如何理解E=mc2_飛外網(wǎng)

愛因斯坦在1905年發(fā)表的一篇革命性科學(xué)論文中提出了方程式E=mc2;其中E代表能量,m代表質(zhì)量,c是光在真空中的速度。從那以后,E=mc2成為了世界上最著名的方程式。即使沒有物理學(xué)背景的人也至少聽說過這個(gè)方程式,并且知道它對(duì)我們所生活的這個(gè)世界產(chǎn)生的巨大影響。但是,很多人并沒有真正理解這個(gè)方程式的含義。簡(jiǎn)單來說,這個(gè)方程式表示的是能量與質(zhì)量的關(guān)系:實(shí)際上,能量和質(zhì)量只不過是同一種東西的兩種不同形式。這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方程式改變了我們對(duì)能量的思考方式,幫助我們實(shí)現(xiàn)了大量的技術(shù)進(jìn)步。

理解方程式01

定義方程式的變量。要理解一個(gè)方程式,首先要知道每個(gè)變量的含義。在本例中,E是一個(gè)物體靜止時(shí)的能量,c是光在真空中的速度。光速c在所有參考系中都是一個(gè)常數(shù),大約等于每秒3.00x108米。在愛因斯坦的相對(duì)論中,c2更多的是用作一個(gè)單位轉(zhuǎn)換系數(shù),而不是常數(shù)。因此,它的平方是量綱分析的結(jié)果——能量是采用焦耳或kg m2s-2來計(jì)量,所以增加c2可確保能量和質(zhì)量之間的關(guān)系在量綱上是一致。

02

理解能量的含義。能量有很多形式,包括熱能、電能、化學(xué)能、核能等。能量是通過從一個(gè)系統(tǒng)獲取力量,并作用到另外一個(gè)系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)移。能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能轉(zhuǎn)換形式。例如,煤含有大量的能量,可以在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)換成熱能。

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定義質(zhì)量的含義。通常質(zhì)量是定義為一個(gè)物體的物質(zhì)的量。質(zhì)量還有其它一些定義。有“不變質(zhì)量”和“相對(duì)論質(zhì)量”。不變質(zhì)量是無論處在什么參考系中都不會(huì)變化的質(zhì)量。而相對(duì)論質(zhì)量卻取決于物體的速度。在方程式E=mc2中,m指的是不變質(zhì)量。這是非常重要的,因?yàn)檫@意味著在加速的過程中,質(zhì)量不會(huì)增大,這和我們通常的觀點(diǎn)是不同的。理解質(zhì)量和重量的差別是非常重要的。重量是一個(gè)物體感受到的重力,而質(zhì)量是該物體中物質(zhì)的量。只有在物體發(fā)生物理變化時(shí)它的質(zhì)量才會(huì)改變,而重量會(huì)隨著物體所處重力環(huán)境而改變。質(zhì)量是用千克(kg)計(jì)量,而重量是用牛頓(N)計(jì)量。和能量一樣,質(zhì)量既不能憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失。例如,冰塊可以融化成液體,但是兩種形態(tài)的質(zhì)量相同。

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知道質(zhì)量和能量是相等的。此方程式表明質(zhì)量和能量是同一種東西,并且告訴我們?cè)谔囟〝?shù)量的質(zhì)量中含有多少能量。實(shí)際上,此方程式說明了很小的質(zhì)量中含有很大的能量。

將方程式應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中01

理解可用能量從哪里來。我們大多數(shù)可消耗的能量來自于煤和天然氣的燃燒。這些物質(zhì)的燃燒是利用了它們的價(jià)電子(原子最外層的不成對(duì)電子),以及它們與其它元素產(chǎn)生的鍵。在加熱時(shí),這些鍵斷開并釋放能量,為我們的社會(huì)提供動(dòng)力。以這種方式獲得能量不是特別高效,并且對(duì)環(huán)境的影響比較大。

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利用愛因斯坦方程式使能量轉(zhuǎn)換更加高效。E=mc2告訴我們?cè)拥脑雍酥袃?chǔ)存的能量要比它的價(jià)電子多很多。分裂原子釋放的能量要比斷開電子鍵釋放的能量大得多。核能就是以這個(gè)原理為基礎(chǔ)。核反應(yīng)堆促使產(chǎn)生裂變,并捕獲其中釋放的巨大能量。

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利用E=mc2使得這些技術(shù)的發(fā)現(xiàn)成為可能。E=mc2已經(jīng)幫助創(chuàng)造了很多令人興奮的新技術(shù),如果沒有其中一些技術(shù),我們的生活將難以想象:PET掃描可以利用放射現(xiàn)象檢查人的身體內(nèi)部。此方程式幫助實(shí)現(xiàn)了人造衛(wèi)星和探測(cè)車的通信開發(fā)?;诖朔匠淌降奶纪凰啬挲g測(cè)定利用放射性衰變判定古物的年齡。核能為我們的社會(huì)提供了更清潔和更高效的能源。


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