是怎么来的?《张朝阳的物理课》探讨质量与能量的关系

质能公式“E=mc”如何得来?爱因斯坦“制造”了?12月19日12时,《张朝阳的物理课》第十三期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇直播间,复习了“尺缩钟慢”效应,推导洛伦兹变换公式。并在爱因斯坦“狭义相对论”框架内,探讨质量和速度、质量和能量的关系,推导出“E=mc”公式。

“今天是狭义相对论的第二讲。”张朝阳先处理了上一节课留下的“思考题”:时间会膨胀,长度会收缩。

他假定双胞胎兄弟中,一位上了飞船,一位留在地面。旅行者认为飞行时间为10年,但返回地面后,发现兄弟已经度过了15年。所以,相对论的时间变慢指的是不同参考系之间的时间流逝不同。

张朝阳再次介绍了“长度收缩”。假定测量一个物体的长度,在静止的情况下,只需要知道点到点的距离。但在某一个运动的参考系中,如果这个物体沿运动方向放置,且相对于此参考系静止,那就比在静止状态下的物体短一些。这种情况被叫做长度收缩效应。

“尺缩钟慢”是狭义相对论最普遍的结论,洛伦兹变换正是定量描述这两种效应的数学公式。张朝阳画出两个惯性坐标系S系和S系,推导出洛伦兹变换关系式。而爱因斯坦的狭义相对论,其核心方程式就是洛伦兹变换。

张朝阳根据洛伦兹变换关系式,讲解了质量和速度的关系,以及质量和能量的关系,推导出著名的质能公式:E=mc。它能解释原子失去极少的质量,为何能释放如此巨大的能量。此后的科学家们,通过大量实验,发现了铀235和核裂变现象,证实了这个公式的正确性。

张朝阳解释道,铀235是铀元素里中子数为143的放射性同位素。天然矿石中含有铀的多种同位素,其中铀235含量只有0.7%,经过铀浓缩后,丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀,主要用于制造核武器。

由此,张朝阳引申出一则小故事。美国将两颗投放在日本广岛和长崎,爆炸地区死伤惨重,爱因斯坦因此遭受骂名。但事实是,爱因斯坦只是在理论上论证了质量和能量之间的关系,未参与实际的研制工作。“围绕这个公式还有很多故事,包括减速剂等,一切都是物理。理论物理告诉你能量是这样的,后来完全被证明。下一讲会介绍公式相关的一些应用。”

自11月5日至今,《张朝阳的物理课》已直播十三期。在第一、二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行圈数;第三、四课的内容则和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚的太阳颜色为何不一样,以及蓝色天空的秘密;第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论;第七、八、九期则重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学;第十、十一课则重点回顾黑体辐射曲线亿年前的宇宙;第十二、十三期则尝试进入爱因斯坦的思想世界,推导出著名的公式“E=mc”。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合十二期物理课可以看出,《张朝阳的物理课》是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,再“透过现象看本质”,解释知识点,推演过程,反过来解决生活中的问题。

“物理是算出来的,玄乎其玄的科幻概念和实证有区别。”张朝阳认为学习物理并不轻松,但每个人不要觉得可能学不会而不去学,恰恰相反,聪明在于过程,看起来枯燥的物理知识,经过分解后再理解,不比生活中的其他事更困难。张朝阳鼓励网友打破思维的边界,科学学习,希望每个人对这个世界,充满更多的好奇心与勇气。

显然,《张朝阳的物理课》不仅仅是知识的传播,更在于对知识获得过程的数学推演,把解决问题的方法教给用户,而不是直接给答案。这样做,还能训练和提升用户的科学素养,更迭个人知识和认知水准。这些正是课程价值所在,也是知识直播与众不同的特色之一。

观看直播的网友还发现,通过“直播小白板”,可直观了解学习重点。另有“课代表”将课堂笔记,发布在搜狐新闻客户端“关注流”上,方便查漏补缺。而笔记内容的可追溯性和可分享性,也大大释放了的内容活力和传播价值。

在后续课程中,张朝阳还将进一步解释生活中常见的物理现象。通过网友最熟悉的话题,深入浅出,解释现象,探寻物质世界的原理。达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,并借此激发科学学习的热潮。该课程于每周周五、周日12时在直播。

除《张朝阳的物理课》外,也邀请多位通识教育播主,科普知识,传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了“奇趣的科学实验”,走进“光的波粒二象性”;康奈尔大学物理化学博士包坤,化身“包大人玩科学”,教普通人看懂2021年诺贝尔奖;还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来,还将有更多知识播主入驻,一起玩转科学。

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