E=mc2 verstehen

Eine der revolutionären wissenschaftlichen Arbeiten von Albert Einstein, die 1905 veröffentlicht wurde, führte die Formel E=mc ein, wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Seitdem ist E=mc eine der bekanntesten Gleichungen der Welt. Sogar Menschen ohne physikalische Kenntnisse haben zumindest von der Gleichung gehört und sind sich ihres Einflusses auf die Welt, in der wir leben, bewusst. Die meisten Leute wissen jedoch nicht genau, was die Gleichung bedeutet. Einfach ausgedrückt stellt die Gleichung das Verhältnis von Energie zu Masse dar: Energie und Materie sind im Wesentlichen nur zwei verschiedene Formen ein und derselben Sache. Diese relativ einfache Gleichung hat unser Denken über Energie verändert und uns zahlreiche technologische Fortschritte beschert.

Schritte

Teil 1 von 2: Die Gleichung verstehen

Bildtitel Understand E=mc2 Step 1
1. Die Bedeutung der Variablen der Gleichung. Der erste Schritt zum Verständnis einer Gleichung besteht darin, zu wissen, was jede Variable bedeutet. In diesem Fall steht E für die Energie eines ruhenden Objekts, m für die Masse des Objekts und c für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
  • Die Lichtgeschwindigkeit (c) ist in allen Bezugssystemen konstant und beträgt ungefähr 3,00 x 10 Meter pro Sekunde. Im Kontext von Einsteins Relativitätstheorie fungiert das c eher als Einheitenumrechnung denn als Konstante. Als solches wird sie als Ergebnis der Dimensionsanalyse quadriert – Energie wird in Joule oder kg m s gemessen, sodass das Hinzufügen von c sicherstellt, dass die Beziehung zwischen Energie und Masse dimensional konsistent ist.
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2. Verstehen Sie, was mit Energie gemeint ist. Es gibt viele verschiedene Energieformen, darunter thermische, elektrische, chemische und nukleare Energie. Energie wird zwischen Systemen übertragen, wobei ein System Energie erhält, die anderen Systemen entnommen wird.
  • Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, sie kann nur eine andere Form annehmen. Kohle hat beispielsweise viel potenzielle Energie, die bei der Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt wird.
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    3. Definiere was Masse bedeutet. Masse wird allgemein als die Menge an Materie in einem Objekt definiert.
  • Es gibt noch einige andere Definitionen von Masse. Es gibt so etwas wie „invariante Masse“ und „relativistische Masse“. Invariante Masse ist Masse, die unabhängig vom Bezugssystem unverändert bleibt. Die relativistische Masse hingegen hängt von der Geschwindigkeit des Objekts ab. In der Gleichung E=mc bezieht sich m auf die invariante Masse. Dies ist sehr wichtig, denn es bedeutet, dass Ihre Masse nicht nimmt entgegen der landläufigen Meinung zu, wenn Sie sich schneller bewegen.
  • Es ist wichtig zu verstehen, dass Masse und Gewicht unterschiedlich sind. Gewicht ist die Gravitationskraft, die ein Objekt erfährt, während Masse die Menge an Materie in diesem Objekt ist. Die Masse kann sich nur ändern, wenn das Objekt physisch verändert wird, während das Gewicht von der Schwerkraft der Umgebung des Objekts abhängt. Masse wird in Kilogramm (kg) gemessen, während das Gewicht in Newton (N) gemessen wird.
  • Wie Energie kann Masse nicht erzeugt oder zerstört werden, aber sie kann ihre Form ändern. Ein Eiswürfel kann beispielsweise schmelzen und flüssig werden, hat aber in beiden Zuständen die gleiche Masse.
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    4. Ist dir klar, dass Masse und Energie gleich sind?. Die Gleichung besagt, dass Masse und Energie gleich sind und gibt an, wie viel Energie in einer bestimmten Masse vorhanden ist. Im Wesentlichen zeigt die Gleichung, dass eine kleine Masse eine große Menge an Energie enthält.

    Teil 2 von 2: Die Gleichung in der realen Welt anwenden

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    1. Verstehen Sie, woher nützliche Energie kommt. Der Großteil unserer verbrauchbaren Energie stammt aus der Verbrennung von Kohle und Erdgas. Beim Verbrennen dieser Stoffe werden die vorhandenen Valenzelektronen (ungepaarte Elektronen in der äußersten Schale eines Atoms) und die Bindungen, die sie mit anderen Elementen eingehen, verwendet. Wenn Wärme hinzugefügt wird, brechen diese Bindungen und setzen Energie frei, die unsere Gesellschaft antreibt.
    • Diese Energiegewinnung ist nicht sehr effizient und geht zu Lasten der Umwelt.
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    2. Wenden Sie die Einstein-Gleichung an, um die Energieumwandlung effizienter zu machen. E=mc sagt uns, dass im Kern eines Atoms viel mehr Energie gespeichert ist als in seinen Valenzelektronen. Die Energie, die bei der Spaltung eines Atoms freigesetzt wird, ist viel höher als die beim Aufbrechen von Elektronenbindungen.
  • Die Kernenergie basiert auf diesem Prinzip. Kernreaktoren ermöglichen die Kernspaltung (das Aufspalten von Atomen) und speichern die enorme Menge an freigesetzter Energie.
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    3. Entdecken Sie die Technologien, die E=mc . ermöglicht. E=mc hat die Entwicklung vieler neuer und aufregender Technologien ermöglicht, von denen einige zu einem festen Bestandteil unseres Lebens geworden sind:
  • PET-Scans verwenden Radioaktivität, um in das Körperinnere zu schauen.
  • Die Gleichung ermöglichte die Entwicklung der Telekommunikation mit Satelliten und Rovern.
  • Die C14-Datierung verwendet radioaktiven Zerfall basierend auf dieser Gleichung, um das Alter sehr alter Objekte zu bestimmen.
  • Kernenergie bietet unserer Gesellschaft sauberere und effizientere Energiequellen.

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