朗道力学笔记 II

范围:第二章 守恒定律 第三章 运动方程的积分

二、守恒定律

1.运动积分、守恒量

那些在运动过程中(即 t 变化中)保持不变的 q,q˙ 的函数被称为运动积分。s 个自由度的系统有 2s−1 个独立的运动积分。

证明:由于拉格朗日方程是二阶微分方程,q,q˙ 的解有 2s 个常量,它们之间是相互独立的。选其中一个常量为初始时间 t0。(也就是说一个解 q(t),q˙(t) 按照时间推移后的解 q(t−t0),q˙(t−t0) 也是一个解,所以 t0 可以是一个独立常量。)于是解可以被写成:

qi=qi(t−t0,c1,...,c2s−1)q˙i=q˙i(t−t0,c1,...,c2s−1)

反解 c1,...,c2s−1,它们即为那些独立的运动积分。这个证明好像只体现了至少有 2s−1 个运动积分,没有体现只有。

运动积分中那些由于对称性而产生的被称为守恒量。

2.各种守恒量

2.1 时间的均匀性、能量

由于时间的均匀性,封闭系统的拉格朗日量不显含时间。故有:

∂L∂t=0⇒     dLdt=∑i∂L∂qiq˙i+∑i∂L∂q˙iq¨i=∑iq˙iddt∂L∂q˙i+∑i∂L∂q˙iq¨i=∑iddt(∂L∂q˙iq˙i)⇒          0=ddt(L−∑i∂L∂q˙iq˙i)

(中间第三个等号用了拉格朗日方程(1.4))于是得到守恒量(即能量):

(2.1)E=∑i∂L∂q˙iq˙i−L=Const.

利用拉格朗日量的表达式(1.7),∑i∂L∂q˙iq˙i=∑i∂T∂q˙iq˙i,考虑到 T 为 q˙ 的齐二次式,∑i∂T∂q˙iq˙i=2T,故

(2.2)E=2T−L=T+U

显然对于不时变的有外场系统,能量也守恒,因为上面的推导只用了拉格朗日量不显含时间。

2.2 空间的均匀性、动量

空间的均匀性即空间的平移不变性。(注意:讲空间对称性时必须在笛卡尔坐标系下。)拉格朗日量在平移后是不变的:

L(r→,v→,t)=L(r→+ε→,v→,t)

取 ε→ 为一小量,再根据它的对称性,得到:

0=ε→⋅∑i∂L∂r→i(2.3)⇒   0=∑i∂L∂r→i=∑iddt∂L∂v→i⇒   ∑i∂L∂v→i=Const.

(中间第三个等号用了拉格朗日方程(1.4))代入笛卡尔系下拉格朗日量的形式(1.4),得到守恒量(即动量)

(2.4)P→=∑imiv→i

式(2.3)也可以写作:

(2.5)0=∑i∂L∂r→i=−∑i∂U∂r→i=∑iF→i

对于两体系统,该式即为作用与反作用定律。

2.3 空间各向同性、角动量

(笛卡尔系中)整个体系旋转一个小角度 ϕ→ 后,拉格朗日量不变。相应的变换为:

r→→r→+ϕ→×r→v→→v→+ϕ→×v→

代入拉格朗日函数:

0=L(r→+ϕ→×r→,v→+ϕ→×v→)−L(r→,v→)=∑i∂L∂r→i⋅(ϕ→×r→i)+∑i∂L∂v→i⋅(ϕ→×v→i)=∑iϕ→⋅(r→i×∂L∂r→i)+∑iϕ→⋅(v→i×∂L∂v→i)=ϕ→⋅(∑ir→i×∂L∂r→i+∑iv→i×∂L∂v→i)=ϕ→⋅(∑ir→i×ddt∂L∂v→i+∑iv→i×∂L∂v→i)=ϕ→⋅∑iddt(r→i×∂L∂v→i)=ϕ→⋅∑iddt(r→i×p→i)

故有守恒量(角动量)

(2.6)Const.=M→=∑i(r→i×p→i)

不知道下面这个是怎么推出来的:

Mz=∑a∂L∂ϕa

3. 力学系统的相似性

这个内容不知道为什么放在这里。没有理解它和守恒定律的关系。

条件有二:

取 r→′=αr→,t′=βt,(质量不变)有:

v→′=αβv→T′=α2β2TV′=αkV

当 α2β2=αk 时,拉格朗日量相当于整体乘了一个常数,不会影响运动。这相当于有了一个相似的运动,这两个相似的运动间:

(2.8)r→′:r→=αt′:t=α2−kkv→′:v→=P→′:P→=αk2E′:E=αkM→′:M→=α1+k2

在上面两个条件下,再加上条件:

则可得到位力定理:

2T―=kV―

证明:

2T=∑iv→i⋅∂T∂v→i=∑iv→i⋅p→i=ddt∑ir→i⋅p→i−∑ir→i⋅dp→idt=ddt∑ir→i⋅p→i−∑ir→i⋅F→i=ddt∑ir→i⋅p→i+∑ir→i⋅∂V∂r→i=ddt∑ir→i⋅p→i+kV

对时间取平均

2T―=kV―+limτ→+∞1τ∫0τ(ddt∑ir→i⋅p→i)dt

上式右边后一项有

limτ→+∞1τ∫0τ(ddt∑ir→i⋅p→i)dt=limτ→+∞1τ∑ir→i⋅p→i=0

这是因为系统在有限空间中运动,其 ∑ir→i⋅p→i 有限。QED。

三、运动方程的积分

1. 单自由度的振动

由能量守恒(2.2)得在一维笛卡尔坐标系下:

12mx˙2+U(x)=E⇒dxdt=2m(E−U(x))⇒dt=m2(E−U(x))dx

于是可积分得,在 E 下从 x1 运动到 x2 (x1<x2)所需时间:

(3.1)t(x1,x2)=∫x1x2m2(E−U(x))dx

上式满足的条件为 E>U(x),即总能量大于势能。在一个势阱中,满足上述条件的两个边界点为 x1(E),x2(E),(x1<x2),则粒子在势阱中运动的周期

T(E)=2t(x1(E),x2(E))=2∫x1(E)x2(E)m2(E−U(x))dx

从反面考虑这个问题,已知 T(E) 想求 U(x)。

假定最低势能为 0 ,位于 x=0 处。

T(E)=2∫x1(E)x2(E)m2(E−U(x))dx=(∫0x2(E)−∫0x1(E))2mE−U(x)dx=∫0E2mE−Udx2dUdU−∫0E2mE−Udx1dUdU

这里通过直接对 T(E) 求导数来转化为微分方程是不好做的,因为有一个反常积分。此处采用如下技巧:

∫0αT(E)α−EdE=∫0αdE∫0EdU(dx2dU−dx1dU)2m(E−U)(α−E)=∫0αdU∫UαdE(dx2dU−dx1dU)2m(E−U)(α−E)=∫0αdU(dx2dU−dx1dU)∫UαdE2m(E−U)(α−E)=∫0αdU(dx2dU−dx1dU)2mπ=2mπ(x2−x1)|0α

这里倒数第二步用了定积分 ∫abdx(b−x)(x−a)=π。于是可得:

x2(α)−x1(α)=12mπ∫0αT(E)α−EdE

2. 两体运动与有心力场

这里讲述了两体运动转化为折合质量在有心力场中的运动,讲述了有心力场中质点运动的通解,最终以平方反比力场为例描述其轨道。概不赘述。