爱因斯坦的质能方程怎么推导出来的?

答:利用洛伦兹变换,很容易推导出质能方程。


质能方程是爱因斯坦,在1905年发表的论文《物体惯性时候决定其内能?》中提出来的,描述了物质的质量和能量之间的关系。


利用相对论质增关系,然后结合动量定理和动能定理,就可以推导出质能方程。

相对论动能E=mc^2-m0c^2=Δmc^2,其中Δm=m-m0。

描述:一个物体包含的总能量,可以分为相对论质增效应的能量,和一个固有能量m0c^2。

其中m0是静止质量,暗示着拥有微小质量的物体,也可能包含着巨大的能量,因为其中的光速c是一个很大的数。


质能方程是物理学中非常重要的公式,能够解释很多物理学本质上的东西,比如一个物体的动能,在低速时,就近似成为牛顿力学动能公式。

质能方程深刻揭示了能量和质量的关系,在牛顿力学中,质量和能量是两个完全不同的概念,在各自领域对应着质量守恒和能量守恒。

但是质量方程把两者统一了起来,使之变成了质能守恒;比如在重原子衰变当中,就伴随着能量的释放和质量的亏损,就精确地遵循着质能方程。


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首先我来说说,如何不用推导就能得到质能关系的大致形式。按照量纲分析,动能的量纲等于质量量纲乘以速度量纲平方。所以动能关系式只能是下面这种形式(注意,下面这个形式是从牛顿力学出发得到的,后面的分析可以看出相对论和牛顿力学的关系很密切):

在牛顿力学里,k=1/2,而且这里v就是质点的速度。

但是狭义相对论要求有光速出现,所以k与v中必须出现光速。那么一个自然的想法,就是把这里的v写成c(c是真空光速)。但是这样的话,质点的速度u只在k里出现。因而有

很明显,当速度u趋于0的时候,上式必须近似为牛顿力学的结果。那么,该如何求出这里的k呢?这里需要用点小技巧,那就是dE/du=p,且u<<c时,p=mu。那么,有

两边积分有

注意这里不能认为k的表达式就是上式,否则就退回到经典力学了。剩下的,只能通过具体计算给出形式。

我在之前的一次回答中,推导了这个公式。方法其实有很多种,具体的做法也各不尽相同。但是都离不开微积分。我在高中的时候,自己推这个公式的时候,发现了三种方法。第一种方法从质速关系出发,平方该式子,然后用能量动量的微分关系,就可以推出质能关系。第二种方法是从能量动量积分关系出发,把质速关系直接带入积分,也可以推导出来。这两种方法其实是一样的。第三种方法,是考察协变性,得到四动量平方是相对论不变量,进而给出它在数值上等于质点的质量平方,然后代入能量动量微分关系式,也能给出质能关系。这是我高中时候无聊证着玩的时候发现的一些小技巧,雕虫小技。下面我展示一种推导方法。考虑一维运动的能量有

代入质速关系有

第二个等号后面的可以直接积出来,有

化简就得到了质能关系。注意这里积出来的是一个不定积分式如果要获得粒子的动能,还要让这个式子减去速度为0的能量,那么就可以得到动能关系式了。

当年爱因斯坦根据电磁理论推导出了电子的质能关系。稍后他又将之推广到一切粒子,当然在无引力的前提下。

可以验证,质能关系给出的动能关系式的系数的确满足我们之前的分析。

这里要说一句很遗憾,据我说知,目前质能关系只能借助微积分才能推导出来。或者说我还不知道,有没有人不用微积分就能推出这个关系式的。

现在很清楚了,质能关系里面的光速平方是物理量纲和动力学方程双重要求的结果。

谢邀。

质能方程的推导需要用到狭义相对论中的质速关系(从洛伦兹变换中得到):

质速关系表明,物体的惯性质量并非一个不变的常数,而是会随着速度v的加快而变大。当速度v趋于光速c时,原本静质量只有m0的物体,运动质量m会增大到无穷。这也是为什么对于那些拥有静质量的物体,光速是不可能达到的极限;而对于那些没有静质量的物体,光速就是它们的唯一所能运动的速度。

由于惯性质量会发生变化,所以需要对牛顿第二运动定律进行拓展:

结合上述两式,可以计算出物体在速度为v时所具有的动能:

在上式中,mc^2表示物体在速度为v时所具有的能量,m0c^2表示物体在相对静止时所具有的能量。于是,就能得到质能方程:E=mc^2。

从质能方程中可以看出,质量和能量在本质上是等价的。质量在某些情况下会转变为能量,例如,核裂变、核聚变和湮灭反应。反过来,能量在某些情况下也会转变为质量,例如,布莱特-惠勒过程、宇宙创生过程。

此外,需要注意的是,质能方程并非促使原子弹的诞生,而是人们制造出原子弹之后,利用该方程解释了原子弹的机理。不过,爱因斯坦对于原子弹的诞生还是起到了作用,因为他当年与另一位物理学家西拉德(核链式反应的真正提出者)联名写信给罗斯福总统,这多少促成了后来的曼哈顿计划。

见下图,这是从动能角度进行的推导:

如果没学过微积分,也不要紧,你可以看一下上图开头第一个等式,F代表力、dx代表无限短的位移(x代表位移)。中学物理学过,力和位移的乘积就是力做的功,也是动能的变化量。

之后还要涉及一个狭义相对论的推论,就是质量和相对速度的关系(见上图。也就是速度变快,质量就会变大),注意这点之后,剩下的全是数学推导了,最后看一下结论:E=(m-m0)c^2,这就是动能定理的相对论形式。

其中m代表的是物体运动时的质量,m0代表物体静止时的质量。上面的结论可以写成:E=mc^2-m0c^2,爱因斯坦将其解释为:(物体的动能)=(物体运动时的总能量)-(静止时的总能量)

于是我们常见的E=mc^2,就是这么来的。

这个方程的适用范围很广,而且也很深刻,将物体的质量和能量通过一个光速c常量就联系在一起了。

打个比方,两壶冷水、一壶加热、一壶不加热,加热的由于温度升高,内部分子平均动能上升,于是它的质量就比另一壶要高。

再比如,一个压缩状态的弹簧,由于有了弹性势能,因此要比它正常状态下的质量要大。

期待您的点评和关注哦!

我试着详细的回答,看能不能说的明白。依据高中数学和物理的基础知识:1、高中数学已经学过导数的概念,2、高中物理已经学过原子物理的知识,3、或者自学过高等数学的知识。

第一种解释

让光子撞击理想的膜,速度全部转化成能量。冲量等于动量的变化,推导如下:

第二种解释

推导如下:

第三种解释有点烧脑哦

先上基础知识,高中是学过导数和积分概念的,只是知道的公式不多,好在网上有许多的公式,可以查的到。


不懂的话可以看高数的书哦。

先求微小的能量变化,用微分表示:


一个式子求不出来,再来一个式子,关于静止质量与动质量转换的。


等号左边与右边同时对速度求导,为什么不对时间求导呢?因为啊,在相对论中,时间不能作为标准,速度作为标准,在我的问答中有相关说明,可以去看看。


两个式子要联立了哟。

推导完毕。

你的打字太不认真,但是因为这个问题对广大读者有益,所以还是回答一下。

在现在的参考书中,是定义了一个4维速度,即空间坐标和时间对于固有时间的导数(变化率),乘以静止质量,就是相对论动量和相对论质量。然后,将相对论质量乘以光速的平方诠释成能量。

爱因斯坦本人是如下推导的。考虑某个惯性参照系中的一个静止物体具有能量E。这个物体沿着方向相反的两个方向分别发出能量L/2的光。因此物体能量较少L。

在相对这个参照系的速度为v的观察者来看,每束光的能量不是L/2,与速度v和光与运动速度的夹角有关。爱因斯坦推导出,两束光的能量之和,也就是物体能量的减少是gL,其中g是洛伦兹因子。这与静止参照系的差别是(g-1)L。这在速度较小时约等于(L/c^2)v^2/2,这就是质量为L/c^2的动能。因此爱因斯坦推论,如果物体发出能量为L的辐射,它的质量就减少L/c^2,也就是说,L=mc^2。

爱因斯坦还认为当时已经发现的镭的放射性可以用来检验这个预言。

第一个将质能关系与物质结合能联系起来的是普朗克。1907年,他估计了1摩尔水的分子结合能相当的质量,大概10^(-8)克。1933年,人们用它来估计原子核的结合能。1913年,郎之万想到,原子核的内能的惯性质量从对于Prout定律的偏离得到证实。泡利1921年说,也许能量的惯性定律将来从原子核的稳定性得到证实。1930年,人们已经从阿尔法粒子的结合能推断自由质子比氦原子核中的质子重。

原创思想,爱因斯坦所犯致命错误的核心,就是源于他的第一假设:牛一的惯性参照系,正是这个惯性参照系,导致爱因斯坦的狭相和广相中,皆没有相互作用,从而直接违背宇宙的铁律: 宇宙中的一切存在:物质,质量和能量皆处于永恒的相互作用之中。所以爱氏的没有相互作用的相对论,应该打发进历史的博物馆了。

宇宙空间存在着高压

一切物理现象都是由物质结构决定的。所谓光速、光速不可超越、超越光速产生物质、物质能量转换、时间变慢、空间弯曲都是物理现象。知道了物质结构,就知道了物理现象。

物质世界,仅由一种物质,就是希格斯液体构成。希格斯液体就像大海里的水充满海洋一样,充满了整个宇宙空间。 基本粒子,就是希格斯液体中的一堆泡沫,可以破裂,也可以再产生,破裂释放能量,产生吸收能量。物质的类别,只是泡沫结构的不同。就像一堆砖头一样,可以建造成任意结构的房子,房子有墙,有门、有窗户。门和窗户其实就是墙上的空洞结构,可以有千万种形状。我们不能只研究墙上的空洞,不研究墙。

物质结构中最重要的一种东西,就是宇宙空间。宇宙空间本身是一种物质。是它造成了万有引力和核强力,我们必须承认它,研究它。

爱因斯坦说过:“物质就是能量,能量就是物质”。物质和能量可以互相转换。

那么,能量的是什么? 能量的本质其实就是一种推力、作用力。工作状态下的推力是动能。物质结构改变、破坏才能产生的作用力是势能。 电磁波就是动能形态能量,物质就是势能形态能量。直观地说,光就是动能形态的能量,基本粒子就是势能形态能量。基本粒子可以转化为光。光可以转化为基本粒子。就像大气中的水分子和云来回转换一样。

E=mc^2,表明了一切物质都可以转换为能量。现已经发现的基本粒子有62种,根据爱因斯坦的公式,理论上说,这62种基本粒子最终都可以转换为同一种东西,就是能量;而且转换为能量时,62种基本粒子质量多少、转换多少,都是同量的,不存在谁多谁少的问题。同样,由能量这一种东西就可以生成62种基本粒子,可以这样说,62种基本粒子具有同质性,就是最终由同一种东西构成。只是大小、结构不同罢了。

基本粒子之间,来回、互相转换,一会释放电磁波,一会吸收电磁波这些现象。恰好说明了这一点。任何物体的速度都不能超过光速30万公里/秒,也说明所有物体都是由同一种东西构成。

敲击钢轨,就会产生铁原子的振动,这种振动就会以5200米/秒的速度传递。这种振动就是声波。声波通过空气分子的传播速度是340米/秒,这个速度是空气决定的;通过水的传播的速度是1500米/秒,这个速度是液体水决定的。

火车的路径受轨道限定。所有电磁波的传播速度都是30万公里/秒,是什么东西限定了它的速度?任何物体的速度都不能超过光速,又是为什么?超过了会发生什么现象?

物质世界,不存在虚无缥缈的东西,一切都是实的,一切都是需要具体解释的。

电磁波是一种振动,必须要有介质传递。基本粒子的加速运动,必须要有直接作用的推力。这个力可能是波,可能是其他粒子的运动传递,也可能是直接作用的压强差。万有引力,必须要有直接作用于物体的推力。如果两个物体之间什么都没有,凭什么产生牵拉力?只是我们没有发现。

电磁波实际是一种对空间的“敲击”,像敲击钢轨一样,需要有一种小物体当介质,一个推一个,传递过去,这是必须的。所以,宇宙空间,应该充满一种介质。这种介质,有点类似于液体,我们可以叫它为“希格斯液体”。电磁波实际就是对希格斯液体的“敲击”,产生的推力的传递,像多米诺骨牌效应。

根据E=mc^2,所有的基本粒子的构成都是同一种东西,这种东西可以完全“消失”,转换为能量,也可以由能量产生。由此推论,基本粒子的结构,是一种类似泡沫的结构。有点像抽真空的电灯泡,或者是像肥皂泡。可以湮灭,可以产生。

宇宙物质世界的基本结构是:“希格斯液体+泡沫(基本粒子)+电磁波+内部强大的压强”。泡沫(基本粒子)和电磁波可以互相转换。

泡沫破裂为什么会产生巨大能量呢,是因为宇宙希格斯液体内存在着极其强大的压强。

这个压强可以计算:宇宙希格斯液体压强= (E=mc^2)÷对应的物体(泡沫)实际体积。以质子质量和大概体积粗略计算,可以达到1 ×10^(31)个大气压强。极其巨大。

可以这样想象,在10000米海水深处,压强是1000个大气压,想要推开海水,形成1立方米空间,就需要约1×10^(8)焦耳的能量。同样,这1立方米空间被填充,就会释放出约1×10^(8)焦耳的能量,物质和能量的转换也是这样的原理。

既然泡沫(基本粒子)可以转换为能量,那么,能量也可以转换为泡沫(基本粒子)。如果我们把极为巨大的能量的电磁波聚焦到希格斯液体里一个很小的点上,这个能量大到一定程度,那么这个点上就会产生泡沫(基本粒子)。现代科学实验已经证明,能量可以转换为物质,γ射线就可以转换为电子。可以这样说,电磁波是动能,构成物质的基本粒子 (泡沫结构)是势能,动能势能可以互相转换。单位体积内的动能超过临界值,就会推开希格斯液体产生灯泡状或泡沫状的结构,能量“结晶”,转化为势能。具体形态就是基本粒子。

等你深入了解物理以后,会发现所有公式,只要符合物理计量单位运算,就都成立,只不过多了一个常量,所以我觉得现在的物理学一定有很多是错误的,还没聊了本质!

爱因斯坦质能方程的推导应该不会太难,一般的高中生都可以推导。

动能公式E=1/2mV平方

E是能量,m是质量,V是速度。

如果物体运动速度是光速C,那么物体动能就是:

E=1/2mC平方

爱因斯坦质能公式:E=mC平方

E是能量,m是质量,C是光的速度。

如果把上面的动能公式与质能进行比较,就会发现两个公式很相似,它们之间的区别就是动能公式中的能量刚好是质能公式中的能量的1/2。

上面的问题是什么原因造成的呢?可以肯定动能公式没有问题,这已经被证实的公式。问题就在质能公式中,因为所谓的质能方程没有理论依据,基本上是想象出来的,由于爱因斯坦自以为了不起自以为是,所以给我们忽悠出来了质能方程E=mC平方,这应该根本没有实际应用价值。

从理论推导如果质量真的可以转化成能量,那么根本不需要所谓的质能公式:E=mC平方,用动能公式:E1/2mV平方(这里的速度V换光速C)就可以了。从理论推导如果质量真的可以转化成能量,这应该与光速不存在直接关系,所以爱因斯坦的质能公式应该是谬论。

以上只是个人观点以作参考!

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