Concept of mass and the mass-energy relationship in the special relativity content of the physics textbooks

Authors

DOI:

https://doi.org/10.55767/2451.6007.v34.n1.37933

Keywords:

Science teaching, Special relativity theory, Textbook, Mass concept, Mass-energy relation

Abstract

The Theory of Special Relativity promoted, in the beginning of the 20th century, a paradigmatic revolution and introduced new interpretations on the concept of mass (inertia) and how it is related to energy. Over the years, several authors have tried to present these concepts to a more general public through scientific dissemination and didactic transposition. Unfortunately, these adaptations have shown the presence of some conceptual errors and inconsistencies. In this paper, we analyze the topics of Special Relativity in physics textbooks approved in the National Textbook Program (PNLD) – 2018 address the concepts of mass and the mass-energy relationship and we point out that these present inconsistencies. As they are persistent and recurrent problems, they have already become epistemological obstacles and therefore require a more careful analysis to show their origin and they are or have become incongruous. For this reason, our work is not limited to pointing out which books they appear in, but it brings a broad reflection on each of these inconsistencies, dialoguing with various authors, aiming to serve as a subsidy for undergraduates, teachers, students and book authors and publishers of the science.

References

Bachelard, G. (1984). A Filosofia do Não; O Novo Espírito Científico; A Poética do Espaço. Abril Cultural.

Bachelard, G. (1996). A formação do Espírito Científico: Contribuição para uma psicanálise do conhecimento. Contraponto.

Barreto Filho, B. Silva, C. X. (2016). Física aula por aula 3: eletromagnetismo, física moderna. (3 ed.). FTD.

Biscuola, J. G. Bôas, N, Doca, R. H. (2016). Física 3: eletricidade, física moderna. (3 ed.). Saraiva.

Bonjorno, J. R. et al. (2016). Física 3: eletromagnetismo, física moderna. (3 ed.). FTD.

Cohen, I. B. A Guide To Newton's Principia. (1999). In: Newton, I. The Principia. Mathematical Principles of Natural Philosophy. University of California Press.

Costa, M. A. (1995). Introdução à Teoria da Relatividade. (2 ed.). Editora UFRJ.

Cullwick, E. G. (1981). Einstein And Special Relativity. Some inconsistencies in his electrodynamics. The British Journal for the Philosophy of Science, 32(2), 167–176.

Darrigol, O. (1995). Henri Poincaré’s Criticism of Fin de Sicle Electrodynamics. Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 26(1), 1–44.

Darrigol, O. (1996). The Electrodynamic Origins of Relativity Theory. Historical Studies in the Physical and Biological Sciences, 26(2), 241- 312.

Darrigol, O. (2003). Electrodynamics from Ampere to Einstein. Oxford University.

Darrigol, O. (2004). The Mystery of the Einstein–Poincaré Connection. Isis, 95(4), 614-626

Darrigol, O. (2006). The Genesis of the Theory of Relativity. In T. Damour, O. Darrigol, V. Rivasseau (Eds.), Einstein, 1905–2005 - Poincaré Seminar 2005. (pp. 1-31). Birkhäuser.

Einstein, A. (1905a). Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik, 322(10), 891–921.

Einstein, A. (1905b). Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? Annalen der Physik, 323(13), 639–643.

Einstein, A. (1906). Das Prinzip von der Erhaltung der Schwerpunktsbewegung und die Trägheit der Energie. Annalen der Physik, 325(8), 627–633.

Einstein, A. (1907). Uber die von Relativitatsprinzip geforderte Tragheit der Energie. Annalen der Physik, 23(7): 371-384.

Fadner, W. L. (1988). Did Einstein really discover ‘‘E=mc2’’? American Journal of Physics, 56, 114-122.

Gaspar, A. (2017). Compreendendo a Física: eletromagnetismo e física moderna. (3 ed.). Ática.

Gonçalves Filho, A. Toscano, C. (2016). Física 3: interação e tecnologia. (2 ed.). Leya Brasil.

Guimarães, O. Piquiera, J. R. Carron, W. (2016). Física: eletromagnetismo e física moderna. (3 ed.). Saraiva.

Hecht, E. (2009). Einstein Never Approved of Relativistic Mass. The Physics Teacher, 47(6), 336–341.

Ives, H. E. (1952). Derivation of the Mass-Energy Relation. American Journal of Physics, 42, 540-543.

Jammer, M. (1993). Concepts of Space: The History of Theories of Space in Physics. Dover.

Jammer, M. (1999). Concepts of Force: A Study in the Foundations of Dynamics. Dover.

Jammer, M. (2009). Concepts of Mass in Classical and Modern Physics. Princeton University Press.

Jardim, W. T. Otoya, J, Oliveira, C. G. S. (2015). A teoria da relatividade restrita e os livros didáticos do Ensino Médio: Discordâncias sobre o conceito de massa. Revista Brasileira de Ensino de Física, 37(2), 1-7.

Kamamoto, K. Fuke, L. F. (2017). Física para o Ensino Médio 3: eletricidade, física moderna. (4 ed.). Saraiva.

Kamphorst, F. et al. (2021). An Educational Reconstruction of Special Relativity Theory for Secondary Education. Science & Education. DOI: 10.1007/s11191-021-00283-2.

Kantor, W. (1954). Inertia of Energy. American Journal of Physics, 22, 528-541.

Langevin, P. (1913). L’inertie de l’énergie et ses conséquences. Journal de Physique Théorique et Appliquée, 3(1): 553-591.

Lewis, G. N. Tolman, R. C. (1909). The Principle of Relativity, and Non-Newtonian Mechanics. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, 44, 709–726.

Lorentz, H. A. (1912). Sur la masse de l'energie. Archives Neerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles, 2, 139-153.

Lorentz, H. A. (1931). Lectures on theoretical physics. MacMillan.

Martini, G et al. (2016). Conexões com a Física 3: eletricidade, física do século XXI. (3 ed.). Moderna.

Martins, R. A. (1982). Force Measurement and Force Transformation in Special Relativity. American Journal of Physics, 50, 1008-1011.

Martins, R. A. (1989). A Relação Massa-Energia e Energia Potencial. Caderno Catarinense de Ensino de Física, 15, 265-300.

Martins, R. A. (1998). Como Distorcer a Física: Considerações sobre um Exemplo de Divulgação Científica 2 - Física moderna. Caderno Catarinense de Ensino de Física, 15(3), 265-300.

Martins, R. A. (2005). A dinâmica relativística antes de Einstein. Revista Brasileira de Ensino de Física, 27(1), 11-26.

Martins, R. A. (2012). Teoria Relatividade Especial. Livraria da Física.

Martins, R. A. (2015). A Origem Histórica da Relatividade Especial. Livraria da Física.

Máximo, A. Alvarenga, B. Guimarães, C. (2016). Física 3: contexto & aplicações. (2 ed.). Scipione.

Miller, A. I. (1997). Albert Einstein's Special Theory of Relativity: Emergence (1905) and Early Interpretation (1905–1911). Springer.

Moreira, M. A. Massoni, N. T. (2016). Noções Básicas de Epistemologias e Teorias de Aprendizagem como Subsídios para a Organização de Sequências de Ensino-Aprendizagem em Ciências/ Física. São Paulo: Editora Livraria da Física.

Neves, J. (2014). A. Uma Análise do Conteúdo da Relatividade Restrita nos Livros Didáticos do Ensino Médio. (Dissertação de Mestrado Profissional em Ensino de Ciências e Matemática). Universidade Estadual da Paraíba.

Newton, I. (2012). PRINCIPIA. Princípios Matemáticos da Filosofia Natural. EdUSP.

Nunes, R. C. Queirós. W. P. Doze mitos sobre a Teoria da Relatividade que Precisamos Superar. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 37(2), 531-573.

Nunes, R. C. Queirós. W. P. Cunha, J. A. R. (2021). A aparência visual da contração relativística nos livros de física aprovados no Programa Nacional do Livro Didático-2018. Revista De Enseñanza De La Física, 33(3), 101–113.

Okun, L. B. (1989). The Concept of Mass. Physics Today, 42(6), 31-36.

Ostermann, F. & Ricci, T. S. F. (2002). Relatividade restrita no ensino médio: Contração de Lorentz-Fitzgerald e aparência visual de objetos relativísticos em livros didáticos de física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 19(2), 176-190.

Ostermann, F. & Ricci, T. S. F. (2004). Relatividade restrita no ensino médio: os conceitos de massa relativística e de equivalência massa-energia em livros didáticos de física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 21(1), 83-102.

Petean, S. (1991). O Problema da Relação Massa-Energia Potencial para Interações Eletromagnéticas. (Dissertação de Mestrado em Física). Universidade Estadual de Campinas.

Pietrocola, M. et al. (2016). Física em Contextos 3. Editora do Brasil.

Planck, M. (1906). Das Prinzip der Relativität und die Grundgleichungen der Mechanik. Vorgetragen in der Sitzung vom, 23, 136–141.

Planck, M. (1907). Zur Dynamik bewegter Systeme. Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften, Erster Halbband, 13, 542-570.

Poincaré, H. (1895). A propos de la Théorie de M. Larmor, L'Éclairage électrique, 5, 5–14.

Poincaré, H. (1900). La théorie de Lorentz et le Principe de Réaction. Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles, n. 5, 252-278.

Poincaré, H. (1902). La Science et l'Hypothèse. Flammarion.

Poincaré, H. (1904). L’Etat et l’Avenir de la Physique mathematique. Bulletin des Sciences Mathematiques, 28, 302-324.

Poincaré, H. (1905). Sur la Dynamique de l'Électron. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, t. 140, 1504-1508.

Poincaré, H. (1906). Sur la Dynamique de l'Électron. Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo, 21, 129-176.

Poincaré, H. (1908). La Dynamique de l’Électron. Revue générale des Sciences pures et appliquées, 19, 386–402.

Sampaio, W. et al. (2019). As Teorias da Relatividade no Ensino Básico: Uma Revisão de Literatura para Traçar o Perfil dos Trabalhos Publicados no Brasil entre 2000 e 2018. Conexões - Ciência e Tecnologia, 13(4), 45-53.

Sandin, T. R. (1991). In defense of relativistic mass. American Journal of Physics, 59(11), 1032–1036.

Silva, A. G. et al. (2019). Análise da História da Teoria da Relatividade Restrita em Livros Didáticos do Terceiro Ano do Ensino Médio indicados no PNLEM 2015/2017. Lat. Am. J. Phys. Educ, 13(4), 1-13.

Torres, C. M. A. et al. (2016). Física, Ciência e Tecnologia 3: Eletromagnetismo, Física Moderna. (4 ed.). Moderna.

Válio, A. B. M. et al. (2016). Ser Protagonista – Física 3. (3 ed.). SM Brasil.

Westfall, R. S. (1966). The Problem of Force in Galileo’s Physics, In C. L. Golino (Ed.), Galileo Reappraised. (pp. 67–95). University of California Press.

Westfall, R. S. (1993). The Life of Isaac Newton. Cambridge University Press.

Whittaker, E. T. (1952). A History of the Theories of Aether and Electricity. Vol 1. American Institute of Physics.

Whittaker, E. T. (1953). A History of the Theories of Aether and Electricity. Vol 2. American Institute of Physics.

Published

2022-06-14

How to Cite

Capiberibe Nunes, R., Pereira de Queirós, W., & Ribeiro da Cunha, J. A. (2022). Concept of mass and the mass-energy relationship in the special relativity content of the physics textbooks. Journal of Physics Teaching, 34(1), 9–21. https://doi.org/10.55767/2451.6007.v34.n1.37933