Εκφώνηση: Είναι η ενέργεια μια αναλλοίωτη ποσότητα; Είναι δηλαδή η ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα; Ισχύει σε όλα τα αδρανειακά συστήματα η αρχή διατήρησης της ενέργειας;
Σκέψη: Η ολική ενέργεια ενός σώματος E = mc²/√(1 − u²/c²) εξαρτάται από την ταχύτητά του, που είναι διαφορετική σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς. Η αρχή διατήρησης της ενέργειας είναι νόμος της Φυσικής, άρα, σύμφωνα με το 1ο αξίωμα, ισχύει σε όλα τα αδρανειακά συστήματα.
Λύση:
Απάντηση: Όχι, η ενέργεια δεν είναι αναλλοίωτη ποσότητα: η τιμή της ενέργειας ενός σώματος, E = mc²/√(1 − u²/c²), εξαρτάται από την ταχύτητά του, άρα από το σύστημα αναφοράς. Αναλλοίωτη είναι μόνο η ενέργεια ηρεμίας mc². Ωστόσο η αρχή διατήρησης της ενέργειας ισχύει σε όλα τα αδρανειακά συστήματα: σε κάθε σύστημα η ολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος σωμάτων μένει σταθερή, με τιμή που διαφέρει από σύστημα σε σύστημα.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο που κινούνται με μεγάλες ταχύτητες έχουν την ίδια ενέργεια. Η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι α) ίση, β) μικρότερη ή γ) μεγαλύτερη από την ενέργεια του πρωτονίου; Επιλέξτε το σωστό.
Σκέψη: Η ολική ενέργεια είναι E = K + mc². Για ίδια ολική ενέργεια, το σωματίδιο με τη μικρότερη ενέργεια ηρεμίας mc² έχει τη μεγαλύτερη κινητική ενέργεια.
Λύση:
Απάντηση: Σωστή είναι η (γ): η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια του πρωτονίου. Αφού E = K + mc² και οι ολικές ενέργειες είναι ίσες, το ηλεκτρόνιο, που έχει πολύ μικρότερη ενέργεια ηρεμίας, έχει μεγαλύτερη κινητική ενέργεια.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Η ενέργεια σύνδεσης του ατόμου του υδρογόνου είναι 13,6 eV. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα του ατόμου του υδρογόνου είναι: α) μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών ενός πρωτονίου κι ενός ηλεκτρονίου. β) μικρότερη από το άθροισμα των μαζών ενός πρωτονίου κι ενός ηλεκτρονίου. γ) ίση με το άθροισμα των μαζών ενός πρωτονίου κι ενός ηλεκτρονίου.
Σκέψη: Ενέργεια σύνδεσης είναι η ενέργεια που πρέπει να προσφέρουμε για να διαχωρίσουμε το άτομο σε ελεύθερο πρωτόνιο και ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σύμφωνα με την ισοδυναμία μάζας-ενέργειας, η ενέργεια αυτή αντιστοιχεί σε μάζα ΔE/c².
Λύση:
Απάντηση: Σωστή είναι η (β): η μάζα του ατόμου του υδρογόνου είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου, κατά Δm = 13,6 eV/c². Όταν σχηματίζεται το άτομο απελευθερώνεται ενέργεια 13,6 eV, στην οποία αντιστοιχεί αυτή η μείωση της μάζας.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Κατά την έκρηξη μιας πυρηνικής βόμβας 10 mg ύλης εξαφανίστηκαν. Πόση ενέργεια απελευθερώθηκε; Δίνεται c = 3·10⁸ m/s.
Σκέψη: Η μάζα που «εξαφανίστηκε» μετατράπηκε σε ενέργεια σύμφωνα με τη σχέση E = mc². Μετατρέπουμε πρώτα τη μάζα σε kg.
Λύση:
Απάντηση: Απελευθερώθηκε ενέργεια E = 9·10¹¹ J.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Ένα διαστημόπλοιο μάζας 1000 kg πρόκειται να επιταχυνθεί σε ταχύτητα 0,5c. Πόση ενέργεια απαιτείται γι’ αυτό; Δίνεται c = 3·10⁸ m/s.
Σκέψη: Η ενέργεια που απαιτείται ισούται με την κινητική ενέργεια που θα αποκτήσει το διαστημόπλοιο: K = mc²/√(1 − u²/c²) − mc².
Λύση:
Απάντηση: Απαιτείται ενέργεια περίπου 1,4·10¹⁹ J.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Πόση ενέργεια απαιτείται για να επιταχυνθεί ένα ηλεκτρόνιο α) από 0,5c σε 0,9c. β) από 0,9c σε 0,99c. Δίνεται η ενέργεια ηρεμίας του ηλεκτρονίου 0,511 MeV.
Σκέψη: Η απαιτούμενη ενέργεια ισούται με τη μεταβολή της ολικής (ισοδύναμα της κινητικής) ενέργειας: W = mc²·(γ₂ − γ₁), με γ = 1/√(1 − u²/c²).
Λύση:
Απάντηση: α) Απαιτούνται περίπου 0,582 MeV. β) Απαιτούνται περίπου 2,45 MeV. Αν και η δεύτερη αύξηση της ταχύτητας (0,09c) είναι πολύ μικρότερη από την πρώτη (0,4c), χρειάζεται πάνω από τετραπλάσια ενέργεια, γιατί όσο η ταχύτητα πλησιάζει το c τόσο δυσκολότερα αυξάνεται.
Εκφώνηση: Για τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τους πυρήνες δευτερίου ισχύουν m_p = 1,67261·10⁻²⁷ kg, m_n = 1,67492·10⁻²⁷ kg, m_d = 3,34357·10⁻²⁷ kg. Πόση ενέργεια θα απελευθερωθεί κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα δευτερίου από ένα ελεύθερο πρωτόνιο και ένα ελεύθερο νετρόνιο; Δίνονται c = 3·10⁸ m/s, 1 eV = 1,6·10⁻¹⁹ J.
Σκέψη: Η μάζα του πυρήνα δευτερίου είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών πρωτονίου και νετρονίου. Η διαφορά μάζας Δm μετατρέπεται σε ενέργεια που απελευθερώνεται: E = Δm·c².
Λύση:
Απάντηση: Κατά τον σχηματισμό ενός πυρήνα δευτερίου απελευθερώνεται ενέργεια περίπου 3,56·10⁻¹³ J, δηλαδή περίπου 2,23 MeV (το βιβλίο δίνει 2,22 MeV· η μικρή διαφορά οφείλεται στη στρογγυλοποίηση).
Πρόσεξε: