في عمل علمي ثوري اكتشفه ألبرت أينشتاين عام 1905 ، E = mc2 مقدم ، حيث: E هي الطاقة ، m كتلة ، و c هي سرعة الضوء في الفراغ. منذ ذلك الحين ، E = mc2 أصبحت واحدة من أكثر المعادلات المعترف بها في العالم. في الواقع ، لقد سمع الأشخاص الذين ليس لديهم خلفية في الفيزياء على الأقل عن هذه المعادلة وهم على دراية بتأثيرها الهائل على العالم. ومع ذلك ، فإن معظم الناس لا يعرفون معنى المعادلة. ببساطة ، تمثل هذه المعادلة ارتباط الطاقة بالمادة: في جوهرها ، تعد الطاقة والمادة شكلين لشيء واحد. لقد غيرت هذه المعادلة البسيطة الطريقة التي نفكر بها في الطاقة وأدت إلى ظهور تطورات تكنولوجية مختلفة.
خطوة
جزء 1 من 2: فهم المعادلات
الخطوة 1. تحديد متغيرات المعادلة
الخطوة الأولى لفهم المعادلة هي معرفة معنى كل من المتغيرات. في هذه الحالة ، E هي طاقة الجسم الثابت ، و m هي كتلة الجسم ، و c هي سرعة الضوء في الفراغ.
سرعة الضوء (ج) هي ثابت يساوي في كل معادلة ويساوي تقريبًا 3.00 × 108 متر في الثانية. في سياق نسبية أينشتاين ، ج2 يعمل كعامل تحويل وحدة أكثر من كونه ثابتًا. لذلك ، c تربيع نتيجة لتحليل الأبعاد (تُقاس الطاقة بالجول ، أو كجم · م2 س-2) بحيث يتم إضافة ج2 للتأكد من أن العلاقة بين الطاقة والكتلة متسقة الأبعاد.
الخطوة 2. فهم ما هي الطاقة
هناك العديد من أشكال الطاقة ، بما في ذلك الحرارة والكهرباء والمواد الكيميائية والنووية وغيرها. يتم نقل الطاقة بين أنظمة مختلفة (توفير الطاقة لنظام ما أثناء سحب الطاقة من نظام آخر).
لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها ، بل تتحول فقط إلى أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، يحتوي الفحم على الكثير من الطاقة الكامنة التي تتحول إلى طاقة حرارية عند الاحتراق
الخطوة 3. تحديد مفهوم الكتلة
تُعرَّف الكتلة عمومًا بأنها مقدار المادة في كائن ما.
- هناك أيضًا تعريف آخر للكتلة. هناك مصطلحات "طاقة الراحة" و "الكتلة النسبية". طاقة الراحة هي كتلة ثابتة ولا تتغير ، بغض النظر عن الإطار المرجعي الذي تستخدمه. من ناحية أخرى. تعتمد الكتلة النسبية على سرعة الجسم. في المعادلة E = mc2 ، م تشير إلى بقية الطاقة. هذا مهم جدًا ، لأنه يعني كتلتك لا تزداد حتى لو زادت السرعة ، خلافًا للاعتقاد الشائع.
- يجب أن نفهم أن الكتلة والوزن شيئان مختلفان. الوزن هو قوة الجاذبية التي يشعر بها الجسم ، بينما الكتلة هي كمية المادة في الجسم. تتغير الكتلة فقط إذا تم تغيير الجسم ماديًا ، بينما يتغير الوزن اعتمادًا على جاذبية البيئة المحيطة بالكائن. تُقاس الكتلة بالكيلوجرام (كجم) بينما يُقاس الوزن بالنيوتن (N).
- مثل الطاقة ، لا يمكن تكوين الكتلة أو تدميرها ، لكنها يمكن أن تغير شكلها. على سبيل المثال ، تذوب مكعبات الثلج وتتحول إلى سائل ، ولكن لا تزال لها نفس الكتلة في كلا النوعين.
الخطوة 4. افهم أن الكتلة والطاقة متكافئان
تنص هذه المعادلة على أن الكتلة والطاقة متساويتان ، وتحدد مقدار الطاقة الموجودة في كمية معينة من الكتلة. في الأساس ، تشرح هذه المعادلة أن كتلة صغيرة مليئة بالفعل بطاقة كبيرة.
جزء 2 من 2: تطبيق المعادلات في العالم الحقيقي
الخطوة 1. افهم من أين تأتي الطاقة المستخدمة
معظم الطاقة التي نستهلكها تأتي من حرق الفحم والغاز الطبيعي. يستخدم احتراق هذه المواد إلكترونات التكافؤ (إلكترونات غير مقترنة في الغلاف الخارجي للذرات) والروابط المصنوعة من عناصر أخرى. عند إضافة الحرارة ، تنكسر هذه الروابط وتستخدم الطاقة المنبعثة كمصدر للطاقة.
الحصول على الطاقة من خلال هذه الطريقة غير فعال للغاية ومضر بالبيئة
الخطوة 2. تطبيق معادلات أينشتاين لجعل تحويل الطاقة أكثر كفاءة
ه = مك2يخبرنا أن هناك طاقة مخزنة في نواة الذرة أكثر من إلكترونات التكافؤ. الطاقة المنبعثة من الانشطار الذري أعلى بكثير من تلك الناتجة عن تكسير الروابط الإلكترونية.
تعتمد الطاقة النووية على هذا المبدأ. تسبب المفاعلات النووية الانشطار الذري وتلتقط كميات كبيرة من الطاقة المنبعثة
الخطوة 3. اكتشف التقنيات التي أنشأتها E = mc2.
ه = مك2 سمح بإنشاء العديد من التقنيات الجديدة والمثيرة ، والتي أصبحنا من بينها احتياجاتنا الأساسية:
- يستخدم فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني النشاط الإشعاعي لمعرفة ما بداخل الجسم.
- تسمح هذه المعادلة بتطوير الاتصالات مع الأقمار الصناعية والمركبات الجوالة.
- يستخدم التأريخ بالكربون المشع التحلل الإشعاعي بناءً على هذه المعادلة لتحديد عمر الأشياء القديمة.
- توفر الطاقة النووية مصدر طاقة أنظف وأكثر كفاءة لمجتمعنا.
