Номер 2, страница 217 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Механика. 7. Релятивистская механика. Параграф 46. Взаимосвязь энергии и массы. Вопросы - номер 2, страница 217.

Условие.

2. Какие эксперименты подтверждают наличие энергии покоя?

Решение.

1. Что такое энергия покоя тела?

Энергия покоя — это внутренняя энергия, которой обладает любое тело, имеющее массу, даже когда оно находится в состоянии покоя относительно выбранной системы отсчета. Это фундаментальное понятие было введено Альбертом Эйнштейном в рамках специальной теории относительности и описывает эквивалентность массы и энергии. Энергия покоя вычисляется по знаменитой формуле:
$E_0 = mc^2$
где $E_0$ — энергия покоя, $m$ — масса покоя тела, а $c$ — скорость света в вакууме (постоянная величина, приблизительно равная $3 \cdot 10^8$ м/с).
Эта формула показывает, что масса является концентрированной формой энергии. Даже у неподвижного объекта есть огромный запас внутренней энергии, заключенный в его массе. Эта энергия не связана с движением тела (кинетическая энергия) или его положением в поле сил (потенциальная энергия), а является неотъемлемым свойством самого вещества. Любое изменение массы тела ($\Delta m$) приводит к соответствующему изменению его энергии покоя на величину $\Delta E_0 = \Delta m c^2$.

Ответ: Энергия покоя — это внутренняя энергия, присущая любому телу, обладающему массой, которая не связана с его движением и определяется формулой $E_0 = mc^2$, где $m$ — масса тела, а $c$ — скорость света.

2. Какие эксперименты подтверждают наличие энергии покоя?

Существование энергии покоя и принцип эквивалентности массы и энергии подтверждаются целым рядом явлений и экспериментов, в основном из области ядерной физики и физики элементарных частиц. Ключевыми подтверждениями являются:
1. Ядерный синтез и деление. В процессах, протекающих в звездах (синтез) и ядерных реакторах (деление), масса конечных продуктов реакции оказывается меньше массы исходных реагентов. Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), выделяется в виде колоссального количества энергии ($\Delta E$) в точном соответствии с формулой $\Delta E = \Delta m c^2$. Это объясняет энергетический выход атомных электростанций и энергию, излучаемую звездами.
2. Аннигиляция частицы и античастицы. Это наиболее прямое и наглядное подтверждение. При столкновении частицы (например, электрона) и ее античастицы (позитрона) они исчезают, а их полная масса покоя превращается в энергию в виде фотонов (гамма-квантов). Суммарная энергия фотонов точно равна сумме энергий покоя исходных частиц. Это явление наблюдается в экспериментах на ускорителях и лежит в основе метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) в медицине.
3. Рождение пар. Это обратный аннигиляции процесс, когда энергия превращается в массу. Фотон достаточно высокой энергии (гамма-квант), пролетая вблизи массивного ядра, может породить пару частица-античастица (например, электрон и позитрон). Это происходит только в том случае, если энергия фотона превышает суммарную энергию покоя создаваемой пары ($E_{\gamma} \ge 2m_ec^2$).

Ответ: Существование энергии покоя подтверждается экспериментами в ядерной физике и физике элементарных частиц, такими как реакции ядерного синтеза и деления (где дефект масс переходит в энергию), процессы аннигиляции частиц и античастиц (где масса полностью переходит в энергию) и обратные им процессы рождения пар (где энергия переходит в массу).