世界體系的對話》出版，但立即被教會列為禁書。1633年6月22日，伽利略受到宗教法庭審判，并被判終身軟禁，成了“宗教裁判判所”的囚徒。1638年，伽利略在荷蘭出版了《關于兩門新學科與數(shù)學證明的對話》一書，對自己多年來在力學方面的研究進行了總結。他的父親是一位才華出眾的音樂家和教育家。他在科學上的創(chuàng)造才能，在青年時代就顯示出來了。當他還是比薩大學醫(yī)科學生時，就發(fā)明了能測量脈搏速率的擺式計時裝置。后來他的興趣轉向了數(shù)學和物理學。1581年，17歲的伽利略對古希臘的物理學及亞里士多德、埃夫克利德和阿基米德的著作著迷。伽利略在數(shù)學、天文學，特別是力學方面有了很深的造詣，學術上成果累累。他通過大量的觀察和實驗總結出了慣性定律、自由落體運動規(guī)律和相對性原理；發(fā)現(xiàn)了單擺振動的等時性原理；用自制的33倍望遠鏡觀察天象，發(fā)現(xiàn)了一系列令人震驚的天文現(xiàn)象。伽利略將觀察到的天文現(xiàn)象寫成《星際使者》一書，于1610年發(fā)表。書中介紹了月球上的環(huán)狀山脈，無數(shù)星體構成的銀河系，金星的盈虧，木星的四顆衛(wèi)星，太陽黑斑等等，從而對哥白尼的“天體運行”論提供了有力的支持，同時也動搖了亞里士多德—托勒密的地心說。亞里士多德簡介作為一位偉大的、百科全書式的科學家，亞里士多德對世界的貢獻之大，令人震驚。他至少撰寫了170種著作，其中流傳下來的有47種。他的科學著作，在那個年代簡直就是一本百科全書。但他的成就遠不止于此。他還是一位真正哲學家，對哲學每個學科幾乎都做出了貢獻。亞里士多德集中古代知識于一身，在他死后幾百年中，沒有一個人像他那樣對知識有過系統(tǒng)考察和全面掌握。他的著作是古代的百科全書。恩格斯稱他是“最博學的人”。亞里士多德最大的貢獻在于創(chuàng)立了形式邏輯這一重要分支學科。邏輯思維是亞里士多德在眾多領域建樹卓越的支柱。亞里士多德的思想對西方文化根本傾向以至內(nèi)容產(chǎn)生了深刻的影響。在上古及中古時期，他的著作被譯成拉丁文、敘利亞文、阿拉伯文、意大利文、希伯來文、德語和英語。隨著亞里士多德作品的不斷被發(fā)現(xiàn)，中世紀出現(xiàn)了一個研究亞里士多德主義的新時代，學者們以此作為求得各方面真知識的基礎。亞里士多德學識淵博，著述頗豐．他對于當時尚未分類的科學部門如政治、邏輯、倫理、歷史、物理(自然學科)、心理學、美學、教育學等均有研究并有獨到見解，被馬克思譽為“古代最偉大的思想家”。亞里士多德是古希臘又一位偉大的教育思想家，建立了包括自然學科在內(nèi)的百科全書式的課程體系，提出了注重實踐的良好措施，為后人留下了一筆包羅宏富的教育遺產(chǎn)。亞里士多德顯示了希臘科學的一個轉折點。在他以前，科學家和哲學家都力求提出一個完整的世界體系，來解釋自然現(xiàn)象．他是最后一個提出完整世界體系的人。在他以后，許多科學家放棄提出完整體系的企圖，轉入研究具體問題。亞里士多德為什么在物理問題中總是出錯

物理教科書上，亞里士多德給同學們的形象不好。他老是出錯，請同學們講一講，他有哪些錯誤的結論？“物體下落的快慢是由它的重量決定的，物體越重，下落得越快”、“力是維持物體運動的原因，用力推車，車才前進，停止用力，車子就要停下來”。

是否覺得亞里士多德實在太不高明，而伽利略則比他偉大千倍。其實這種看法過于偏激，事實上，亞里士多德是古代的一位偉大思想家，一位百科全書式的大學問家，他有著成就事業(yè)的理性方法，又有著幾乎無所不及的思想成果，是古代科學思想的偉大代表，不僅在哲學、邏輯學方面的成就至今還被應用著，而且對物理學的前期發(fā)展是有貢獻的。

①亞里士多德認為，物體永遠在運動變化，“運動是永恒的，不能在一個時候曾經(jīng)存在，在另一個時候不存在”這種運動永恒的觀點具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至今仍是積極而有價值的。

亞里士多德提出的“自然運動”與“非自然運動”的理論。其中含有靜止慣性的思想，在遙遠的公元前，已是難能可貴的了。

②亞里士多德認為地上的物質(zhì)由土、水、氣、火這四種“基本元素”組成；企圖從物質(zhì)本身來說明自然，把科學從宗教與神話中解放出來，這一精神是有進步意義，這是人類幼年時代的思想精粹。

③亞里士多德主張大地是球形的，并列出了一些事實來證明。他說，當月蝕的時候，其顯明的部份恰帶有球形的形狀……月蝕的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而這就是說，地球表面的球形確定了月球的輪廓：認識到大地是球形，是一個重大的認識飛躍，為后來引力理論的建立作了思想準備。

這樣一位偉大的學者為什么在物理問題上經(jīng)常出錯？亞里士多德的錯誤不在于頭腦也不全在于時代，而在于研究方法。亞里士多德對物理的研究是采用“觀察加直覺”的方法，他的那些錯誤結論是靠觀察，并依賴直接推理，得出一系列直覺結論。固然，觀察與直覺對物理研究是至關重要的。詳細的觀察和良好的直覺往往導致偉大的發(fā)現(xiàn)。然而物理學是一門以實驗為基礎的學科，所以根據(jù)直接觀察所得出的直覺結論不是都可靠，有時會將人們引入歧途。如果說伽利略比亞里士多德偉大，就在于伽利略是第一位創(chuàng)造通過實驗檢驗理論推導的科學研究方法的科學家．伽利略所說的下面這段話能夠讓我們正確的對待偉人：“老實說，我贊成看亞里士多德的著作，并精心研究，我只是責備那些把自己完全淪為亞里士多德的奴隸的人。”

二、伽利略與自由落體

亞里士多德的學說在十六世紀仍然如日中天，人人都奉為經(jīng)典，沒有人提出任何的懷疑。亞里士多德關于“自由落體”的學說是：物體自高處自由落下的速度和重量成正比。也就是說，一個十磅重的物體，下墜的速度會比一磅重的物體快十倍。這個學說在大小的外表上看來，似乎非常的合理，而且人人也都相信學說的真確性，教授們嚴肅的把這個學說教給他們的學生，學生們也都敬謹?shù)慕邮苓@個學說，只有伽利略表示懷疑。

伽利略曾經(jīng)親眼目睹大小不同的冰雹，同時一起掉落到地。根據(jù)常識判斷，它們似乎是從同一高度一起下墜的，但是按照亞里士多德的學說，較大的冰雹應該先落到地面上，小冰雹在接著掉來，伽利略觀察到的并非如此。

他做了許多實驗，發(fā)覺亞里士多德的學說是錯誤的，他決心指出這項錯誤。傳說有一天，他邀請有關的教授到比塞塔前，拿出一個一百磅的重體，和一個一磅的重體。

伽利略問所有的教授們：

“假如這兩個重體同時自塔頂自由落下，結果如何？”

教授們議論紛紛，誰也沒有做過這樣的實驗，沒有人敢預料結果如何。

以往，他們按亞里斯多德的學說照本宣科，從來沒有懷疑過?，F(xiàn)在，居然有一位二十五歲的青年，提出了要求證據(jù)的疑問。結果呢？要是兩個重體以非常懸殊的速度墜落地面，教授們可以松一口氣，證明亞里士多德的學說是正確的，伽利略將被冠上“說謊者”、“攪局者”的罪名。要是兩個重體同時墜落地面？又將如何解釋呢？是揚棄奉行多年的亞里士多德學說，接受伽利略實驗所證明的事實，還是對伽利略的實驗視若無睹？

比薩塔的傾斜度可以使墜體不受阻礙，伽利略塔頂大喊：

“看清楚了沒有？下來了！”

兩個重體砰然而下，小的重體始終和大的重體并行，而且同時落地。這兩個重體的砰然一聲，并不表示亞里士多德的學說已經(jīng)崩潰。因為這一群教授在不想相信一件真實事物的時候，根本不去看一看、摸一摸，無論如何也不愿意承認亞里士多德的學說是錯誤的。更荒謬的是他們反而懷疑伽利略為了證實速度相同，而在重體內(nèi)隱藏了“魔術”。

三、伽利略的科學研究方法

①伽利略在《關于兩門新學科與數(shù)學證明的對話》一書中寫道：

薩爾維阿諦（伽氏）：如果把兩個自然速率不同的物體綁在一起，那么落得快的物體會被落得慢的物體拖著而減速，落得慢的物體會被落得快的物體拖著而加速，你同意嗎？

辛普利丘（亞氏）：沒有疑問，你說得對。

伽氏：但是，如果這是對的，那么我們?nèi)∫粔K大石頭，例如它的下落速率為8，再取一塊小石頭，下落速率為4，將它們栓在一起，整個系統(tǒng)的下落速率應該小于8；但是，兩塊石頭栓在一起，要比速率為8的石頭重。因此可以得出，重物體比輕物體的運動速率要小的結論，這個結論剛好和你的推測相反。

亞氏：我完全被搞糊涂了，……說實在的，這完全超出了我的理解力……。②比薩斜塔的落體運動實驗：比薩有座著名的塔，建于1173年。塔高54．6m（179英尺），由于塔基問題，塔身發(fā)生傾斜，那正是理想落體實驗場所。伽利略為了證明他的論斷，他邀請了許多人到斜塔旁觀看，有他的支持者，也有他的反對者。伽利略一手拿著1只0．454kg（