Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Први постулат: физички закони имају исти облик у свим инерцијалним системима референце. Пример 1: У вагону воза који се креће равномерно праволинијски лоптица бачена увис пада назад у руку, клатно осцилује са истим периодом, а вода се сипа у чашу исто као на перону. Закони механике важе исто у вагону и на перону, па путник без гледања кроз прозор не може да утврди да ли се воз креће. Пример 2: Ако магнет приближавамо намотају који мирује или намотај приближавамо магнету који мирује истом брзином \( v \), индукује се иста струја. Закони електромагнетизма имају исти облик у оба система - важна је само релативна брзина.

Детаљно решење

Корак 1: Шта тврди први постулат

Први постулат специјалне теорије релативности каже да физички закони имају исти математички облик у свим инерцијалним системима референце. То значи да ниједним огледом изведеним унутар неког система не можемо утврдити да ли тај систем мирује или се креће равномерно праволинијски. Не постоји „привилегован” систем референце.

Корак 2: Први пример - механички огледи у возу

Посматрамо воз који се креће равномерно праволинијски по равној прузи (без трзаја и кочења). Путник у затвореном вагону: - баци лоптицу вертикално навише - она пада назад право у његову руку, исто као када воз стоји на станици; - посматра клатно које виси са плафона - оно осцилује са истим периодом као на перону; - сипа воду у чашу - млаз пада вертикално, као код куће. Закони механике (Њутнови закони, закон слободног пада, закони осциловања) важе у истом облику и у вагону и на перону, па путник без гледања кроз прозор не може да утврди да ли се воз креће.

Корак 3: Други пример - електромагнетна индукција

Посматрамо магнет и намотај жице прикључен на амперметар. - Ако намотај мирује, а магнет приближавамо брзином \( v \), у намотају се индукује струја. - Ако магнет мирује, а намотај приближавамо магнету истом брзином \( v \), индукује се потпуно иста струја. Важна је само релативна брзина магнета и намотаја. Закони електромагнетизма имају исти облик у оба система референце, што показује да први постулат не важи само за механику, већ за све физичке законе.

Корак 4: Закључак

У оба примера физичке појаве се одвијају на исти начин у системима који се крећу један у односу на други равномерно праволинијски, што је управо садржај првог постулата.

Кратак запис решења:

1) Воз који се креће равномерно праволинијски: лоптица бачена увис пада у руку, клатно има исти период као на перону - закони механике су исти. 2) Магнет и намотај: иста индукована струја без обзира да ли се креће магнет или намотај брзином \( v \) - закони електромагнетизма су исти.

Најважније из лекције

Енергија мировања: Свако тело масе \(m\) поседује енергију \(E_0 = mc^2\). Маса и енергија су еквивалентне.
Укупна релативистичка енергија и импулс: \(E = E_0 + T = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\), док је импулс \(\vec{p} = \frac{m\vec{v}}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} = \frac{E}{c^2}\vec{v}\).
Основна инваријантна веза: \(E^2 = E_0^2 + p^2c^2\) омогућава повезивање енергије и импулса без експлицитног рачунања брзине честице.
Закони одржања: За изолован систем честица строго важе закон одржања укупног релативистичког импулса (\(\sum \vec{p}_i = \text{const.}\)) и закон одржања укупне енергије (\(\sum (E_{0i} + T_i) = \text{const.}\)), док се маса може претварати у кинетичку енергију и обратно.
Енергија мировања (\(E_0\)) је унутрашња енергија коју свако тело поседује искључиво на основу своје масе \(m\), независно од кретања или интеракције са другим телима.
\[ E_0 = mc^2 \] \(m\) – маса тела (честице), \(c\) – брзина светлости у вакууму (\(c \approx 3 \cdot 10^8\text{ m/s}\))
Електрон-волт (\(\text{eV}\)) је јединица за енергију у физици честица. Једнака је кинетичкој енергији коју електрон добије убрзавањем кроз разлику потенцијала од \(1\text{ V}\): \[ 1\text{ eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ J}, \quad 1\text{ keV} = 10^3\text{ eV}, \quad 1\text{ MeV} = 10^6\text{ eV}, \quad 1\text{ GeV} = 10^9\text{ eV}, \quad 1\text{ TeV} = 10^{12}\text{ eV} \]
Енергије мировања најчешћих субатомских честица: \[ \begin{array}{|l|c|c|} \hline \textbf{Честица} & \textbf{Ознака} & \textbf{Енергија мировања } (E_0) \\ \hline \text{Електрон} & e^- & 511\text{ keV} \approx 0{,}511\text{ MeV} \\ \hline \text{Протон} & p^+ & 938{,}27\text{ MeV} \\ \hline \text{Неутрон} & n & 939{,}57\text{ MeV} \\ \hline \end{array} \]
У релативистичкој физици закон одржања масе не важи као самосталан закон. Маса и енергија се могу трансформисати једна у другу: део масе може прећи у кинетичку енергију, а из енергије могу настати нове честице са сопственим масама.
Укупна релативистичка енергија честице која се креће брзином \(v\) је збир њене енергије мировања и кинетичке енергије:
\[ E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} = E_0 + T \] \(E\) – укупна енергија, \(E_0 = mc^2\) – енергија мировања, \(T\) – кинетичка енергија
\[ T = mc^2 \left( \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} - 1 \right) = E - E_0 \] Кинетичка енергија честице у специјалној теорији релативности
\[ \vec{p} = \frac{m\vec{v}}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} = \frac{E}{c^2}\vec{v} \] Релативистички импулс честице
Веза између укупне енергије, енергије мировања и импулса: \[ E^2 = E_0^2 + p^2c^2 \implies p = \frac{1}{c}\sqrt{E^2 - E_0^2} \] Веза између импулса и кинетичке енергије: \[ p = \frac{1}{c}\sqrt{T(2E_0 + T)} \]
За честицу чија је укупна енергија знатно већа од енергије мировања (\(E \gg E_0\)), њена брзина је изузетно блиска брзини светлости, па важи апроксимација: \[ 1 - \frac{v}{c} \approx \frac{E_0^2}{2E^2} \]
Закон одржања импулса: Укупан импулс изолованог физичког система честица је константан у времену. \[ \sum_{i=1}^n \vec{p}_i = \text{const.} \iff \sum_{i=1}^n \frac{m_i \vec{v}_i}{\sqrt{1 - \frac{v_i^2}{c^2}}} = \text{const.} \]
Ако се честица пре распада налазила у стању мировања (\(\vec{p}_{\text{пре}} = 0\)), након спонтаног распада на две честице, њихови импулси морају бити једнаких интензитета, истог правца и супротних смерова: \[ \vec{p}_1 + \vec{p}_2 = 0 \implies p_1 = p_2 \]
Шематски приказ распада честице `M` која мирује, на две нове честице, `m_1` и `m_2`.
Центар дијаграма представља тачку распада.
Пре распада: У тачки распада се налази једна честица `M` (приказана као већи круг или тачка са ознаком `M`). Њен импулс је `\vec{p}_{пре} = 0`, што треба да буде јасно означено поред честице.
Након распада: Из тачке распада се крећу две настале честице, `m_1` и `m_2` (приказане као мањи кругови или тачке са ознакама `m_1` и `m_2`).
Обе честице се крећу дуж исте хоризонталне линије.
Честица `m_1` се креће улево (нпр., позиционирана лево од тачке распада), са релативистичким импулсом `\vec{p}_1` (приказаним као стрелица усмерена улево, која полази од честице `m_1` или од тачке распада ка честици `m_1`).
Честица `m_2` се креће удесно (нпр., позиционирана десно од тачке распада), са релативистичким импулсом `\vec{p}_2` (приказаним као стрелица усмерена удесно, која полази од честице `m_2` или од тачке распада ка честици `m_2`).
Интензитети импулса `\vec{p}_1` и `\vec{p}_2` су једнаки (`|\vec{p}_1| = |\vec{p}_2|`), што треба визуелно представити стрелицама исте дужине.
Закон одржања укупне енергије: Укупна енергија изолованог система честица једнака је збиру свих енергија мировања и свих кинетичких енергија свих честица у систему и она остаје непромењена током времена. \[ \sum_{i=1}^n E_i = \sum_{i=1}^n E_{0i} + \sum_{i=1}^n T_i = \text{const.} \]
Код распада нестабилне честице која мирује (\(M \to m_1 + m_2\)):
  1. Поставити закон одржања импулса: \(p_1 = p_2 = p\).
  2. Изразити укупну енергију пре распада: \(E_{\text{пре}} = E_{0M} = M c^2\).
  3. Изразити укупну енергију након распада: \(E_{\text{после}} = E_1 + E_2 = (E_{01} + T_1) + (E_{02} + T_2)\).
  4. Изједначити енергије пре и после процеса: \(E_{0M} = E_{01} + E_{02} + T_1 + T_2\).
Разлика у маси \(\Delta m = M - (m_1 + m_2)\) у потпуности прелази у збир кинетичких енергија насталих честица: \(T_1 + T_2 = \Delta m \cdot c^2\).

Задаци за вежбање

1. (Лаки ниво) Изразити енергију мировања електрона (\(E_0 = 511\text{ keV}\)) у џулима (\(\text{J}\)).
Поступак:
Знамо да је \(1\text{ eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ J}\), а \(1\text{ keV} = 10^3\text{ eV}\). \[ E_0 = 511\text{ keV} = 511 \cdot 10^3\text{ eV} = 5{,}11 \cdot 10^5 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ J} \] \[ E_0 = 8{,}176 \cdot 10^{-14}\text{ J} \] Одговор: Енергија мировања електрона износи \(8{,}18 \cdot 10^{-14}\text{ J}\).
2. (Средњи ниво) Нека честица се креће брзином \(v\) тако да јој је кинетичка енергија једнака енергији мировања (\(T = E_0\)). Одредити:
а) Брзину честице \(v\) у функцији брзине светлости \(c\);
б) Релативистички импулс честице изражен преко \(E_0\) и \(c\).
Поступак:
а) Укупна енергија је \(E = E_0 + T = E_0 + E_0 = 2E_0\).
Како је \(E = \frac{E_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\), следи: \[ \frac{E_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} = 2E_0 \implies \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} = \frac{1}{2} \] Квадрирањем: \[ 1 - \frac{v^2}{c^2} = \frac{1}{4} \implies \frac{v^2}{c^2} = \frac{3}{4} \implies v = \frac{\sqrt{3}}{2}c \approx 0{,}866c \]
б) Користећи везу \(E^2 = E_0^2 + p^2c^2\): \[ p^2c^2 = E^2 - E_0^2 = (2E_0)^2 - E_0^2 = 4E_0^2 - E_0^2 = 3E_0^2 \] \[ p = \frac{\sqrt{3}E_0}{c} \] Одговор: Брзина честице је \(v = \frac{\sqrt{3}}{2}c \approx 0{,}866c\), а импулс \(p = \frac{\sqrt{3}E_0}{c}\).
3. (Напредни ниво) Нестабилни позитивни пион (\(\pi^+\)) енергије мировања \(E_{0\pi} = 140\text{ MeV}\) мирује у лабораторијском систему референце, а затим се спонтано распада на мион (\(\mu^+\)) чија је енергија мировања \(E_{0\mu} = 106\text{ MeV}\) и неутрино (\(\nu\)) чију енергију мировања занемарујемо (\(E_{0\nu} \approx 0\)). Израчунати кинетичку енергију насталог неутрина \(T_\nu\).
Поступак:
1. Из закона одржања импулса, пошто пион мирује (\(p_\pi = 0\)): \[ p_\nu = p_\mu = p \] За честицу занемарљиве масе (неутрино): \(E_\nu = T_\nu = pc \implies p^2c^2 = T_\nu^2\).
2. За мион важи: \[ E_\mu^2 = E_{0\mu}^2 + p^2c^2 = E_{0\mu}^2 + T_\nu^2 \implies E_\mu = \sqrt{E_{0\mu}^2 + T_\nu^2} \]
3. Из закона одржања укупне енергије: \[ E_{0\pi} = E_\mu + E_\nu = \sqrt{E_{0\mu}^2 + T_\nu^2} + T_\nu \] \[ \sqrt{E_{0\mu}^2 + T_\nu^2} = E_{0\pi} - T_\nu \] Квадрирањем обе стране: \[ E_{0\mu}^2 + T_\nu^2 = E_{0\pi}^2 - 2E_{0\pi}T_\nu + T_\nu^2 \] \[ 2E_{0\pi}T_\nu = E_{0\pi}^2 - E_{0\mu}^2 \implies T_\nu = \frac{E_{0\pi}^2 - E_{0\mu}^2}{2E_{0\pi}} \]
4. Заменом бројних вредности: \[ T_\nu = \frac{140^2 - 106^2}{2 \cdot 140} = \frac{19600 - 11236}{280} = \frac{8364}{280} \approx 29{,}87\text{ MeV} \] Одговор: Кинетичка енергија неутрина износи приближно \(29{,}87\text{ MeV}\).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: