Определение релятивистских длин, масс, плотностей

Задачи все предлагаю простые: такие есть в каждом учебнике. Но каждая тема всегда начинается с разминки: с простого. Ну а дальше – дальше все интереснее и интереснее!

Скорость света

Задача 1. Частица движется со скоростью $\upsilon = 0,5c$ . Во сколько раз релятивистская масса частицы больше массы покоя?

Запишем отношение масс:

$\frac{m}{m_0}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{0,25}{1}}}=\frac{1}{\sqrt{75}}=1,15$

Ответ: $\frac{m}{m_0}=1,15$

Задача 2. При какой скорости релятивистская масса движущейся частицы $m$ вдвое больше массы покоя этой частицы $m_0$ ?
Теперь используем формулу предыдущей задачи «в обратную сторону»:

$\frac{m}{m_0}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}$

$\left(\frac{m}{m_0}\right)^2=\frac{1}{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$1-\left(\frac{u}{c}\right)^2=\left(\frac{m_0}{m}\right)^2=\frac{1}{4}$

$\left(\frac{u}{c}\right)^2=\frac{3}{4}$

$u=\frac{\sqrt{3}}{2}c=2,6\cdot10^8$

Ответ: $u=2,6\cdot10^8$ м/с
Задача 3. На сколько увеличится релятивистская масса частицы $m_0$ при увеличении ее начальной скорости от $\upsilon_0 = 0$ до скорости $\upsilon = 0,9c$ ?

$\Delta m=m-m_0=m_0\left(\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}-1\right)=m_0\left(\frac{1}{\sqrt{1-0,81}}-1\right)=m_0(2,29-1)=1,29m_0$

Ответ: на $\Delta m=1,29m_0$ .

18.15. Скорость частицы $\upsilon = 30$ Мм/с. На сколько процентов релятивистская масса движущейся частицы больше массы покоящейся частицы?

$\frac{m}{m_0}*100=\frac{100}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}$

$\frac{m}{m_0}*100=\frac{100}{\sqrt{1-\left(\frac{3\cdot10^7}{3\cdot10^8}\right)^2}}=\frac{100}{\sqrt{1-0,01}}=100,5$

Ответ: на 0,5 %
Задача 4. С какой скоростью должен лететь протон ( $m_{0_p} = 1$ а.е. м.)‚ чтобы его релятивистская масса была равна массе покоя $\alpha$ -частицы ( $m_{0_\alpha} = 4$ а. е. м.)?

То есть, иными словами, нас спрашивают, с какой скоростью должен лететь протон, чтобы его масса возросла вчетверо?

$\frac{m}{m_0}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}$

$\left(\frac{m}{m_0}\right)^2=\frac{1}{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$1-\left(\frac{u}{c}\right)^2=\left(\frac{m_0}{m}\right)^2=\frac{1}{16}$

$\left(\frac{u}{c}\right)^2=\frac{15}{16}$

$u=\frac{\sqrt{15}}{4}c=0,97c=2,9\cdot10^8$

Ответ: $u=2,9\cdot10^8$ м/с

Задача 5. Во сколько раз изменится плотность тела при его движении со скоростью $\upsilon = 0,8c$ ?

Плотность тела зависит не только от его массы, но и от объема, а тот, в свою очередь, функция куба линейных размеров. Тогда исходная плотность тела (плотность покоя):

$\rho_0=\frac{m_0}{V_0}$

$V_0=kl_0^3$

Релятивистская плотность:

$\rho=\frac{m}{V}$

Где

$m=\frac{ m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}$

$V=kl^3$

$l=l_0\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$l^3=l_0^3\left(1-\left(\frac{u}{c}\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}$

Тогда отношение плотностей (или во сколько раз изменится плотность):

$\frac{\rho}{\rho_0}=\frac{m}{m_0}\cdot \frac{V_0}{V}=\frac{m}{m_0}\cdot \left(\frac{l_0}{l}\right)^3=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}\cdot\frac{1}{ \left(1-\left(\frac{u}{c}\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}=\frac{1}{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$\frac{\rho}{\rho_0}=\frac{1}{1-\left(\frac{0,8c}{c}\right)^2}=\frac{1}{1-0,64}=\frac{1}{0,36}=2,77$

Ответ: плотность возрастет в 2,8 раза.
Задача 6. При движении с некоторой скоростью продольные размеры тела уменьшились в $n = 2$ раза. Во сколько раз изменилась масса тела?

$\frac{l}{l_0}=\frac{1}{2}=\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$\frac{m}{m_0}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}=2$

Ответ: масса выросла вдвое.
Задача 7. Отношение заряда движущегося электрона к его массе, определенное из опыта, $k= 0,88\cdot 10^{11}$ Кл/кг. Определить релятивистскую массу электрона и его скорость.

Так как электрон движется, то, следовательно, в отношении участвует его релятивистская масса:

$k=\frac{e}{m}$

Откуда его релятивистская масса равна:

$m=\frac{e}{k}=\frac{1,6\cdot10^{-19}}{0,88\cdot 10^{11}}=1,82\cdot10^{-30}$

То есть $m=2m_0$ .

Но с другой стороны, она также равна

$m=\frac{ m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}}$

Тогда, возводя в квадрат оба выражения, имеем:

$m^2=\frac{e^2}{k^2}$

$m^2=\frac{ m_0^2}{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

И приравниваем:

$\frac{e^2}{k^2}=\frac{ m_0^2}{1-\left(\frac{u}{c}\right)^2}$

$1-\left(\frac{u}{c}\right)^2=\frac{ k^2 m_0^2}{ e^2 }$

$\left(\frac{u}{c}\right)^2=1-\frac{ k^2 m_0^2}{ e^2 }$

$\frac{u}{c}=\sqrt{1-\frac{ k^2 m_0^2}{ e^2 }}$

$u=c\sqrt{1-\frac{ k^2 m_0^2}{ e^2 }}= c\sqrt{1-\frac{ 0,88^2\cdot 10^{22}\cdot 9,1^2\cdot 10^{-62}}{ 1,6^2\cdot10^{-38}}}= c\sqrt{1-\frac{ 0,77\cdot 83\cdot 10^{-2}}{ 2,56}}=0,866c=2,6\cdot10^8$

Ответ: $m=2m_0=18,2\cdot10^{-31}$ , $u=0,866c=2,6\cdot10^8$ м/с.

Задача 8. Масса тела $m = 1$ кг. Вычислить полную его энергию.

Полная энергия тела равна

$E_0=mc^2=1\cdot 9 \cdot 10^{16}=9 \cdot10^{16}$

Комментариев - 4

Micron Umbarov

2020-06-10

Автор! Не вводите школьников в заблуждение. Понятие релятивистской массы в современной физике не используется вообще уже лет 50–60. Ни в теории относительности, ни в физике элементарных частиц. Оно вполне законное, но физикам совершенно не нужно. С этим понятием связано много всяких недоразумений и заблуждений. Зачем его впихнули в школьные учебники, я не знаю.
Рекомендую методические статьи Л. Б. Окуня:
ПОНЯТИЕ МАССЫ (Масса, энергия, относительность) https://ufn.ru/ru/articles/1989/7/f/
Формула Эйнштейна: Eₒ=mc². “Не смеётся ли Господь Бог”? https://ufn.ru/ru/articles/2008/5/g/
Там нужно зарегистрироваться, но никаких рассылок после этого не будет. Во всяком случае, я за много лет не получил никаких писем оттуда (кроме, может быть, в момент регистрации).

Кстати, я посмотрел кодификатор ЕГЭ по физике за 2020 год. Специальная теория относительности там в разделе 4, и ни малейших намёков на релятивистскую массу нет. Наоборот, приведённые там формулы используют “обычную” массу, не зависящую от скорости, в том числе и формулы для полной энергии и импульса движущегося тела.

Ответить

Забыл дать ссылку на кодификатор: https://fipi.ru/ege/demoversii-specifikacii-kodifikatory#!/tab/151883967-3
Если Вы берётесь готовить школьников к ЕГЭ, такие документы обязательно надо читать.

Анна
|

2020-06-10

Где в статье вы нашли упоминание о ЕГЭ? Сайт помогает школьникам повысить уровень знаний, не обязательно для ЕГЭ. Кодификатор я хорошо знаю. Тем не менее, в свои варианты вставляю и задачи с темами не по кодификатору. Делаю это намеренно, дабы повышался уровень знаний тех, кто их решает. За ссылки на статьи спасибо.

Ответить

Анна: «Где в статье вы нашли упоминание о ЕГЭ?»
Посмотрите на заголовок: «Главная /// Физика /// ЕГЭ по физике /// Теория относительности /// Определение релятивистских длин, масс, плотностей». Видите тут слова “ЕГЭ по физике”?

Анна: «Сайт помогает школьникам повысить уровень знаний».
В данном случае сайт помогает школьникам запутаться и приобрести определённый набор заблуждений, с которыми я неоднократно встречался. И в научно-популярной литературе, и в художественной, и в общении с другими людьми, интересующимися физикой. Понятие релятивистской массы сами физики уже давно признали ненужным, поскольку его некуда применить, и вредным, так как оно приводит к заблуждениям и недоразумениям. В физике элементарных частиц масса (постоянная, не зависящая от скорости) является фундаментальной характеристикой частицы, а релятивистская масса на эту роль не годится. Инертные свойства тела она тоже не определяет.
Релятивистская масса появилась раньше теории относительности в трудах Лоренца, Пуанкаре, Абрагама и других, которые хотели сохранить в неизменном виде формулу p=mv для импульса. Там же появилась и знаменитая формула E=mc² для полной энергии движущегося тела, которую обычно приписывают Эйнштейну. Между тем, в работах Эйнштейна нет ни релятивистской массы, ни формул p=mv и E=mc², а есть в точности те формулы, которые приведены в кодификаторе в разделах 4.2 и 4.3. В частности, в кодификаторе есть формула Eₒ=mc², очень похожая на E=mc², но с совершенно другим смыслом: Eₒ — это внутренняя энергия покоящегося тела. А формула E=mc² просто противоречит другим формулам СТО, приведённым в кодификаторе.

Анна: «Кодификатор я хорошо знаю.»
Тогда почему Вы навязываете школьникам формулы, которые прямо противоречат формулам, приведённым в кодификаторе? Вы умышленно хотите их запутать?

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
« Сен
			1	2	3	4
5	6	7	8	9	10	11
12	13	14	15	16	17	18
19	20	21	22	23	24	25
26	27	28	29	30	31

Определение релятивистских длин, масс, плотностей

Для вас другие записи этой рубрики:

Комментариев - 4

Добавить комментарий Отменить ответ

Поиск

ПОСЛЕДНИЕ КОММЕНТАРИИ

Рекомендую

Рубрики

Профи.ру

Лучший хостинг в мире!

Последние записи

Облако меток

Подписка

Введите Ваши данные:

Архивы