Задача 11-3 — решение

Решение

Республиканская олимпиада 2012 11 класс № 3

Запишем уравнения законов сохранения импульса и энергии для снаряда и пушки

Здесь

- энергия сжатой пружины, которая одинакова при выстреле из закрепленной и незакрепленной пушки.
Разделив оба уравнения на массу пушки получим

Подставляя выражения для скорости отдачи из первого уравнения во второе, найдем искомую скорость снаряда

1.2 Если

мало, то для скорости наряда можно записать

Тогда относительное изменение скорости снаряда определяется выражением

1.3 Потеря энергии снаряда равна кинетической энергии, приобретаемой стволом при отдаче

Следовательно, относительное изменение энергии фотона в следствие отдачи равно

При малых

можно пренебречь этой малой величиной в знаменателе, тогда

1.4 Законы сохранения импульса и энергии в данном случае выражаются уравнениями

Выражая из уравнения (9) и подставляя в уравнение (10), получим

Для упрощения алгебраических выкладок разделим на это уравнение на :

Используя предложенные параметры, получаем простое квадратное уравнение:

положительное решение которого

.возвращаясь к обычным единицам, получим

В релятивистском подходе систему уравнений законов сохранения импульса и энергии имеет вид

где . - энергия и импульс, приобретенные ядром. Она связанна с импульсом ядра соотношением

Выражая из системы (15) импульс и энергию ядра и подставляя в уравнение (16), получим

Как и ранее разделим это уравнение на и используем относительные единицы, в результате чего получим квадратное уравнение:

Решение этого уравнение не сложно

1.5 При относительное изменение энергии гамма-кванта также будет малым. Поэтому приближенные выражения можно получить непосредственно из уравнений для величины . Так из уравнения (12) следует:

А из уравнения (18) получим

Как следует из полученных формул, в первом приближении оба подхода дают одинаковые результаты.

1.6 Энергия покоя ядра равна

$э В$

Следовательно, введенный параметр равен

Что значительно меньше 1, поэтому классическое приближение вполне применимо. Энергия отдачи в соответствии с формулой (19) равна

$м с$

1.7 Относительный сдвиг энергии гамма кванта равен .

1.8 Энергия гамма кванта должна быть больше, чем , так как часть энергии кванта перейдет в кинетическую энергию движения ядра. Запишем уравнения законов сохранения импульса и энергии, при условии, что гамма-квант поглотился

Так как разность энергий является малой, то эти уравнения модно решать приближенно (и быстро):

Таким образом, относительный сдвиг, который приведет к поглощению гамма-кванта, равен сдвигу при отдаче, только направлен в другую сторону (в сторону увеличения частоты).

2.1 Если источник движется, то длина испущенной волны уменьшится на расстояние, которой проходит источник за один период волны. Следовательно, длина волны, испущенной движущимся источником, будет равна

Переходя к частотам волны, получим

Откуда следует, что частота и ее относительный сдвиг (при скоростях источника, значительно меньше скорости волны) определяются по формулам

Примечания

3. Здесь и далее речь идет о массе покоя, с современной точки зрения нет смысла говорить о массе движущегося тела. 4 В ядерной физике энергию принято измерять в Эв (электронвольтах) . 1Эв – энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 вольт. ↩

← Подсказки Режим тренировки →

Решение

Примечания

Похожие задачи