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关于质能方程,你真的了解吗?

更新时间:2024-03-27 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

1905年,爱因斯坦发表了多篇开创性的论文,包括光电效应、布朗运动、狭义相对论以及狭义相对论的补充:质量与能量的等价性。 (质能方程E=mc^2其实是质能等价论文里的)eE4物理好资源网(原物理ok网)

也就是说,质能等效理论实际上是狭义相对论的一部分。 那么狭义相对论到底包含哪些内容呢?eE4物理好资源网(原物理ok网)

如果非要用一句话来概括的话,那就是爱因斯坦在他的狭义相对论中首次统一了“时间”和“空间”。 他认为这两者应该统称为时空; 其次,他统一了“能量”和“质量”,这是质量和能量等价的内容。 他认为能量和质量实际上是同一个东西。 质能方程实际上是利用狭义相对论中的理论推导出来的。eE4物理好资源网(原物理ok网)

具体是如何得出的呢? 我们简单说一下吧。eE4物理好资源网(原物理ok网)

质能方程eE4物理好资源网(原物理ok网)

其实我们也可以想一想,为什么爱因斯坦没有同时发表狭义相对论和质能等价论,而是分开发表。 目前有一种说法是爱因斯坦在提出狭义相对论后才发现了质量与能量的等价关系,然后加上了这篇文章。 因此,我们要想了解质能方程,首先要了解狭义相对论是怎么说的?eE4物理好资源网(原物理ok网)

对于稍微懂点物理的人来说,一提到狭义相对论,通常会想到“时间膨胀”、“收缩效应”、“同时性相对论”等词语。 但这些实际上是结果,而不是过程。 那么狭义相对论是怎么说的呢?eE4物理好资源网(原物理ok网)

这要从“动”说起。 大多数人从小接受的物理教育基本上都与牛顿力学有关。 以最简单的运动学问题为例。 下图中,一辆汽车以10m/s的速度从左向右行驶。 车上有一个人,以5m/s的速度朝车的方向行走。 这时,地上多了一个人。 他看到了什么小人物? 这个人的速度是多少?eE4物理好资源网(原物理ok网)

其实这个问题很简单。 大多数人脱口而出的答案是10+5=15m/s。 这实际上是牛顿力学世界观的结果。 但是,如果我们再加上一些条件,如果此时小人并没有离开,而是手里拿着一个手电筒,并且手电筒的光朝着汽车的方向照射,那么此时的光速应该是多少时间?eE4物理好资源网(原物理ok网)

按照上面的方法,我们实际可以得到的结果是:光速+10m/s。eE4物理好资源网(原物理ok网)

这一切看起来都没有问题,牛顿力学确实解决了宏观低速下的运动学问题。 然而,后来一位名叫麦克斯韦的科学家提出了一个理论,可以得到光速的表达式:光速c=1/ε0μ0。 其中,ε0和μ0均为等速。 换句话说,麦克斯韦理论表明光速是一个固定值。 而麦克斯韦理论实际上是一个可以与牛顿力学相媲美的理论,而且不太可能是错误的。 因此,科学家们一直在努力寻找调和牛顿力学和麦克斯韦理论的方法。 然而,他们都以失败告终。eE4物理好资源网(原物理ok网)

那么,爱因斯坦这个时候就出来了。 他基本上是一个和平缔造者。 他利用牛顿力学中的“伽利略变换”和麦克斯韦理论中的“光速不变原理”进行综合和运用。 这两个最基本的假设介绍了狭义相对论的整个框架。 具体推导其实就是初中数学的难点。 这里就不详细说了,但是我们需要知道的是,他得到了一个洛伦兹因子。 (之所以称为洛伦兹因子,是因为这个推导过程首先是由一位名叫洛伦兹的科学家得到的,但这位科学家并不理解其中的物理含义。)eE4物理好资源网(原物理ok网)

有了洛伦兹因子,我们可以得出很多结论。 例如,表达物体在空间中的速度时:eE4物理好资源网(原物理ok网)

收缩效应和时间膨胀其实就是这样推导出来的,甚至还包括了物体运动时的动量和质量。eE4物理好资源网(原物理ok网)

事实上,爱因斯坦用狭义相对论推导运动物体的质量时,得到了结果E=mc^2。 其实推导过程并不难爱因斯坦质能方程,这里就不大段赘述了。 这个过程涉及一点点。 只要有一点微积分知识和动能定理就可以得到它。eE4物理好资源网(原物理ok网)

质能方程的物理意义eE4物理好资源网(原物理ok网)

质能方程的推导其实并不困难。 困难其实在于如何理解它。 事实上,市面上的科普书籍对这一理论存在很大的误解。 常用的方法是“将质量转化为能量”,特别是在原子弹相关的科普中。eE4物理好资源网(原物理ok网)

但事实上,如果你仔细翻翻大学物理教材或者相对论相关的教材,你会发现,为了避免很多人产生类似的误解爱因斯坦质能方程,这部分内容现在已经集中在辟谣上。eE4物理好资源网(原物理ok网)

质能方程实际上想要表达的是,质量和能量实际上是同一个东西,是同一个东西的两个侧面。 质量有能量,能量有质量。eE4物理好资源网(原物理ok网)

我们举一个与金钱相关的例子。 假设您有一笔钱,并且其总价值是固定的。 但这个时候你可以选择把钱兑换成人民币,​​也可以考虑兑换成美元。 当然,您也可以成为其中的一部分。 是人民币,一部分是美元。 这里的人民币就像能源,美元就像质量,汇率就像c^2。eE4物理好资源网(原物理ok网)

因此,质量和能量的等价关系是E=mc^2,而不是换算关系。eE4物理好资源网(原物理ok网)

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