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怎么理解E=mc2

爱因斯坦在1905年发表的一篇革命性科学论文中提出了方程式E=mc;其中E代表能量,m代表质量,c是光在真空中的速度。 从那以后,E=mc成为了世界上最著名的方程式。即使没有物理学背景的人也至少听说过这个方程式,并且知道它对我们所生活的这个世界产生的巨大影响。但是,很多人并没有真正理解这个方程式的含义。简单来说,这个方程式表示的是能量与质量的关系:实际上,能量和质量只不过是同一种东西的两种不同形式。 这个相对简单的方程式改变了我们对能量的思考方式,帮助我们实现了大量的技术进步。

方法1理解方程式

  1. 1定义方程式的变量。

    要理解一个方程式,首先要知道每个变量的含义。在本例中,E是一个物体静止时的能量,c是光在真空中的速度。
  2. 光速c在所有参考系中都是一个常数,大约等于每秒3.00x10米。在爱因斯坦的相对论中,c更多的是用作一个单位转换系数,而不是常数。因此,它的平方是量纲分析的结果——能量是采用焦耳或kg m s来计量,所以增加c可确保能量和质量之间的关系在量纲上是一致。
  3. 2理解能量的含义。

    能量有很多形式,包括热能、电能、化学能、核能等。 能量是通过从一个系统获取力量,并作用到另外一个系统,来实现在不同系统之间的转移。
  4. 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能转换形式。例如,煤含有大量的能量,可以在燃烧时转换成热能。
  5. 3定义质量的含义。

    通常质量是定义为一个物体的物质的量。
  6. 质量还有其它一些定义。有“不变质量”和“相对论质量”。不变质量是无论处在什么参考系中都不会变化的质量。而相对论质量却取决于物体的速度。在方程式E=mc中,m指的是不变质量。这是非常重要的,因为这意味着在加速的过程中,质量

    不会

    增大,这和我们通常的观点是不同的。
  7. 理解质量和重量的差别是非常重要的。重量是一个物体感受到的重力,而质量是该物体中物质的量。只有在物体发生物理变化时它的质量才会改变,而重量会随着物体所处重力环境而改变。质量是用千克(kg)计量,而重量是用牛顿(N)计量。
  8. 和能量一样,质量既不能凭空产生,也不会凭空消失。例如,冰块可以融化成液体,但是两种形态的质量相同。
  9. 4知道质量和能量是相等的。

    此方程式表明质量和能量是同一种东西,并且告诉我们在特定数量的质量中含有多少能量。实际上,此方程式说明了很小的质量中含有很大的能量。

方法2将方程式应用到现实世界中

  1. 1理解可用能量从哪里来。

    我们大多数可消耗的能量来自于煤和天然气的燃烧。这些物质的燃烧是利用了它们的价电子(原子最外层的不成对电子),以及它们与其它元素产生的键。在加热时,这些键断开并释放能量,为我们的社会提供动力。
  2. 以这种方式获得能量不是特别高效,并且对环境的影响比较大。
  3. 2利用爱因斯坦方程式使能量转换更加高效。

    E=mc告诉我们原子的原子核中储存的能量要比它的价电子多很多。 分裂原子释放的能量要比断开电子键释放的能量大得多。
  4. 核能就是以这个原理为基础。核反应堆促使产生裂变,并捕获其中释放的巨大能量。
  5. 3利用E=mc使得这些技术的发现成为可能。

    E=mc已经帮助创造了很多令人兴奋的新技术,如果没有其中一些技术,我们的生活将难以想象:
  6. PET扫描可以利用放射现象检查人的身体内部。
  7. 此方程式帮助实现了人造卫星和探测车的通信开发。
  8. 基于此方程式的碳同位素年龄测定利用放射性衰变判定古物的年龄。
  9. 核能为我们的社会提供了更清洁和更高效的能源。

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