質能方程E=mc^2的推導過程是怎樣的?

大飛哥8253


答:相對論的質能方程,可以根據相對論的質速關係直接推導出來。


質速關係

質能方程是相對論的直接推論,也是物理學中最美妙的方程之一;要推導質能方程,我們需要用到相對論的質速關係方程:

該方程描述到,物體的質量並非一成不變,而是隨著物體速度的增加而增加;同時也指出,物體在無限接近光速時,物體質量將趨向於無窮大,暗示著擁有靜止質量的物體不能達到光速。


質能方程

然後,我們根據質速關係和動量方程,利用一點微積分知識,就可以推導出大名鼎鼎的質能方程:

在相對論下,物體動能為Ek=mc^2-m0c^2=Δmc^2;

該方程表示:一個物體的總質量,包含了一個動質量Δm,和一個靜止質量m0。同時也暗示著,一個靜止質量不為零物體,也存在一個固有能量m0c^2。


因為光速非常大,所以一個小質量的物體,也包含著巨大的能量;比如在核聚變中,質量虧損率為0.7%,1剋核聚變材料,就能釋放高達140噸TNT當量的能量。

那麼對於任意物體,把動質量和靜止質量看成相對論質量,那麼物體總能量就可以寫成E=mc^2,這也是物理學中最美妙的公式之一,也指出質量和能量在相對論中是統一的。


經典力學和相對論力學

我們知道,在牛頓力學中,物體動能E=mv^2/2,其實該公式也可以根據質能方程推導出來:

也就是說,牛頓力學動能方程,是相對論質能方程在物體速度遠低於光速下的近似方程;在這裡,我們看到了牛頓力學和相對論力學的高度統一。


靜止質量為零的特殊情況

在質速關係方程中,我們一直在強調物體的靜止質量不為零,但是確實有些粒子的靜止質量是為零的,比如光子。

那麼對於光子的情況,質速關係方程將不再適用,這時候需要用量子力學來描述光子的能量:

E=hυ;

其中h為普朗克常數,υ為光子的頻率。質能方程屬於普適方程,一樣可以用在光子身上,我們可以根據光子的能量,反過來得到光子的相對論質量:

E=hυ/c^2;

只是光子的這個質量,只包含動質量,不存在靜止質量。


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質能方程是從愛因斯坦的狹義相對論中所推導出來的,為了得到這個方程,先要了解質增效應。

根據狹義相對論,隨著物體的運動速度逐漸加快,其質量也會隨之增加,其關係如下:

上式中,m0為靜止質量,m為運動質量(或稱相對論性質量),v為速度,c為光速。

根據牛頓的第二運動定律:

注意m是變量,所以也要對其進行微分。

然後,再由機械能守恆定律可得,物體的動能Ek為:

對上式兩邊同時進行積分可得:

愛因斯坦把上式中的m0c^2稱為物體的靜止能量E0,mc^2則為物體的運動能量E,所以物體的動能就等於物體的運動能量和靜止能量之差。由於E=mc^2把質量和能量通過光速聯繫在一起,所以我們就將其稱作質能方程。根據質能方程,即便是小如塵埃的物體,它也擁有著巨大的能量,因為光速平方是一個極其巨大的數值,這也是為什麼核彈能夠釋放出極為龐大能量的原因。

再來看一下相對論動能公式,其表達式似乎與我們中學所學的牛頓動能公式Ek=1/2mv^2似乎是不一樣的。但如果我們對(1-v^2/c^2)^-1/2進行泰勒展開:

如果速度遠遠小於光速,即v<

此時的相對論動能公式近似於經典物理學中的動能公式,所以牛頓動能公式的適用範圍是低速狀態,其簡單形式方便計算。但一旦涉及到亞光速運動,只能使用相對論動能公式。


火星一號


如下圖所示:

原理並不複雜,除了涉及一些微積分計算以及一個質增公式(見下圖)之外,中學生就可以理解(你可以看第一個等式,E=Fx,這不就是動能定理嗎?其餘的幾個符號都是微積分裡面的,所以說從動能定理的角度就能將質能方程推導出來)。

微積分這一數學工具咱們暫且不說,推導過程中唯一涉及的一個新知識就是質增公式了。這是狹義相對論的推論,簡單理解就是速度越快的物體,它的質量會增加(注意,這裡指的是相對速度)。

隨後的結論可以看出,一個物體的動能表達是變成了:運動中的物體總能量-靜止時的物體總能量,也就是(mc^2)-(m0c^2)。

這個形式與牛頓力學中的1/2mv^2看上去差別很大。但是在低速狀態下(也就是速度遠小於光速),這個表達式可以退化為牛頓力學形式。

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賽先生科普


首先E是運動質量的綜合,m是

永恆不動的天體,

C是光

速的快慢,^是以每秒每分每時等來說光速快慢的。2是幾倍的運動量


華北五角楓


傻瓜,,,這玩意不是推導出來的,,愛伊斯坦早就明白道理,只是一直找不到合適的數學表達式。。太複雜的公式他不會用。😂😂😂😂。所以最後寫了一個小學生都能看懂的公式。。

質能方程雖然簡單,但是不影響他的巨大作用和意義。。


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