3. (b) speciális relativitás · 2015. 11. 15. · bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b)...
TRANSCRIPT
![Page 1: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/1.jpg)
Bevezetés a modern fizika fejezeteibe
3. (b)
Speciális relativitás Relativisztikus dinamika
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Utolsó módosítás: 2014 október 29.
![Page 2: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/2.jpg)
A relativisztikus tömeg (1)
A bevezetett Lorentz-transzformáció biztosítja a fénysebesség állandóságát az inerciarendszerekben. Van-e ennek a transzformációnak módosító hatása a dinamikában? Ha igen, akkor mi változik? Változik-e a tömeg definíciója? Ennek eldöntésére végezzünk el egy ütközéses kísérletet és írjuk le mind a nyugvó K, mind K-hoz képest v sebességgel balról jobbra mozgó K’ rendszerből. (A v sebesség megegyezik az egyik tömegpont K rendszerbeli x irányú sebersségkomponensével. /lásd később/ ) A két test tömeg a nyugvó K rendszerben megegyezik.
1
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 3: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/3.jpg)
A relativisztikus tömeg (2)
2
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Két azonos tömegű test (A és B) tökéletesen rugalmas ütközése a K nyugvó rendszerben:
![Page 4: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/4.jpg)
A relativisztikus tömeg (3)
3
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az ütközés előtti és utáni sebességek a K rendszerből nézve: előtte utána
![Page 5: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/5.jpg)
A relativisztikus tömeg (4)
4
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Ugyanakkor az ütközést a K rendszerhez képest v sebességgel balról jobbra mozgó K’ rendszerből nézve ilyennek (lásd az alábbi ábra) látja a megfigyelő. Mekkorák a sebességek/sebesség-komponensek a K’ rendszerben?
![Page 6: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/6.jpg)
A relativisztikus tömeg (5)
5
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
A K rendszerhez képest az x tengely irányában v sebességgel mozgó K’ rendszerben mérhető sebességeket a transzformációs formulák segítségével határozhatjuk meg. A jelen feltételekhez igazodó transzformációs formulák (lásd 3.a sorozat 26. és 27. oldalak): ahol és a mozgás irányától függően.
![Page 7: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/7.jpg)
A relativisztikus tömeg (6)
6
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az ütközés előtti és utáni sebességek a K’ rendszerből nézve: előtte utána
![Page 8: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/8.jpg)
A relativisztikus tömeg (7)
A K’ rendszerben mért sebességváltozások nagyságainak hányadosa:
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
7
E hányados más alakban történő felírásához számoljuk ki az alábbiakat. Az A test sebességnégyzete:
![Page 9: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/9.jpg)
A relativisztikus tömeg (8)
8
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
A B tömegpont sebességnégyzete:
![Page 10: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/10.jpg)
A relativisztikus tömeg (9)
9
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Képezzük a következő hányadost:
![Page 11: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/11.jpg)
A relativisztikus tömeg (10)
10
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
A gyökjelek alatti kifejezéseket hozzuk közös nevezőre:
![Page 12: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/12.jpg)
A relativisztikus tömeg (11)
A számlálóbeli gyökjel alatti kifejezést -tel bővítve, majd az hányadost kiemelve kapjuk:
11
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 13: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/13.jpg)
A relativisztikus tömeg (12)
12
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Könnyen belátható, hogy a két gyökös kifejezés hányadosa 1.
![Page 14: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/14.jpg)
A relativisztikus tömeg (13)
13
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Ez viszont éppen azt jelenti, hogy felírhatjuk a
összefüggést. A klasszikus dinamikában a tömeg definíciója a sebességváltozásokon nyugszik. Ha ezt most is fenn szeretnénk tartani, akkor fel kell tegyük:
![Page 15: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/15.jpg)
A relativisztikus tömeg (14)
14
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az átszorzások elvégzése után:
Értelemszerűen ennek az összefüggésnek akkor is teljesülnie kell, ha a K’ rendszerben a tömegpont nyugszik, tehát:
![Page 16: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/16.jpg)
A relativisztikus tömeg és impulzus (15)
15
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az m0 a tömegpont nyugalmi tömege. A K’ rendszerben hozzá képest v sebességgel mozgó tömegpont mozgási tömeg ezért:
(Lewis, Tolman, 1909). Az impulzus tömegszer sebesség kifejezése ennek megfelelően:
![Page 17: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/17.jpg)
Newton II. törvényének relativisztikus alakja
16
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az relativisztikusan mozgó m(v) tömegű test impulzusváltozása:
![Page 18: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/18.jpg)
A relativisztikus energia (1)
17
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
A munka definícióját a klasszikus dinamikában tanultaknak megfelelően az elemi munkára vonatkozó illetve az integrális alakokban továbbra is fenn szeretnénk tartani. Ezért nézzük meg, mi lesz az elemi munka kifejezése, ha mozgás során – a sebességváltozás miatt – bekövetkező tömegváltozást is figyelembe vesszük:
![Page 19: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/19.jpg)
A relativisztikus energia (2)
18
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Másrészt: A relativisztikus tömegformulát érdemes átrendezni. Gyorsítás előtti: Gyorsítás utáni:
![Page 20: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/20.jpg)
A relativisztikus energia (3)
19
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
E két kifejezés különbsége az végrehajtott egyszerűsítések, továbbá a másod-, harmad- és negyedrendűen kicsiny mennyiségek elhanya-golása után:
Az egyenlet baloldala éppen ΔW, azaz így ΔW =Δ(mc2), következésképp a tömegpont mozgási tömege a végzett munkával arányosan nő. A munkatételt – és konzervatív erőtér esetén a mechanika energia megmaradás tételét – akkor tarthatjuk fenn, ha a kinetikus energia kifejezése:
![Page 21: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/21.jpg)
A relativisztikus energia (4)
20
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
A kinetikus energia nullpontját meghatározó konstans értékét úgy kell meghatározni, hogy v<<c esetén visszakapjuk az
kifejezést. Az mc2 kifejezést kifejtve
látható, hogy ehhez a konstans értékét –m0c2-nek kell választani, így
![Page 22: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/22.jpg)
A konstans azonban nullának is választható, mert ettől még a munkatétel érvényben marad, így az
A relativisztikus energia (5)
21
az ún. sajátenergia, amely nyugalmi helyzetben sem zérus. Míg az
energia, az ún. nyugalmi energia. A tömeg és az energia egymástól nem elválasztható mennyiségek: tömeg-energia ekvivalencia.
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 23: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/23.jpg)
Részecskegyorsítók (1)
A relativisztikus tömegnövekedés közvetlenül megtapasztalható.
22
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék Stanford
KFKI-Budapest (ELTE)
![Page 24: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/24.jpg)
Részecskegyorsítók (2)
23
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Hossz: 3,2 km Energia: 50 GeV elektron, pozitron
Stanford
![Page 25: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/25.jpg)
Részecskegyorsítók - Ciklotron (3)
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
24
Gaál Sándor (1929) Ernest Lawrence- Stanley Livingston (1930-1932)
![Page 26: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/26.jpg)
Részecskegyorsítók (4)
25
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Az LHC kerülete: 27 km Enegia: 3,5 TeV proton nyaláb
![Page 27: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/27.jpg)
Részecskegyorsítók – nehéz-ion ütközések (5)
Brookhaven: Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
http://www.bnl.gov/rhic/physics.asp
26
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 28: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/28.jpg)
Tömeg-energia ekvivalencia (1)
27
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 29: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/29.jpg)
Tömeg-energia ekvivalencia (2)
28
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
Atommagok radioaktív bomlása Maghasadás – nukleáris energiatermelés
Paksi Atomerőmű
![Page 30: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/30.jpg)
Magfúzió → nukleoszintézis
Tömeg-energia ekvivalencia (3)
29
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 31: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/31.jpg)
Két közbevetett nagyon egyszerű kérdés (1)
1. Mennyivel csökken a Nap tömege másodpercenként? Napállandó: Föld-Nap távolság: Összteljesítmény: A másodpercenkénti tömeg- csökkenés:
30
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 32: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/32.jpg)
Két közbevetett nagyon egyszerű kérdés (2)
2. Mekkora a Nap fúziós tartományának teljesítménysűrűsége? A Nap sugára: R=700000 km Fúziós tartomány: 0,25R Összteljesítmény: Teljesítménysűrűség: !!!
31
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 33: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/33.jpg)
Tömeg-energia ekvivalencia (4)
32
Párkeltés és annihiláció
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
![Page 34: 3. (b) Speciális relativitás · 2015. 11. 15. · Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 3. (b) Speciális relativitás . Relativisztikus dinamika . Dr. Márkus Ferenc . BME Fizika](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052022/60377cb04933635009319eb5/html5/thumbnails/34.jpg)
Kérdések
Milyen gondolatkísérlet vezet el a relativisztikus tömeg bevezetéséhez. Mi az elgondolás fizikai alapja? Milyen technikai lépéseket kell tenni a levezetéshez? Hogyan transzformálódnak a sebességek? Mennyi a testek sebességváltozása a mozgó rendszerből nézve? Hogyan módosul az elemi munka kifejezése? Milyen módon kapcsolódik a munka a testek mozgásállapotának változásával? Mi a tömeg és energia kapcsolata? Mi a sajátenergia, mi a nyugalmi energia? Milyen természeti jelenséget, kísérletet tud felsorolni, amelyben a relativisztikus tömegnövekedés illetve a tömeg-energia ekvivalencia fontos szerepű? (folyt. köv.) (A ilyen színnel írt kérdések a mélyebben érdeklődők részére vannak. )
Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék
33