8[1].3_质量随速度而增大_质能关系.pptx
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1、8.3 8.3 质量随速度而增大质量随速度而增大 质能关系质能关系牛顿力学中惯性质量和速度的关系牛顿力学中惯性质量和速度的关系 爱因斯坦光速不变的新思想几乎影响了每一个爱因斯坦光速不变的新思想几乎影响了每一个物理量:时间物理量:时间(t)、空间空间(x)、质量质量(m)等。等。mFata vv t ? ?恒定外力恒定外力惯性质量惯性质量牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律:tvcOvmp 状态量状态量tpF d d持续作用持续作用Fp持续增大持续增大随速率增大而增大随速率增大而增大,这要求,这要求的上限是的上限是v但但质量是相对的,质量随物体运动速度的增大而增大。质量是相对的,质量随物体运动速度的
2、增大而增大。 vmm mc2020)(11cmmmv理论和实验表明,质量和速度的关系为理论和实验表明,质量和速度的关系为: : cv0mm 显然显然时,时, m0为为静质量静质量, 反映物体本身的属性反映物体本身的属性, 即包含的即包含的物质的量。物质的量。 m为物体的为物体的惯性质量惯性质量, 是相对的是相对的, 决定于物体决定于物体速度速度, 速度趋于光速时,惯性质量为无穷大。速度趋于光速时,惯性质量为无穷大。一、相对论质速关系一、相对论质速关系 质速关系反映了质速关系反映了物质物质与运动的不可分割性。与运动的不可分割性。 右图曲线表示质量随右图曲线表示质量随速度增大情况。速度增大情况。当
3、当v =0.1 cm 增加增加 0.5%02mm 0m / m 00m当当v =0.866 c当当v c当当v = c(如如: :光子光子)02mm1 ()cv例:例: 子以子以v=0.9c的速度运动,求此时的质量为静止的速度运动,求此时的质量为静止质量的多少倍?质量的多少倍?002203 . 281. 011mmcvmm解:tvcO相对论中:相对论中:物体受到恒力物体受到恒力F 时,加速度并非恒定。时,加速度并非恒定。0amc时,当v物体不会被加速到光速。物体不会被加速到光速。速度速度 时间曲线时间曲线Fma02mm1 ()cv二、相对论动量与动能二、相对论动量与动能2201cmmpvvv2
4、2k0Emcm c420222cmcpEvmp 相对论动量相对论动量相对论动能相对论动能三、相对论的能量三、相对论的能量动能:动能:Emcm ck202 总能:总能:Emc2静能:静能:Em c002推导过程:推导过程: 20220222002202220002000/1 d/1/1 d)(dddddcmmccmcvcmvcvvmcvvmvmvmvmvvxtpxFWvvvvxx相对论质能关系:相对论质能关系: 相对论中,质量与能量等效,质量守恒即能量相对论中,质量与能量等效,质量守恒即能量守恒,质量的变化意味着能量的变化:守恒,质量的变化意味着能量的变化:Emc2。202cmmcEk20202
5、21vmcmmcEk 物体的动能为总能与静能的差:物体的动能为总能与静能的差: 当当v c时,时,Emc2讨论讨论(1) 质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律;mcmcE22(2) 静能静能E0=m0c2表征物体表征物体静止时静止时的总内能的总内能; 分子间相互作用势能分子间相互作用势能 分子运动动能分子运动动能 原子间结合在一起的化学能原子间结合在一起的化学能 原子核与电子结合在一起的电磁能原子核与电子结合在一起的电磁能 原子核内基本粒子间的结合能原子核内基本粒子间的结合能每秒钟太阳辐射的能量,即功率:每秒钟太阳辐射的能量,即功率:)(1005.4
6、1103105 .4262892WtmctEW解:解:例:例:太阳向四周空间辐射能量,每秒钟相应的质量太阳向四周空间辐射能量,每秒钟相应的质量亏损若为亏损若为4.5109kg,求:太阳辐射的功率。,求:太阳辐射的功率。碳的燃烧过程可用以下方程表示:碳的燃烧过程可用以下方程表示: 221C+OCOeV求燃烧前后质量的变化。求燃烧前后质量的变化。例:例: 相对论的诞生是人类从对世界的片面认识到完相对论的诞生是人类从对世界的片面认识到完整认识的转折。经典物理认识物质的内部能量是以整认识的转折。经典物理认识物质的内部能量是以原子为最小单位来研究的,而相对论把粒子和场结原子为最小单位来研究的,而相对论把
7、粒子和场结合起来讨论则包括了粒子内部的所有结构,合起来讨论则包括了粒子内部的所有结构, 因而静止能量因而静止能量E0=m0c2是所有内部能量。是所有内部能量。 四、核的聚变和裂变四、核的聚变和裂变 太阳能太阳能 原子能原子能1. 核的聚变核的聚变 一个质子和一个中子结合成一个较重的氘核,一个质子和一个中子结合成一个较重的氘核,它将释放出它将释放出2.224MeV的能量的能量.npD质子中子氘核以射线形式放出这个能量称为氘核的结合能。这个能量称为氘核的结合能。原子能就是指聚变和裂变过程中所释放的能量。原子能就是指聚变和裂变过程中所释放的能量。22p2n)D(cmcmcmE 对每个核,当其中这些质
8、子和中子,由于吸引对每个核,当其中这些质子和中子,由于吸引相互结合在一起成为一个原子核的过程中都有能量相互结合在一起成为一个原子核的过程中都有能量放出,这个能量就是这个核的结合能。放出,这个能量就是这个核的结合能。 实际结合能的计算,直接利用质能关系实际结合能的计算,直接利用质能关系2Emc 可得:可得:结合能的计算结合能的计算221n222n)H()H()()(cmmmcmDmcmmcmEeep实际要用原子质量计算,可改为实际要用原子质量计算,可改为224. 2)014102. 2007825. 1008665. 1 ()H()H(2221nuccmmmE(Mev)u 是原子质量单位,是原子
9、质量单位,1u=1.6610-27 (kg) 1uc2=931.5(Mev)轻核聚合成较重的核释放出能量的过程称为轻核聚合成较重的核释放出能量的过程称为轻核聚变轻核聚变。氢-3 核氢-2 核中子氦-4 He42+H21n10+能量H31核聚变23411120()()()()HHHenQ氘氚氦中子例例: : 氢弹的爆炸过程可用以下方程表示:氢弹的爆炸过程可用以下方程表示: 求:求:这一反应过程释放出的能量。这一反应过程释放出的能量。已知以上各成分的质量分别为:已知以上各成分的质量分别为: 氘氘: 2.01360(a.u.) 氚氚: 3.01600(a.u.) 氦氦: 4.00260(a.u.)
10、中子中子: 1.00867(a.u.)解:解:58.17)He()H()H(2432cmmmmEn(Mev)氢的三种同位素及其三种水氢的三种同位素及其三种水质子数 111中子数012同位素氕氘氚氢氧化物普通水重水超重水各种水占百分比99.98%0.016%微量各种水对于生物人体必需死亡之水常用的聚变反应有下面常用的聚变反应有下面4个:个:MeV 3.27nHeDD32MeV 04. 4pHDD31MeV 58. 71nHeDH4231MeV 4 . 81pHeDHe4232核聚核聚变的产生条件变的产生条件 因因为为原子核原子核带带正正电电荷,荷,它它们之间会们之间会互相排斥互相排斥。 要使聚要
11、使聚变发变发生生, ,两个氢两个氢核核必须必须以以极快极快的速度的速度靠近,靠近,He42+H21n10+ 能量H31 做法是把做法是把氢气加热到氢气加热到极其极其高高温度温度(108 C)!使氘核和氚核有足够的动使氘核和氚核有足够的动能接近到能接近到10-15米米MeV) (24.692e2Hep442Q 根据计算根据计算,聚变反应引起的太阳质量减小率只是聚变反应引起的太阳质量减小率只是310-19kg/s,是很小的量。目前太阳处于是很小的量。目前太阳处于“中年中年”,估计太阳还有寿命估计太阳还有寿命50亿年。亿年。 对氢原子核聚变反应的研究对氢原子核聚变反应的研究,可以追溯到可以追溯到20
12、世纪世纪30年代对太阳的研究年代对太阳的研究.1938年物理学家证明年物理学家证明,太阳里进太阳里进行的氢核聚变成氮核的反应行的氢核聚变成氮核的反应,使它还能光芒万丈地燃使它还能光芒万丈地燃烧几十亿年烧几十亿年.2. 太阳能太阳能3. 核裂变核裂变 裂变裂变是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核个新原子核,并释放出能量的过程。并释放出能量的过程。 比如中子轰击铀比如中子轰击铀235产生核能产生核能 裂变产生的新原子核质量不对称裂变产生的新原子核质量不对称,一部分质量是一部分质量是90100,一部分是一部分是134144重核裂变为两个中等核而释放能量
13、的过程称为重核裂变为两个中等核而释放能量的过程称为重核裂变重核裂变。Q3nKrBaUn89361445623592容易计算出:容易计算出:2n893614456223592n3Kr)(Ba)(U)(cmmmcmmQ即一次裂变约有即一次裂变约有180MeV可资利用的核能。可资利用的核能。MeV6 .173 铀铀235U和和钚钚239Pu是常用的两种裂变核,可用做是常用的两种裂变核,可用做反应堆和原子弹中的核燃料。反应堆和原子弹中的核燃料。1. 裂变产物通常是一块较重裂变产物通常是一块较重 ,一块较轻,即不对称,一块较轻,即不对称 裂变的概率大。裂变的概率大。2. 裂变产物由于相比它们的稳定核都是
14、有多余电子裂变产物由于相比它们的稳定核都是有多余电子 的,所以都有的,所以都有 -放射性放射性(寿命很长寿命很长),由于原子核,由于原子核 常处于激发态,所以有大量常处于激发态,所以有大量 射线放出。因此对射线放出。因此对 放射性废物的处理极为重要。放射性废物的处理极为重要。核裂变有两个重要特征:核裂变有两个重要特征:原子弹原子弹 氢弹氢弹自发裂变自发裂变 铀铀-235的含量很少,例如天然铀只含的含量很少,例如天然铀只含0.714%,堆放得也比较松散,则每次裂变放出的堆放得也比较松散,则每次裂变放出的23个中子个中子都散失到空间去了,只有偶尔的都散失到空间去了,只有偶尔的12个中子又能击个中子
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- 质量 速度 增大 关系
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