LECTURE1 (Физика), страница 2
Описание файла
Документ из архива "Физика", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физика" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "физика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "LECTURE1"
Текст 2 страницы из документа "LECTURE1"
Пусть x, y, z, t - координаты и время нашего мгновенного точечного события, отсчитанные в системе отсчета К. Пусть x', y', z', t' - координаты и время нашего мгновенного точечного события, отсчитанные в системе отсчета К'.
Ради простоты дальше будем рассматривать только координаты x и x', считая что всегда y' = y и z' = z. Тогда в системах отсчета К и К' координаты одного и того же мгновенного точечного события будут x, t и x', t' соответственно, причем «координатой» будем называть не только координату x, а координату и время - x, t.
Так как эти числа относятся к одному и тому же событию (существующему в природе вне зависимости от наличия или отсутствия систем отсчета К и К'), то очевидно должны существовать однозначные математические зависимости вида
x' = j(x, t), t' = y(x, t).
Формулы указанных зависимостей будем называть формулами преобразования координат мгновенного точечного события (любого) от системы отсчета K системе отсчета К'.
Наша конечная цель - найти вид функций j и y в приведенных формулах преобразования. Чтобы это сделать, обратимся к так называемым основным, исходным для нас, соотношениям, которые мы сейчас сформулируем.
Рассмотрим три следующих мгновенных точечных события. Опишем их сначала в системе отсчета К. Пусть в точке x1 оси x в момент t1 мгновенно был испущен короткий световой импульс в положительном направлении оси x. Пусть в момент времени t2 этот импульс оказался в точке x2 оси x, в которой он зеркально отразился и стал двигаться в отрицательном направлении оси x. Пусть, наконец, в момент времени t3 этот световой импульс снова оказался в исходной точке, так что x3 = x1.
Посмотрим теперь на три указанных мгновенных точечных события с точки зрения системы отсчета K'. Мы увидим, что в точке x1' в момент времени t' был испущен в положительном направлении оси x' короткий световой импульс, который в момент времени t2' достиг точки x2', отразился в ней и в момент времени t3' оказался в точке x3', причем теперь x3' ¹ x1'.
Согласно описанным выше процедурам построения полей времени в системах отсчета K и K' имеем следующие очевидные соотношения в системе отсчета K:
и в системе отсчета K':
Точка x1 = x3 на оси x системы отсчета K движется со скоростью u в отрицательном направлении оси x', если ее наблюдать в системе отсчета K'.
Мы сформулировали шесть основных соотношений, исходя из которых мы теперь найдем вид функций j и y.
Нахождение функции j. Составим функциональное уравнение для определения функции j. Представим три соотношения для системы отсчета K в следующем виде:
Вычитая первое соотношение из третьего, получаем
Используя второе соотношение, отсюда приходим к равенству
Следовательно,
или
Таким образом, видим, что функция j удовлетворяет следующему функциональному уравнению:
В этом уравнении величины x1, t1, x2, t2, x3, t3, однако, не независимы, а связаны нашими основными соотношениями для системы отсчета K. Учтем наличие этих соотношений и оставим независимыми только следующие три величины: x1, x2 и t1. Величины x3, t2 и t3 можно выразить через указанные независимые величины. Действительно, из первого соотношения получаем
следовательно,
Далее, из второго соотношения имеем
а следовательно,
мы воспользовались выражением для t2 и условием x3 = x1.
Таким образом, получаем следующее окончательное функциональное уравнение для определения функции j:
которое должно выполняться для произвольных значений x1, x2 и t1.
Приступим к решению полученного функционального уравнения. Начнем с того, что продифференцируем это уравнение по x2. Получим тогда соотношение, которое будем называть продифференцированным функциональным уравнением
на общую двойку можно сократить все три слагаемые (производная от последнего, третьего слагаемого в исходном функциональном уравнении равна нулю, так как оно не зависит от ). В полученном дифференциальном уравнении положим теперь и . Тогда придем к следующему дифференциальному уравнению:
Общее решение полученного очень простого дифференциального уравнения легко найти, если перейти к переменным и и показать, что в новых переменных это уравнение имеет вид
Так получаем, что общее решение рассматриваемого дифференциального уравнения имеет вид
где F — пока произвольная функция.
Найдем вид этой функции. Для этого подставим полученную формулу для в наше дифференциальное функциональное уравнение. Получим тогда следующее функциональное уравнение:
После элементарных алгебраических преобразований, отсюда получаем, что
или
Так как при произвольных аргументы функций в правой и левой частях равенства различны и могут принимать совершенно произвольные значения, то приходим к заключению, что
а следовательно,
где — некоторые постоянные, которые нам еще предстоит найти.
Итак, мы показали, что исходная функция имеет следующий вид:
где — некоторые пока не определенные постоянные.
Нахождение функции . Найдем теперь аналогичным образом функцию . Три основных соотношения для системы отсчета представим в виде:
Вычитывая первое соотношение из третьего и сравнивая результат со вторым соотношением, получаем уравнение
т.е. уравнение
Видим, что функция удовлетворяет следующему функциональному уравнению:
в котором величины не независимые, а связаны нашими основными соотношениями для системы отсчета К. Используя эти соотношения, оставим независимыми только следующие три величины и . Величины и выразим через указанные величины:
Таким образом, приходим к следующему основному функциональному уравнению для искомой функции:
которое выполняется при произвольных значениях и .
Приступим к решению полученного функционального уравнения. Начнем с того, что продифференцируем его по :
производная последнего, третьего слагаемого в исходном функциональном уравнении равна нулю, так как оно не зависит от . Положим теперь в выведенном уравнении,
и тогда придем к дифференциальному уравнению
или уравнение
Легко найти общее решение последнего дифференциального уравнения. Для этого надо перейти только к новым независимым переменным
и показать, что в новых переменных уравнение имеет вид
Таким образом получаем общее решение нашего дифференциального уравнения:
в котором — пока произвольная функция.
Найдем вид этой функции. Подставим полученное выражение для функции в продифференцированное функциональное уравнение. Получим тогда соотношение
или соотношение
Так как аргументы у функций в правой и левой частях равенства при произвольных значениях
и совершенно произвольны, то получаем, что
а следовательно,
где — пока неопределенные постоянные.
Определение констант . Мы получили, что формулы преобразований координат и времен произвольного мгновенного точечного события в инерциальных системах отсчета и имеют вид
Для нахождения констант привлечем дополнительное требование.
Требование 1. Предположим, что общие начала отсчета координат и времени в системах отсчета K и согласованы таким образом, что мгновенное точечное событие с координатами 0,0 в системе отсчета K имеет в системе отсчета координаты 0,0 ( тоже нулевые координаты),и наоборот.
Применяя вышеприведенные формулы преобразования к событию 0,0 получаем, что и поэтому формулы преобразования координат мгновенно точечного события приобретают следующий вид:
Теперь неопределенными остались только константы и .
Учтем теперь то обстоятельство, что формулы преобразования мы получили как следствия наших шести основных соотношений. Подставим поэтому полученные простые формулы обратно в эти исходные основные соотношения и установим ограничения на значения констант и . Имеем:
Таким образом, приходим к заключению, что константы и равны друг другу:
и поэтому формулы преобразования координат мгновенного точечного события имеют следующий вид:
где — пока что неопределенная постоянная.
Разрешим теперь эти формулы преобразования относительно и . Имеем уравнения
Следовательно,
и поэтому
Полученные формулы сопоставим с формулами преобразования:
которые получаются с помощью рассуждений, совершенно аналогичных приведенным выше, но с заменой систем отсчета K и друг на друга. Следует при этом только учесть, что система отсчета K движется относительно системы отсчета не в положительном, а в отрицательном направлении оси с некоторой положительной скоростью (положительной), определенной в системе отсчета K . Здесь — некоторое пока неизвестное нам число.
Сравнивая друг с другом приведённые пары формул преобразований, приходим к заключению, что имеют место следующие четыре равенства:
из которых непосредственно заключаем, что