2019-2020学年度教科版选修3-4 6.4相对论的速度变换定律 质量和能量的关系 教案(3)
2019-2020学年度教科版选修3-4 6.4相对论的速度变换定律 质量和能量的关系 教案(3)第3页

  事实上,爱因斯坦在推导出电子的"纵"质量和"横"质量公式之前,已经明确写出了电子在电磁场中的运动方程式.他当时假定的作用在电子上的力,与Lorentz采用的力的定义是不同的.所以,爱因斯坦在1905年的论文中的"纵"质量公式(3)与Lorentz的公式(2)不同,在当时是允许的,也是可以理解的.

  二十世纪初期,人们对于电子运动的研究是个新兴学科.当时物理学家注意到作用在电子上的力不仅与加速度有关,还与速度有关,这就需要对牛顿的第二定律(F =m a )的形式进行修改.在这种背景下,物理学家开始尝试性地提出"纵"质量和"横"质量的概念,然后,他们很快认识到这种提法不妥当,就着手从动量的新定义出发,对力的定义作出新的表述.

  普朗克在1906年著文指出,如果将力表达成动量随时间的变化率,即形式上与洛伦兹的横质量相同,Einstein在后来的论文中采用了这种对质量的新定义.

1909年,有个叫Bucherer的德国物理学家证明了相对论质速关系的那个实验!

  爱因斯坦在1907年发表了长篇论文:"关于相对性原理和由此得出的结论" [3],其中第三章是质点(电子)力学,他明确地写出了质点的动量表示式.如果采用现代的符号,质点的动量表示式为:

     p = mv / (1 - v 2/c 2) 1/2 (4)

爱因斯坦进而把质点动力学方程中的力定义为:

     F = d p /d t (5)

  相对论动量表示式(4)和力的定义公式(5)一直延用到今天.公式(5)是牛顿第二定律的推广形式. 值得注意的是,爱因斯坦在1907年的论文中已经不再提及"纵"质量和"横"质量.

  在相对论力学中,动量表示式(4)是个非常重要的定义,它是牛顿力学的动量定义的发展.在公式(4)中,相对论动量比牛顿力学的动量多了一项因子,(1 - v 2/c 2) -1/2 ,后来被称之为gamma因子.

  在公式(5)中,质点受到的力不仅与加速度有关,也与速度有关.从公式(5),当质点的速度与加速度的方向平行,以及垂直时,可以作为特例分别推导出质点的"纵"质量和"横"质量.所以,"纵"质量和"横"质量没有普遍性的意义.

  在相对论中,质点的总能量表示式为:E = mc 2 / (1 - v 2/c 2) 1/2 (6)

当质点的速度为零时,公式(6)退化成著名的质能公式:Eo = mc 2 ,这里Eo 代表静止质点的总能量.