相对论质能方程是如何推导出来的?物理意义是什么?
相对论的质能方程,可以根据相对论的质速关系直接推导出来。
质速关系
质能方程是相对论的直接推论,也是物理学中最美妙的方程之一;要推导质能方程,我们需要用到相对论的质速关系方程:
该方程描述到,物体的质量并非一成不变,而是随着物体速度的增加而增加;同时也指出,物体在无限接近光速时,物体质量将趋向于无穷大,暗示着拥有静止质量的物体不能达到光速。
质能方程
然后,我们根据质速关系和动量方程,利用一点微积分知识,就可以推导出大名鼎鼎的质能方程:
在相对论下,物体动能为Ek=mc^2-m0c^2=Δmc^2;
该方程表示:一个物体的总质量,包含了一个动质量Δm,和一个静止质量m0。同时也暗示着,一个静止质量不为零物体,也存在一个固有能量m0c^2。
因为光速非常大,所以一个小质量的物体,也包含着巨大的能量;比如在核聚变中,质量亏损率为0.7%,1克核聚变材料,就能释放高达140吨TNT当量的能量。
那么对于任意物体,把动质量和静止质量看成相对论质量,那么物体总能量就可以写成E=mc^2,这也是物理学中最美妙的公式之一,也指出质量和能量在相对论中是统一的。
经典力学和相对论力学
我们知道,在牛顿力学中,物体动能E=mv^2/2,其实该公式也可以根据质能方程推导出来:
也就是说,牛顿力学动能方程,是相对论质能方程在物体速度远低于光速下的近似方程;在这里,我们看到了牛顿力学和相对论力学的高度统一。
静止质量为零的特殊情况
在质速关系方程中,我们一直在强调物体的静止质量不为零,但是确实有些粒子的静止质量是为零的,比如光子。
那么对于光子的情况,质速关系方程将不再适用,这时候需要用量子力学来描述光子的能量:
E=hυ;
其中h为普朗克常数,υ为光子的频率。质能方程属于普适方程,一样可以用在光子身上,我们可以根据光子的能量,反过来得到光子的相对论质量:
E=hυ/c^2;
只是光子的这个质量,只包含动质量,不存在静止质量。
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