763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2016

Samankaltaiset tiedostot
763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2012

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

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 1

Moderni fysiikka. Syyslukukausi 2008 Jukka Maalampi

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

LORENTZIN MUUNNOSTEN FYSIKAALISIA SEURAAMUKSIA

Suhteellisuusteorian perusteet 2017

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1

Matematiikan peruskurssi 2

Loogiset konnektiivit

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.


(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

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

1 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

sin x cos x cos x = sin x arvoilla x ] π

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

a b c d

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Matematiikan tukikurssi

Shrödingerin yhtälön johto

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

Integrointi ja sovellukset

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Laudatur 4 MAA4 ratkaisut kertausharjoituksiin

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Differentiaalilaskenta 1.

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Pistetulo eli skalaaritulo

Tekijä Pitkä matematiikka

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN

Tekijä Pitkä matematiikka

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 180 Päivitetty Pyramidi 4 Luku Ensimmäinen julkaistu versio

Epäeuklidista geometriaa

1.4 Suhteellinen liike

Luento 3: Käyräviivainen liike

Luvun 8 laskuesimerkit

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

Kahden suoran leikkauspiste ja välinen kulma (suoraparvia)

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

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

Tehtävä 1. Oletetaan että uv on neliö ja (u, v) = 1. Osoita, että kumpikin luvuista u ja v on. p 2j i. p j i

Sinin muotoinen signaali

Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

a) Arkistokatu ja Maaherrankatu ovat yhdensuuntaiset. Väite siis pitää paikkansa.

Helsingin seitsemäsluokkalaisten matematiikkakilpailu Ratkaisuita

52. Kansainväliset matematiikkaolympialaiset

Matematiikan tukikurssi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

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

1 Rationaalifunktio , a) Sijoitetaan nopeus 50 km/h vaihtoaikaa kuvaavan funktion lausekkeeseen.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

4.3 Kehäkulma. Keskuskulma

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

Apua esimerkeistä Kolmio teoriakirja. nyk/matematiikka/8_luokka/yhtalot_ yksilollisesti. Osio

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

Suhteellisuusteorian vajavuudesta

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Jokaisen parittoman kokonaisluvun toinen potenssi on pariton.

3 Määrätty integraali

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Matematiikan pohjatietokurssi

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

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Vastaus: Määrittelyehto on x 1 ja nollakohta x = 1.

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

JOHDATUS SUHTEELLI- SUUSTEORIAAN

Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta


MEI Kontinuumimekaniikka

Transkriptio:

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2016 1. Valoa nopeampi liike (a) Sekunnissa kuvan 1(a) aaltorintama etenee 10 m. Samassa ajassa rannan ja aallon leikkauspiste etenee matkan s. Kulman θ sini on sin θ = 10 m/s, ja tästä saadaan nopeus v jolla leikkauspiste etenee: s = 10 m v = s 10 m/s = sin θ 1 s sin θ. Kun θ menee kohti nollaa, myös sin θ lähestyy nollaa, ja siten v lähestyy ääretöntä. Leikkauspiste voi siis edetä mielivaltaisen nopeasti, valoakin nopeammin. Tietoa ei näin kuitenkaan voi siirtää. Jos esimerkiksi rannalla seisova Albert yrittäisi siirtää tietoa kauempana rannalla odottavalle Bertalle, tulisi Albertin pystyä muuttamaan aaltorintman kulkua jollain tavalla. Mutta nyt aaltoon pitäisi pystyä vaikuttamaan valoa nopeammin, jotta aaltorintamaa hyödyntävä valoa nopeampi tiedonsiirto onnistuisi! (b) Tilanne on esitetty kuvassa 1(b). Kun pointterin kulma muuttuu dθ:n verran, siirtyy piste kuun pinnalla ds:n verran. Kun dθ on hyvin pieni, voidaan ds:ää arvioida dθ:a vastaavan ympyrän kaaren pituutena: ds = rdθ. Jaetaan tämä pienellä ajalla dt: ds dt }{{} =v = r dθ dt }{{} =ω v = rω = 384000 km 3 1 s = 1152000 km s, joka on suurempi kuin valon nopeus. Kuten edellisessä kohdassa, tietoa ei voi näin siirtää. Tiedonsiirron tulisi tapahtua kuun pinnalla, ja tämä puolestaan edellyttäisi sitä, että pointterista lähtenyttä valoa pitäisi kuusta käsin pystyä manipuloimaan valoa nopeammin. (a) Rantaan törmäävä aaltorintama. (b) Kuu ja sen pintaan osuva lasersäde.

2. Tapahtumaparit Tulee siis laskea s 2 annetuille tapahtumille, s 2 = c 2 t 2 x 2 y 2 z 2 = (ct B ct A ) 2 (x B x A ) 2 (y B y A ) 2 (z B z A ) 2. Väite i) sanoo, että on koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanaikaisia. Tämä voidaan testata käyttämällä s 2 :n invarianssia. Sen arvo on sama kaikissa koordinaatistoissa, joten s 2 = c 2 ( t ) 2 ( x ) 2 ( y ) 2 ( z ) 2, missä pilkulliset suureet ovat lausuttu jossain toisessa inertiaalikoordinaatistossa. Erityisesti, koordinaatistossa, jossa tapahtumat ovat samanhetkisiä, on t = 0 ja s 2 = x 2 y 2 z 2 < 0. Jotta i) olisi totta, tulee s 2 :n olla negatiivinen. Väitteessä ii) puolestaan haetaan koordinaatistoa, jossa tapahtumat ovat samanpaikkaisia. Kuten edellä, tällöin on oltava inertiaalikoordinaatisto, jossa x = y = z = 0 ja näin s 2 = c 2 t 2. Tämä on aina suurempi kuin nolla, eli jotta ii) olisi totta, on s 2 :n oltava positiivinen. (a) s 2 = (4 0) 2 (3 0) 2 (2 0) 2 (1 0) 2 = 2. Koska tämä on positiivinen, ei ole olemassa koordinaatistoa, jossa tapahtumat olisivat samanhetkisiä, mutta on sellainen, jossa tapahtumat ovat samanpaikkaisia. Siis väite i) epätosi, ii) tosi. (b) s 2 = (3 1) 2 (3 1) 2 (2 1) 2 (1 1) 2 = 1. Tämä on negatiivinen. On siis koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanhetkisiä, mutta ei sellaista, jossa ne ovat samanpaikkaisia. Väite i) tosi, ii) epätosi. (c) s 2 = (3 ( 2)) 2 (0 4) 2 ( 1 2) 2 (2 2) 2 = 0. Koska s 2 = 0, voi vain valonsäde yhdistää tapahtumat. Näinollen tarvittaisiin koordinaatisto, joka kulkee valon nopeudella, jotta tapahtumat voisivat olla samanhetkisiä tai -paikkaisia. Väitteet i) ja ii) ovat siis epätosia. Huom! Jos s 2 > 0, sanotaan sitä ajanlaatuiseksi. Tällöin on olemassa koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanpaikkaisia. Jos s 2 < 0, sanotaan sitä paikanlaatuiseksi. Tällöin on olemassa koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanaikaisia. Voit ajatella tämän näin: Jos s 2 :een voi laittaa pelkää paikkaa (ei aikaa), on se paikanlaatuinen. Jos s 2 :een voi laittaa pelkkää aikaa (ei paikkaa), on se ajanlaatuinen. Huom! Ratkaisun alussa esitetty tarkastelu voidaan tehdä hieman tarkemmin. Tarkastellaan ensiksi tilannetta s 2 > 0. Tällöin s 2 = c 2 ( t) 2 ( x) 2 > 0 x t < c. Nyt voidaan valita uusi koordinaatisto, joka liikkuu alkuperäiseen koordinaatistoon nähden nopeudella v := x t ja edellisen tarkastelun nojalla tämä on mielekästä, sillä v < c. Nyt Lorentz-muunnoksella saadaan x = γ( x v t) = 0, kun muunnokseen käytetään valittua nopeutta. Siis ollaan löydetty koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanpaikkaisia. Koordinaatistoa, missä tapahtumat ovat samanaikaisia, ei ole olemassa ratkaisun alun päättelyllä. Sama saadaan edellisellä päättelllä, sillä uuden koordinaatiston, jossa tapahtumat olisivat samanaikaisia, nopeus pitäisi olla v := t x c2.

Kun käyttää s 2 :n lausekkeesta saatua epäyhtälöä, nähdään v > c. Tämä ei ole mahdollista suhteellisuusteorian postulaatin nojalla. Tapaus s 2 < 0 käsitellän samaan tapaan. Nyt saadaan s 2 = c 2 ( t) 2 ( x) 2 < 0 x t > c. Tällöin voidaan valita nopeudeksi v := x t c2, joka on edellä johdetun epäyhtälön nojalla alle valonnopeus (tarkista itse). Lorentz-muunnos antaa t = γ( t v x) = 0, c2 kun sovelletaan valittua nopeutta. Siis löydetään koordinaatisto, jossa tapahtumat ovat samanaikaisia. Koordinaatistoa, jossa tapahtumat olisivat samanpaikkaisia, ei voi löytää, sillä koordinaatiston nopeus pitäisi olla yli valonnopeuden. 3. Kaksosparadoksi Katso kuva 1. (a) Olkoon t K yhdensuuntaiseen matkaan kulunut aika K:n mielestä, v = 4c/5 L:n nopeus, ja d = 4ca matka α-centauriin. Nyt t K = d v = 4ca 4c/5 = 5a. (b) Olkoon t L yhdensuuntaiseen matkaan kulunut aika L:n mielestä. Matkustajan aika kuluu hitaammin maan näkökulmasta, joten Tässä γ = 1/ 1 (4/5) 2 = 5/3, joten t L = 1 γ t K. t L = 3 5 t K = 3 5a = 3a. 5 (c) Matka-aika K:lle on 2 t K = 10a, ja L:lle 2 t L = 6a. Ikäeroa on kertynyt siis 4a! (d) Olkoon t L maassa kulunut aika L:n koordinaatistossa. Koska L:n mielestä Maa liikkuu nopeudella v, kulkee Maan aika L:lle hitaammin. Ajan venymä: t L = 1 γ t L t L = 3 5 3a = 14 5 a. L:lle K on vanhentunut vain 1 4/5 = 1.8 vuotta! (e) Edellisestä kohdasta, meno- ja paluu matkoilla K vanhenee yhteensä 2 t L = 3.6a. K oli kokonaisuudessaan vanhentunut 10a. Käännöksen aikana K siis vanhenee kokonaiset (10 3.6)a = 6.4a! 4. Ladaparadoksi Olkoon l Lada ja l Talli Ladan ja tallin pituudet lepokoordinaatistoissaan, l Lada = 4 m, l Talli = 3 m. Ladan nopeus v = 4c/5, ja siten γ = 5/3. (a) Olkoon l Lada Ladan pituus Nikolain koordinaatistossa. l Lada = 1 γ l Lada = 3 4 m = 2.4 m. 5 Pienempi kuin l Talli!

Kuva 1: Kaksosparadoksi.

(b) Kun Lada on sisällä, sillä on enää matka l Talli l Lada kuljettavana ennen seinää. Siten aikaa tuhoon on t = l Talli l Lada = 0.6 m v 0.8c = 2.5 10 9 s, eli vaivaiset 2.5 nanosekuntia. (c) Olkoon l Talli kutistunut: tallin pituus Igorin mielestä. Talli lähestyy Igoria nopeudella v = 0.8c ja on siten l Talli = 1 γ l Talli = 3 3 m = 1.8 m. 5 Pienempi kuin l Lada! Lada on yhä l Lada :n mittainen Igorille, siis 4 m. (d) Diagrammi on kuvassa 2. Paradoksin selittää samanaikaisuuden suhteellisuus. Toisin sanoen, tapahtumien järjestys voi olla eri eri havaitsijoille. Siinä missä tapahtumat tulevat Nikolaille järjestyksessä ABC, on järjestys Igorille ACB! (e) Tieto keulan törmäyksestä ei siirry äärettömän nopeasti Ladan perään. Siispä perä on autuaan tietämätön odottavasta kohtalosta ainakin siihen hetkeen, kun valo törmäyksestä kohtaa perän maailmanviivan (piste D kuvassa).

Kuva 2: Ladaparadoksi.