ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 26
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 26. Релятивистская энергия и импульс

Почему добавление энергии не разгоняет массивное тело выше скорости света?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему добавление энергии не разгоняет массивное тело выше скорости света?

Наблюдаем и объясняем

Рост энергии при приближении к c

Меняй скорость и сопоставь релятивистскую и классическую кинетические энергии.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

0.6

Масса m инвариантна. Энергии в единицах mc², импульс в mc; β < 1. График показывает K/(mc²), а не полную энергию.

01

Импульс при больших скоростях

В классической механике p = mv, но при скорости, сравнимой с c, используется p = γmv, где γ = 1/√(1 − v²/c²). Масса m здесь является инвариантной массой тела: она не меняется только из-за выбора системы отсчёта.

При v намного меньше c коэффициент γ близок к единице, и получается прежняя формула. При приближении v к c импульс массивного тела неограниченно растёт. Закон изменения импульса сохраняется в форме F = dp/dt, а постоянная сила уже не означает постоянное ускорение.

Импульс при больших скоростях: сравнение
ВеличинаКлассический пределСТО
Импульсmvγmv
Кинетическая энергияmv²/2(γ − 1)mc²
Предельная скорость массивного телаФормула предела не задаётv < c

При больших скоростях меняется связь импульса со скоростью, а не закон учёта изменения импульса.

Почему нельзя продолжать использовать a = F/m с неизменным a для разгона до c?

Релятивистский импульс нелинейно зависит от скорости, поэтому F = dp/dt не сводится при таком разгоне к классическому выражению с постоянным ускорением.

02

Полная энергия и энергия покоя

Полная энергия свободного тела E = γmc². Даже при v = 0 остаётся энергия покоя E₀ = mc². Кинетическая энергия равна разности E − E₀, то есть K = (γ − 1)mc². Смешивать E и K нельзя: у покоящегося тела K = 0, но E₀ обычно не ноль.

Связь E² = p²c² + m²c⁴ объединяет энергию, импульс и массу. Для частицы с нулевой массой она даёт E = pc. В этом описании не требуется вводить «массу, растущую со скоростью»: рост E и p учитывает γ.

Энергия покоя

E₀ = mc²

Полная энергия

E = γmc²

Кинетическая энергия

K = (γ − 1)mc²

Формула mc² описывает энергию покоя, а кинетическая энергия определяется отдельно.

Если полная энергия равна 2mc², чему равна кинетическая?

K = E − mc² = mc². Коэффициент γ при этом равен 2.

Следы частиц в камере Вильсона

Камера Вильсона делает видимыми следы ионизации: капли образуются вдоль путей заряженных частиц. Саму частицу обычным глазом здесь не видят.

Own work · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

Международная космическая станция над Землёй

Для движения космических аппаратов важны система отсчёта и точность измерений. В точных часах учитывают движение и гравитационные поправки.

NASA · Общественное достояние · Источник фотографии.

03

Связь массы и энергии системы

Масса системы определяется её полной энергией в системе центра импульса. Нагрев, возбуждение и изменение энергии связи могут изменять массу системы. Если система в покое отдаёт энергию ΔE без изменения итогового импульса, уменьшение массы связано с Δm = ΔE/c².

В ядерной реакции меньшая суммарная масса покоя продуктов может сопровождаться большей их кинетической энергией и излучением. Энергия не возникает из ничего: сохраняется полный энергетический баланс, включающий энергии покоя.

Сравнить начальное и конечное состояния

Учесть массы и движение

Найти изменение энергии покоя

Δm · c²

Учесть остальные формы

Кинетическая энергия и излучение

Изменение массы связанной системы отражает изменение её энергии покоя.

Правильно ли говорить, что энергия в реакции появляется из ничего, потому что массы уменьшились?

Нет. Уменьшение суммарной энергии покоя компенсируется другими составляющими полной энергии.

04

Модель: сравнение с классикой

Модель показывает p/(mc), E/(mc²) и K/(mc²), поэтому не требует выбирать конкретную массу. При β = 0,6 коэффициент γ = 1,25: p/(mc) = 0,75, E/(mc²) = 1,25, K/(mc²) = 0,25. Классическая оценка K/(mc²) = β²/2 даёт 0,18.

При малых β кривые кинетической энергии почти совпадают. При больших расходятся. Для достижения c телом с m > 0 потребовалась бы неограниченная энергия в рамках этой модели, поэтому регулятор не включает β = 1.

Выбрать β < 1

β = v/c

Рассчитать γ

Корень всегда положителен

Разделить E и K

K = E − E₀

Классическая кинетическая энергия является приближением релятивистской при v намного меньше c.

Почему график K не начинается с mc²?

Потому что K отсчитывается от состояния покоя; mc² входит в полную энергию, а не в кинетическую.

Соберём главное

Шесть выводов

01При больших скоростях меняется связь импульса со скоростью, а не закон учёта изменения импульса.
02Формула mc² описывает энергию покоя, а кинетическая энергия определяется отдельно.
03Изменение массы связанной системы отражает изменение её энергии покоя.
04Классическая кинетическая энергия является приближением релятивистской при v намного меньше c.
05В формулах СТО m обозначает инвариантную массу.
06Сохранение энергии требует включать энергию покоя, движение и излучение.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Релятивистский импульс массивной частицы…
2. Масса m в этих формулах…
3. Энергия покоя…
4. Полная энергия…
5. Кинетическая энергия…
6. При β = 0,6 кинетическая энергия в единицах mc²…
7. Для тех же условий p/(mc)…
8. Связь энергии, импульса и массы…
9. Почему массивное тело не разгоняется до c конечной энергией?
10. При малых скоростях K приближается к…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 26. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 26. Элементы релятивистской динамики.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…