Физика и астрономия · 12 клас · урок 9 от 12

Енергия и импулс в релативистката механика

В релативистката механика енергията и импулсът на тялото зависят от скоростта чрез лоренцовия множител. Всяко тяло има енергия на покой E0 = mc2, а пълната му енергия е γ пъти по-голяма. Така масата и енергията са свързани: при отделяне на енергия масата на системата намалява. Тяло с маса не може да достигне скоростта на светлината, защото енергията му би станала безкрайна.

Работен лист за печат

Какво да запомним

  • Енергия на покой: E0 = mc2.
  • Пълна енергия: E = γmc2; кинетична енергия: Ek = (γ − 1)mc2.
  • Релативистки импулс: p = γmv.
  • Връзка: E2 = (pc)2 + (mc2)2.
  • Изменение на енергията ΔE отговаря на изменение на масата Δm = ΔE/c2.

Пример

Енергията на покой на 1 kg вещество е 1·(3·108)2 = 9·1016 J.

Проверете се: 15 въпроса

Натиснете въпроса, за да видите верния отговор и обяснението.

  1. Как се записва връзката между енергията на покой и масата на тялото?
    • E = mc
    • E = mv2/2
    • E = hν
    • E = mc2

    Отговор: E = mc2

    Айнщайн показва, че масата е мярка за енергията на покой.

  2. Тяло се движи с лоренцов множител γ = 3. Колко пъти пълната му енергия е по-голяма от енергията на покой?
    • 9 пъти
    • 1,5 пъти
    • 2 пъти
    • 3 пъти

    Отговор: 3 пъти

    E = γmc2, така че E/E0 = γ = 3.

  3. Слънцето излъчва мощност около 3,8·1026 W. С колко намалява масата му за 1 s? (c = 3·108 m/s)
    • ≈ 1,3·1018 kg
    • ≈ 4,2·106 kg
    • ≈ 4,2·109 kg
    • ≈ 3,4·1043 kg

    Отговор: ≈ 4,2·109 kg

    Δm = E/c2 = 3,8·1026/9·1016 ≈ 4,2·109 kg.

  4. Каква е енергията на покой на тяло с маса 1 g? (c = 3·108 m/s)
    • 9·1010 J
    • 9·1013 J
    • 3·105 J
    • 9·1016 J

    Отговор: 9·1013 J

    E0 = mc2 = 10−3·9·1016 = 9·1013 J.

  5. Как се изменя импулсът на частица, когато скоростта ѝ се доближава до c?
    • Остава равен на mv
    • Намалява
    • Достига граница mc и спира да расте
    • Расте неограничено, защото p = γmv

    Отговор: Расте неограничено, защото p = γmv

    При v → c множителят γ → ∞, затова и импулсът расте неограничено.

  6. Може ли тяло с маса да достигне скоростта на светлината?
    • Да, ако се ускори дълго
    • Да, в безтегловност
    • Да, ако е много леко
    • Не, енергията става безкрайна

    Отговор: Не, енергията става безкрайна

    При v → c множителят γ → ∞ и нужната енергия става безкрайна.

  7. Кой учен открива връзката между маса и енергия?
    • Нютон
    • Бор
    • Айнщайн
    • Ръдърфорд

    Отговор: Айнщайн

    Айнщайн извежда E0 = mc2 през 1905 г.

  8. Каква е масата на фотона?
    • Като на електрона
    • Нула
    • 1 u
    • Безкрайна

    Отговор: Нула

    Фотонът няма маса, затова винаги се движи с c и за него E = pc.

  9. Как се изменя пълната енергия на тяло при увеличаване на скоростта му?
    • Нараства
    • Намалява
    • Не се изменя
    • Става нула

    Отговор: Нараства

    E = γmc2, а γ расте със скоростта.

  10. Коя е формулата за кинетичната енергия в релативистката механика?
    • Ek = mc2
    • Ek = γmc2
    • Ek = pc
    • Ek = (γ − 1)mc2

    Отговор: Ek = (γ − 1)mc2

    Кинетичната енергия е пълната енергия минус енергията на покой.

  11. Кинетичната енергия на частица е равна на енергията ѝ на покой. Колко е γ?
    • γ = 1
    • γ = 0,5
    • γ = 2
    • γ = √2

    Отговор: γ = 2

    (γ − 1)mc2 = mc2, следователно γ = 2.

  12. Каква е енергията на покой на електрона? (m = 9,1·10−31 kg, c = 3·108 m/s, 1 eV = 1,6·10−19 J)
    • ≈ 938 MeV
    • ≈ 0,51 MeV
    • ≈ 5,1 MeV
    • ≈ 0,05 MeV

    Отговор: ≈ 0,51 MeV

    E0 = 9,1·10−31·9·1016 ≈ 8,2·10−14 J ≈ 0,51 MeV.

  13. Частица се движи с γ = 2. Колко пъти релативисткият ѝ импулс е по-голям от класическия mv?
    • 2 пъти
    • 4 пъти
    • √2 пъти
    • Равни са

    Отговор: 2 пъти

    p = γmv, затова отношението е γ = 2.

  14. Електрон има кинетична енергия 2,555 MeV. Колко е γ? (mc2 = 0,511 MeV)
    • γ = 5
    • γ = 2,5
    • γ = 3
    • γ = 6

    Отговор: γ = 6

    γ − 1 = 2,555/0,511 = 5, γ = 6.

  15. Частица с енергия на покой 1 GeV има пълна енергия 1,25 GeV. С каква скорост се движи?
    • 0,8c
    • 0,25c
    • 0,6c
    • 0,36c

    Отговор: 0,6c

    γ = 1,25; 1 − v2/c2 = 0,64; v = 0,6c.