质能方程E=mc^2的推导过程是怎样的?

大飞哥8253


答: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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质能方程是从爱因斯坦的狭义相对论中所推导出来的,为了得到这个方程,先要了解质增效应。

根据狭义相对论,随着物体的运动速度逐渐加快,其质量也会随之增加,其关系如下:

上式中,m0为静止质量,m为运动质量(或称相对论性质量),v为速度,c为光速。

根据牛顿的第二运动定律:

注意m是变量,所以也要对其进行微分。

然后,再由机械能守恒定律可得,物体的动能Ek为:

对上式两边同时进行积分可得:

爱因斯坦把上式中的m0c^2称为物体的静止能量E0,mc^2则为物体的运动能量E,所以物体的动能就等于物体的运动能量和静止能量之差。由于E=mc^2把质量和能量通过光速联系在一起,所以我们就将其称作质能方程。根据质能方程,即便是小如尘埃的物体,它也拥有着巨大的能量,因为光速平方是一个极其巨大的数值,这也是为什么核弹能够释放出极为庞大能量的原因。

再来看一下相对论动能公式,其表达式似乎与我们中学所学的牛顿动能公式Ek=1/2mv^2似乎是不一样的。但如果我们对(1-v^2/c^2)^-1/2进行泰勒展开:

如果速度远远小于光速,即v<

此时的相对论动能公式近似于经典物理学中的动能公式,所以牛顿动能公式的适用范围是低速状态,其简单形式方便计算。但一旦涉及到亚光速运动,只能使用相对论动能公式。


火星一号


如下图所示:

原理并不复杂,除了涉及一些微积分计算以及一个质增公式(见下图)之外,中学生就可以理解(你可以看第一个等式,E=Fx,这不就是动能定理吗?其余的几个符号都是微积分里面的,所以说从动能定理的角度就能将质能方程推导出来)。

微积分这一数学工具咱们暂且不说,推导过程中唯一涉及的一个新知识就是质增公式了。这是狭义相对论的推论,简单理解就是速度越快的物体,它的质量会增加(注意,这里指的是相对速度)。

随后的结论可以看出,一个物体的动能表达是变成了:运动中的物体总能量-静止时的物体总能量,也就是(mc^2)-(m0c^2)。

这个形式与牛顿力学中的1/2mv^2看上去差别很大。但是在低速状态下(也就是速度远小于光速),这个表达式可以退化为牛顿力学形式。

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赛先生科普


首先E是运动质量的综合,m是

永恒不动的天体,

C是光

速的快慢,^是以每秒每分每时等来说光速快慢的。2是几倍的运动量


华北五角枫


傻瓜,,,这玩意不是推导出来的,,爱伊斯坦早就明白道理,只是一直找不到合适的数学表达式。。太复杂的公式他不会用。😂😂😂😂。所以最后写了一个小学生都能看懂的公式。。

质能方程虽然简单,但是不影响他的巨大作用和意义。。


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