Physics For Scientists And Engineers 6E - part 320

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  318  319  320  321   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 320

 

 

Problems

1277

18. Two cards have straight edges. Suppose that the top edge

of one card crosses the bottom edge of another card at a
small angle, as in Figure Q39.18a. A person slides the cards
together  at  a  moderately  high  speed.  In  what  direction
does the intersection point of the edges move? Show that
it can move at a speed greater than the speed of light.

A  small  flashlight  is  suspended  in  a  horizontal  plane

and  set  into  rapid  rotation.  Show  that  the  spot  of  light  it
produces on a distant screen can move across the screen at
a speed greater than the speed of light. (If you use a laser
pointer,  as  in  Figure  Q39.18b,  make  sure  the  direct  laser
light cannot enter a person’s eyes.) Argue that these exper-
iments do not invalidate the principle that no material, no
energy,  and  no  information  can  move  faster  than  light
moves in a vacuum.

19. Describe how the results of Example 39.7 would change if,

instead  of  fast  space  vehicles,  two  ordinary  cars  were
approaching each other at highway speeds.

20. Two objects are identical except that one is hotter than the

other. Compare how they respond to identical forces.

21. With regard to reference frames, how does general relativ-

ity differ from special relativity?

22. Two identical clocks are in the same house, one upstairs in

a  bedroom,  and  the  other  downstairs  in  the  kitchen.
Which clock runs more slowly? Explain.

23. A  thought  experiment.  Imagine  ants  living  on  a  merry-

go-round turning at relativistic speed, which is their two-
dimensional world. From measurements on small circles
they  are  thoroughly  familiar  with  the  number  2.  When
they  measure  the  circumference  of  their  world,  and
divide  it  by  the  diameter,  they  expect  to  calculate  the
number  2 ! 3.141 59.  .  .  .  We  see  the  merry-go-round
turning at relativistic speed. From our point of view, the
ants’  measuring  rods  on  the  circumference  are  experi-
encing  length  contraction  in  the  tangential  direction;
hence  the  ants  will  need  some  extra  rods  to  fill  that
entire  distance.  The  rods  measuring  the  diameter,
however,  do  not  contract,  because  their  motion  is
perpendicular to their lengths. As a result, the computed
ratio does not agree with the number 2. If you were an
ant,  you  would  say  that  the  rest  of  the  universe  is
spinning  in  circles,  and  your  disk  is  stationary.  What
possible  explanation  can  you  then  give  for  the  discrep-
ancy, in light of the general theory of relativity?

(b)

(a)

Figure Q39.18

Section 39.1 The Principle of Galilean Relativity

1. A  2 000-kg  car  moving  at  20.0 m/s  collides  and  locks

together with a 1 500-kg car at rest at a stop sign. Show that
momentum  is  conserved  in  a  reference  frame  moving  at
10.0 m/s in the direction of the moving car.

2. A ball is thrown at 20.0 m/s inside a boxcar moving along

the  tracks  at  40.0 m/s.  What  is  the  speed  of  the  ball

relative  to  the  ground  if  the  ball  is  thrown  (a)  forward
(b) backward (c) out the side door?

In  a  laboratory  frame  of  reference,  an  observer  notes
that  Newton’s  second  law  is  valid.  Show  that  it  is  also
valid  for  an  observer  moving  at  a  constant  speed,  small
compared with the speed of light, relative to the labora-
tory frame.

3.

1

2

3

= straightforward, intermediate, challenging

= full solution available in the Student Solutions Manual and Study Guide

= coached solution with hints available at http://www.pse6.com

= computer useful in solving problem

= paired numerical and symbolic problems

P R O B L E M S

1278

C H A P T E R   3 9 •  Relativity

4.

Show that Newton’s second law is not valid in a reference
frame moving past the laboratory frame of Problem 3 with
a constant acceleration.

Section 39.2 The Michelson–Morley Experiment
Section 39.3 Einstein’s Principle of Relativity
Section 39.4 Consequences of the Special

Theory of Relativity

5. How  fast  must  a  meter  stick  be  moving  if  its  length  is

measured to shrink to 0.500 m?

6. At what speed does a clock move if it is measured to run at

a rate that is half the rate of a clock at rest with respect to
an observer?

7. An astronaut is traveling in a space vehicle that has a speed

of 0.500relative to the Earth. The astronaut measures her
pulse  rate  at  75.0  beats  per  minute.  Signals  generated  by
the astronaut’s pulse are radioed to Earth when the vehicle
is  moving  in  a  direction  perpendicular  to  the  line  that
connects  the  vehicle  with  an  observer  on  the  Earth.
(a) What  pulse  rate  does  the  Earth  observer  measure?
(b) What If? What would be the pulse rate if the speed of
the space vehicle were increased to 0.990c?

8.

An  astronomer  on  Earth  observes  a  meteoroid  in  the
southern sky approaching the Earth at a speed of 0.800c.
At  the  time  of  its  discovery  the  meteoroid  is  20.0 ly  from
the Earth. Calculate (a) the time interval required for the
meteoroid  to  reach  the  Earth  as  measured  by  the  Earth-
bound astronomer, (b) this time interval as measured by a
tourist on the meteoroid, and (c) the distance to the Earth
as measured by the tourist.
An  atomic  clock  moves  at  1 000 km/h  for  1.00 h  as  mea-
sured  by  an  identical  clock  on  the  Earth.  How  many
nanoseconds slow will the moving clock be compared with
the Earth clock, at the end of the 1.00-h interval?

10. A muon formed high in the Earth’s atmosphere travels at

speed  ! 0.990for  a  distance  of  4.60 km  before  it
decays into an electron, a neutrino, and an antineutrino
(+

#

:

e

#

&

3 &

). (a) How long does the muon live, as

measured  in  its  reference  frame?  (b)  How  far  does  the
Earth travel, as measured in the frame of the muon?

A  spacecraft  with  a  proper  length  of  300 m  takes

0.750 +s to pass an Earth observer. Determine the speed of
the spacecraft as measured by the Earth observer.

12.

(a) An object of proper length L

p

takes a time interval 't

to  pass  an  Earth  observer.  Determine  the  speed  of  the
object as measured by the Earth observer. (b) A column
of tanks, 300 m long, takes 75.0 s to pass a child waiting
at  a  street  corner  on  her  way  to  school.  Determine  the
speed of the armored vehicles. (c) Show that the answer
to part (a) includes the answer to Problem 11 as a special
case,  and  includes  the  answer  to  part  (b)  as  another
special case.

11.

3

9.

Problem 43 in Chapter 4 can be assigned with this section.

13.

Review problem. In 1963 Mercury astronaut Gordon Cooper
orbited  the  Earth  22  times.  The  press  stated  that  for  each
orbit  he  aged  2  millionths  of  a  second  less  than  he  would
have if he had remained on the Earth. (a) Assuming that he
was  160 km  above  the  Earth  in  a  circular  orbit,  determine
the time difference between someone on the Earth and the
orbiting  astronaut  for  the  22  orbits.  You  will  need  to  use
the approximation 

, for small x. (b) Did

the press report accurate information? Explain.

14. For  what  value  of  does  * ! 1.010 0?  Observe  that  for

speeds lower than this value, time dilation and length con-
traction are effects amounting to less than 1%.

15. A  friend  passes  by  you  in  a  spacecraft  traveling  at  a  high

speed.  He  tells  you  that  his  craft  is  20.0 m  long  and  that
the identically constructed craft you are sitting in is 19.0 m
long. According to your observations, (a) how long is your
spacecraft, (b) how long is your friend’s craft, and (c) what
is the speed of your friend’s craft?

16.

The  identical  twins  Speedo  and  Goslo  join  a  migration
from the Earth to Planet X. It is 20.0 ly away in a reference
frame in which both planets are at rest. The twins, of the
same age, depart at the same time on different spacecraft.
Speedo’s  craft  travels  steadily  at  0.950c,  and  Goslo’s  at
0.750c.  Calculate  the  age  difference  between  the  twins
after  Goslo’s  spacecraft  lands  on  Planet  X.  Which  twin  is
the older?

17.

An  interstellar  space  probe  is  launched  from  the  Earth.
After  a  brief  period  of  acceleration  it  moves  with  a
constant velocity, with a magnitude of 70.0% of the speed
of light. Its nuclear-powered batteries supply the energy to
keep its data transmitter active continuously. The batteries
have  a  lifetime  of  15.0 yr  as  measured  in  a  rest  frame.
(a) How  long  do  the  batteries  on  the  space  probe  last  as
measured by Mission Control on the Earth? (b) How far is
the  probe  from  the  Earth  when  its  batteries  fail,  as  mea-
sured  by  Mission  Control?  (c)  How  far  is  the  probe  from
the Earth when its batteries fail, as measured by its built-in
trip  odometer?  (d) For  what  total  time  interval  after
launch  are  data  received  from  the  probe  by  Mission
Control? Note that radio waves travel at the speed of light
and fill the space between the probe and the Earth at the
time of battery failure.

18.

Review  problem. An  alien  civilization  occupies  a  brown
dwarf,  nearly  stationary  relative  to  the  Sun,  several
lightyears  away.  The  extraterrestrials  have  come  to  love
original  broadcasts  of  I  Love  Lucy,  on  our  television
channel  2,  at  carrier  frequency  57.0 MHz.  Their  line  of
sight  to  us  is  in  the  plane  of  the  Earth’s  orbit.  Find  the
difference  between  the  highest  and  lowest  frequencies
they  receive  due  to  the  Earth’s  orbital  motion  around
the Sun.

19.

Police  radar  detects  the  speed  of  a  car  (Fig.  P39.19)  as
follows.  Microwaves  of  a  precisely  known  frequency  are
broadcast  toward  the  car.  The  moving  car  reflects  the
microwaves  with  a  Doppler  shift.  The  reflected  waves  are
received and combined with an attenuated version of the
transmitted wave. Beats occur between the two microwave
signals.  The  beat  frequency  is  measured.  (a)  For  an
electromagnetic  wave  reflected  back  to  its  source  from  a
mirror  approaching  at  speed  v,  show  that  the  reflected

1 # x

% 1 # x

 

/

 

2

Problems

1279

wave has frequency

where f

source

is the source frequency. (b) When is much

less than  c,  the  beat  frequency  is  much  smaller  than  the
transmitted frequency. In this case use the approximation
f

source

% 2 f

source

and show that the beat frequency can

be written as f

beat

!

2v/). (c) What beat frequency is mea-

sured  for  a  car  speed  of  30.0 m/s  if  the  microwaves  have
frequency  10.0 GHz?  (d)  If  the  beat  frequency  measure-
ment  is  accurate  to  % 5 Hz,  how  accurate  is  the  velocity
measurement?

f

 

source

 

v
v

the emission of the same two pulses separated in time by
9.00 +s. (a) How fast is Mark moving relative to Suzanne?
(b) According to Mark, what is the separation in space of
the two pulses?

23.

A moving rod is observed to have a length of 2.00 m and to
be oriented at an angle of 30.0° with respect to the direc-
tion of motion, as shown in Figure P39.23. The rod has a
speed of 0.995c. (a) What is the proper length of the rod?
(b) What is the orientation angle in the proper frame?

Figure P39.19

20.

The red shift. A light source recedes from an observer with a
speed v

source

that is small compared with c. (a) Show that

the fractional shift in the measured wavelength is given by
the approximate expression

This  phenomenon  is  known  as  the  red  shift,  because  the
visible  light  is  shifted  toward  the  red.  (b)  Spectroscopic
measurements  of  light  at  ) ! 397 nm  coming  from  a
galaxy in Ursa Major reveal a red shift of 20.0 nm. What is
the recessional speed of the galaxy?

21. A physicist drives through a stop light. When he is pulled

over, he tells the police officer that the Doppler shift made
the red light of wavelength 650 nm appear green to him,
with a wavelength of 520 nm. The police officer writes out
a  traffic  citation  for  speeding.  How  fast  was  the  physicist
traveling, according to his own testimony?

Section 39.5 The Lorentz Transformation

Equations

22.

Suzanne observes two light pulses to be emitted from the
same location, but separated in time by 3.00 +s. Mark sees

'

)

)

%

v

 

source

c

Direction of motion

30.0

°

2.00 m

Trent Steffler/David R. Frazier Photo Library

Figure P39.23

Figure P39.26

24.

An observer in reference frame S sees two events as simul-
taneous. Event occurs at the point (50.0 m, 0, 0) at the
instant  9:00:00  Universal  time,  15  January  2004.  Event  B
occurs at the point (150 m, 0, 0) at the same moment. A
second  observer,  moving  past  with  a  velocity  of  0.800c

iˆ,

also  observes  the  two  events.  In  her  reference  frame  S",
which event occurred first and what time interval elapsed
between the events?

25.

A red light flashes at position x

R

!

3.00 m and time t

R

!

1.00 $ 10

#

9

s, and a blue light flashes at x

B

!

5.00 m and

t

B

!

9.00 $ 10

#

9

s, all measured in the S reference frame.

Reference frame S" has its origin at the same point as S at
t" ! 0;  frame  S" moves  uniformly  to  the  right.  Both
flashes  are  observed  to  occur  at  the  same  place  in  S".
(a) Find the relative speed between S and S". (b) Find the
location  of  the  two  flashes  in  frame  S".  (c)  At  what  time
does the red flash occur in the S" frame?

Section 39.6 The Lorentz Velocity Transformation

Equations

26. A Klingon spacecraft moves away from the Earth at a speed

of 0.800(Fig. P39.26). The starship Enterprise pursues at a
speed of 0.900relative to the Earth. Observers on the Earth
see  the  Enterprise overtaking  the  Klingon  craft  at  a  relative
speed of 0.100c. With what speed is the Enterprise overtaking
the Klingon craft as seen by the crew of the Enterprise?

u = 0.900c

S

x

S

x

v = 0.800c

Two jets of material from the center of a radio galaxy

are ejected in opposite directions. Both jets move at 0.750c

27.

1280

C H A P T E R   3 9 •  Relativity

stationary observer? Note that relativistic density is defined
as E

R

/c

2

V.

41.

An  unstable  particle  with  a  mass  of  3.34 $ 10

#

27

kg  is

initially at rest. The particle decays into two fragments that
fly off along the axis with velocity components 0.987and
#

0.868c. Find  the  masses  of  the  fragments.  (Suggestion:

Conserve both energy and momentum.)

42.

An object having mass 900 kg and traveling at speed 0.850c
collides with a stationary object having mass 1 400 kg. The
two objects stick together. Find (a) the speed and (b) the
mass of the composite object.
Show  that  the  energy–momentum  relationship  E

2

!

p

2

c

2

&

(mc

2

)

2

follows  from  the  expressions  ! *mc

2

and ! *mu.

44. In a typical color television picture tube, the electrons are

accelerated  through  a  potential  difference  of  25 000 V.
(a) What speed do the electrons have when they strike the
screen? (b) What is their kinetic energy in joules?

45. Consider electrons accelerated to an energy of 20.0 GeV in

the 3.00-km-long Stanford Linear Accelerator. (a) What is
the  * factor  for  the  electrons?  (b)  What  is  their  speed?
(c) How long does the accelerator appear to them?

46. Compact  high-power  lasers  can  produce  a  2.00-J  light

pulse of duration 100 fs, focused to a spot 1 +m in diame-
ter. (See Mourou and Umstader, “Extreme Light,” Scientific
American
,  May  2002,  page  81.)  The  electric  field  in  the
light  accelerates  electrons  in  the  target  material  to  near
the  speed  of  light.  (a)  What  is  the  average  power  of  the
laser  during  the  pulse?  (b)  How  many  electrons  can  be
accelerated  to  0.999 9if  0.010 0%  of  the  pulse  energy  is
converted into energy of electron motion?
A  pion  at  rest  (m

2

!

273m

e

)  decays  to  a  muon  (m

+

!

207m

e

)  and  an  antineutrino 

.  The  reaction  is

written 2

#

: +

#

&

. Find the kinetic energy of the muon

and the energy of the antineutrino in electron volts. (Sug-
gestion: 
Conserve both energy and momentum.)

48.

According  to  observer  A,  two  objects  of  equal  mass  and
moving  along  the  axis  collide  head  on  and  stick  to
each other.  Before  the  collision,  this  observer  measures
that  object  1  moves  to  the  right  with  a  speed  of  3c/4,
while object  2  moves  to  the  left  with  the  same  speed.
According  to  observer  B,  however,  object  1  is  initially  at
rest.  (a)  Determine  the  speed  of  object  2  as  seen  by
observer  B.  (b) Compare  the  total  initial  energy  of  the
system in the two frames of reference.

Section 39.9 Mass and Energy

49. Make an order-of-magnitude estimate of the ratio of mass

increase to the original mass of a flag, as you run it up a
flagpole. In your solution explain what quantities you take
as data and the values you estimate or measure for them.

50. When 1.00 g of hydrogen combines with 8.00 g of oxygen,

9.00 g  of  water  is  formed.  During  this  chemical  reaction,
2.86 $ 10

5

J of energy is released. How much mass do the

constituents of this reaction lose? Is the loss of mass likely
to be detectable?

51. In a nuclear power plant the fuel rods last 3 yr before they

are replaced. If a plant with rated thermal power 1.00 GW

3

(m

3

% 0)

47.

43.

relative  to  the  galaxy.  Determine  the  speed  of  one  jet
relative to the other.

28.

A spacecraft is launched from the surface of the Earth with a
velocity  of  0.600c  at  an  angle  of  50.0° above  the  horizontal
positive  axis.  Another  spacecraft  is  moving  past,  with  a
velocity of 0.700in the negative direction. Determine the
magnitude and direction of the velocity of the first spacecraft
as measured by the pilot of the second spacecraft.

Section 39.7 Relativistic Linear Momentum

and the Relativistic Form 

of Newton’s Laws

29. Calculate  the  momentum  of  an  electron  moving  with  a

speed of (a) 0.010 0c, (b) 0.500c, and (c) 0.900c.

30.

The  nonrelativistic  expression  for  the  momentum  of  a
particle,  mu,  agrees  with  experiment  if  (( c.  For
what speed does the use of this equation give an error in
the momentum of (a) 1.00% and (b) 10.0%?

31.

A golf ball travels with a speed of 90.0 m/s. By what fraction
does its relativistic momentum magnitude differ from its
classical value mu? That is, find the ratio (mu)/mu.

32. Show  that  the  speed  of  an  object  having  momentum  of

magnitude and mass is 

An  unstable  particle  at  rest  breaks  into  two  fragments

of  unequal  mass.  The  mass  of  the  first  fragment  is 
2.50 $ 10

#

28

kg,  and  that  of  the  other  is  1.67 $ 10

#

27

kg. 

If  the  lighter  fragment  has  a  speed  of  0.893after  the
breakup, what is the speed of the heavier fragment?

Section 39.8 Relativistic Energy

34. Determine  the  energy  required  to  accelerate  an  electron

from (a) 0.500to 0.900and (b) 0.900to 0.990c.
A proton in a high-energy accelerator moves with a speed
of  c/2.  Use  the  work–kinetic  energy  theorem  to  find  the
work  required  to  increase  its  speed  to  (a)  0.750and
(b) 0.995c.

36. Show that, for any object moving at less than one-tenth the

speed  of  light,  the  relativistic  kinetic  energy  agrees  with
the result of the classical equation 

to within less

than 1%. Thus for most purposes, the classical equation is
good  enough  to  describe  these  objects,  whose  motion  we
call nonrelativistic.
Find the momentum of a proton in MeV/units assuming
its total energy is twice its rest energy.

38. Find  the  kinetic  energy  of  a  78.0-kg  spacecraft  launched

out  of  the  solar  system  with  speed  106 km/s  by  using
(a) the  classical  equation 

(b)  What  If?

Calculate its kinetic energy using the relativistic equation.

A  proton  moves  at  0.950c. Calculate  its  (a)  rest

energy, (b) total energy, and (c) kinetic energy.

40.

A  cube  of  steel  has  a  volume  of  1.00 cm

3

and  a  mass  of

8.00 g when at rest on the Earth. If this cube is now given a
speed  ! 0.900c,  what  is  its  density  as  measured  by  a

39.

!

1

mu

2

.

37.

!

1

mu

2

35.

33.

!

c

1 & (mc/p)

2

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  318  319  320  321   ..