随着速度提升质量增加的说法靠谱吗?有什么依据?
有人常常对狭义相对论中的质增效应质疑,为什么速度越快,质量就会越大呢?现实中有这样的例子吗?
其实这是在认识上有一个误区,所谓质量在运动中增大,是指静质量在速度中动量增大,而不是质量本身变大了。
这种例子在生活中常常见到,只是很多人没有往那方面想,问个为什么而已。
动量和质增效应都与速度有密切直接关系,并且成正比。
比如你手拿着一颗子弹,轻轻地放在皮肤上,它会钻入你的皮肤吗?或者你用力丢一下,它可能会把你打出血来,但不会致死吧?如果把它放在枪里面,用火药发射出去,打在你身上,你觉得咋样?
如果一颗重10克的子弹,以400m/s的速度由枪口射出,枪管的长度为0.5m,子弹在枪管中受到的平均合力F有多大呢?
我们来计算一下,子弹在枪膛里的时间为:t=0.5/400=1/800秒;
根据动量定理:Ft=mv,
可得子弹在枪膛里受到的平均合力为:
F=mv/t=0.01kgx400米/0.00125秒=3200N
式中,m为子弹质量,单位:千克;v为子弹速度,单位:米;t为子弹在枪膛里时间,单位:秒。
这样我们得到了1颗10克的子弹在出枪膛时得到的力为3200牛。
那么这个力量相当于多少公斤动质量呢?我们来换算一下。
严格说来,N(牛顿)是力的国际单位,kg(公斤)是质量单位,这两个单位可以通过加速度计算,但不可以等价。物理学定义为:在地球表面附近1公斤物体受到的重力为9.8N。
如果按照这个换算,3200N/9.8≍327kg。
当一颗子弹以每秒400米速度飞行时,得到的力就是3200牛,相当于327公斤的动量。
327公斤的力集中在一个尖尖的子弹头上,岂有不穿破皮肤击伤甚至击死人之理?
当然子弹打死人还有很多其他的机制,这里就不一一细说了。
这样的例子还很多,比如“鸟炮”效应。
1只鸟的撞击力量很小吧?但当与飞机的速度叠加时,这个力量就不可小觑了,它可以把一架飞机的挡风玻璃撞碎,或者把飞机发动机撞毁,甚至导致空难。
一只鸟在高速状态下破坏力达到了导弹破坏的效果,难怪被称为“鸟炮”。
这都是速度与质量关系的体现。
相对论认为,质量和能量是等价并可以互换的,这就是著名的质能方程。
质能方程的表达式为:E=MC。
这里E表示能量,单位:焦耳(J);M表示质量,单位:公斤(kg);C表示光速,单位:米(m)。
光速的精准值为:299792458米/秒(m/s),一般取其近似值为:300000000米/秒。
这个揭示质量与能量最本质关系的伟大方程,蕴含着常被人忽略的两个重要关系:质量能量与速度的关系非常密切,且成正比;质量最大效能的发挥是以光速为天花板的。
这个方程是建立在光速极限,光速恒定基础上的,也就是说这个世界最大的速度就是光速,无法突破,而且光速在任何参考系里都是不变的,也是无法叠加的。
因此质量最大的效能就是与光速为限,与光速平方成正比。
由此得出速度与能量也有着正比例关系,速度越大动能越大,能量也就越大。
质速关系可以用如下公式表达:
m=m0/√(1-v/c)
式中,m为相对论质量,m0为静质量,v为物体运动速度,c为光速。
这个公式明确表示了物体惯性质量随着运动速度的增加而加大,速度趋于光速时,惯性质量趋于无限大。
物体的静质量在运动中转化为动量。
在经典物理学中,动量是与物体的质量和速度相关的物理量,物体的动量指这个物体在它运动方向上保持运动的趋势。
其表达式为:
p=mv(一般采用此公式)
p=mv/√(1-v/c)
式中,p为动量,m为质量,v为物体运动速度,c为光速。
这里面有一点非常重要,就是动量守恒,这里不展开说。
上述不管是哪一表达式,都体现了这样一种关系:物体质量与运动密切相关,而且质量在运动中是成正比例关系增大的。
但物质在运动中,质量本身是不会增加的,增加的只是能量和动量,也就是动能,是质量在加速状态下的表现。