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Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort

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Jakob Köbner
Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Grundlagen zum Thema Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort

In diesem Video lernst du die sogenannte Lorentztransformation kennen. Dabei handelt es sich um die rechnerische Variante des Minkowski-Diagramms. Mit Hilfe der Lortentztransformation kann man die Koordinaten Zeit und Ort eines Ereignisses beliebig zwischen verschiedenen Inertialsystemen hin- und hertransformieren. Zuerst werden mit Hilfe des Minkowski-Diagramms und der Zeitdilatation die Formel für die Zeicheneinheit e' des relativ zum Beobachter bewegten Inertialsystems hergeleitet. Anschließend werden die gesamten Gleichungen der Lorentztransformation ausführlich hergeleitet.

Transkript Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle. Heute wollen wir uns, wieder aus der speziellen Relativitätstheorie, die Lorentztransformation genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr bereits den Film über die Minkowski-Diagramme gesehen haben. Wir lernen heute, was die Lorentztransformation ist, wie man die Zeicheneinheit e' herleiten kann, das hatte ich euch im letzten Film versprochen und natürlich, wie ich die Gleichung für die Lorentztransformation herleiten kann. Dann wollen wir mal. Mithilfe der Lorentztransformation kann ich die Koordinaten x und t eines Ereignisses in die Koordinaten (x'|t') eines anderen Inertialsystems tranformieren. Die Lorentztransformation ist also die rechnerische Funktion der Minkowski-Diagramme. Und da wir die auch gleich für die Herleitung brauchen, wollen wir einmal kurz mit der Herleitung der Zeicheneinheit e' eines beschleunigten Systems anfangen. Wir zeichnen 2 Inertialsysteme in unser Minkowski-Diagramm. Das blaue für uns, den ruhenden Beobachter und das rote, für ein relativ zu uns bewegtes System. Es soll wieder die Geschwindigkeit v=0,5c haben. e ist die Zeicheneinheit unseres blauen Koordinatensystems, also den Abstand, den wir für eine Sekunde oder Lichtsekunde auf den Achsen wählen. Messen wir von einer Sekunde aus die Zeit, dann gehen wir parallel zur x-Achse nach drüben, bis wir die t'-Achse schneiden. Dieses Dreieck wollen wir nun genauer unter die Lupe nehmen. Der Abstand zwischen t und t' entsteht durch die Relativbewegung des Koordinatensystems. Er ist e×(v/c). Nun kann ich mithilfe des Satzes des Pythagoras die Hypotenuse, die ich mal X nenne, ausrechnen. X=\sqrt(e²+e²v²/c²). Vorsicht: X ist nun noch nicht e'. Ihr erinnert euch, vom blauen System aus misst man die Zeit im roten System verlangsamt, da es sich ja relativ dazu bewegt. X ist also kleiner als e', und zwar um genau so viel, wie in der Formel der Zeitdilatation angegeben ist. X ist also e'×\sqrt(1-(v²/c²)). Setze ich diese beiden Formeln nun zusammen, erhalte ich die Formel für e'. Und sie ist: e'=e×\sqrt(1+(v²/c²))/\sqrt(1-(v²/c²)). So, soweit so gut. Nachdem wir nun den Zusammenhang zwischen e' und e kennen, wollen wir nun versuchen, die gesamten Gleichungen der Lorentztransformation herzuleiten. Wir malen uns wieder die beiden Koordinatensysteme auf, die beiden Systeme sollten sich wieder mit einer Geschwindigkeit v=0,5c relativ zueinander bewegen, und schreiben uns die Gleichungen auf, die wir dazu kennen. Diese sind: Tangens α, der Winkel zwischen den Achsen, ist gleich v/c und die Zeicheneinheit e' ist gleich e×\sqrt(1+(v²/c²))/\sqrt(1-(v²/c²)). Einen kleinen Trick müssen wir nun noch anwenden. Wir haben, wie immer, eine x- und eine t-Achse. Allerdings nehmen wir diesmal als Einheit der t-Achse auch die Lichtsekunde, das heißt, eine Entfernung. Wir wollen nun wissen, wie wir die Koordinaten eines beliebigen Ereignisses A von einem in ein anderes System transferieren können. Wir drücken also die Zeit durch eine Entfernung aus. Dies hat rechnerisch den Vorteil, dass wir als Einheit auf beiden Achsen eine Lichtsekunde nehmen können. Wir müssen nur am Ende, wenn wir die Formel für ct berechnet haben, das Ganze wieder durch die Lichtgeschwindigkeit teilen. Zuerst zeichnen wir uns mal ein, wie man die Koordinaten des Punktes in den beiden Koordinatensystemen abliest. Im blauen System benutzt man dazu natürlich die blauen Achsen. Der Abstand in x-Richtung vom Ursprung ist x × die Zeicheneinheit e, der Abstand in die ct-Richtung e×c×t. Im roten System funktioniert das genauso. Der Abstand in x-Richtung vom Ursprung ist x'×e', der Abstand in ct'-Richtung ct'×e'.Wir zeichnen nun nur noch 2 Hilfslinien ein und markieren damit 2 Hilfsdreiecke, und mit diesen werden wir die Formeln für die Lorentztransformation herleiten. x×e ist die Summe aus der kleineren Kathete unseres kleinen Hilfsdreiecks und der größeren Kathete unseres  größeren Hilfsdreiecks. Ich habe alles was ich brauche, um diese beiden Katheten auszurechnen. Ich kann also schreiben:  x×e=c×t'×e'×sinus α+x'e'cosinus α. ct×e ist die Summe aus der größeren Kathete des kleineren Hilfsdreiecks und der kleineren Kathete des größeren Hilfsdreiecks. Ich kann also schreiben: ct×e=ct'e'cosinus α+x'e'sinus α. Jetzt teile ich in beiden Gleichungen durch e und klammere auf der rechten Seite sowohl den cosinus von α, als auch e' aus. Ich erhalte x=(e'/e)×cosinus α×(ct'tangens α -denn sinus α durch cosinus α ist tangens α- +x'). ct'=(e'/e)×cosinus α×(ct'+x'+tangens α). tangens α kenne ich aus der Formel, die den Winkel zwischen den Achsen festlegt. Dafür kann ich also einfach v/c einsetzen. Die Beziehung für e'/e erhalte ich, wenn ich in der Formel für meine Zeicheneinheit einfach durch e teile. Außerdem hatten wir im letzten Kapitel mit dem Satz des Pythagoras hergeleitet, dass die in der kleinen Skizze grün markierte Strecke X gleich e×\sqrt(1+(v²/c²)) ist. X ist aber auch die Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck, indem ich e, also die Ankathete, kenne. Wenn ich die beiden Formeln für X gleichsetze, das e herauskürze und nach cosinus α auflöse, erhalte ich: cosinus α=1/\sqrt(1+(v²/c²)). Die Koordinate X ist also, wenn ich alles einsetze, \sqrt(1+(v²/c²))/\sqrt(1-(v²/c²))×1/\sqrt(1+(v²/c²)) für den cosinus ×(ct'×(v/c)+x'). Für ct ergibt sich: =\sqrt(1+(v²/c²))/\sqrt(1-(v²/c²))×\sqrt(1+(v²/c²))×(ct'+x'×(v/c)). Damit haben wir eigentlich alles, was wir brauchen. Die Skizze kann jetzt weg, und da wir links eh ein wenig Platz brauchen, machen wir mal sauber. Da ich keine Lust mehr habe, immer 1/\sqrt(1-(v²/c²)) zu schreiben, nenne ich diesen Faktor einfach k, man nennt das auch den Lorentzfaktor und mit dieser Abkürzung ergibt sich x=k×(ct'(v/c)+x') und für die andere Formel teile ich durch c, damit ich die Zeit wieder alleine da stehen habe. Dann steht da t=k×(ct'+x'(v/c))/c. Ich kann noch ein wenig kürzen, dann stehen die fertigen Gleichungen der Lorentztransformation da. t=k×(t'+x'×(v/c²)). Und x=k×(vt'+x'). Da wir ja nur eine Bewegung in einer Dimension beobachten, ist y=y' und z=z'. Die Rücktransformation aus dem anderen System erhalten wir durch einen Wechsel der Vorzeichen. t'=k×(t-(v/c²x)). Und x'=k×(vt-x).y' ist wieder y, und z'ist z. So, geschafft. Das sind die Gleichungen der Lorentztransformation. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Mit den Gleichungen der Lorentztransformation kann ich die Koordinaten eines Ereignisses zwischen verschiedenen Inertialsystemen hin und hertransformieren. Die Formel für die Zeicheneinheit e' ist e'=e×\sqrt(1+(v²/c²))/\sqrt(1-(v²/c²)). Die Formeln der Lorentztransformation lauten: mit der Abkürzung k, dem sogenannten Lorentzfaktor 1/\sqrt(1-(v²/c²)), t=k×(t'+(v/c²)x') und x=k×(x'+v²t'), y=y' und z=z'. Die Formeln für die Rücktransformation lauten: t'=k×(t-(v/c²)x) und x'=k×x-vt. Auch hier ist y'=y und z'=z. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für das Zuschauen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lorentztransformation – Verbindung von Zeit und Ort kannst du es wiederholen und üben.
  • Fasse dein Wissen über die Lorentztransformation zusammen.

    Tipps

    Wozu dient die beschriebene Transformation?

    In welchen Bereich der Physik ordnet sie sich ein?

    Lösung

    Die Lorentztransformation ist Bestandteil der speziellen Relativitätstheorie. Sie wurde nach dem Wissenschaftler Hendrik Lorentz benannt, aber auch von Albert Einstein (siehe Abbildung) hergeleitet.

    Die Lorentztransformation dient dazu, Orts- und Zeitkoordinaten aus der Sicht von verschiedenen Inertialsystemen zu beschreiben. Dazu können Gleichungen verwendet werden, mit deren Hilfe man die Koordinaten von einem System in ein relativ zu diesem bewegten Inertialsystem umrechnen kann. Die räumlichen und zeitlichen Beobachtungen von zueinander bewegten Beobachtern können somit ineinander überführt werden.

  • Ergänze die Gleichungen für die Lorentztransformation.

    Tipps

    $k$ ist der sogenannte Lorentzfaktor.

    Die Rücktransformation erfolgt durch Vorzeichenwechsel.

    Es wird stets die Bewegung in einer Dimension betrachtet.

    Lösung

    Um die Koordinaten eines Ereignisses aus dem bewegten roten System in das ruhende blaue System zu überführen, gelten die folgenden Formeln für die Lorentztransformation:

    $x=k(x´+vt´)$

    $y=y´$

    $z=z´$

    $t=k(t´+\frac {v} {c^2} x´)$

    Durch Vorzeichenwechsel erhält man die Rücktransformation aus dem blauen in das rote System:

    $x´=k(vt-x)$

    $y´=y$

    $z´=z$

    $t´=k(t-\frac {v} {c^2} x)$

    Da alle betrachtenden Bewegungen in einer Dimension ablaufen, sind die Koordinaten für y und z immer gleich y´ und z´. Diese Formeln gelten für den Fall, dass sich die Koordinatensysteme zum Zeitpunkt Null wie in der Abbildung dargestellt beide im selben Ursprung befinden.

  • Leite die Formel zur Berechnung von e´ her.

    Tipps

    Orientiere dich an der Abbildung.

    Lösung

    Zur Herleitung der Formeln für die Lorentztransformation wird unter anderem die Formel für die Zeicheneinheit e' benötigt.

    Diese kann mit Hilfe des Satzes von Pythagoras und der Zeitdilatation hergeleitet werden. Präge sie dir gut ein, sie wird dir wieder begegnen.

  • Erkläre die Herleitungsansätze für die Formeln der Lorentztransformation.

    Tipps

    Gib die Koordinaten für das blaue System mit Hilfe der blauen Achsen an und für das rote System mit Hilfe der roten Achsen.

    Die Strecken $x\cdot e$ und $ct\cdot e$ setzen sich jeweils aus zwei Teilstücken der Hilfsdreiecke zusammen.

    Achte auf die korrekten Winkelfunktionen.

    Lösung

    Für die Koordinaten von Ereignis A gilt im System des ruhenden Beobachters: $x\cdot e$/$e\cdot c\cdot t$ (siehe Abbildung)

    Für die Koordinaten von Ereignis A gilt im System des bewegten Beobachters: $x'\cdot e'$/$e'\cdot c\cdot t'$ (siehe Abbildung)

    Aus den Hilfsdreiecken ergibt sich: $x\cdot e=c\cdot t'\cdot e'\cdot sin\alpha+x'\cdot e'\cdot cos\alpha$ und

    $ct\cdot e=c\cdot t'\cdot e'\cdot cos\alpha+x'\cdot e'\cdot sin\alpha$

  • Gib den Ausdruck an, mit dessen Hilfe der Abstand e in e´ überführt werden kann.

    Tipps

    Wie verhalten sich die Vorzeichen in den Wurzeltermen?

    Welches Geschwindigkeitsverhältnis wird in den Formeln korrekterweise verwendet?

    Taucht der Lorentzfaktor in den Wurzeln direkt auf?

    Lösung

    $e'$ lässt sich aus dem Wert für $e$ sowie der Relativgeschwindigkeit $v$ der beiden Systeme und der Lichtgeschwindigkeit $c$ bestimmen.

    Der Wert für $e$ muss dabei mit einem komplexen Bruch, der einen Wert über $1$ annimmt, multipliziert werden. Dabei steht der Lorentzfaktor $k=\sqrt {1-\frac {v^2} {c^2}}$ im Nenner des Bruches. Im Zähler taucht ein sehr ähnlicher Term auf, bei dem jedoch zur Zahl 1 das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten addiert - und nicht wie beim Lorentzfaktor subtrahiert - wird.

  • Erkläre das weitere Vorgehen bei der Herleitung der Gleichungen für die Lorentztransformation.

    Tipps

    Jeweils eine der beiden Formeln ist richtig.

    Überprüfe die Stellung von Zähler und Nenner sowie die Vorzeichen.

    Lösung

    Durch Einsetzen der genannten Ausdrücke können die Gleichungen für die Lorentztransformation abschließend hergeleitet werden.

    Führt man noch den Lorentzfaktor $k$ ein, teilt durch die Lichtgeschwindigkeit $c$ und vereinfacht die Ausdrücke, so ergibt sich wie bekannt:

    $x=k(x´+vt´)$

    $t=k(t´+\frac {v} {c^2} x´)$

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