Edits to “Элементарный подход”, “Неэлементарный подход”
ru/14.1.4.md
+9 −9
| ### Условие | |||
| $14.1.4^*.$ По наблюдениям с Земли свет далекой звезды падает на Землю под углом $\alpha$ к направлению ее движения, когда Земля приближается к звезде с наибольшей скоростью. На сколько изменится этот угол, когда скорость Земли изменит свое направление на противоположное? | |||
|  | |||
| ### Решение | |||
| Явление изменения направления света при переходе от одной системы отсчета к другой называется оберрацией света [1, 2]. | |||
| #### Элементарный подход | |||
| Посчитаем неподвижной систему $K$, связанную с Землей, при приближении Земли к звезде (ситуация на рисунке). Ось $x$ этой системы направим против скорости $v$ Земли, ось $y$ — вниз (см. рисунок). | |||
| Подвижной системой $K'$ назовем систему, связанную с Землей, когда она летит со скоростью $-v$. Ее оси направлены так же, как и у неподвижной. | |||
| @@ -19,14 +19,14 @@Элементарный подход | |||
| Считаем, что Солнце не движется относительно звезды, $v=30~\text{км/ч}$ есть скорость Земли относительно Солнца. По закону сложения скоростей в теории относительности [3]: | |||
| $$ | |||
| − | с\cos\alpha=\frac{с\cos\beta+2v}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}, | ||
| − | % | ||
| − | с\sin\alpha=\frac{с\sin\beta}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}. | ||
| + | с\cos\alpha=\frac{с\cos\beta+2v}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}, | ||
| + | \quad | ||
| + | с\sin\alpha=\frac{с\sin\beta\sqrt{1-4\frac{v^2}{c^2}}}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}. | ||
| $$ | |||
| где $c$ есть скорость света, $\beta$ есть угол падения света в системе $K'$. | |||
| − | Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$ | ||
| + | Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$. С учетом $k=v/c\ll1$ продолжим с точностью до малых первого порядка: $\sqrt{1-4v^2/c^2}\approx1$. Получаем | ||
| $$ | |||
| \cos\alpha=\frac{\cos\beta+2k}{1+2k\cos\beta},\quad | |||
| % | |||
| \sin\alpha=\frac{\sin\beta}{1+2k\cos\beta}. | |||
| $$ | |||
| Делим эти уравнения друг на друга и избавляемся от знаменателей: | |||
| $$ | |||
| \sin\alpha\cos\beta+2k\sin\alpha=\sin\beta\cos\alpha. | |||
| $$ | |||
| Знаем из тригонометрии, что $\sin(\beta-\alpha)=\sin\beta\cos\alpha-\sin\alpha\cos\beta$, поэтому переписываем предыдущее: | |||
| $$ | |||
| \sin(\beta-\alpha)=2k\sin\alpha. | |||
| $$ | |||
| Искомый угол $\Delta=\beta-\alpha$, так что: | |||
| $$ | |||
| @@ -52,7 +52,7 @@Элементарный подход | |||
| \sin\Delta=2k\sin\alpha. | |||
| $$ | |||
| − | |||
| + | Правая часть мала, поэтому | ||
| $$ | |||
| \boxed{\Delta=2\frac{v}{c}\sin\alpha.} | |||
| $$ | |||
| Получен ответ в элементарной форме. | |||
| #### Неэлементарный подход | |||
| Однако, решение можно задумать через тангенсы, причем половинного угла [4, 5]. | |||
| Сначала для удобства переобозначим системы отсчета. | |||
| Посчитаем неподвижной(!) систему $K'$, связанную с Землей, при удалении(!) Земли от звезды. | |||
| Подвижной(!) системой $K$ назовем систему, связанную с Землей, когда она приближается(!) к звезде. Оси систем направлены так же, как и в прошлый раз. | |||
| @@ -74,17 +74,17 @@Неэлементарный подход | |||
| Тогда релятивистское сложение скоростей запишем так: | |||
| $$ | |||
| − | с\cos\beta=\frac{с\cos\alpha-2v}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}, | ||
| − | % | ||
| − | с\sin\beta=\frac{с\sin\alpha}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}. | ||
| + | с\cos\beta=\frac{с\cos\alpha-2v}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}, | ||
| + | \quad | ||
| + | с\sin\beta=\frac{с\sin\alpha\sqrt{1-4\frac{v^2}{c^2}}}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}. | ||
| $$ | |||
| Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$: | |||
| $$ | |||
| \cos\beta=\frac{\cos\alpha-2k}{1-2k\cos\alpha},\quad | |||
| % | |||
| − | \sin\beta=\frac{\sin\alpha}{1-2k\cos\alpha}. | ||
| + | \sin\beta=\frac{\sin\alpha\sqrt{1-4k^2}}{1-2k\cos\alpha}. | ||
| $$ | |||
| Для тангенса половинного угла | |||
| $$ | |||
| \tan\frac{\alpha}{2} | |||
| $$ | |||
| #### Литература | |||
| [1] [Аберрация света.](https://ru.wikipedia.org/wiki/Аберрация_света). ru.wikipedia.org. | |||
| [2] Б. Н. Гиммельфарб, “К объяснению аберрации звёзд в теории относительности”, УФН, 51:1 (1953), 99–114. | |||
| [3] Л. Ландау и Е. Лифшиц, Теория поля, Гостехиздат, 1948, § 5. | |||
| [4] [Aberration](https://de.wikipedia.org/wiki/Aberration_(Astronomie)#Herleitung). de.wikipedia.org. | |||
| [5] Паули В. Теория относительности. 1991. C. 38. | |||
| #### Ответ | |||
| [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | |||
| unchanged lines 26 | |||
| ### Условие | ### Условие | ||
| $14.1.4^*.$ По наблюдениям с Земли свет далекой звезды падает на Землю под углом $\alpha$ к направлению ее движения, когда Земля приближается к звезде с наибольшей скоростью. На сколько изменится этот угол, когда скорость Земли изменит свое направление на противоположное? | $14.1.4^*.$ По наблюдениям с Земли свет далекой звезды падает на Землю под углом $\alpha$ к направлению ее движения, когда Земля приближается к звезде с наибольшей скоростью. На сколько изменится этот угол, когда скорость Земли изменит свое направление на противоположное? | ||
|  |  | ||
| ### Решение | ### Решение | ||
| Явление изменения направления света при переходе от одной системы отсчета к другой называется оберрацией света [1, 2]. | Явление изменения направления света при переходе от одной системы отсчета к другой называется оберрацией света [1, 2]. | ||
| #### Элементарный подход | #### Элементарный подход | ||
| Посчитаем неподвижной систему $K$, связанную с Землей, при приближении Земли к звезде (ситуация на рисунке). Ось $x$ этой системы направим против скорости $v$ Земли, ось $y$ — вниз (см. рисунок). | Посчитаем неподвижной систему $K$, связанную с Землей, при приближении Земли к звезде (ситуация на рисунке). Ось $x$ этой системы направим против скорости $v$ Земли, ось $y$ — вниз (см. рисунок). | ||
| Подвижной системой $K'$ назовем систему, связанную с Землей, когда она летит со скоростью $-v$. Ее оси направлены так же, как и у неподвижной. | Подвижной системой $K'$ назовем систему, связанную с Землей, когда она летит со скоростью $-v$. Ее оси направлены так же, как и у неподвижной. | ||
| @@ -19,14 +19,14 @@Элементарный подход | |||
| Считаем, что Солнце не движется относительно звезды, $v=30~\text{км/ч}$ есть скорость Земли относительно Солнца. По закону сложения скоростей в теории относительности [3]: | Считаем, что Солнце не движется относительно звезды, $v=30~\text{км/ч}$ есть скорость Земли относительно Солнца. По закону сложения скоростей в теории относительности [3]: | ||
| $$ | $$ | ||
| с\cos\alpha=\frac{с\cos\beta+2v}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}, |
с\cos\alpha=\frac{с\cos\beta+2v}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}, | ||
| % | \quad | ||
| с\sin\alpha=\frac{с\sin\beta}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}. | с\sin\alpha=\frac{с\sin\beta\sqrt{1-4\frac{v^2}{c^2}}}{1+\frac{c\cos\beta2v}{c^2}}. | ||
| $$ | $$ | ||
| где $c$ есть скорость света, $\beta$ есть угол падения света в системе $K'$. | где $c$ есть скорость света, $\beta$ есть угол падения света в системе $K'$. | ||
| Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$ |
Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$. С учетом $k=v/c\ll1$ продолжим с точностью до малых первого порядка: $\sqrt{1-4v^2/c^2}\approx1$. Получаем | ||
| $$ | $$ | ||
| \cos\alpha=\frac{\cos\beta+2k}{1+2k\cos\beta},\quad | \cos\alpha=\frac{\cos\beta+2k}{1+2k\cos\beta},\quad | ||
| % | % | ||
| \sin\alpha=\frac{\sin\beta}{1+2k\cos\beta}. | \sin\alpha=\frac{\sin\beta}{1+2k\cos\beta}. | ||
| $$ | $$ | ||
| Делим эти уравнения друг на друга и избавляемся от знаменателей: | Делим эти уравнения друг на друга и избавляемся от знаменателей: | ||
| $$ | $$ | ||
| \sin\alpha\cos\beta+2k\sin\alpha=\sin\beta\cos\alpha. | \sin\alpha\cos\beta+2k\sin\alpha=\sin\beta\cos\alpha. | ||
| $$ | $$ | ||
| Знаем из тригонометрии, что $\sin(\beta-\alpha)=\sin\beta\cos\alpha-\sin\alpha\cos\beta$, поэтому переписываем предыдущее: | Знаем из тригонометрии, что $\sin(\beta-\alpha)=\sin\beta\cos\alpha-\sin\alpha\cos\beta$, поэтому переписываем предыдущее: | ||
| $$ | $$ | ||
| \sin(\beta-\alpha)=2k\sin\alpha. | \sin(\beta-\alpha)=2k\sin\alpha. | ||
| $$ | $$ | ||
| Искомый угол $\Delta=\beta-\alpha$, так что: | Искомый угол $\Delta=\beta-\alpha$, так что: | ||
| $$ | $$ | ||
| @@ -52,7 +52,7 @@Элементарный подход | |||
| \sin\Delta=2k\sin\alpha. | \sin\Delta=2k\sin\alpha. | ||
| $$ | $$ | ||
| Правая часть мала, поэтому | |||
| $$ | $$ | ||
| \boxed{\Delta=2\frac{v}{c}\sin\alpha.} | \boxed{\Delta=2\frac{v}{c}\sin\alpha.} | ||
| $$ | $$ | ||
| Получен ответ в элементарной форме. | Получен ответ в элементарной форме. | ||
| #### Неэлементарный подход | #### Неэлементарный подход | ||
| Однако, решение можно задумать через тангенсы, причем половинного угла [4, 5]. | Однако, решение можно задумать через тангенсы, причем половинного угла [4, 5]. | ||
| Сначала для удобства переобозначим системы отсчета. | Сначала для удобства переобозначим системы отсчета. | ||
| Посчитаем неподвижной(!) систему $K'$, связанную с Землей, при удалении(!) Земли от звезды. | Посчитаем неподвижной(!) систему $K'$, связанную с Землей, при удалении(!) Земли от звезды. | ||
| Подвижной(!) системой $K$ назовем систему, связанную с Землей, когда она приближается(!) к звезде. Оси систем направлены так же, как и в прошлый раз. | Подвижной(!) системой $K$ назовем систему, связанную с Землей, когда она приближается(!) к звезде. Оси систем направлены так же, как и в прошлый раз. | ||
| @@ -74,17 +74,17 @@Неэлементарный подход | |||
| Тогда релятивистское сложение скоростей запишем так: | Тогда релятивистское сложение скоростей запишем так: | ||
| $$ | $$ | ||
| с\cos\beta=\frac{с\cos\alpha-2v}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}, |
с\cos\beta=\frac{с\cos\alpha-2v}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}, | ||
| % | \quad | ||
| с\sin\beta=\frac{с\sin\alpha}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}. | с\sin\beta=\frac{с\sin\alpha\sqrt{1-4\frac{v^2}{c^2}}}{1-\frac{c\cos\alpha2v}{c^2}}. | ||
| $$ | $$ | ||
| Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$: | Делим обе части этих формул на $c$ и обозначаем $v/c=k$: | ||
| $$ | $$ | ||
| \cos\beta=\frac{\cos\alpha-2k}{1-2k\cos\alpha},\quad | \cos\beta=\frac{\cos\alpha-2k}{1-2k\cos\alpha},\quad | ||
| % | % | ||
| \sin\beta=\frac{\sin\alpha}{1-2k\cos\alpha}. | \sin\beta=\frac{\sin\alpha\sqrt{1-4k^2}}{1-2k\cos\alpha}. | ||
| $$ | $$ | ||
| Для тангенса половинного угла | Для тангенса половинного угла | ||
| $$ | $$ | ||
| \tan\frac{\alpha}{2} | \tan\frac{\alpha}{2} | ||
| $$ | $$ | ||
| #### Литература | #### Литература | ||
| [1] [Аберрация света.](https://ru.wikipedia.org/wiki/Аберрация_света). ru.wikipedia.org. | [1] [Аберрация света.](https://ru.wikipedia.org/wiki/Аберрация_света). ru.wikipedia.org. | ||
| [2] Б. Н. Гиммельфарб, “К объяснению аберрации звёзд в теории относительности”, УФН, 51:1 (1953), 99–114. | [2] Б. Н. Гиммельфарб, “К объяснению аберрации звёзд в теории относительности”, УФН, 51:1 (1953), 99–114. | ||
| [3] Л. Ландау и Е. Лифшиц, Теория поля, Гостехиздат, 1948, § 5. | [3] Л. Ландау и Е. Лифшиц, Теория поля, Гостехиздат, 1948, § 5. | ||
| [4] [Aberration](https://de.wikipedia.org/wiki/Aberration_(Astronomie)#Herleitung). de.wikipedia.org. | [4] [Aberration](https://de.wikipedia.org/wiki/Aberration_(Astronomie)#Herleitung). de.wikipedia.org. | ||
| [5] Паули В. Теория относительности. 1991. C. 38. | [5] Паули В. Теория относительности. 1991. C. 38. | ||
| #### Ответ | #### Ответ | ||
| [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | ||
| unchanged lines 26 | |||