Question
upstudy study bank question image url

5. The \( \mathrm{K}+ \) meson, a subatomic particle, has an average rest lifetime of \( 1.0 \times 10^{-8} \mathrm{~s} \). If the particle travels through the laboratory at \( 2.6 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s} \), by how much has its lifetime, relative to the laboratory, increased?

Ask by Wheeler Huff. in Canada
Jan 26,2025

Real Tutor Solution

Tutor-Verified Answer

Answer

The \( \mathrm{K}^+ \) meson's lifetime increases by a factor of 2 in the laboratory frame due to time dilation.

Solution

To determine how much the lifetime of the \( \mathrm{K}^+ \) meson has increased relative to the laboratory, we'll use the concept of **time dilation** from Einstein's theory of **special relativity**. ### Given: - **Proper lifetime (\( \tau_0 \))**: \( 1.0 \times 10^{-8} \) seconds (lifetime in the particle's rest frame) - **Velocity (\( v \))**: \( 2.6 \times 10^8 \) meters per second - **Speed of light (\( c \))**: Approximately \( 3.0 \times 10^8 \) meters per second ### Time Dilation Formula: The relationship between the proper lifetime (\( \tau_0 \)) and the dilated lifetime (\( \tau \)) in the laboratory frame is given by: \[ \tau = \gamma \tau_0 \] where \( \gamma \) (the Lorentz factor) is: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \] ### Calculations: 1. **Calculate \( \beta \)**: \[ \beta = \frac{v}{c} = \frac{2.6 \times 10^8 \, \text{m/s}}{3.0 \times 10^8 \, \text{m/s}} \approx 0.8667 \] 2. **Calculate \( \gamma \)**: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \beta^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - (0.8667)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0.75}} = \frac{1}{\sqrt{0.25}} = 2 \] 3. **Determine the Dilated Lifetime (\( \tau \))**: \[ \tau = \gamma \tau_0 = 2 \times 1.0 \times 10^{-8} \, \text{s} = 2.0 \times 10^{-8} \, \text{s} \] ### Conclusion: The lifetime of the \( \mathrm{K}^+ \) meson, as observed in the laboratory, is **twice** its proper lifetime due to the effects of time dilation. **Answer:** Its lifetime is doubled in the laboratory frame; the laboratory-measured lifetime is twice τ₀.

Reviewed and approved by the UpStudy tutoring team

error msg
Explain
Simplify this solution

Bonus Knowledge

To calculate how much the lifetime of the \( \mathrm{K}+ \) meson has increased relative to the laboratory frame, we can use the concept of time dilation from Einstein's theory of relativity. The time dilation formula is given by: \[ \Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} \] where: - \( \Delta t' \) is the dilated lifetime, - \( \Delta t \) is the proper lifetime (rest lifetime) of the particle, - \( v \) is the velocity of the particle, - \( c \) is the speed of light (approximately \( 3.0 \times 10^8 \, \text{m/s} \)). Given: - \( \Delta t = 1.0 \times 10^{-8} \, \text{s} \) - \( v = 2.6 \times 10^{8} \, \text{m/s} \) First, we need to calculate \( \frac{v^2}{c^2} \): \[ \frac{v^2}{c^2} = \left(\frac{2.6 \times 10^8}{3.0 \times 10^8}\right)^2 = \left(0.8667\right)^2 \approx 0.75 \] Now we can calculate \( \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} \): \[ \sqrt{1 - 0.75} = \sqrt{0.25} = 0.5 \] Now we substitute everything into the time dilation formula: \[ \Delta t' = \frac{1.0 \times 10^{-8}}{0.5} = 2.0 \times 10^{-8} \, \text{s} \] The increase in lifetime, relative to the laboratory frame, is: \[ \Delta t' - \Delta t = 2.0 \times 10^{-8} - 1.0 \times 10^{-8} = 1.0 \times 10^{-8} \, \text{s} \] Thus, the lifetime of the \( \mathrm{K}+ \) meson, as observed in the laboratory frame, has increased by \( 1.0 \times 10^{-8} \, \text{s} \).

Related Questions

10. ถ้าปรับความถี่ให้มากุกว่าความถี่เรโซแนนซ์ผลของวงจรเป็นอย่างไร ก. ค่าของ \( X_{L} \) มากกว่าค่าของ \( X_{C} \) ข. ค่าของ \( X_{C} \) มากกว่าค่าของ \( X_{L} \) ค. ค่าความต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นมากกว่าเดิม ง. ค่าของ \( X_{L} \) เท่ากับค่าของ \( X_{C} \) 11. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซอิมพีแดนซ์ของวงจรมีค่าเท่าไร ก. มีค่าเป็นสองเท่าของค่าความต้านทาน ข. มีค่าเป็นรากที่สองของค่าความต้านทาน ค. มีค่าเท่ากับค่าความต้านทาน ง. มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของค่าความต้านทาน 12. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานมีค่าเท่าไร ก. มีค่าเป็นสองเท่าของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ข. มีค่วเห่ากับแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ค. มีค่าเป็นรากที่สองของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ง. มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้่ 13. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซ ข้อใดกล่าวถูกต้อง ก. ค่าความจุไฟฟ้าเท่ากับค่าความเหนี่ยวนำ ข. ค่าความจุไฟฟ้าเป็นสองเท่าของค่าความเหนี่ยวนำ ค. ค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเก็บประจุมีค่าเป็นสองเท่าของค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเหนี่ยวนำ ง. ค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเก็บประจุเท่ากับค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเหนี่ยวนำ 14. ข้อใดไม่ถูกต้องเมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซ์ในวงจร RLC แบบอนุกรม เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ก. แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ร่วมเฟสกับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำและแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประด ข. ผลรวมของแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำกับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุ มีค่าเท่ากับศูนย์ ค. แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ร่วมเฟสกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร ง. แรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำเท่ากับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บ
Physics Thailand Jan 27, 2025

Latest Physics Questions

10. ถ้าปรับความถี่ให้มากุกว่าความถี่เรโซแนนซ์ผลของวงจรเป็นอย่างไร ก. ค่าของ \( X_{L} \) มากกว่าค่าของ \( X_{C} \) ข. ค่าของ \( X_{C} \) มากกว่าค่าของ \( X_{L} \) ค. ค่าความต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นมากกว่าเดิม ง. ค่าของ \( X_{L} \) เท่ากับค่าของ \( X_{C} \) 11. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซอิมพีแดนซ์ของวงจรมีค่าเท่าไร ก. มีค่าเป็นสองเท่าของค่าความต้านทาน ข. มีค่าเป็นรากที่สองของค่าความต้านทาน ค. มีค่าเท่ากับค่าความต้านทาน ง. มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของค่าความต้านทาน 12. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานมีค่าเท่าไร ก. มีค่าเป็นสองเท่าของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ข. มีค่วเห่ากับแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ค. มีค่าเป็นรากที่สองของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้ ง. มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของแหล่งจ่ายที่จ่ายให้่ 13. เมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซ ข้อใดกล่าวถูกต้อง ก. ค่าความจุไฟฟ้าเท่ากับค่าความเหนี่ยวนำ ข. ค่าความจุไฟฟ้าเป็นสองเท่าของค่าความเหนี่ยวนำ ค. ค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเก็บประจุมีค่าเป็นสองเท่าของค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเหนี่ยวนำ ง. ค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเก็บประจุเท่ากับค่ารีแอกแตนซ์เชิงตัวเหนี่ยวนำ 14. ข้อใดไม่ถูกต้องเมื่อวงจรเกิดสภาวะเรโซแนนซ์ในวงจร RLC แบบอนุกรม เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ก. แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ร่วมเฟสกับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำและแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประด ข. ผลรวมของแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำกับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุ มีค่าเท่ากับศูนย์ ค. แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ร่วมเฟสกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร ง. แรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำเท่ากับแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บ
Physics Thailand Jan 27, 2025
Try Premium now!
Try Premium and ask Thoth AI unlimited math questions now!
Maybe later Go Premium
Study can be a real struggle
Why not UpStudy it?
Select your plan below
Premium

You can enjoy

Start now
  • Step-by-step explanations
  • 24/7 expert live tutors
  • Unlimited number of questions
  • No interruptions
  • Full access to Answer and Solution
  • Full Access to PDF Chat, UpStudy Chat, Browsing Chat
Basic

Totally free but limited

  • Limited Solution
Welcome to UpStudy!
Please sign in to continue the Thoth AI Chat journey
Continue with Email
Or continue with
By clicking “Sign in”, you agree to our Terms of Use & Privacy Policy