1b) Schwarzschil-metrikken er iagonal, og vi har at g tt = 1, c = r, c ; g rr =, r r r r, =,1, r, ; g =,r ; g '' =,r sin : (9) At raielle baner eksist

Like dokumenter
Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

0 g = B, R M ,, R M , , q q jgj = jet(g )j = 2 sin 2 sin 2 C A Ette at vi ha iviet Klein{Goon-ligningen me p jgj se en ut som f

Løsningsforslag eksamen MAT111 Grunnkurs i Matematikk I høsten 2009

Eksamen i Ikkelineær dynamikk, fag TFY 4305 Onsdag 30. november 2005 Løsninger

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Grensesjikts approksimasjon. P.-Å. Krogstad

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Determinanter. Kapittel 6. Determinanter for 2 2-matriser. La oss beregne arealet av dette parallellogrammet. Vi tegner på noen hjelpelinjer:

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Torsdag 8. august 2002

Vekstrater og eksponentiell vekst ECON 2915 Vekst og næringsstruktur

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag. b) Hva er den totale admittansen til parallellkoblingen i figuren over? Oppgi både modul og fasevinkel.

x, og du dx = w dy (cosh u) = sinh u H sinh w H x = sinh w H x. dx = H w w > 0, så h har ikke flere lokale ekstremverdier.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 6. MgL + F B d. M + m

Lsningsforslag ved Klara Hveberg Lsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 6 I kapittel 6 minner oppgavene mer om de du er vant til fra skolemat

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

TFY4106 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

EKSAMEN Styring av romfartøy Fagkode: STE 6122

TFY4115 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 4. ) v 1 = p 2gL. S 1 m 1 g = L = 2m 1g ) S 1 = m 1 g + 2m 1 g = 3m 1 g.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 10.

EKSAMEN TMA4100 HØST 2014 LØSNINGSFORSLAG. du/dx = e x du = e x dx, Her har vi brukt analysens fundamentalteorem til å derivere telleren.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Oppgaver og fasit til seksjon

Løsningsforslag Eksamen 9. desember 2006 TFY4250 Atom- og molekylfysikk /FY2045 Kvantefysikk

(coshu) = sinhudu. dx. Her har vi at u = w Hx, og du dx = w dy. dx = H w w. H sinh w H x = sinh w H x.

Teknisk appendiks ECON 2915 Vekst og næringsstruktur

Løsningsforslag til øving 14

Lsningsforslag ved Klara Hveberg Lsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 7 I seksjon 7.1 og 7.2 lrer du a lse oppgaver hvor det kan lnne seg a

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 6.

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Anbefalte oppgaver uke 36

Q = π 4 D2 V = π 4 (0.1)2 0.5 m 3 /s = m 3 /s = 3.93 l/s Pa

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i AST1100, høsten 2013

TFY4104 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

c) etingelsen fo at det elektiske feltet E e otasjonsinvaiant om x-aksen e, med E og ee som denet ovenfo, at e E = E. Dette skal gjelde fo en vilkalig

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 19/8 2016

Logaritmer og eksponentialfunksjoner

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

Prosjekt 2 - Introduksjon til Vitenskapelige Beregninger

1T kapittel 1 Tall og algebra Løsninger til innlæringsoppgavene

E, B. q m. TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 12.

til eksamen i SIF5036 Matematisk modellering 14. desember 2002.

Litt mer om kjeglesnitt og Keplers lover om planetbanene

Løsningsforslag til øving 3

TFY4106 Fysikk Lsningsforslag til Eksamen 16. mai t= + t 2 = 2 ) exp( t=);

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Løsningsforslag Eksamen 6. august 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

ØVING 13. Oppgave 1 a) Løs oppgave 1a i Øving 2 gjengitt nedenfor ved å bruke kompleks representasjon.

Kraftelektronikk (Elkraft 2 høst), Løsningsforslag til øvingssett 3, høst 2005

1. Matteoppgaver til Kapittel 2. x i x yi y. (a + bxi ),

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

Keplers lover. Statikk og likevekt

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Torsdag 8. august 2013

FYSMEK1110 Eksamensverksted 31. Mai 2017 (basert på eksamen 2004, 2013, 2014, 2015,)

Løsningsforslag, Øving 10 MA0001 Brukerkurs i Matematikk A

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

1 dx cos 1 x =, 1 x 2 sammen med kjerneregelen for derivasjon. For å forenkle utregningen lar vi u = Vi regner først ut den deriverte til u,

Fysikkolympiaden Norsk finale 2019 Løsningsforslag

M1_01. Funksjonene f og g er definert ved f( x)= x 1. g( f( x)) er da lik. b ( x + 3) d ( x + 2) e x MA M1 Side 1

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Beregning av massesenter.

TFY4106 Fysikk Lsningsforslag til Eksamen 2. juni 2018

EKSAMEN I EMNE SIE4015 BØLGEFORPLANTNING EKSAMEN I FAG BØLGEFORPLANTNING LØRDAG/LAURDAG 19. MAI 2001 TID: KL

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

Vi har at ' 0 = 4ex +e 2x = 2 cosh x ; ' 00 = 2 sinh x cosh 2 x : Definer χ = arctan e x. Da har vi f.eks. at 2 sin χ cos χ sin(2χ) = cos 2 χ + sin 2

Kapittel 23 KURSREGNING, FORHOLD OG PROPORSJONER

jx + j < 7. Hvis vi i tillegg srger for at faktoren jx j < ", far vi 7 ialt jf(x) f()j = jx + jjx j < 7 " 7 = " Dette blir flgelig ofylt for alle x sl

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

UNIVERSITETET I OSLO

KORT INTRODUKSJON TIL TENSORER

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

R1 - Funksjoner 2. Løsningsskisser. Alle oppgaver skal gjøres ved regning! Oppgave 1. Oppgave 2. Kapittel

Foreta omskrivninger av den stedsderiverte av et produkt som forekommer i den vanlige formen:

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

EKSAMEN Løsningsforslag

d) Vi skal nne alle lsningene til dierensialligningen y 0 + y x = arctan x x pa intervallet (0; ). Den integrerende faktoren blir R x e dx = e ln x =

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

Fysikkolympiaden Norsk finale 2013

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 2.

Elektrisk potensial/potensiell energi

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Sivilingeniørutdanningen i Narvik Integrert Bygningsteknologi Høsten Løsningsforslag. Kontinuasjonseksamen 4. august 1998

II. Tegn rotkurvene som ligger pa den reelle aksen. For K 2 [0 +1 > ligger rotkurvene pa den reelle aksen til venstre for et ulike antall poler.

Avdeling for teknologi Sivilingeniørstudiet RT. Løsningsforslag til eksamen i STE6122 Styring av romfartøy Fredag

Elektrisk og Magnetisk felt

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS120 VÅR 2017

Transkript:

Eksamen i klassisk feltteori, fag 74 50, 8. esember 1998 Lsninger 1a) Vi antar at x +, x x =0; (1) og at c = g x x. Sa gjr vi en koorinattransformasjon x 7 ex,ogskal vise at ex + e, ex ex =0; () er c = eg ex ex. Ta enisjonsligningen for frst. Vi har at ex eg ex ex = x ex x ex g x x ex x x = g x x = c : () Vi har nemlig, for eksempel, at Sa til ligning (). Vi har at x ex ex x = x x = : (4) og at ex = ex x x ; (5) ex = ex x x + ex x x = x ex x x x + ex x x : (6) Sa har vi at e, ex ex = ex x x ex x ex,, x ex x ex ex ex x x ex = ex x,, ex x x x x : (7) Tilsammen gir et at ex + e, ex ex = ex x x +, x x =0: (8) Som vi skulle vise. 1

1b) Schwarzschil-metrikken er iagonal, og vi har at g tt = 1, c = r, c ; g rr =, r r r r, =,1, r, ; g =,r ; g '' =,r sin : (9) At raielle baner eksisterer, flger av bevegelsesligningene, men et flger ogsa mer generelt av at Schwarzschil-metrikken er rotasjonsinvariant. Hvis nemlig hastigheten er raiell ve ett tispunkt, ma en fortsette a vre raiell, en kan ikke skjre ut i noen ikkeraiell retning uten at et nnes noen pavirkning som bryter rotasjonsinvariansen. Eller sagt pa en litt mer matematisk mate. otasjonsinvarians impliserer bevaring av impulsmomentet (reieimpulsen) L, som er proporsjonal me r _r. Hvis hastigheten _r er raiell ve ett tispunkt, sa erl =0ve ette tispunktet, og sien L er bevart, ma _r fortsette a vre raiell. Geoeseligningen for en raiell bane gir generelt at r +,r rr t +,t rr r r +, r tr +, t tr t t r t +,r tt = 0 ; r t +,t = 0 : (10) tt Sien en metriske tensoren g er iagonal, er g ogsa iagonal, og vi har at g tt = 1 g tt = r (r, )c ; grr = 1 g rr =, r, r g = 1 g =, 1 r ; g'' = 1 g '' =, 1 r sin : (11) ; Viere er g tt;r = r c ; g rr;r = (r, ) ; (1) og et gir at, t tt = 1 gtt g tt;t =0;, t tr = 1 gtt g tt;r = r(r, ) ;, t rr =,1 gtt g rr;t =0; (1), r =,1 (r, ) tt grr g tt;r = c ; r, r = 1 tr grr g rr;t =0;, r = 1 rr grr g rr;r =, r(r, ) : (14) Som var et vi skulle vise. Ligningen for t er t + r(r, ) t r =0: (15)

Sien =r 10,9 i Niarhallen, virker et ganske rimelig her a neglisjere et anre leet pa venstre sie, og altsa konstatere at me go tilnrming er t =0: (16) For a rettferiggjre ette mer eksplisitt, kan vi iviere ligning (15) me t= og erme skrive en som t 1 ln + r,, 1 r =0: (17) r Denne ligningen kan vi integrere sa vifar at t r, ln +ln = konstant : (18) r Her er (r, )=r = 1, me en nyaktighet pa 10,9, altsa kan vi regne at Ligningen for r er t =konstant : (19) r, r(r, ) r (r, ) + c r Eller, nar vi regner t= konstant og ivierer me (t=), r t, r(r, ) t =0: (0) r (r, ) + c =0: t r (1) Sa lenge hastigheten r=t er mye minre enn lyshastigheten c, kan vi neglisjere et miterste leet her, og vi far a at tyngens akselerasjon er g =, r (r, ) c t r r c = GM r = 8; 87 mm (660 km) c =9; 85 m/s : () a) Bevegelsesligningen for z er z s =, 1 c ;z 4 x0 s + kl x k s x l 5 z + s c s s : () Betingelsen for at z =0skal vre en lsning av en, er at ;z = z =0 (4) langs hele banen som lysstralen flger. En tilstrekkelig betingelse er f.eks. at ;z =0i hele planet z =0. Ligningen for x 0 kan skrives som s ln # x0 =, s c s : (5)

Den kan a integreres, og gir at x 0 s = Ke, c K 1, c ; (6) for en vilkarlig integrasjonskonstant K. Verien av K spiller ingen rolle, og vi kan f.eks. velge K = c. For et lyssignal gjeler at x x g s s = 1+ x 0, c 1, x j x k s c jk =0: (7) s s Innsatt ligning (6) me K = c gir et, til oren =c,at jk x j s Til oren =c gir et bevegelsesligningene x s y s x k s = c : (8) =, x + x c s =, y + y c s s ; s : (9) Om vi setter inn pa hyre sie her en prvelsning x = cs, y = y 0 =konstant, z =0, sa far vi ligningene x s y s =, x + c x x =0; s =, y : (0) Som kan sammenlignes me Newtons ligninger for en partikkel me lyshatigheten, er t er tien, x t y t =, x ; =, y : (1) Den vesentlige forskjellen er en faktor i akselerasjonen i y-retningen (akselerasjonen i x-retningen er i alle fall ubetyelig sammenlignet me hastigheten c). b) Dersom vi setter inn en tilnrmete lsningen x = cs, y = y 0 = konstant, z = 0, og potensialet GM =, p x + y + z ; y = GMy (x + y + z ) = GMy 0 ; () = (c s + y 0 ) = sa har ligning (0) flgene lsning for foranringen i y=s, y = y s s, y 1 GMy 0 s=1 s =, s =,4GM s=,1,1 (c s + y 0 ) = cy 0 : () 4

Avbyningsvinkelen er liten, og er lik y x = s s =, 4GM c y 0 : (4) Innsatt Jupiters masse og raius, M = M J =1; 90 10 7 kg og y 0 = r J =7; 19 10 7 m, far vi at jj =7; 85 10,8 =0; 016 00 : (5) ) Transformasjonen 7 e =e,i, me en reell konstant, gir at e =e,i ; e ; =e,i ; ; e =e i ; e ; =ei ; : (6) Setter vi inn e i steet for i Lagrange-tettheten L, far vi erme at L e = L. Men et impliserer at transformasjonen 7 e er en symmetri. En annen mate a se et samme pa, er a skrive opp Euler{Lagrange-ligningen L, x L ; =0: (7) Da ser vi (vi kan til og me se et av formen til Lagrange-tettheten, uten a skrive opp Euler{Lagrange-ligningen eksplisitt) at ligningen ikke inneholer, samtiig som en er en liner ierensialligning for. Men at en er liner, impliserer pr. enisjon at en er invariant uner 7 e =e,i me konstant. La na vre innitesimal, a er me e =e,i =(1, i) = +; e =e i =(1+i) = + ; (8) =,i ; =i : (9) Sien L er invariant, vs. at L = 0, har vi a, i flge Noethers teorem, at L + L x ; =0: (40) ; Som eksplisitt skrevet ut gir at,i x qjgj g ;, i q h A +i q jgj g ; +i q h A =0: (41) Vi kan iviere me, og a er ette kontinuitetsligningen j ; = 0, me j =,i qjgj g, i q ; h A, ; +i q h A : =,Im qjgj g ; +i q h A : (4) Dette kan vi sammenligne me en elektromagnetiske strmtettheten, enert som j em = L A =, q h j : (4) Vi ser at e to strmtetthetene er proporsjonale. Me anre or: invarians uner globale gauge-transformasjoner impliserer bevaring av elektrisk laning. 5

4a) Me V =4 =oga =4 er V W =, ln + A =, ln +4 +konstant ; (44) V0 0 er 0 er en eller annen konstant. Kurven for W () har flgene form, me vilkarlig skalering pa aksene: 5 0 15 W 10 5 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 Euler{Lagrange-ligningen blir: 0= L, t L _ =, +8, m : (45) 4b) Me (t) = 0 =konstant blir _ =0og =0,og for at bevegelsesligningen ovenfor skal oppfylles, ma a Som vil si at 0=W 0 ( 0 )=, 0 +8 0 : (46) s 0 = 8 : (47) 6

Sien Lagrange-funksjonen L ikke avhenger eksplisitt av tien t, er energien E = m _ + W = m _, ln +4 +konstant (48) 0 bevart. At E er konstant, vs. at E _ =0,flger forvrig irekte fra enisjonen og fra bevegelsesligningen. Sien E er konstant, sien _ 0, og essuten W () ser ut som i guren ovenfor, kan (t) bare variere mellom en nere og en vre grense. Bevegelsen er allti en oscillasjon omkring likevektsverien 0. Det betyr at likevektslsningen (t) = 0 er stabil: hvis vi perturberer en en liten smule, frer et bare til sma oscillasjoner omkring 0. Vel a merke, forelpig vet vi ingenting om hva som skjer ersom vi eformerer boblen pa en slik mate at en ikke lenger er kulesymmetrisk. 4c) Den oppgitte Lagrange-funksjonen er L = m + _ +ln, 4 + m 0 8, 1 Euler{Lagrange-ligningen for (t),, 1 sin L, t ser ut som flger:, 8 + m 4 8,m, m 8 t _, 4 t # _ t + # : (49) ' L _ =0; (50) _ # t, _ 4,4 1 t +4 _ # = 0 : (51) Eller, litt omskrevet, m, +8, m t 1 t, _ + _ t, _ # =0: (5) Vi kan forenkle litt viere ve a bruke at 1 =, _ t : (5) Da far vi at m, +8, m 1 t t, _ =0: (54) 7

For a nne Euler{Lagrange-ligningene for (; '; t) skriver vi me L = L 0 = 0 ' sin L 0 = ' L ; (55) 0 0 0 L = sin L ( 0 m = sin 8 _ + 4 ln, + m _, 4 0 8 t # _ t + +, 1, 1 #) : sin (56) ' Euler{Lagrange-ligningene for blir a: L, L, ' ; L, t ;' L =0: (57) ;t Som gir, helt eksplisitt, at m sin 8 # _,4 _ t +4 + +, sin m 8 sin t + sin ' t, 4 _ = 0 : (58) Etter litt opprying gir et at m 4 t,,, sin sin, sin =0: (59) ' 4) Lagrange-funksjonen er ikke eksplisitt avhengig av t, et gir at bevegelsesligningene er invariante uner tistranslasjon, og Noethers teorem gir at energien er bevart. Lagrange-funksjonen er heller ikke eksplisitt avhengig av ', et gir at bevegelsesligningene er invariante uner rotasjon om z-aksen, og Noethers teorem gir at impulsmomentet (reieimpulsen) om z-aksen er bevart. Men z-aksen er jo noksa tilfelig valgt, altsa har vi rotasjonsinvarians om en vilkarlig akse, og alle komponenter av impulsmomentet er bevart. En annen metoe for a resonnere seg fram til enne konklusjonen, er a si at en potensielle energien avhenger bare av volumet og arealet, som begge er rotasjonsinvariante. Diskrete symmetrier, som ikke gir noen bevaringslover ut fra Noethers teorem, er tisreversjonssymmetri (t 7,t) og paritetsinvarians (speilingssymmetri om planet z = 0, vs. at 7,, eller om en vil, speilingssymmetri om origo, vs. at 7,, ' 7 ' ). 4e) Nar (; '; t) = (t)(cos, 1) ; (60) 8

sa er =,6 cos sin ; ' =0; t = _ ( cos, 1) : (61) Det er a \bare a sette inn i Lagrange-funksjonen, ligning () i oppgaveteksten, og integrere. 4f) Euler{Lagrange-ligningen for :, 8 + m 5,m, m 5 t 4, 4,4 1 _ +4 = 0 : (6) Som kan omskrives slik: m, 8m 5 t _, _, +8 =0: (6) Og Euler{Lagrange-ligningen for : m _,4 5 +4, 64 5, m 5 t _, 4 _ =0: (64) Som kan omskrives slik: m, +16 =0: (65) Disse to ligningene for (t) og (t) gir en nvenig, men ikke uten viere tilstrkkelig, betingelse for at (; '; t) = (t)(cos, 1), sammen me (t), skal vre en lsning av et fulle settet ligninger. Det vi kan si, er at hvis et nnes en lsning av en formen vi har antatt, sa er virkningsintegralet ekstremalt for enne lsningen, og ersom virkningsintegralet er ekstremalt, sa ma ligningene (6) og (65) vre oppfylt. Men et er jo ikke uten viere noen grunn til at e fulle ligningene skal ha noen lsning av en formen som vi (tilsynelatene) har hentet rett ut av luften. For a stuere stabiliteten til lsningen (t) = 0, (t) =0,kan vi se pa sma avvik fra enne. Dvs. at vi antar at (t) = 0 + (t), er (t) er liten, og essuten at er liten. Vi far a flgene to ligninger: m + +8 = 0 ; 0 m +16 = 0 : (66) Som har oscillatoriske (og ikke eksponensielt voksene) lsninger. Det viser at sapeboblen er stabil mot kvarupoleformasjoner. 9