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輸入計算

(≤ c = 299,792.458 km/s, speed of light)

數學公式

數學公式: 狹義相對論能量計算器
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  1. Total relativistic energy and Lorentz factor

    Total relativistic energy and Lorentz factor: 狹義相對論能量計算器

    Total energy of a body moving at speed v; gamma = E/E0 is the dimensionless Lorentz factor.

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結果

相對論(總)能量 E
120,647,520,173.8301
MJ(百萬焦耳)
靜止能量 E0 89,875,517,873.68176 MJ
能量比 E/E0(勞侖茲因子 γ) 1.342385
速度與光速的比值 v/c 66.712819 %

這個計算器能做什麼

本工具運用愛因斯坦(Albert Einstein)的狹義相對論,根據物體的靜止質量與速度求出它的能量。輸入靜止質量 \(m_0\)(單位為公斤)與相對速度 \(v\)(單位為 km/s),即可得到四項結果:靜止能量 \(E_0\)、相對論總能量 \(E\)、能量比 \(E/E_0\)(等於勞侖茲因子 \(\gamma\)),以及以光速的比例表示的速度 \(v/c\)。光速固定為 \(c = 299{,}792.458\) km/s(即 \(299{,}792{,}458\) m/s)。這是放諸四海皆準的物理定律,不限於任何國家或地區。

使用方式

請以公斤輸入靜止質量,並以 km/s 輸入相對速度,速度不得超過光速。能量以百萬焦耳(MJ)顯示,其中 \(1\ \text{MJ} = 1{,}000{,}000\) 焦耳。系統內部會先將速度乘以 1000 換算成 m/s,所有能量皆以焦耳計算後,再除以 1e6 顯示為 MJ。

公式解析

靜止能量就是那條著名的公式 $$E_0 = m_0 c^2$$ 當物體運動時,其總能量會隨勞侖茲因子 $$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$$ 而增加,因此相對論總能量為 $$E = \gamma \cdot m_0 c^2$$ 由於比值 \(E/E_0\) 會把 \(m_0\) 與 \(c^2\) 約掉,所以它正好等於 \(\gamma\)。當 \(v\) 趨近 \(c\) 時,平方根內的項趨近於零,\(\gamma\) 便發散至無限大——這正反映出任何具有質量的物體都無法達到光速。

將總能量分為靜止能量與動能的長條圖
相對論總能量E等於靜止能量E0加上運動帶來的額外動能。
隨著v趨近於c而急劇上升至無窮大的勞侖茲因子γ曲線
勞侖茲因子γ在低速時接近1,當v趨近於c時趨向無窮大。

實例計算

假設 \(m_0 = 1\ \text{kg}\)、\(v = 200{,}000\) km/s。則 \(\beta = v/c = 200000 / 299792.458 = 0.667128\),故 \(\beta^2 = 0.445060\),\(1 - \beta^2 = 0.554940\)。勞侖茲因子為 $$\gamma = \frac{1}{\sqrt{0.554940}} = 1.342385$$ 靜止能量 $$E_0 = 1 \times (299792458)^2 = 8.9876\mathrm{e}{16}\ \text{J} = 89{,}875{,}517{,}874\ \text{MJ}$$ 總能量 $$E = 1.342385 \times E_0 = 120{,}649{,}140{,}000\ \text{MJ}$$ 能量比 \(E/E_0\) 為 \(1.342385\),而 \(v/c = 66.71\,\%\)。

常見問題

為什麼能量比會等於勞侖茲因子?因為 \(E = \gamma \cdot E_0\),兩邊相除即得 \(E/E_0 = \gamma\),剛好相等。

當 \(v = c\) 時會發生什麼?分母會變成零,\(\gamma\) 趨於無限大,因此計算器會把比值上限設為無限大;就物理上而言,具有質量的物體無法達到光速。

如果靜止質量為零呢?此時 \(E_0\) 與 \(E\) 皆為零,比值在數學上沒有定義(\(0/0\)),但顯示的比值仍會呈現勞侖茲因子 \(\gamma\)。

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