83-质量随速度而增大-质能关系课件

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1、8.3 8.3 质量随速度而增大质量随速度而增大 质能关系质能关系牛顿力学中惯性质量和速度的关系牛顿力学中惯性质量和速度的关系 爱因斯坦光速不变的新思想几乎影响了每一个爱因斯坦光速不变的新思想几乎影响了每一个物理量：时间物理量：时间（t）、空间空间（x）、质量质量（m）等。等。?恒定外力恒定外力惯性质量惯性质量牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律:状态量状态量持续作用持续作用持续增大持续增大随速率增大而增大随速率增大而增大，这要求，这要求的上限是的上限是但但质量是相对的，质量随物体运动速度的增大而增大。质量是相对的，质量随物体运动速度的增大而增大。理论和实验表明，质量和速度的关系为理论和实验表明，

2、质量和速度的关系为:显然显然时，时，m0为为静质量静质量,反映物体本身的属性反映物体本身的属性,即包含的即包含的物质的量。物质的量。m为物体的为物体的惯性质量惯性质量,是相对的是相对的,决定于物体决定于物体速度速度,速度趋于光速时，惯性质量为无穷大。速度趋于光速时，惯性质量为无穷大。一、相对论质速关系一、相对论质速关系 质速关系反映了速关系反映了物物质与运与运动的不可分割性。的不可分割性。右右图曲曲线表示表示质量随量随速度增大情况。速度增大情况。当当v=0.1 cm 增加增加 0.5%当当v=0.866 c当当v c当当v=c(如如:光子光子)例：例：子以子以v=0.9c的速度运动，求此时的质

3、量为静止的速度运动，求此时的质量为静止质量的多少倍？质量的多少倍？解：相对论中：相对论中：物体受到恒力物体受到恒力F 时，加速度并非恒定。时，加速度并非恒定。物体不会被加速到光速。物体不会被加速到光速。速度速度 时间曲线时间曲线二、相对论动量与动能二、相对论动量与动能相对论动量相对论动量相对论动能相对论动能三、相对论的能量三、相对论的能量动能：动能：总能：总能：静能：静能：推导过程：推导过程：相对论质能关系：相对论质能关系：相对论中，质量与能量等效，质量守恒即能量相对论中，质量与能量等效，质量守恒即能量守恒，质量的变化意味着能量的变化：守恒，质量的变化意味着能量的变化：。物体的动能为总能与静能

4、的差：物体的动能为总能与静能的差：当当v c时，时，讨论讨论(1)质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律;(2)静能静能E0=m0c2表征物体表征物体静止时静止时的总内能的总内能;分子间相互作用势能分子间相互作用势能 分子运动动能分子运动动能 原子间结合在一起的化学能原子间结合在一起的化学能 原子核与电子结合在一起的电磁能原子核与电子结合在一起的电磁能 原子核内基本粒子间的结合能原子核内基本粒子间的结合能每秒每秒钟太阳太阳辐射的能量，即功率：射的能量，即功率：解：解：例：例：太阳向四周空间辐射能量，每秒钟相应的质量太阳向四周空间辐射能量，每秒钟相应的质

5、量亏损若为亏损若为4.5109kg，求：太阳辐射的功率。，求：太阳辐射的功率。碳的燃烧过程可用以下方程表示：碳的燃烧过程可用以下方程表示：求燃烧前后质量的变化。求燃烧前后质量的变化。例：例：相对论的诞生是人类从对世界的片面认识到完相对论的诞生是人类从对世界的片面认识到完整认识的转折。经典物理认识物质的内部能量是以整认识的转折。经典物理认识物质的内部能量是以原子为最小单位来研究的，而相对论把粒子和场结原子为最小单位来研究的，而相对论把粒子和场结合起来讨论则包括了粒子内部的所有结构，合起来讨论则包括了粒子内部的所有结构，因而静止能量因而静止能量E0=m0c2是所有内部能量。是所有内部能量。四、核的

6、聚变和裂变四、核的聚变和裂变 太阳能太阳能 原子能原子能1.核的聚变核的聚变 一个质子和一个中子结合成一个较重的氘核，一个质子和一个中子结合成一个较重的氘核，它将释放出它将释放出2.224MeV的能量的能量.质子中子氘核以射线形式放出这个能量称为氘核的结合能。这个能量称为氘核的结合能。原子能就是指聚变和裂变过程中所释放的能量。原子能就是指聚变和裂变过程中所释放的能量。对每个核，当其中这些质子和中子，由于吸引对每个核，当其中这些质子和中子，由于吸引相互结合在一起成为一个原子核的过程中都有能量相互结合在一起成为一个原子核的过程中都有能量放出，这个能量就是这个核的结合能。放出，这个能量就是这个核的结

7、合能。实际结合能的计算，直接利用质能关系实际结合能的计算，直接利用质能关系可得：可得：结合能的计算结合能的计算实际要用原子质量计算，可改为实际要用原子质量计算，可改为(Mev)u 是原子质量单位，是原子质量单位，1u=1.6610-27(kg)1uc2=931.5(Mev)轻核聚合成较重的核释放出能量的过程称为轻核聚合成较重的核释放出能量的过程称为轻核聚变轻核聚变。氢-3 核氢-2 核中子氦-4 He42+H21n10+能量H31核聚变例例:氢弹的爆炸过程可用以下方程表示：氢弹的爆炸过程可用以下方程表示：求：求：这一反应过程释放出的能量。这一反应过程释放出的能量。已知以上各成分的质量分别为：已

8、知以上各成分的质量分别为：氘氘:2.01360(a.u.)氚氚:3.01600(a.u.)氦氦:4.00260(a.u.)中子中子:1.00867(a.u.)解：解：(Mev)氢的三种同位素及其三种水氢的三种同位素及其三种水质子数 111中子数012同位素氕氘氚氢氧化物普通水重水超重水各种水占百分比99.98%0.016%微量各种水对于生物人体必需死亡之水常用的聚变反应有下面常用的聚变反应有下面4个：个：核聚核聚变的产生条件变的产生条件 因因为为原子核原子核带带正正电电荷，荷，它它们之间会们之间会互相排斥互相排斥。要使聚要使聚变发变发生生,两个氢两个氢核核必须必须以以极快极快的速度的速度靠近，

9、靠近，He42+H21n10+能量H31 做法是把做法是把氢气加热到氢气加热到极极其其高高温度温度(108 C)！使氘核和氚核有足够的动使氘核和氚核有足够的动能接近到能接近到10-15米米 根据计算根据计算,聚变反应引起的太阳质量减小率只是聚变反应引起的太阳质量减小率只是310-19kg/s,是很小的量。目前太阳处于是很小的量。目前太阳处于“中年中年”,估计太阳还有寿命估计太阳还有寿命50亿年。亿年。对氢原子核聚变反应的研究对氢原子核聚变反应的研究,可以追溯到可以追溯到20世纪世纪30年代对太阳的研究年代对太阳的研究.1938年物理学家证明年物理学家证明,太阳里太阳里进行的氢核聚变成氮核的反应

10、进行的氢核聚变成氮核的反应,使它还能光芒万丈地使它还能光芒万丈地燃烧几十亿年燃烧几十亿年.2.太阳能太阳能3.核裂变核裂变 裂变裂变是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核个新原子核,并释放出能量的过程。并释放出能量的过程。比如中子轰击铀比如中子轰击铀235产生核能产生核能 裂变产生的新原子核质量不对称裂变产生的新原子核质量不对称,一部分质量是一部分质量是90100,一部分是一部分是134144重核裂变为两个中等核而释放能量的过程称为重核裂变为两个中等核而释放能量的过程称为重核裂变重核裂变。容易计算出：容易计算出：即一次裂变约有即一次裂变约有180M

11、eV可资利用的核能。可资利用的核能。铀铀235U和和钚钚239Pu是常用的两种裂变核，可用做是常用的两种裂变核，可用做反应堆和原子弹中的核燃料。反应堆和原子弹中的核燃料。1.裂变产物通常是一块较重裂变产物通常是一块较重，一块较轻，即不对称，一块较轻，即不对称 裂变的概率大。裂变的概率大。2.裂变产物由于相比它们的稳定核都是有多余电子裂变产物由于相比它们的稳定核都是有多余电子 的，所以都有的，所以都有 -放射性放射性(寿命很长寿命很长)，由于原子核，由于原子核 常处于激发态，所以有大量常处于激发态，所以有大量 射线放出。因此对射线放出。因此对 放射性废物的处理极为重要。放射性废物的处理极为重要。

12、核裂变有两个重要特征：核裂变有两个重要特征：原子弹原子弹 氢弹氢弹自发裂变自发裂变 铀铀-235的含量很少，例如天然铀只含的含量很少，例如天然铀只含0.714%，堆放得也比较松散，则每次裂变放出的堆放得也比较松散，则每次裂变放出的23个中子个中子都散失到空间去了，只有偶尔的都散失到空间去了，只有偶尔的12个中子又能击个中子又能击中其它铀核。这样的裂变反应不会连续不断地进行。中其它铀核。这样的裂变反应不会连续不断地进行。天然铀矿就是这种情况，一般每千克铀元素中天然铀矿就是这种情况，一般每千克铀元素中每秒钟有几个原子核发生裂变，这叫做自发裂变。每秒钟有几个原子核发生裂变，这叫做自发裂变。核爆炸核爆

13、炸 如果元素中的铀如果元素中的铀-235的含量非常高，如达的含量非常高，如达90%以上，而且堆放得又很紧凑，则一个铀的裂变放出以上，而且堆放得又很紧凑，则一个铀的裂变放出的的23个中子马上又会引起个中子马上又会引起23个原子核裂变，产个原子核裂变，产生的生的49个中子又引起个中子又引起49个原子核裂变，放出个原子核裂变，放出827个中子，再引起个中子，再引起827原子核裂变原子核裂变 如此迅速蔓延，使裂变不断成倍增长，如排山如此迅速蔓延，使裂变不断成倍增长，如排山倒海而来，十分迅猛，能量释放也十分剧烈。倒海而来，十分迅猛，能量释放也十分剧烈。如果这堆铀有一定数量，例如几千克，就会发如果这堆铀有

14、一定数量，例如几千克，就会发生核爆炸，这就是生核爆炸，这就是原子弹原子弹。核裂变的链式反应核裂变的链式反应中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸核反应堆核反应堆 如果这堆铀堆放得很巧，使得每个原子核裂变放如果这堆铀堆放得很巧，使得每个原子核裂变放出的中子中恰好有一个击中别的原子核发生裂变，而出的中子中恰好有一个击中别的原子核发生裂变，而其余的中子散失到空间或者被其它物质吸收而不引起其余的中子散失到空间或者被其它物质吸收而不引起裂变，那么连锁反应就会以稳定的水平维持不断的进裂变，那么连锁反应就会以稳定的水平维持不断的进行下去，能量平稳释放。这种堆放核的装置就是我们行下去，能量平稳释放。这种堆

15、放核的装置就是我们通常所说的通常所说的核反应堆核反应堆。核反应堆用的核燃料浓度一般很低核反应堆用的核燃料浓度一般很低,例如最常见例如最常见的压水反应堆的铀的压水反应堆的铀-235浓度为浓度为34%,比起原子弹比起原子弹90%的浓度低的多得多。因此，核反应堆是不可能象原子的浓度低的多得多。因此，核反应堆是不可能象原子弹那样发生核爆炸的。弹那样发生核爆炸的。中国导弹核潜艇中国导弹核潜艇氢弹爆炸时形成的冷凝云氢弹爆炸时形成的冷凝云氢弹空中爆炸的火球氢弹空中爆炸的火球原原子子弹弹 面对巨大的爆炸，曼哈顿工面对巨大的爆炸，曼哈顿工程负责人，被称为程负责人，被称为“原子弹之父原子弹之父”奥本海默在核爆观测

16、站里感到奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古十分震惊，他想起了印度一首古诗：诗：“漫天奇光异彩，漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，只有一千个太阳，才能与其争辉。才能与其争辉。我是死神，我是死神，我是世界的毁灭者。我是世界的毁灭者。”爱因斯坦与西拉德起草信件给罗斯福爱因斯坦与西拉德起草信件给罗斯福 爱因斯坦与美国爱因斯坦与美国理论物理学家罗伯特理论物理学家罗伯特-奥本海默，爱因斯坦奥本海默，爱因斯坦1933年移居美国，在年移居美国，在美国爱因斯坦帮助开美国爱因斯坦帮助开发曼哈顿岛计划发曼哈顿岛计划(即利即利用核的裂变反应制造用核的裂变反应制造原子弹原子弹

17、)。原子核的裂变1.裂变能的释放裂变能的释放已提纯已提纯的的 235U,准备准备再加工为实弹弹头再加工为实弹弹头 原子弹和氢弹原子弹和氢弹美国投到日本广岛美国投到日本广岛的原子弹的原子弹“小男孩小男孩”美国投到日本长崎美国投到日本长崎的原子弹的原子弹“胖子胖子”利用自持进行的原子核裂变或聚变反应瞬时释放的能量。利用自持进行的原子核裂变或聚变反应瞬时释放的能量。原子弹原子弹:主要利用主要利用 或或 等重原子核的链式裂变等重原子核的链式裂变 反应原理制成的核武器。反应原理制成的核武器。枪枪法法原原子子弹弹结结构构原原理理图图内爆法内爆法原子弹结构示意图原子弹结构示意图氢氢弹弹结结构构原原理理示示意

18、意图图氢弹:主要利用重氢超重氢等轻原子核的热核聚变反应原理制成的核武器 1945年年8月月6日美国向日本广岛投下原子弹。此日美国向日本广岛投下原子弹。此弹重弹重4082公斤，弹长公斤，弹长3.05米，弹径米，弹径0.711米，米，装料为装料为60公斤铀公斤铀235，当中只有约当中只有约1公斤公斤在爆炸中进行了核在爆炸中进行了核裂变，释放的能量约相等于一万三千公吨的裂变，释放的能量约相等于一万三千公吨的TNT烈烈性炸药，即大概为性炸药，即大概为5.5 1013 焦。焦。被称为被称为“小男孩小男孩”。原子弹造成了死亡原子弹造成了死亡7.1万人，伤万人，伤6.8万人，遭到万人，遭到破坏的总面积达破坏

19、的总面积达12平方公里，破坏建筑物平方公里，破坏建筑物5万余所。万余所。在距离爆炸地点约在距离爆炸地点约200米的半径内，高温及炫米的半径内，高温及炫目的光线使周围的一切东西被烧毁或者褪了颜色目的光线使周围的一切东西被烧毁或者褪了颜色,强烈的冲击波把烧焦的物体溅到墙壁上。一座繁荣强烈的冲击波把烧焦的物体溅到墙壁上。一座繁荣的城市瞬间变成了烟雾弥漫的废墟。的城市瞬间变成了烟雾弥漫的废墟。原子弹爆炸原子弹爆炸氢弹爆炸时形成的冷凝云氢弹爆炸时形成的冷凝云核能利用核能利用核聚变能源的无可比拟优点：核聚变能源的无可比拟优点：（1）能量巨大：）能量巨大：核聚变比核裂变释放出更多的能量。核聚变比核裂变释放出

20、更多的能量。如铀如铀235的裂变反应将千分之一的物质变成了能量的裂变反应将千分之一的物质变成了能量;而氘的聚变反应则将近千分之四的物质变成了能量。而氘的聚变反应则将近千分之四的物质变成了能量。（2）资源丰富：）资源丰富：重核裂变使用的主要原料是铀，目重核裂变使用的主要原料是铀，目前探明的储量仅够使用约前探明的储量仅够使用约 1000 年；而轻核聚变使用年；而轻核聚变使用的燃料是海水中的氘，的燃料是海水中的氘，1升海水能提取升海水能提取30毫克氘，在毫克氘，在聚变反应中能产生约等于聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量，即升汽油的能量，即“1升海水约等于升海水约等于300升汽油升汽油”，地球上

21、海水中就有，地球上海水中就有 45 万亿吨氘，足够人类使用百亿年。万亿吨氘，足够人类使用百亿年。（3）成本低廉：）成本低廉：1kg氘的价格只为氘的价格只为1kg浓缩铀的浓缩铀的1/40。（4）安全、无污染：）安全、无污染：核聚变不产生放射性污染物，核聚变不产生放射性污染物，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会发生爆炸。发生爆炸。总之，受控核聚变的燃料取之不尽、用之不竭，总之，受控核聚变的燃料取之不尽、用之不竭，核聚变能源将是核聚变能源将是21世纪最理想的世纪最理想的“长寿长寿”能源。能源。截至截至2000年底，全世界正在运行的核动力堆共年

22、底，全世界正在运行的核动力堆共有有438座，总装机容量为座，总装机容量为351兆千瓦，为提供的电力兆千瓦，为提供的电力的的16%。而受控核聚变堆有望到而受控核聚变堆有望到21世纪中叶实现。世纪中叶实现。法国法国比利时比利时 瑞典瑞典日本日本德国德国英国英国 美国美国中国中国74.6%56.8%39%33.8%30.6%22%20%1.2%各国核电占总电力的百分比各国核电占总电力的百分比 核反应堆核反应堆需要有慢化剂需要有慢化剂,通过它的原子与中子碰撞通过它的原子与中子碰撞,将快中子慢化为热中子。将快中子慢化为热中子。费米建立的第一个链式裂变反应堆费米建立的第一个链式裂变反应堆 1941年年12

23、月，费米领导一批物理学家在芝加哥大月，费米领导一批物理学家在芝加哥大学斯塔格运动场的西看台下建造世界上第一座原子反学斯塔格运动场的西看台下建造世界上第一座原子反应堆。该反应堆是用石墨层和铀层相间堆砌的应堆。该反应堆是用石墨层和铀层相间堆砌的,共有共有57层，高层，高6米。米。核电站示意图核电站示意图采用中子慢化技采用中子慢化技术术热中子堆热中子堆提高铀燃料中提高铀燃料中235235U U 的的含量含量快中子堆快中子堆2.自持链式裂变反应自持链式裂变反应（天然铀（天然铀52吨、高纯石墨吨、高纯石墨1000多吨，总重多吨，总重1400吨）吨）世界第一座核反应堆世界第一座核反应堆中国第一座实验用核反

24、应堆外貌中国第一座实验用核反应堆外貌 秦山核电站秦山核电站广东大亚湾核电站广东大亚湾核电站大亚湾核电站夜景大亚湾核电站夜景铀的储量铀的储量 铀在陆地上的储量并不丰富，总量不超过铀在陆地上的储量并不丰富，总量不超过500万万吨，按目前的消耗量，仅够人类使用几十年。吨，按目前的消耗量，仅够人类使用几十年。在浩瀚的海水中，有超过陆地几千万倍的铀，在浩瀚的海水中，有超过陆地几千万倍的铀，但其分布不集中，但其分布不集中，1000吨海水中仅含有吨海水中仅含有3克铀，如何克铀，如何提取出来是一项关键性步骤。目前在研究的有：吸提取出来是一项关键性步骤。目前在研究的有：吸附法、共沉淀法、气泡分离法、藻类生物浓缩

25、法。附法、共沉淀法、气泡分离法、藻类生物浓缩法。需要指出的是，铀废料的放射性污染问题是令需要指出的是，铀废料的放射性污染问题是令人担忧的。人担忧的。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站 1986.4.26,前苏联的切尔诺贝利核电站四号机组发前苏联的切尔诺贝利核电站四号机组发生核泄漏生核泄漏,后果相当于后果相当于500颗原子弹的当量颗原子弹的当量,受污染地区受污染地区,主要在乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯主要在乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯,达达15万万KM2,受害受害人口为人口为695万万,迄今因遭受辐射而死亡的人数达迄今因遭受辐射而死亡的人数达30多万。多万。“石棺石棺”的加固工程正在进行的加固工程正在进行

26、 这这15万万KM2土地土地,就像是苏就像是苏联人在追求科学和工业化甚至联人在追求科学和工业化甚至军备竞赛中为自己掘下的一个军备竞赛中为自己掘下的一个巨大坟墓巨大坟墓,杳无人烟杳无人烟,一切都定一切都定格在事故发生的那一刻格在事故发生的那一刻,连新连新婚夫妇的衣服、结婚宴席仍原婚夫妇的衣服、结婚宴席仍原封不动地摆在那里封不动地摆在那里,谁也说不谁也说不清将会摆多久。清将会摆多久。在这个巨大的坟墓里在这个巨大的坟墓里,人烟人烟绝迹绝迹,鸟兽全无鸟兽全无,谁也不敢走进谁也不敢走进这个大坟墓。被疏散到核辐射这个大坟墓。被疏散到核辐射边沿区的人边沿区的人,由于粮食短缺，由于粮食短缺，便到林中采摘蘑菇便到林中采摘蘑菇,然而只吃然而只吃了几次了几次,有人死在了采蘑菇的有人死在了采蘑菇的路上。这都是核辐射的后患。路上。这都是核辐射的后患。不同意外事件致命危險度不同意外事件致命危險度车祸车祸跌倒跌倒火灾火灾洪水洪水中强中强空难空难天空掉下之物天空掉下之物触电触电闪电闪电台风台风以上全部以上全部1/4,0001/10,0001/25,0001/30,0001/100,0001/100,0001/160,0001/160,0001/200,0001/250,0001/2,000