در یک کار علمی انقلابی که توسط آلبرت اینشتین در سال 1905 کشف شد ، E = mc2 معرفی شده ، جایی که: E انرژی ، m جرم و c سرعت نور در خلا است. از آن زمان ، E = mc2 تبدیل به یکی از معروفترین معادلات جهان شده است. در حقیقت ، افرادی که سابقه فیزیک ندارند حداقل این معادله را شنیده اند و از تأثیر فوق العاده آن بر جهان آگاه هستند. با این حال ، اکثر مردم نمی دانند معادله به چه معناست. به بیان ساده ، این معادله نشان دهنده همبستگی انرژی با ماده است: در اصل ، انرژی و ماده دو شکل از یک چیز هستند. این معادله ساده طرز تفکر ما در مورد انرژی را تغییر داده و باعث پیشرفت های مختلف تکنولوژیکی شده است.
گام
قسمت 1 از 2: درک معادلات
مرحله 1. متغیرهای معادله را تعریف کنید
اولین قدم برای درک معادله ، دانستن معنی هر یک از متغیرها است. در این حالت ، E انرژی یک جسم ثابت ، m جرم جسم و c سرعت نور در خلا است.
سرعت نور (ج) ثابت است که در هر معادله مساوی است و تقریبا برابر 3.00x10 است8 متر بر ثانیه در زمینه نسبیت اینشتین ، ج2 بیشتر به عنوان یک عامل تبدیل واحد عمل می کند تا یک ثابت. بنابراین ، c در نتیجه تجزیه و تحلیل ابعاد (انرژی بر حسب ژول یا کیلو متر بر متر اندازه گیری می شود)2 s-2) به طوری که جمع c2 اطمینان حاصل شود که رابطه بین انرژی و جرم از نظر ابعادی سازگار است.
مرحله 2. درک کنید که انرژی چیست
انواع زیادی از انرژی از جمله گرما ، برق ، مواد شیمیایی ، هسته ای و سایر موارد وجود دارد. انتقال انرژی بین سیستم های مختلف (تأمین برق به یک سیستم در حالی که از سیستم دیگر انرژی می گیرد) انجام می شود.
انرژی را نمی توان ایجاد یا از بین برد ، فقط به اشکال مختلف تبدیل می شود. به عنوان مثال ، زغال سنگ دارای انرژی بالقوه زیادی است که هنگام سوختن به انرژی گرمایی تبدیل می شود
مرحله 3. مفهوم جرم را تعریف کنید
جرم به طور کلی به عنوان مقدار ماده در یک جسم تعریف می شود.
- همچنین تعریف دیگری از جرم وجود دارد. اصطلاحات "انرژی استراحت" و "جرم نسبیتی" وجود دارد. انرژی استراحت جرمی است که ثابت است و بدون توجه به چارچوب مرجعی که استفاده می کنید ، تغییر نمی کند. از سوی دیگر. جرم نسبیتی بستگی به سرعت جسم دارد. در معادله E = mc2 ، m به انرژی استراحت اشاره دارد. این بسیار مهم است ، زیرا به معنی جرم شما است نه برخلاف تصور عمومی حتی اگر سرعت خود را افزایش دهید ، افزایش می یابد.
- باید درک کرد که جرم و وزن دو چیز متفاوت هستند. وزن نیروی گرانشی است که توسط یک جسم احساس می شود ، در حالی که جرم مقدار ماده در جسم است. جرم فقط در صورتی تغییر می کند که جسم از نظر فیزیکی تغییر کند ، در حالی که وزن بسته به گرانش محیط جسم تغییر می کند. جرم بر حسب کیلوگرم (کیلوگرم) و وزن با نیوتن (N) اندازه گیری می شود.
- مانند انرژی ، جرم نیز قابل ایجاد یا نابودی نیست ، اما می تواند شکل خود را تغییر دهد. به عنوان مثال ، تکه های یخ به صورت مایع ذوب می شوند ، اما همچنان جرم یکسانی در هر دو شکل دارند.
مرحله 4. درک کنید که جرم و انرژی معادل هستند
این معادله بیان می کند که جرم و انرژی معادل هستند و مقدار انرژی موجود در مقدار معینی از جرم را بیان می کند. اساساً ، این معادله توضیح می دهد که یک جرم کوچک در واقع پر از انرژی بزرگ است.
قسمت 2 از 2: کاربرد معادلات در دنیای واقعی
مرحله 1. درک کنید که انرژی مورد استفاده از کجا می آید
بیشتر انرژی مصرفی ما از سوختن زغال سنگ و گاز طبیعی تامین می شود. در احتراق این مواد از الکترونهای ظرفیتی (الکترونهای جفت نشده در بیرونی ترین پوسته اتمها) و پیوندهای ایجاد شده با عناصر دیگر استفاده می شود. هنگامی که گرما اضافه می شود ، این پیوندها شکسته می شوند و انرژی آزاد شده به عنوان منبع قدرت استفاده می شود.
بدست آوردن انرژی از طریق این روش بسیار ناکارآمد بوده و برای محیط زیست زیان آور است
مرحله 2. معادلات اینشتین را برای کارآمدتر شدن تبدیل انرژی به کار بگیرید
E = mc2به ما می گوید که انرژی بیشتری در هسته یک اتم ذخیره می شود تا در الکترون های ظرفیت. انرژی آزاد شده از شکافت اتمی بسیار بیشتر از شکستن پیوندهای الکترونی است.
قدرت هسته ای بر این اصل استوار است. راکتورهای هسته ای باعث شکافت اتمی شده و مقادیر زیادی از انرژی آزاد شده را جذب می کنند
مرحله 3. فناوری های ایجاد شده توسط E = mc را کشف کنید2.
E = mc2 اجازه ایجاد بسیاری از فناوری های جدید و هیجان انگیز را داده است ، که در میان آنها به نیازهای اصلی ما تبدیل شده ایم:
- اسکن PET از رادیواکتیویته برای دیدن آنچه در داخل بدن است استفاده می کند.
- این معادله امکان توسعه ارتباطات از راه دور با ماهواره ها و مریخ نورد را فراهم می آورد.
- تاریخ گذاری رادیوکربن از تجزیه رادیواکتیو بر اساس این معادله برای تعیین سن اجسام باستانی استفاده می کند.
- انرژی هسته ای منبع تمیزتر و کارآمدتری از انرژی را برای جامعه ما فراهم می کند.
