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/C=t”−tを経てt”=t−xV/C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。

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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。

 

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その4)Kの値を求める。

(1) X’=K(X−Vt)   

(2) t’=K(t-XV/C)  

 (3) X=K(X’+Vt’)   

 (4) t=K(t’+X’V/C) 

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')=2{(X−Vt)+V(t-XV/C2)}=K2X(1−V2/C2

よってB式が成り立つにはK(1−V/C)=1となるしかない。K>0であるからK=1/√(1−V/C)となる。

証明終わり

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