相对论吧 关注:85,139贴子:1,182,045
  • 5回复贴,共1

物体的惯性同它所含的能量有关吗?[质能方程推导]

取消只看楼主收藏回复





IP属地:湖北1楼2021-08-06 20:54回复





    IP属地:湖北2楼2021-08-06 20:57
    回复
      说明:在本论文中,爱因斯坦分别用E、H、L来表示不同的能量,C跟不定积分中的常数C意义相近,V表示光速,v表示运动速度,所以最后得到的公式是质量m=L/V²,后来用E表示能量,c表示光速,就是m=E/c²,或E=mc²。


      IP属地:湖北3楼2021-08-06 21:05
      回复
        我的狭义相对论入门帖https://tieba.baidu.com/p/5956226467中30楼(看不到30楼的话看103楼)的质能方程推导,就是按此文的意思介绍的,只是推导过程的细节上有所调整。
        下面是结论:

        我觉得,这个译文红框内翻译得有点拗口,可改为“至于放出的能量L是否都变成光能再辐射”。因为通篇就提到了光能、动能和未作任何定性的能量,没有直接提及其它任何形式的能量,所以在我介绍的时候进行了解读,“在这里,E是光能,而这个光能可以是由电能或化学能直接转化,也可以是由机械能、化学能、核能、热能等先转化为电能再转化为光能,在系统中,不在乎是什么能量转化的光能”,还应该再补充“也不在乎它是否先转化为光能”。绿框中才是对质能方程的高度概括的文字描述,因为通篇就没有提到什么能量适用,什么能量不适用,所以可以解读为E可以是任何能量——核能、光能、电能、化学能、静能、动能、势能(包括弹性势能)、热能……


        IP属地:湖北7楼2021-08-06 21:52
        回复
          下面,我假定几个具体数据来进行一下分析:
          我用两个一模一样的陀螺做一个储能装置,两个陀螺绕同一个轴向相反的方向以绝对值相等的角速度高速旋转来储能,同时配备一个能将电能100%转化为旋转动能也能将旋转动能100%转化为电能的电机,还有一个能把电能100%转化为光能的光源。首先,我将E₁=9*10¹⁶焦耳的电能转化为动能用该陀螺保存起来,然后将该设备放到高铁列车上,在列车以每秒90米(0.0000003c)的速度前进时,将这些能量陀螺的旋转动能转化为电能再转化为光能,朝相反的两个方向发射出去,最后让列车停下来。
          根据上面的爱因斯坦推导质能方程的过程,设备储存了9*10¹⁶焦耳的机械能,如果100%转化为光能,那么,毫无疑问在列车这个参照系中释放出来的光能就是9*10¹⁶焦耳,如果发射出去的光是按以列车为参照时向相反的方向发射等量的光,那么在地面这个参照系中,因为多普勒频移,这些光的能量是E₂=γE₁=1/√(1-0.0000003²)*9*10¹⁶焦耳=9.000000000000405*10¹⁶焦耳,也就是比存入的能量多4050焦耳的能量。于是,在地球这个参照系看,设备储存的9*10¹⁶焦耳的能量,在地面上能得到9*10¹⁶焦耳+4050焦耳,为了保持能量守恒,就要假定设备在释放出9*10¹⁶焦耳+4050焦耳能量的同时,因为设备的质量减小,所以减少了4050焦耳的动能,减小的质量是m=2E/v²=2*4050/90²=1千克。
          如果全程以地面为参照来看这个过程,并假定设备在储存能量前的质量是m₀,那么,设备在储存能量9*10¹⁶焦耳的同时,质量变为m₀+1千克,按经典力学公式Ek=mv²/2,设备在列车上加速到90米/秒时,获得动能m₀v²/2+1千克*(90米/秒)²/2=m₀v²/2+4050焦耳,然后在列车上释放出9*10¹⁶焦耳+4050焦耳的光能,最后剩余动能m₀v²/2在列车停下来时释放出来,整个过程能量守恒。(说明一下:经典力学公式Ek=mv²/2在狭义相对论中是低速下的近似公式,在这里,按这个近似公式计算出来的值是4050焦耳整,而实际按多普勒频移计算的4050从第10位小数开始还有无数位小数,所以4050焦耳就是低速下的近似值。)
          从这些数字可以看出,设备储存9*10¹⁶焦耳的动能后,质量就增加1千克,所以质能方程适用于动能。如果把陀螺改为蓄电池,将电能变成化学能,再将化学能变为电能用来发光,上述过程仍成立,所以质能方程也适用于化学能。同理,将储能方式换成任意一种能量,只要能再100%转化为光能,上述过程仍成立,所以质能方程适用于任意形式的能量。


          IP属地:湖北9楼2021-08-10 11:40
          回复
            顶个帖子上来,@冯吴萱绎 @载剑公爵 @hkq


            IP属地:湖北10楼2025-01-06 11:42
            收起回复