home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / physics / 11676 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-07-26  |  11.8 KB

  1. Path: sparky!uunet!snorkelwacker.mit.edu!hri.com!noc.near.net!wpi.WPI.EDU!wpi.WPI.EDU!phillies
  2. From: phillies@wpi.WPI.EDU (George D. Phillies)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: twin paradox
  5. Message-ID: <1992Jul26.184539.16856@wpi.WPI.EDU>
  6. Date: 26 Jul 92 18:45:39 GMT
  7. Sender: news@wpi.WPI.EDU (USENET News System)
  8. Organization: Worcester Polytechnic Institute
  9. Lines: 189
  10. Nntp-Posting-Host: wpi.wpi.edu
  11.  
  12. Re: orthodox special relativity.
  13.  
  14. This is the second in a series of posts on the topic of teaching orthodox 
  15. special relativity.  The objective is to treat points at which students 
  16. become confused, usually through a failure to gain a complete, precise, 
  17. and correct understanding of various concepts.  As in previous posts, 
  18. equations are expressed as the ASCII form of LaTeX expressions.  
  19.  
  20. Back to the beginning: coordinate systems, coordinates, and distances.  
  21.  
  22. A significant fraction of the student errors encountered on actual 
  23. examinations arise from a failure to distinguish correctly between 
  24. coordinate axes, locations, and distances.  One begins by erecting a 
  25. system of coordinates: orthogonal spatial x, y, and z axes, and a time 
  26. coordinate t.  The discussion is limited to inertial (non-accelerated) 
  27. coordinate systems.  
  28.  
  29. What, asks the student, is an inertial reference frame?  An inertial 
  30. reference frame is a frame in which ${\bf F} = m {\bf a}$ is correct for 
  31. bodies of constant mass, and for ${\bf F}$ limited to orthodox mechanical 
  32. forces (gravity, friction, Coulomb force, ...).  Frames that accelerate or 
  33. rotate with respect to an inertial reference frame are not inertial 
  34. reference frames.  Frames that experience a uniform gravitational 
  35. acceleration (say, the interior of a sealed, freely-falling elevator) pose 
  36. certain challenges treated by general relativity.  Special relativity does 
  37. handle the reference frame "fixed with respect to the fixed stars", and 
  38. reference frames moving at a constant velocity with respect to the "fixed-
  39. star" frame.  
  40.  
  41. The coordinate system is used to measure the locations (coordinates) of 
  42. various objects.  For example, one may have a point mass P which at time 
  43. t_{1} was located at (x_{1}, y_{1}, z_{1}), and a second point mass Q 
  44. located at the same time at (x_{2}, y_{2}, z_{2}).  $x_{1}$ is the 
  45. numerical value of the x-coordinate at the location of P, and so.  One 
  46. needs to be sure that students distinguish between "the value of x at P$ 
  47. and "x_{1} is a new coordinate axis defined for P".  There is one coordinate 
  48. axis in the x direction, points then having "coordinates", i.e. values of the 
  49. coordinate axis at their location.
  50.  
  51. [Aside: (Some students gain a mistaken description of x_{1}, believing 
  52.   that x_{1} is not a position of P along x, but instead that x_{1} is a 
  53.   new coordinate axis, set up to show where P is located. This belief 
  54.   leads to wrong solutions for standard problems.  As an example of this 
  55.   error, consider two masses separated by three springs.   X denotes a 
  56.   pair of rigid walls, the springs are represented -oooooo-, the | denote 
  57.   the equilibrium positions of the two masses, and the : are construction 
  58.   lines.  
  59.                                                                         
  60.         X                                                          X
  61.         X                                                          X
  62.         X-oooooooo-P-oooooooooooooooooooooooooooooooooo-Q-oooooooo-X
  63.         X          :                                    :          X
  64.         X          :<----x_{1}----|      |---x_{2}----->:          X
  65.  
  66.   It is not unknown for students to propose defining x_{1} and x_{2}, 
  67.   with the positive values being directed as shown, and the zero points 
  68.   being the equilibrium locations..  This pictures makes a great deal of 
  69.   sense if x_{1} and x_{2} are new coordinate axes, but no sense at all 
  70.   if one recalls that x_{1} and x_{2} are values of x at P and Q, 
  71.   respectively.  If x_{1} and x_{2} are the values of x at P and Q, then 
  72.   the locations at which x_{1} and x_{2} are zero must be the same, and 
  73.   the directions in which x_{1} and x_{2} assume positive values must be 
  74.   the same.  In contrst, in the figure the locations x_{1}=0 and x_{2}=0
  75.   are different, and the directions in which x_{1}> 0 and x_{2} > 0 are 
  76.   not the same.
  77.   
  78.   If one is very clever, one can construct a mechanics in which the 
  79.   indicated coordinates work, but for typical students at the freshman-
  80.   sophomore level this construction will fail to give correct laws of 
  81.   mechanics.  The student will, for example, fail to notice that (with 
  82.   coordinates as shown) Newton's Third Law (as commonly stated) does not 
  83.   apply to P and Q, because with these peculiar coordinates an action-
  84.   reaction force pair on P and Q will give two forces having the same 
  85.   sign, not opposite signs.)] 
  86.  
  87. Let us define the coordinate separations between P and Q to be x = x_{2}-
  88. x_{1}, y = y_{2} - y_{1}, and z = z_{2}-z_{1}.  Within a single reference 
  89. frame, the conventional (3-space) distance is r = (x^{2}+y^{2}+z^{2})^{1/2}, 
  90. as given by Pythagoras.  It is important to emphasize to students that, 
  91. within a single inertial reference frame, special relativity does not 
  92. affect conventional space and time measurements.  Special relativity only 
  93. enters when one is comparing measurements made in different reference 
  94. frames.  So long as one compares positions, times, and velocities 
  95. measured in the same reference frame, the conventional notions of time 
  96. and distance remain correct.  Therefore, in a single reference frame the 
  97. sixth-grade formula $d = v t$, where d is the distance of a trip, v is a 
  98. constant velocity, and t is the duration (the elapsed time) of a trip 
  99. made at constant velocity remains valid.  
  100.  
  101. [Aside: (If the Pythagorean theorem is correct, space-time is locally 
  102.   flat; general relativistic effects are not included.  The Pythagorean 
  103.   theorem restricts one to an open, uncurved universe, and excludes the 
  104.   closed universe noted by recent posters, and the more complexly 
  105.   connected universes treated as a hypothesis by Fang, among others.)] 
  106.  
  107. Having established that x_{1}, x_{2}, ... are locations of points, whether 
  108. points in space or reference points on material bodies, one can now 
  109. introduce lengths/intervals.  If x_{1} and x_{2} are the locations of the 
  110. two ends of an object, then x_{12} = x_{2} - x_{1} is the length of an 
  111. object.  The definition requires that x_{1} and x_{2} be measured at the 
  112. same moment in time.  The final qualification "at the same moment" is 
  113. often not part of a student's mental apparatus.
  114.  
  115. [Aside:  Virtually all students know perfectly well how to measure the 
  116.   length of an object by taking a meter stick, finding the coordinates of 
  117.   the two ends of an object, and subtracting.  The constraint that x_{1} 
  118.   and x_{2} be measured simultaneously is usually not recognized.  In 
  119.   class, I demonstrate this by using a toy truck and a meter stick.  
  120.   First I do the rational measurement of the truck's length.  Then I read 
  121.   off coordinate locations of the two ends of the truck as it "drives 
  122.   along the highway".  That is, I move the truck slowly along the meter 
  123.   stick,and announce the coordinate locations of the two ends of the 
  124.   truck, quoting one number, pointing out to the students that the truck 
  125.   is being moved, and then reading out the second number after the truck
  126.   has visibly been displaced through some distance.  By choosing which 
  127.   end's coordinate I determine first, I can get  "lengths" for the truck 
  128.   that are much longer or shorter than the truck's actual length.  One or 
  129.   two demonstrations are usually enough to impress on students the need 
  130.   for simultaneous measurements of r_{1} and r_{2}.] 
  131.  
  132. It is important to emphasize that r_{1} and r_{12} are quantities 
  133. fundamentally different in nature.  r_{1} and r_{12} have different 
  134. responses to translation.  Namely, if one moves the origin from 0 to A, 
  135. r_{1} becomes r_{1}-A, while r_{12} becomes (r_{2}-A-(r_{1}-A)) = r_{2}-
  136. r_{1} = r_{12}.  Translation changes coordinates, but does not change 
  137. lengths.  While it is true that r_{1} is numerically equal to the length 
  138. L_{1} between the Origin and particle P, r_{1} and L_{1} are fundamentally 
  139. different in their physical nature.  The Lorentz transforms calculate 
  140. coordinates, not lengths, in new reference frames.
  141.  
  142. Students often become confused about the difference between 
  143. lengths and coordinate locations because instructors and texts sloppily 
  144. put one end of an object at the origin, so that the length of the object 
  145. is numerically equal to the coordinate location of the other end of the 
  146. object.  While a mature physicist understands the senses in which the 
  147. origin of the coordinate system is arbitrary, freshmen are not mature 
  148. physicists.  The shortcut of setting x_{1} = 0 or x_{2} = 0, while it 
  149. saves the instructor a lot of work, risks destroying the student's 
  150. understanding of the length concept.   
  151.  
  152. Furthermore, the assertion that x_{1} = 0 and x_{2} = L implies that the 
  153. length of the object is L is incorrect.  Lengths are intrinsically 
  154. positive numbers, while L < 0 is allowed as a value of x_{2}.   Only if 
  155. one sketches the diagram to incorporate a covert assumption L > 0 can one 
  156. claim that x_{1} = 0, x_{2} = L proves that an object whose ends are 
  157. x_{1} and x_{2} must have length L.  One commonly finds freshmen and text 
  158. solutions that treat algebraic quantities x, L,...  as though they may 
  159. always be assumed to be positive, even though the underlying physical 
  160. quantities are signed and can have either sign.  Failure to enforce clear 
  161. thinking about signs at the beginning level is very difficult to correct 
  162. at later times, especially when students have been brought up to view 
  163. sign errors as trivial. 
  164.  
  165. Why do we dwell at such length on the distinction between the coordinates 
  166. of a single point and the length of an object?  We are trying to give 
  167. students a mindset that prevents them from making a certain class of 
  168. error.  The error arises as follows:  First, if one wishes to compute the 
  169. length of an object, it is mathematically convenient to put one end of the 
  170. object at the origin (say, x_{1} = 0) , since one can then write L = 
  171. x_{2}, and equate the length of an object to position of one of its ends 
  172. (subject to the difficulties noted in the previous paragraph).  Second, 
  173. the Lorentz transformations of coordinates are x'= \gamma(x-vt) and 
  174. t'=\gamma(t-vx/c^{2}), so the origin (x,t)=(0,0) is at the same point in 
  175. every inertial reference frame.  Third, if the length of an object is L = 
  176. x_{2}, it incorrectly appears to the naive  that the transformation of L 
  177. from one frame to the next is the same as the transformation of x_{2} 
  178. from one reference frame to the next.  
  179.  
  180. If the distinction between lengths and coordinates is not rigorously 
  181. maintained, students thus enter the error of computing the length of an 
  182. object in a new reference frame by computing the position L' of one end of 
  183. the object in the new reference frame at an arbitrary time, without 
  184. asking where the other end of the object is, in the new reference frame, 
  185. when the first end of the object was at L'.  A student who confuses a 
  186. length with a coordinate implicitly assumes (without recognizing that an 
  187. assumption was made) that when the first end of the object is at L', the 
  188. other end is at 0.  If a student always checks that the positions of both 
  189. ends of an object are obtained at the same time as measured in the new 
  190. reference frame, a variety of errors are avoided.  Contrariwise, 
  191. students who always transform lengths from one reference frame to another 
  192. by invoking  "length contraction" --- a mnemonic for a particular set of 
  193. conditions --- without understanding those conditions, will get the 
  194. transformation backwards at least half the time.  
  195.  
  196. Next Discussion: Simultaneity and displaced times.
  197.  
  198. George D. J. Phillies (Professor of Physics, Worcester Polytechnic 
  199.   Institute, Worcester MA 01609; phillies@wpi.WPI.EDU; 508-831-5334) 
  200. "Getting the general physical idea" is the enemy of "getting it right".
  201.