中学生が解くロ−レンツ変換の問題の解答
その1) 縦軸の傾き
図のように補助線A−Bとa−bを書く
三角形AOBとaObが合同であることを証明する.
図より∠aOC=∠R/2-∠aOb かつ∠AOC=∠R/2-∠AOBである。
線Oaと線OAは線対称であるから∠aOC=∠AOCである。よって∠R/2-∠aOC=∠R/2-∠AOCであるから∠aOb=∠AOBである。
よって三角形AOBとaObは二つの角が等しく,線OB=Obであるから合同である。
定義により線ABの長さはV/Cである。よって対応する線abも長さはV/Cである。よって点aの座標は(V/C、1)である。よって線Oaの傾きは1/(V/C)=C/Vである。
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その2)X”/C、t”を求める。
見づらいので変数をX、Yに置きかえる。
点(x0,y0)を通り傾きAの直線は(Y−y0)=A(X−x0)と表せるのでt”を求める場合はx0、y0を各々t,x/Cに置き換え、AをC/Vに置き換えて
(Y−x/C)=(C/V)(X−t)とする。求めるt”はY=0の時のXの値だから(0−x/C)=(C/V)(t”−t)として解けば良い。
−xV/C2=t”−tを経てt”=t−xV/C2が得られる。
x”/Cを求める場合でもx0、y0を各々t,x/Cに置き換え、AをV/Cに置き換えて
(Y−x/C)=(V/C)(X−t)とする。求めるx”/CはX=0の時のYの値だから(x”/C−x/C)=(V/C)(−t)として解けば良い。X”=X−Vtが得られる。
証明終わり 中学生が解くロ−レンツ変換に戻る
その3) 相似の証明
図には2組の平行線がある。よって平行線の定理から図の3個の角度は全て等しい。(もっと厳密な証明は読者に任す)。
またその1)から原点での三角形の角度は等しい。よって三角形のふたつの角度が等しいから相似である。
証明終わり 中学生が解くロ−レンツ変換に戻る
その4)Kの値を求める。
(1) X’=K(X−Vt)
(2) t’=K(t-XV/C2)
(3) X=K(X’+Vt’)
(4) t=K(t’+X’V/C2)
この内任意の3個を使えばKの値が出る。とりあえず(1)(2)(3)を使用するが他の組み合わせも試していただきたい。
(3)に(1)(2)を代入すると
右辺=K(X'+Vt')=K2{(X−Vt)+V(t-XV/C2)}=K2X(1−V2/C2)
よってB式が成り立つにはK2(1−V2/C2)=1となるしかない。K>0であるからK=1/√(1−V2/C2)となる。
証明終わり