763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

Samankaltaiset tiedostot
763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2016

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

53 ELEKTRONIN SUHTEELLISUUSTEOREETTINEN LIIKE- MÄÄRÄ

Liikkeet. Haarto & Karhunen.

Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

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

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

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

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

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Tällaisessa tapauksessa on usein luontevaa samaistaa (u,v)-taso (x,y)-tason kanssa, jolloin tason parametriesitys on *** VEKTORIANALYYSI.

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Shrödingerin yhtälön johto

Y56 laskuharjoitukset 5 - mallivastaukset

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Luento 9: Potentiaalienergia

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Luento 10: Työ, energia ja teho

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

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti (esimerkki)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 1

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KAAPELIN ULKOPUOLINEN PE-JOHDIN

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

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

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

( ) ( ) on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen vaikutusala). Sijoittamalla numeroarvot saadaan vapaaksi matkaksi

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

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

2.7.4 Numeerinen esimerkki

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

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

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Luvun 5 laskuesimerkit

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5


PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

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

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

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

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

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

6 Monen kappaleen vuorovaikutukset (Many-body interactions)

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

Työ ja kineettinen energia

Liikkuvan varauksen kenttä

Derivointiesimerkkejä 2

Liikemäärä ja voima 1

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

2. Tasasivuinen kolmio

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

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Varatun hiukkasen liike

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

1.4. VIRIAALITEOREEMA

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

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

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2016

Varatun hiukkasen liike

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

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

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Sähköstatiikka ja magnetismi

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 46/2017

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

Luvun 8 laskuesimerkit

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Varatun hiukkasen liike

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

= ( F dx F dy F dz).

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Transkriptio:

7635P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN Ratkaisut 5 Keät 23. Aberraatio suhteellisuusteoriassa Tulkoon alo kuten tehtään kuassa (x, y)-tason x, y > neljänneksestä: u u x ˆx + u y ŷ c cos θ ˆx c sin θ ŷ. () Lorenz muunnos nopeuksille antaa nopeuden u u x ˆx + u yŷ koordinaatistossa K : Sijoitetaan u x ja u y kaaasta (): u x u x u x /c 2, u y u y 2 /c 2 u x /c 2. u x Toisaalta, u oidaan esittää kulman θ aulla (ertaa kaaa ()): Kaaoista (2) ja (3) saadaan kulman θ tangentti: c cos θ u x /c 2 (2a) u y c sin θ 2 /c 2 u x /c 2 (2b) u x c cos θ, u y c sin θ. (3) tan θ sin θ (3) cos θ u y (2) u c sin θ 2 /c 2. (4) x c cos θ + Luentomonisteen alussa annettiin kaaa aberraation aatimalle korjauskulmalle α: α c. Yksinkertaisuuden uoksi oli oletettu, että tarkasteltaa tähti on suoraan ratatason yläpuolella, eli θ 9. Maan rataliikkeen nopeus on pieni errattuna alon nopeuteen, /c, joten oimme arioida 2 /c 2. Aberraation kaaasta (4) saadaan näillä aroilla: tan θ c. Koska nopeus oli suhteellisen pieni, on myös kulma 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 kun x pieni. Ratkaistaan lopulta korjaus η: tan θ η c η c α η c. Korjauksen suuruus on siis α η /c, niin kuin pitikin. 2. Vakiooima (i) Nopeus ajan funktiona. Lähdetään luentojen kaaasta mu u2 /c 2 ft. Vektorit u ja f oat samaan suuntaan, joten merkitään u uˆx, f f ˆx. Saadaan mu u2 /c 2 ft m 2 u 2 u 2 /c 2 f 2 t 2

m 2 u 2 ( u 2 /c 2 )f 2 t 2 f 2 t 2 f 2 t 2 u 2 /c 2 m 2 u 2 + f 2 t 2 u 2 /c 2 f 2 t 2 (m 2 + f 2 t 2 /c 2 )u 2 f 2 t 2 u 2 u(t) f 2 t 2 m 2 + f 2 t 2 /c 2 m 2 /f 2 t 2 + /c 2 (m/ft)2 + /c 2. Eli saatiin haluttu kaaa. (ii) Hiukkasen paikka. Jotta nopeudesta saadaan paikka, tulee sitä integroida ajassa: x(t) u(t ) dt (m/ft ) 2 + /c 2 dt. Tässä riittää käyttää integroinnin perusmenetelmiä. Erityisesti, soelletaan kaaaa g (h(t))h (t) dt g(h(t)). Kun h(t) t 2, tästä tulee g (t 2 ) 2t dt g(t 2 ). (5) Tämä on hyin yleinen tapa integroida monimutkaisempia lausekkeita. Yritetään löytää integrandista helposti integroitaa funktio g, jota kertoo g :n argumentin deriaatta. Huomaa nyt, että t u(t) (m/f)2 + t 2 /c c 2t 2 2 (mc/f)2 + t 2t 2 g (t 2 ), missä g (s) c 2 (mc/f)2 + s. Esittämällä u muodossa u 2tg (t 2 ), on sen integraali samaa tyyppiä kuin (5). Lisäksi g (s) on helppo integroida s:n suhteen: g(s) g (s) ds c 2 (mc/f)2 + s ds c (mc/f) 2 + s. Palataan u: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 tulos, jota haluttiinkin. (iii) Kun t on pieni, eli tässä kun f t/mc, oidaan yllä olean lausekkeen neliöjuuritermiä arioida sen Taylorin sarjan ensimmäisillä termeillä. Kaaalla + ε + ε/2 saadaan x:stä seuraaaa: x(t) mc2 f [ + f 2 t 2 ] 2m 2 c 2 mc2 f 2 t 2 f 2m 2 c 2 ft2 2m. Tämä noudattaa Newtonin teoriaa. Massa kertaa kiihtyyys on nyt ma(t) m d2 x dt 2 m d2 ft 2 dt 2 f ma f, 2m eli tämän x:n antama kiihtyyys noudattaa Newtonin lakeja.

Kua : Magneettikentän riippuuus nopeudesta. Tässä B B() hahmoteltu käsin. 3. Liikemassan mittaus (a) Johdetaan ensiksi liikeyhtälö. Lähdetään liikkeelle yleisestä liikeyhtälöstä: dp dt f. Tämä Newtonin toinen laki pätee tässä muodossa suppeassa suhteellisuusteoriassa. Nyt eli saadaan tutun näköinen liikeyhtälö dp dt dm rel dγm γm d dt dt dt m rela m rel a f. Tämä ei aina päde tässä muodossa, sillä tekijä γ sisältää riippuuuden nopeudesta, tarkemmin sen neliöstä 2, ja sen takia sitä ei yleisesti saa iedä ulos aikaderioinnista. Nyt kumminkin ympyräradalla pätee 2 akio, jolloin tekijä γ on myös akio ajan suhteen, ja se saadan ulos derioinnista. Huomattaaa on myös, että nopeus ei kumminkaan ole akio, sillä sen suunta aihtelee ajassa (nopeuden suurus on akio) ja siksi se pitää derioida, jolloin saadaan kiihtyyys a. Keskeiskiihtyyyden antaa siis Lorentz-oima f qb, eli tasapainossa m rel 2 qb. r Relatiistisessä tapauksessa massa on todella kappaleen liikemassa m rel m rel () γ()m m/ 2 /c 2. Magneettikenttä on helppo ratkaista ylläoleasta lausekkeesta: B() m rel() qr γ()m qr m qr 2 /c 2. Käyrän B B() oisi helposti piirtää esimerkiksi laskimella, mutta yritetään hahmotella kuaaja ilman apuälineitä. Pienillä neliöjuurilauseke nimittäjässä on noin, ja siten B() on suora lähellä origoa. Kun kasaa, 2 /c 2 pienenee ja B() alkaa kasaa yhä nopeammin. Kun c, nimittäjä lähenee nollaa, ja siten B(). Tämä riippuuussuhde on piirretty kuaan. Jos olisi käytetty Newtonin mekaniikkaa, relatiistisen liikemassan m rel olisi korannut lepomassa m. Siten γ tekijä B:n lausekkeessa olisi yksi: B Newton () m qr.

(b) Protonin kokonaisenergia E on E mc 2 2 /c 2. (6) Kokonaisenergialla ja kineettisellä energialla ei tässä ole käytännon eroa, koska 7 TeV on paljon enemmän kuin lepoenergia E mc 2 939 MeV. Ratkaistaan siis nopeus E:n lausekkeesta E() γ()e : E 2 E 2 2 /c 2 2 /c 2 E2 E 2 c Sijoitetaan E 7 6 MeV ja E 939 MeV: ( ) 2 939 c 7 6.99999999. E2 E 2. Poikkeamaa alon nopeudesta oi myös arioida käyttämällä Taylorin sarjaa: c E 2 2 E 2, eli nopeus jää E 2 /2E 2.899 8 kertaa c:n erran alon nopeudesta ain joitain metrejä sekunnissa, siis! Verrattuna Newtonin teoriaan, taritaan B()/B Newton () kertaa suurempi B-kenttä: Tekijä γ saadaan helposti kaaasta (6): B() B Newton () 2 /c γ(). 2 γ E E 7 6 939 745. Eli kentän tulee olla noin 745 kertaa oimakkaampi. 4. Energian ja massan ekialenssi Elektronioltti jouleina ev.62 9 J. (a) Lasketaan massa energian ja massan ekialenssista E mc 2. Tässä E R E, joten m R E c 2 3.6 ev c 2 2.4 35 kg. Vaihtoehtoisesti, oidaan errata tätä massaa esimerkiksi elektronin lepomassaan, m e 5 kev/c 2 : m 3.6 ev/c2 m e 5 kev/c 2 27 6. Eli energia on miljoonasosia elektronin lepomassasta. Elektroni jo itsessään on liki häiään keyt protonin rinnalla. (b) Ehkä helpoin tapa ratkaista asia on miettimällä atomin elektronin energiaa energiaa. Elektronilla on keskimääräinen liike-energia T R E ja jokin keskimääräinen potentiaali U sekä kokonaisenergia E R E (miinusmerkki, koska elektroni on sidotussa tilassa). Tällöin elektronin energia oidaan kirjoittaa T + U E U E T 2R E 27.2 ev. Sama tulos olisi saatu myös iriaaliteoreemalla tai seuraaan kohdan aulla.

(c) Kun elektroni (kineettinen energia T e R E ) on sidottu protoniin (kineettinen energia T p ), oidaan etyatomin energia kirjoittaa E H-sid m e c 2 + m p c 2 + T e + T p + V sid m e c 2 + m p c 2 + R E + V sid, missä m e ja m p oat elektronin ja protonin lepomassa ja V sid on sähkömagneettiseen kenttään arastoitunut energia sidotussa tilassa. Ionisoidussa tilassa elektroni ja protoni oat leossa, T p T e ja sähkömagneettisen kentän energia on nyt V ion. Siten kokonaisenergia ionisoidussa tapauksessa on Energioiden E H-ion ja E H-sid erotus on E H-ion m e c 2 + m p c 2 + V ion. E H-ion E H-sid V ion V sid R E. Toisaalta, atomin ionisaatioenergia on R E, ja siten E H-ion E H-sid R E. Yhdistetään nämä kaksi tulosta ja saadaan V ion V sid R E R E V ion V sid 2R E. Sähkömagneettiseen kenttään sitoutunut energia muuttuu 2R E :n erran. Kentän massan muutos on siis m 2R E c 2. Tämä astaa siis potentiaalienergiaa. Yleensä puhutaan elektronin potentiaalienergiasta, mutta oikeastaan energia todella kuuluu sähkömagneettiselle kentälle.