质能方程的启发.docVIP

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质能方程的启发

W,W 质能方程的启发 物理问题:我看见质量为Ma的小球A与质量为Mb的小球B碰撞。A相对我的速度为Va,B相对我的速度为Vb;碰撞后A相对我的速度为Ua,B相对我的速度为Ba。 有参考系ΣA 、ΣB 、ΣI。ΣI为我所在的参考系,ΣA为小球A的,ΣB为小球B的。 A在伽利略变换下: Pa为A碰撞前的动量,Pa为A碰撞后的动量;Wa为A碰撞前的能量,Wa为A碰撞后的能量 Pb为B碰撞前的动量,Pb为B碰撞后的动量;Wb为B碰撞前的能量,Wb为B碰撞后的能量 有能量守恒和动量守恒: MaVa+MbVb=MaUa+MbUb ①(动量守恒) 1/2MaVa2+1/2MbVb2=1/2MaUa2+1/2MbUb2 ②(动能/机械能守恒) ①移项有 Ma(Va-Ua)=Mb(Vb-Ub) ④ ②消去1/2,移项有 Ma(Va2-Ua2)=Mb(Ub2-Vb2) 展开,有 Ma(Va-Ua)(Va+Ua)=Mb(Ub-Vb)(Vb+Ub) ⑤ 在⑤中消去④的项,有 Va+Ua=Ub+Vb ⑥ ⑥是与质量无关的式子。 ⑥再移项有 Va-Vb=Ub-Ua ⑦ 结论:在ΣI看来,A与B碰撞前和碰撞后的相对速度大小不变,方向相反。ΣA与ΣB可得同样结论,仅仅需要把Ma或Mb其中一个视为无穷大值即可。 B在允许存在绝对刚体的假设(完全弹性碰撞成立,虽然狭义相对论不允许),洛伦兹变换条件下,根据狭义相对论有: C为光速 Ma0为A的静止时的静质量,Ma为A碰撞前的质量,Ma为A碰撞后的质量;Pa为A碰撞前的动量,Pa为A碰撞后的动量;Wa为A碰撞前的质能,Wa为A碰撞后的质能 Mb0为B的静止时的静质量,Mb为B碰撞前的质量,Mb为B碰撞后的质量;Pb为B碰撞前的动量,Pb为B碰撞后的动量;Wb为B碰撞前的质能,Wb为B碰撞后的质能 Ma=Ma0/√1-Va2/C2 Ma=Ma0/√1-Ua2/C2 Mb=Mb0/√1-Vb2/C2 Mb=Mb0/√1-Ub2/C2 有质能 Wa=Ma0C2/√1-Va2/C2 Wa=Ma0C2/√1-Ua2/C2 Wb=Mb0C2/√1-Vb2/C2 Wb=Mb0C2/√1-Ub2/C2 有动量 Pa=Ma0Va/√1-Va2/C2 Pa=Ma0Ua/√1-Ua2/C2 Pb=Mb0Va/√1-Vb2/C2 Pb=Mb0Ub/√1-Ub2/C2 质能与动量间的四维关系得 Wa2-Pa2C2=Ma0C4=Wa2-Pa2C2 Wb2-Pb2C2=Mb0C4=Wb2-Pb2C2 有质能守恒和动量守恒: Pa+Pb=Pa+Pb ①(动量守恒) Wa+Wb=Wa+Wb ②(质能守恒) ①左右同乘以C后平方 Pa2C2+Pb2C2+2PaPbC2=Pa2C2+Pb2C2+2PaPbC2 ③ ②左右平方 Wa2+Wb2+2WaWb=Wa2+Wb2+2WaWb ④ ③-④,展开有 Ma0C4+Mb0C4+2WaWb-2PaPbC2=Ma0C4+Mb0C4+2WaWb-2PaPbC2 化简,有 WaWb-2PaPbC2=WaWb-2PaPbC2 将上式展开 Ma0Mb0(C4-VaVbC2)/(√1-Va2/C2√1-Vb2/C2)=Ma0Mb0(C4-UaUbC2)/(√1-Ua2/C2√1-Ub2/C2) Ma0、Mb0都不为零,C为常数,皆可消去,可得出与质量无关的式子 (C2-VaVb)/(√1-Va2/C2√1-Vb2/C2)=(C2-UaUb)/(√1-Ua2/C2√1-Ub2/C2) 左右平方,整理得 (C4-2C2VaVb+Va2Vb2)(C4-C2Ua2-C2Ub2+Ua2Ub2)=(C4-2C2UaUb+Ua2Ub2)(C4-C2Va2-C2Vb2+Va2Vb2) 等号左边标注: (C4-2C2VaVb+Va2Vb2)(C4-C2Ua2-C2Ub2+Ua2Ub2) +C4 -2C2VaVb +Va2Vb2 +C4 -C2Ua2 -C2Ub2 +Ua2Ub2 α β γ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 展开有 α β γ Ⅰ

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