763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2016

Samankaltaiset tiedostot
763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 1

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Tasasähköyhteyden suuntaaj-asema. Ue j0ƒ. p,q

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Shrödingerin yhtälön johto

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matematiikan tukikurssi

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Luvun 5 laskuesimerkit

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

53 ELEKTRONIN SUHTEELLISUUSTEOREETTINEN LIIKE- MÄÄRÄ

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Luento 9: Potentiaalienergia

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Matematiikan tukikurssi

Luento 10: Työ, energia ja teho

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

Sovelletun fysiikan pääsykoe

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Liikkuvan varauksen kenttä

Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Matematiikan tukikurssi

2.7.4 Numeerinen esimerkki

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Varatun hiukkasen liike

Varatun hiukkasen liike

x = x x 2 + 2y + 3 y = x + 2y f 2 (x, y) = 0. f 2 f 1

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Derivointiesimerkkejä 2

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Varatun hiukkasen liike

Luento 8: Liikemäärä ja impulssi. Liikemäärä ja impulssi Liikemäärän säilyminen Massakeskipiste Muuttuva massa Harjoituksia ja esimerkkejä

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

TEHTÄVIEN RATKAISUT. b) 105-kiloisella puolustajalla on yhtä suuri liikemäärä, jos nopeus on kgm 712 p m 105 kg

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Muista tutkia ihan aluksi määrittelyjoukot, kun törmäät seuraaviin funktioihin:

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Luvun 5 laskuesimerkit

Differentiaalilaskenta 1.

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1

Matematiikan tukikurssi

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

5. OSITTAISINTEGROINTI

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

Klassisssa mekaniikassa määritellään liikemäärä p kl näin:

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Transkriptio:

7635P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN Ratkaist 5 Kevät 26. Aberraatio shteellissteoriassa a) Tlkoon valo kten tehtävän kvassa (x, y)-tason x, y > neljänneksestä: x ˆx + y ŷ c cos θ ˆx c sin θ ŷ. () Lorenz mnnos nopeksille antaa nopeden x ˆx + yŷ koordinaatistossa K : Sijoitetaan x ja y kaavasta (): x x v v x /, y y v2 / v x /. x Toisaalta, voidaan esittää klman θ avlla (vertaa kaava ()): Kaavoista (2) ja (3) saadaan klman θ tangentti: c cos θ v v x / (2a) y c sin θ v 2 / v x / (2b) x c cos θ, y c sin θ. (3) tan θ sin θ (3) cos θ y (2) c sin θ v 2 /. (4) x c cos θ + v b) Lentomonisteen alssa annettiin kaava aberraation vaatimalle korjasklmalle α: α v c. Yksinkertaisden voksi oli oletett, että tarkasteltava tähti on soraan ratatason yläpolella, eli θ 9. Maan rataliikkeen nopes on pieni verrattna valon nopeteen, v/c, joten voimme arvioida v 2 /. Aberraation kaavasta (4) saadaan näillä arvoilla: tan θ c v. Koska nopes v oli shteellisen pieni, on myös klma θ lähellä θ:a. Merkitään θ 9 + η, missä η on pieni, jolloin tangentiksi saadaan tan θ sin(9 + η) cos(9 + η) cos η sin η η. Edellä käytettiin tietoa cos x, sin x x kn x pieni. Ratkaistaan loplta korjas η: tan θ η c v η v c α η v c. Korjaksen srs on siis α η v/c, niin kin pitikin. 2. Vakiovoima (i) Nopes ajan fnktiona. Lähdetään lentojen kaavasta m 2 / ft. Vektorit ja f ovat samaan sntaan, joten merkitään ˆx, f f ˆx. Saadaan m 2 / ft m 2 2 2 / f 2 t 2

m 2 2 ( 2 / )f 2 t 2 f 2 t 2 f 2 t 2 2 / m 2 2 + f 2 t 2 2 / f 2 t 2 (m 2 + f 2 t 2 / ) 2 f 2 t 2 2 (t) f 2 t 2 m 2 + f 2 t 2 / m 2 /f 2 t 2 + / (m/ft)2 + /. Eli saatiin haltt kaava. (ii) Hikkasen paikka. Jotta nopedesta saadaan paikka, tlee sitä integroida ajassa: x(t) (t ) dt (m/ft ) 2 + / dt. Tässä riittää käyttää integroinnin persmenetelmiä. Erityisesti, sovelletaan kaavaa g (h(t))h (t) dt g(h(t)). Kn h(t) t 2, tästä tlee g (t 2 ) 2t dt g(t 2 ). (5) Tämä on hyvin yleinen tapa integroida monimtkaisempia lasekkeita. Yritetään löytää integrandista helposti integroitava fnktio g, jota kertoo g :n argmentin derivaatta. Homaa nyt, että t (t) (m/f)2 + t 2 /c t 2 2 (mc/f)2 + t 2t 2 g (t 2 ), missä g (s) c 2 (mc/f)2 + s. Esittämällä modossa 2tg (t 2 ), on sen integraali samaa tyyppiä kin (5). Lisäksi g (s) on helppo integroida s:n shteen: g(s) g (s) ds c 2 (mc/f)2 + s ds c (mc/f) 2 + s. Palataan :n integraaliin: x(t) 2t g (t 2 ) dt t g(t 2 ) c (mc/f)2 + t 2 c ( ) 2 (mc/f) 2 mc2 ft +. f mc Tämä oli tlos, jota halttiinkin. (iii) Kn t on pieni, eli tässä kn f t/mc, voidaan yllä olevan lasekkeen neliöjritermiä arvioida sen Taylorin sarjan ensimmäisillä termeillä. Kaavalla + ε + ε/2 saadaan x:stä seraavaa: x(t) mc2 f [ + f 2 t 2 ] 2m 2 mc2 f 2 t 2 f 2m 2 ft2 2m. Tämä nodattaa Newtonin teoriaa. Massa kertaa kiihtyvyys on nyt ma(t) m d2 x dt 2 m d2 ft 2 dt 2 f ma f, 2m eli tämän x:n antama kiihtyvyys nodattaa Newtonin lakeja.

3. Nopes relativistisesti Merkitään reaktiossa vapatvaa energiaa E 782 KeV. Koska massa ja energia ovat ekvivalentteja, kannattaa elektronin massa ilmoitaa energiana ja yksikkö on valitt sopivasti jatkoa ajatellen m 5 KeV. Lähdetään liikkeelle kokonaisenergian lasekkeesta: E. v2 Tehtävän annon nojalla yhtälön vasenpoli voidaan kirjoittaa motoon E + E. Näin ollen saadaan yhtälö, josta voidaan ratkaista nopes. + E v2 + E v2 + E v2 v 2 + ( E ) 2 v c ± ( + E ) 2 Sijoittamalla tehtävän alssa esitetyt arvot saatn nopeden lasekkeeseen saadaan v.92c. 4. Liikemassan mittas (a) Johdetaan ensiksi liikeyhtälö. Lähdetään liikkeelle yleisestä liikeyhtälöstä: dp dt f. Tämä Newtonin toinen laki pätee tässä modossa sppeassa shteellissteoriassa. Nyt eli saadaan ttn näköinen liikeyhtälö dp dt d dt (m rel) d (γm) γmd dt dt m rela m rel a f. Tämä ei aina päde tässä modossa, sillä tekijä γ sisältää riippvden nopedesta, tarkemmin sen neliöstä 2, ja sen takia sitä ei yleisesti saa viedä los aikaderivoinnista. Nyt kmminkin ympyräradalla pätee 2 vakio, jolloin tekijä γ on myös vakio ajan shteen, ja se saadan los derivoinnista. Homattavaa on myös, että nopes ei kmminkaan ole vakio, sillä sen snta vaihtelee ajassa (nopeden srs on vakio) ja siksi se pitää derivoida, jolloin saadaan kiihtyvyys a. Keskeiskiihtyvyyden antaa siis Lorentz-voima f qb, eli tasapainossa m rel 2 qb. r Relativistisessä tapaksessa massa on todella kappaleen liikemassa m rel m rel () γ()m m/ 2 /. Magneettikenttä on helppo ratkaista ylläolevasta lasekkeesta: B(v) m rel() qr γ()m qr m qr 2 /.

Kva : Magneettikentän riippvs nopedesta. Tässä B B() hahmotelt käsin. Käyrän B B() voisi helposti piirtää esimerkiksi laskimella, mtta yritetään hahmotella kvaaja ilman apvälineitä. Pienillä neliöjrilaseke nimittäjässä on noin, ja siten B() on sora lähellä origoa. Kn v kasvaa, 2 / pienenee ja B() alkaa kasvaa yhä nopeammin. Kn c, nimittäjä lähenee nollaa, ja siten B(). Tämä riippvsshde on piirretty kvaan. Jos olisi käytetty Newtonin mekaniikkaa, relativistisen liikemassan m rel olisi korvannt lepomassa m. Siten γ tekijä B:n lasekkeessa olisi yksi: B Newton () m qr. (b) Protonin kokonaisenergia E on E m 2 /. (6) Kokonaisenergialla ja kineettisellä energialla ei tässä ole käytännon eroa, koska 7 TeV on paljon enemmän kin lepoenergia m 939 MeV. Ratkaistaan siis nopes E:n lasekkeesta E() γ() : E 2 E 2 2 / 2 / E2 E 2 c Sijoitetaan E 7 6 MeV ja 939 MeV: ( ) 2 939 c 7 6.99999999. E2 E 2. Poikkeamaa valon nopedesta voi myös arvioida käyttämällä Taylorin sarjaa: E 2 c 2 E 2, eli nopes jää E 2 /2E 2.899 8 kertaa c:n verran valon nopedesta vain joitain metrejä seknnissa, siis! Verrattna Newtonin teoriaan, tarvitaan B()/B Newton () kertaa srempi B-kenttä: B() B Newton () 2 / γ().

Tekijä γ saadaan helposti kaavasta (6): γ E 7 6 939 745. Eli kentän tlee olla noin 745 kertaa voimakkaampi. 5. Energian ja massan ekvivalenssi Elektronivoltti joleina ev.62 9 J. (a) Lasketaan massa energian ja massan ekvivalenssista E m. Tässä E R E, joten m R E 3.6 ev 2.4 35 kg. Vaihtoehtoisesti, voidaan verrata tätä massaa esimerkiksi elektronin lepomassaan, m e 5 kev/ : m 3.6 ev/c2 m e 5 kev/ 27 6. Eli energia on miljoonasosia elektronin lepomassasta. Elektroni jo itsessään on liki häviävän kevyt protonin rinnalla. (b) kirjoitetaan tapaksia (sidott tila) ja 2 (ionisoit tila) vastaavat energiat E sid m p + m e + T e + U (7) E ion m p + m e, (8) missä T e on elektronin kineettinen energia ja U potentiaalienergia. Kn lisäksi tiedetään että T e R E ja E sid E ion R E, saadaan näistä U 2R E 27.2 ev. (c) Kirjoitetaan m e m e + U e, missä m e on jokin elektronin sisäinen massa ja U e elektronin sähkökentästä tleva oss sen lepoenergiasta. Tekemällä vastaavasti protonille, voidaan äskeiset yhtälöt nyt kirjoittaa Samoin kn edellä voidaan nyt päätellä että E sid m p + m e + T e + U sid (9) E ion m p + m e + U p + U e. () U sid U p U e 2R E 27.2 ev. () Tämä tlkitaan niin että kenttään liittynyt massa on sidotssa tapaksessa pienempi kin ionisoidssa tapaksessa 2 määrällä 27.2 ev/ 4.8 35 kg. Kmmassakaan tapaksessa kenttään sitotnt massa ei ole negatiivinen.