Задача по физике СТО Задача СТО-1-16
Со спутника, находящегося на расстоянии L от Земли, испущен световой агнал на Землю. Найти время распространения светового сигнала от спутника до земли по часам ракеты, которая движется со скоростью v вдоль оси х. Ось х оставляет угол а с направлением спутник - Земля.

Предыдущий
вопрос Следующий
вопрос

Для решения задачи о времени распространения светового сигнала от спутника до Земли с учетом специальной теории относительности (СТО) и движения ракеты, необходимо учитывать как релативистские эффекты, так и геометрическую зависимость между координатами.

Условия задачи:( L ) — расстояние от спутника до Земли.( v ) — скорость ракеты.( a ) — угол между осью ( x ) и направлением от спутника к Земле.Шаг 1: Определение времени ( t )

Световой сигнал распространяется со скоростью ( c ) (скорость света) по прямой линии. В системе отсчета Земли время распространения сигнала можно найти, используя формулу:
[
t = \frac{L}{c}.
]

Шаг 2: Применение преобразования Лоренца

Поскольку ракета движется со скоростью ( v ), необходимо воспользоваться преобразованиями Лоренца для перехода к системе координат ракеты.

Время ( t' ), прошедшее по часам ракеты, связано с временем ( t ) (в системе отсчета Земли) через формулу:
[
t' = \gamma (t - \frac{vx}{c^2}),
]
где (\gamma) — фактор Лоренца:
[
\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}.
]

Здесь ( x ) — координата ракеты в момент, когда сигнал достигает Земли. Необходимо выразить ( x ).

Шаг 3: Определение координаты ( x )

Координата ( x ) ракеты (в системе координат Земли) на момент, когда сигнал достигает Земли, определяется как:
[
x = vt.
]

Шаг 4: Подстановка значений

Подставим ( t ) из уравнения времени распространения света в формулу для ( t' ):
[
t' = \gamma \left(\frac{L}{c} - \frac{v(v \cdot L/c)}{c^2}\right).
]
Где ( v \cdot L/c ) — это проекция скорости ракеты на направление распространения сигнала.

Шаг 5: Упрощение

Учитывая угол ( a ), проекция ( L ) на ось ( x ) равна:
[
L_x = L \cdot \cos(a).
]
Таким образом, выражение для времени станет:
[
t' = \gamma \left(\frac{L \cos(a)}{c} - \frac{v^2 \cdot \cos(a) \cdot \frac{L}{c}}{c^2}\right).
]
Упрощая данный выражение, получаем:
[
t' = \gamma \frac{L \cos(a)}{c} \left(1 - \frac{v^2}{c^2}\right).
]

Заключение

Финальная формула для времени распространения светового сигнала от спутника до Земли по часам ракеты выглядит следующим образом:
[
t' = \frac{L \cos(a)}{c \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}.
]

Эта формула позволяет вычислить время, прошедшее по часам ракеты, движущейся с относительной скоростью ( v ) относительно Земли.