2025高中物理 拓展阅读个体时间与系统时间素材

2025高中物理拓展阅读个体时间与系统时间素材【拓展阅读】个体时间与系统时间一、个体时间一切事物都处于运动之中，而且每一事物自始自终都在运动，没有不运动的物质。现代科学告诉我们，在自然界中，大到银河系，小到基本粒子，都处在不停的运动之中。正是由于宇宙中所有的物质都在做相对运动，所以不同物质个体的运动也都各不相同，世界上没有完全相同的两个物质运动存在。由于时间是由物质的相对空间位置变化产生的，运动使物质的空间位置不断地发生变化，不同的运动方式又使得物质的相对位置都各不相同，所以不同的物质、不同的物质个体都拥有自己的时间，不同的个体其时间也都各不相同。我们把不同的物质个体拥有的自己的时间叫做个体时间。不同的事物的个体时间有着不同的表现形式，比如，树叶由小变大、由绿变黄；树木由低长高、由细长粗；一盆水由多变少，由少变干；一件衣服由新变旧、由平整变褶皱；头发、指甲由短变长；黄瓜、白菜由新鲜变腐烂，等等。正是由于存在着各种各样的个体时间，所以人们才能够在生产实践中发明出无数种的计时方法，比如，日晷、沙漏、烧香、点蜡等等。不同的个体其时间是不一样的，一个主要的表现形式就是寿命的长短，不同的个体其寿命长短是不一样的。我们都听说过世界上没有完全相同的两片树叶的故事，这个故事讲的就是世界上没有完全相同的两个个体存在。世界上既不存在完全相同的两片树叶，也不会存在两个完全相同的原子。不同的个体其发展变化都各不相同，个体时间可以无限接近但不能绝对相同。这种不同一方面是由于不同的个体所处的空间位置各不相同引起的，另一方面是因为不同的个体与周围的物质有着不同的联系和不同的作用，正是由于这种不同的联系和作用导致了不同的个体在时间上存在的差异。二、系统时间在生活中，我们经常遇到同时性的问题，在狭义相对论中也有对同时性的讨论，爱因斯坦称“同时性具有相对性”。系统时间就是在研究同时性的问题时提出来的。同时性问题其实是一个系统问题，所谓系统，就是两个以上事物或对象相互关联而形成的统一体。在研究同时性问题时，我们可以认为两个事物也构成一个系统。在实际工作中，系统的大小要根据我们研究对象的范围来确定，当我们的研究对象是两个事物时，那么同时性就是这两个事物的同时性；当我们的研究对象是宇宙中所有的物质时，那么同时性就是指宇宙中的所有物质。系统问题不同于个体问题，系统问题需要我们把系统中所有的个体当作一个整体来进行考虑。在系统里，除了个体时间外，系统内的所有物质还应当遵守着一个共同的时间。当我们把一些事物当作系统来研究时，那么这些事物所共同遵守的时间就是系统时间。我们平时说的北京时间其实就是一个系统时间，这是全中国人民共同遵守的时间。系统时间的例子在我们的生活中比比皆是，比如，学校的上学、放学、上课、下课时间就是学校这个系统的系统时间；单位的上班、下班时间就是企事业单位的系统时间；列车时刻表是列车和旅客共同遵守的系统时间；军事上导弹拦截所采用的时间是双方导弹共同遵守的时间。系统时间和个体时间是相对而言的。物质世界的结构层次是无限多的，现代科学把整个宇宙划分为三个基本层次：微观世界、宏观世界和宇观世界。物质世界的这三个基本层次各自又都包含若干层次。这就说明一个事物既是由其它事物所组成的，同时又是别的事物的组成部分。相对于自身的组成物质而言，物质个体也都是一个系统，从这个角度来讲，我们所说的个体时间也是系统时间；相对于更高一层的系统来讲，系统时间又可以称为个体时间。在确定系统时间之前，我们先来看看什么是同时性。同时就是同一时刻的意思，同时性就是要解决系统中多个个体之间的时间同步问题。前面我们讲过，物质个体都拥有自己的时间，而且个体时间都各不相同，那么不同的物质个体会有共同的时间吗？宇宙是由无穷无尽的物质所组成，它们之间能有共同的时间吗？答案是肯定的：有！宇宙中的万事万物在运动中都是步调一致的，它们的运行是严格地同步，它们的同时性分秒不差。那宇宙的同时性指的是什么呢？前面我们讲过，时间是由物质的空间位置的远近次序发生的变化产生的，那么宇宙的同时性必然与物质的空间位置有关。在确定同时性时，我们必须要选择一个事物作为基准，没有基准就没有同时性，有了基准就有了同时性。宇宙的同时性就是指：当基准事物运动到某一具体位置时，其它所有物质相对于基准事物的空间位置即为宇宙的同一时刻。这是因为当基准物质运动到某一位置时，宇宙中其它所有的物质相对于它的空间位置都是唯一的，它们不可能既在这个位置上又在那个位置上。同样，对于一个系统来讲，它的同时性就是：作为基准的个体运动到某一具体位置时，系统中其它所有物质的相对位置。同时性只与相互比较的物质的相对空间位置有关系。理论上讲，宇宙存在着同时性，但实际上我们是测不到的，除非测量信号具有无限大的速度。假如有一种力量能让宇宙中所有的物质在一瞬间停止运动，让宇宙凝固，那么这一时刻就是同时了，这个时候在宇宙中所观察到的每一点都是同一个时刻发生的。当然了，这种情况只能存在于我们的想象当中。我们平时所讲的同时，其实并不是真正意义上的同时，它只是我们测量到的或者观察到的同时。它不是对被观察对象的空间位置进行的直接比较，而是通过观察者对时空对象发出来的信号进行的比较，是通过第三者进行的比较，是第三者眼中的同时。这种比较结果，不仅与时空对象有关，也与观察者的运动状态及传输信号的物质有关，测量结果与实际真值之间会存在着一定的误差。有了同时性，那我们又怎样来确定系统时间呢？要确定系统时间，我们也必须要先确定一个事物作为基准，有了基准以后，系统中其它所有的物质都与这个基准进行比较。用作基准的这个事物所具有的个体时间，就是标准时间，也就是这个系统的系统时间。当这个基准事物运动到某一具体位置时，系统中其它事物相对于基准事物的空间位置就是同一时刻。理论上可以选用任何一个“个体时间”作为系统的标准时间，比如，我们可以选用自家门前的一棵树作为宇宙的标准时间，根据树干的粗细变化来表示时间。但实际工作中，还要考虑到更多因素，比如，是否方便携带、是否容易复制，还要考虑到精确度等诸多问题，这样一来作为标准的个体时间就不能随意选择了。但有一个原则是不能改变的，那就是作为标准的只能是一个个体，不能是两个或者多个。前边我们已经讨论过，时间是由物质的运动产生的，不同物质个体的运动各不相同，不同的个体都拥有自己不同的时间，所以用来作为系统时间的只能采用一个个体时间。标准只能有一个，两个标准必然会带来人们认知上的困难，因为当两个标准不统一时，无法比较两个标准谁更准确或者说谁更标准。如果不这样做就会出现混乱，比如，张三说该上课了，李四说还有5分钟，王五说早超过3分钟了，你能说他们谁是对的谁是错的？只有在允许存在误差的情况下，才可以采用多个个体来计时，比如，我们可以先对时钟，把几个时钟都调为同一时间，这样几个时钟就都可以用作基准时间了。在这种情况下，系统时间的问题就变成了如何校对不在同一地点的两个时钟、如何传递时间信号、如何处理误差的问题。关于伽利略与亚里士多德伽利略简介伽利略全名伽利略·伽利莱，他是文艺复兴后期近代实验科学的创始人。1564年伽利略生于意大利的比萨城，1611年，伽利略应邀来到罗马，在罗马期间，伽利略为了确立新的自然研究法—实验法的地位，又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争，这就更加激怒了教会。1632年，他的名著《关于两大世界体系的对话》出版，但立即被教会列为禁书。1633年6月22日，伽利略受到宗教法庭审判，并被判终身软禁，成了“宗教裁判判所”的囚徒。1638年，伽利略在荷兰出版了《关于两门新学科与数学证明的对话》一书，对自己多年来在力学方面的研究进行了总结。他的父亲是一位才华出众的音乐家和教育家。他在科学上的创造才能，在青年时代就显示出来了。当他还是比萨大学医科学生时，就发明了能测量脉搏速率的摆式计时装置。后来他的兴趣转向了数学和物理学。1581年，17岁的伽利略对古希腊的物理学及亚里士多德、埃夫克利德和阿基米德的著作着迷。伽利略在数学、天文学，特别是力学方面有了很深的造诣，学术上成果累累。他通过大量的观察和实验总结出了惯性定律、自由落体运动规律和相对性原理；发现了单摆振动的等时性原理；用自制的33倍望远镜观察天象，发现了一系列令人震惊的天文现象。伽利略将观察到的天文现象写成《星际使者》一书，于1610年发表。书中介绍了月球上的环状山脉，无数星体构成的银河系，金星的盈亏，木星的四颗卫星，太阳黑斑等等，从而对哥白尼的“天体运行”论提供了有力的支持，同时也动摇了亚里士多德—托勒密的地心说。亚里士多德简介作为一位伟大的、百科全书式的科学家，亚里士多德对世界的贡献之大，令人震惊。他至少撰写了170种著作，其中流传下来的有47种。他的科学著作，在那个年代简直就是一本百科全书。但他的成就远不止于此。他还是一位真正哲学家，对哲学每个学科几乎都做出了贡献。亚里士多德集中古代知识于一身，在他死后几百年中，没有一个人像他那样对知识有过系统考察和全面掌握。他的著作是古代的百科全书。恩格斯称他是“最博学的人”。亚里士多德最大的贡献在于创立了形式逻辑这一重要分支学科。逻辑思维是亚里士多德在众多领域建树卓越的支柱。亚里士多德的思想对西方文化根本倾向以至内容产生了深刻的影响。在上古及中古时期，他的著作被译成拉丁文、叙利亚文、阿拉伯文、意大利文、希伯来文、德语和英语。随着亚里士多德作品的不断被发现，中世纪出现了一个研究亚里士多德主义的新时代，学者们以此作为求得各方面真知识的基础。亚里士多德学识渊博，著述颇丰．他对于当时尚未分类的科学部门如政治、逻辑、伦理、历史、物理(自然学科)、心理学、美学、教育学等均有研究并有独到见解，被马克思誉为“古代最伟大的思想家”。亚里士多德是古希腊又一位伟大的教育思想家，建立了包括自然学科在内的百科全书式的课程体系，提出了注重实践的良好措施，为后人留下了一笔包罗宏富的教育遗产。亚里士多德显示了希腊科学的一个转折点。在他以前，科学家和哲学家都力求提出一个完整的世界体系，来解释自然现象．他是最后一个提出完整世界体系的人。在他以后，许多科学家放弃提出完整体系的企图，转入研究具体问题。亚里士多德为什么在物理问题中总是出错

物理教科书上，亚里士多德给同学们的形象不好。他老是出错，请同学们讲一讲，他有哪些错误的结论？“物体下落的快慢是由它的重量决定的，物体越重，下落得越快”、“力是维持物体运动的原因，用力推车，车才前进，停止用力，车子就要停下来”。

是否觉得亚里士多德实在太不高明，而伽利略则比他伟大千倍。其实这种看法过于偏激，事实上，亚里士多德是古代的一位伟大思想家，一位百科全书式的大学问家，他有着成就事业的理性方法，又有着几乎无所不及的思想成果，是古代科学思想的伟大代表，不仅在哲学、逻辑学方面的成就至今还被应用着，而且对物理学的前期发展是有贡献的。

①亚里士多德认为，物体永远在运动变化，“运动是永恒的，不能在一个时候曾经存在，在另一个时候不存在”这种运动永恒的观点具有唯物主义思想，包含辩证法的因素，至今仍是积极而有价值的。

亚里士多德提出的“自然运动”与“非自然运动”的理论。其中含有静止惯性的思想，在遥远的公元前，已是难能可贵的了。

②亚里士多德认为地上的物质由土、水、气、火这四种“基本元素”组成；企图从物质本身来说明自然，把科学从宗教与神话中解放出来，这一精神是有进步意义，这是人类幼年时代的思想精粹。

③亚里士多德主张大地是球形的，并列出了一些事实来证明。他说，当月蚀的时候，其显明的部份恰带有球形的形状……月蚀的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而这就是说，地球表面的球形确定了月球的轮廓：认识到大地是球形，是一个重大的认识飞跃，为后来引力理论的建立作了思想准备。

这样一位伟大的学者为什么在物理问题上经常出错？亚里士多德的错误不在于头脑也不全在于时代，而在于研究方法。亚里士多德对物理的研究是采用“观察加直觉”的方法，他的那些错误结论是靠观察，并依赖直接推理，得出一系列直觉结论。固然，观察与直觉对物理研究是至关重要的。详细的观察和良好的直觉往往导致伟大的发现。然而物理学是一门以实验为基础的学科，所以根据直接观察所得出的直觉结论不是都可靠，有时会将人们引入歧途。如果说伽利略比亚里士多德伟大，就在于伽利略是第一位创造通过实验检验理论推导的科学研究方法的科学家．伽利略所说的下面这段话能够让我们正确的对待伟人：“老实说，我赞成看亚里士多德的著作，并精心研究，我只是责备那些把自己完全沦为亚里士多德的奴隶的人。”

二、伽利略与自由落体

亚里士多德的学说在十六世纪仍然如日中天，人人都奉为经典，没有人提出任何的怀疑。亚里士多德关于“自由落体”的学说是：物体自高处自由落下的速度和重量成正比。也就是说，一个十磅重的物体，下坠的速度会比一磅重的物体快十倍。这个学说在大小的外表上看来，似乎非常的合理，而且人人也都相信学说的真确性，教授们严肃的把这个学说教给他们的学生，学生们也都敬谨的接受这个学说，只有伽利略表示怀疑。

伽利略曾经亲眼目睹大小不同的冰雹，同时一起掉落到地。根据常识判断，它们似乎是从同一高度一起下坠的，但是按照亚里士多德的学说，较大的冰雹应该先落到地面上，小冰雹在接着掉来，伽利略观察到的并非如此。

他做了许多实验，发觉亚里士多德的学说是错误的，他决心指出这项错误。传说有一天，他邀请有关的教授到比塞塔前，拿出一个一百磅的重体，和一个一磅的重体。

伽利略问所有的教授们：

“假如这两个重体同时自塔顶自由落下，结果如何？”

教授们议论纷纷，谁也没有做过这样的实验，没有人敢预料结果如何。

以往，他们按亚里斯多德的学说照本宣科，从来没有怀疑过。现在，居然有一位二十五岁的青年，提出了要求证据的疑问。结果呢？要是两个重体以非常悬殊的速度坠落地面，教授们可以松一口气，证明亚里士多德的学说是正确的，伽利略将被冠上“说谎者”、“搅局者”的罪名。要是两个重体同时坠落地面？又将如何解释呢？是扬弃奉行多年的亚里士多德学说，接受伽利略实验所证明的事实，还是对伽利略的实验视若无睹？

比萨塔的倾斜度可以使坠体不受阻碍，伽利略塔顶大喊：

“看清楚了没有？下来了！”

两个重体砰然而下，小的重体始终和大的重体并行，而且同时落地。这两个重体的砰然一声，并不表示亚里士多德的学说已经崩溃。因为这一群教授在不想相信一件真实事物的时候，根本不去看一看、摸一摸，无论如何也不愿意承认亚里士多德的学说是错误的。更荒谬的是他们反而怀疑伽利略为了证实速度相同，而在重体内隐藏了“魔术”。

三、伽利略的科学研究方法

①伽利略在《关于两门新学科与数学证明的对话》一书中写道：

萨尔维阿谛（伽氏）：如果把两个自然速率不同的物体绑在一起，那么落得快的物体会被落得慢的物体拖着而减速，落得慢的物体会被落得快的物体拖着而加速，你同意吗？

辛普利丘（亚氏）：没有疑问，你说得对。

伽氏：但是，如果这是对的，那么我们取一块大石头，例如它的下落速率为8，再取一块小石头，下落速率为4，将它们栓在一起，整个系统的下落速率应该小于8；但是，两块石头栓在一起，要比速率为8的石头重。因此可以得出，重物体比轻物体的运动速率要小的结论，这个结论刚好和你的推测相反。

亚氏：我完全被搞糊涂了，……说实在的，这完全超出了我的理解力……。②比萨斜塔的落体运动实验：比萨有座著名的塔，建于1173年。塔高54．6m（179英尺），由于塔基问题，塔身发生倾斜，那正是理想落体实验场所。伽利略为了证明他的论断，他邀请了许多人到斜塔旁观看，有他的支持者，也有他的反对者。伽利略一手拿着1只0．454kg（