Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
Tentamen (uitwerkingen)

(Oxford) Solutions for B2: Symmetry and Relativity,

Beoordeling
4.4
(13)
Verkocht
14
Pagina's
62
Geüpload op
19-11-2017
Geschreven in
2016/2017

These LaTeX notes contain full solutions to the problems from the past papers for the Part B MPhys examination in B2: Symmetry and Relativity. Features colour images of diagrams, as well as full explanations of the steps taken.

Meer zien Lees minder
Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

B2: Uno
cial Past Paper Solutions (2011-2016)
Toby Adkins


November 21, 2017




Disclaimer: These solutions are produced for student use, and have no connection to the
department what-so-ever. As such, they cannot be guaranteed to be correct, nor have any
bearing on the actual mark schemes that were used in the exams. Furthermore, they are
almost literally word for word my practise solutions, so they are far from 'model' solu-
tions. The formatting may suer somewhat as a result. As to the question of why I typed
them, as supposed to just scanning my solutions; anyone that knows me personally will
attest to the dire state of my handwriting. For queries and corrections, please email me at


2011
Question 1
Proper time - The time as de
ned by a clock following the coordinate of a particular object.
In terms of the metric:
Z
1 p
τ= −gµν dxµ dxν
c
Rapidity - De
ned as
β = tanh ρ, γ = cosh ρ

Proper acceleration - The rate of change of the velocity of an object as measured in its
instantaneous rest frame.

Consider the four acceleration:
dU d
U̇ = = (γ(c, u))
dτ dτ
Now,
dγ dt dγ dγ dγ du dγ
= =γ =γ · = γa ·
dτ dτ dt dt du dt du
Now,
dγ γ3u
= 2
du c
dγ u·a
= γ3 3
dt c
Thus,
u · a u·a 2 
U̇ = γ 2 γ2, γ u + a
c2 c2

1

,Toby Adkins B2 Past Papers


Equating invariants, we have that
γ6
a20 = γ 4 a2 + (u · a)2
c2
Now,
(u · a)2 = u2 a2 − (u × a)2

such that
(u × a)2
 
a20 62
=γ a −
c2

If the acceleration is in the same direction as the motion of the object, u × a = 0. Thus,
a0
a0 = γ 3 a2 −→ a=
γ2
as required.

Now,
dβ dρ d 1 dρ 1 dρ
= (tanh ρ) = 2 dτ = γ 2 dτ
dτ dτ dρ cosh ρ
dβ dβ γa a0
=γ = = 2
dτ dτ c γ c
Equating these two expressions, it follows that
dρ a0 a0 τ
= ←→ ρ=
dτ c c
This means that rapidity is Lorentz invariant (a0 , c and τ are all themselves invariant),
and that it is additive for velocities along a straight line. This makes it quite useful in
calculations treating proper motion.
dM
= −αM

We want to
nd the proper acceleration. By the conservation of momentum in the instan-
taneous rest frame of the rocket:
M dv = −cdM = αcM dt

such that a0 = αc, ρ = ατ . In terms of the proper time, the speed is given by
β = tanh ρ = tanh ατ

However, we need to
nd this in terms of the coordinate time t:
Z Z
1
t= dτ γ = dτ cosh ατ = sinh ατ
α
so
αt
tanh ατ =
c



2

,Toby Adkins B2 Past Papers


Thus,
αt v αt
β=p −→ =p
1 − β2 c 1 + (αt)2
In the second case, we are considering a photon powered rocket. In the rest frame of the
launchpad, the photons have 4-vectors:
 
1
dP = αM0 cdt
1
In the rest frame of the rocket,
 
0 γ(1 − β)
dP = ΛdP = αM0 cdt
γ(1 − β)
The three momentum delivered to the rocket in its rest frame is
dp0 dt dt
= 2αM0 c γ(1 − β) = M0 a0 −→ a0 = 2αc γ(1 − β)
dτ dτ dτ
Doppler shift due to photons:
s
dt 1−β
=
dτ 1+β
such that
 
1−β
a0 = 2αc
1+β
As β → 1, a0 → 0, meaning that the
rst spacecraft will clearly catch it up.

Question 2
Adopt the metric ηµν = diag(−1, 1, 1, 1). Then, consider the 4-momenta in the CM frame
(c ≡ 1):
P00 = (m0 , 0)
P01 = (E10 , p0 )
P02 = (E20 , −p0 )
By the conservation of 4-momentum,
P00 = P01 + P02
(P00 − P01 )2 = P202
−m20 − m21 − 2P00 · P01 = −m22
−m20 − m21 − 2(−m0 E10 ) = −m22
m20 + m21 − m22
→ E10 =
2m0
Consider E10 = m21 + p02 :
p

E12 = m21 + p2
p2 = E12 − m21
(m20 + m21 − m22 )2 − 4m21 m20
=
4m20
1 1/2
→p= (m21 + m22 − m20 )2 − 4m21 m22
2m0

3

, Toby Adkins B2 Past Papers


The Lorentz factor is given by
E0
γ=
m0
so
s  2
m0
β= 1−
E0

In the CM frame, the second decay product has:
m20 + m22 − m21
E20 =
2m0
1 1/2
p0 = (m21 + m22 − m20 )2 − 4m21 m22
2m0
This means that the lab frame quantities are given by:
     0
E γ βγ 0 0 E
px  βγ γ 0 0  p0x 
 =
0 1 0  p0y 
 
py   0
0 0 0 0 1 0

where - without loss of generality - we have assumed that the decay product occurs in a
plane. So:
E = γ(E 0 + βp0x )
px = γ(p0x + βE 0 )
py = p0y

Note that we have assumed that the original particle moves along the x-axis.
• Parallel decay, p0y = 0:

px = γ(p0 + βE 0 )
E = γ(E 0 + βp0 )

If the second particle is approximately massless,
1 1/2 m21 − m20
p0 ≈ (m21 − m20 )2 =
2m0 2m0

• Perpendicular decay, p0x = 0:

py = p0
px = βγE 0
E = γE 0

This means that the decay product is emitted at an angle of
p0
   
−1 py −1
θ = tan = tan
px βγE 0




4

Geschreven voor

Instelling
Studie
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
19 november 2017
Bestand laatst geupdate op
23 november 2017
Aantal pagina's
62
Geschreven in
2016/2017
Type
Tentamen (uitwerkingen)
Bevat
Onbekend

Onderwerpen

$10.34
Krijg toegang tot het volledige document:
Gekocht door 14 studenten

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF


Ook beschikbaar in voordeelbundel

Beoordelingen van geverifieerde kopers

7 van 13 beoordelingen worden weergegeven
1 jaar geleden

2 jaar geleden

5 jaar geleden

6 jaar geleden

7 jaar geleden

7 jaar geleden

7 jaar geleden

4.4

13 beoordelingen

5
6
4
6
3
1
2
0
1
0
Betrouwbare reviews op Stuvia

Alle beoordelingen zijn geschreven door echte Stuvia-gebruikers na geverifieerde aankopen.

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
De reputatie van een verkoper is gebaseerd op het aantal documenten dat iemand tegen betaling verkocht heeft en de beoordelingen die voor die items ontvangen zijn. Er zijn drie niveau’s te onderscheiden: brons, zilver en goud. Hoe beter de reputatie, hoe meer de kwaliteit van zijn of haar werk te vertrouwen is.
Physycola Oxford University
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
243
Lid sinds
8 jaar
Aantal volgers
162
Documenten
6
Laatst verkocht
1 maand geleden

Currently studying for a Master\\\\\\\'s in Mathematical and Theoretical Physics at Oxford University, after having undergone the first three years of the MPhys course.

4.5

97 beoordelingen

5
56
4
29
3
12
2
0
1
0

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen