朗道力学笔记 I

范围:第一章 运动方程

一、运动方程

1. 伽利略相对性原理

根据实际,存在 空间是均匀且各向同性,时间是均匀的 参考系。这样的参考系被称为惯性系。实验证明:与惯性系做相对匀速直线运动的参考系也是惯性系。

引入(两个惯性系间的)伽利略变换:

(1.1)r→=r→′+V→tt=t′

伽利略相对性原理:力学运动方程在伽利略变换下具有不变性。

2.运动方程

力学系统最一般的规律是最小作用量原理。最小作用量原理可用分为两层:

可以推得,相同时间区间内 满足最小作用量原理的两个拉格朗日函数之间只能相差一个 坐标与时间的函数 对时间的全导数:

(1.3)L′=L+ddtf(q,t)

证明:把 L′ 代入式(1.2)中,S′=S+f(q2,t2)−f(q1,t1) 增加了一个常数,不改变其为极值。

对式(1.2)取变分(参见变分法概览),可以推导得拉格朗日方程:

(1.4)0=∂L∂qi−ddt∂L∂q˙i

记广义动量 ∂L∂q˙i=pi,上式可写作:p˙i=∂L∂qi

3.拉格朗日量的形式

3.1 自由质点的拉格朗日函数形式

利用空间是均匀的,可知在笛卡尔坐标系下 L(q,q˙,t) 即 L(r→,r→˙,t) 不显含 r→;利用空间是各向同性的,可知 L 不显含 r→˙ ,而只能显含 |r→˙| 即 r→˙2;由时间是均匀的,可知 L 不显含 t。故有:

L=L(v→2)

代入式(1.4):

0=0−ddt∂L∂v→⇒Const.=∂L∂v→

又因为 ∂L∂v→ 只是 v→ 的函数,故 Const.=v→。此即惯性定律。

考虑伽利略变换:

r→→r→′=r→+ϵ→tv→→v→′=v→+ϵ→r→→t′=t

其中 ϵ→ 是一个小量。则变换后的拉格朗日量为:

L′=L((v→+ϵ→)2)=L(v→2+2v→⋅ϵ→)=L(v→2)+dL(v→2)dv2⋅2v→⋅ϵ→

由伽利略相对性原理,变换前后力学关系式是等价的,也就是说:变换后的拉格朗日量也是真实发生的,也要使得作用量取极值:

S′=∫t1′t2′L′dt′=∫t1t2(L(v→2)+dL(v→2)dv2⋅2v→⋅ϵ→)dt

根据式(1.3),这就要求 dL(v→2)dv2⋅2v→⋅ϵ→ 是一个 ddtf(r→,t) 的形式。ddtf(r→,t) 最多只能表示称 g(r→,t)v→ 的形式,这说明 dL(v→2)dv2 只能是常数,记之为 12m。故有:

L=12mv2

这里 m 被称为质量。

3.2 质点系的拉格朗日量

有质点间相互作用的质点系的拉格朗日量可以被写作:

(1.5)L(r→,v→,t)=T(r→,v→)−U(r→)=∑i12mivi2−U(r→)

(这点并非普适的,在相对论里更可能错误。不知道是否有证明或者说明)

将拉格朗日量的形式代入拉格朗日方程(1.4):

0=∂(∑i12mivi2−U(r→))∂r→i−ddt∂(∑i12mivi2−U(r→))∂v→i⇒−∂U∂r→i=midv→idt

记力 F→i=−∂U∂r→i ,简写上式为

(1.6)F→i=midv→idt

是为牛顿方程。

若非笛卡尔坐标系:

xi=fi(q),    x˙i=∑k∂xi∂qkq˙k

代入拉格朗日量表达式(1.5)

L=∑i12mi(x˙i+y˙i+z˙i)2−U(r→)(1.7)=∑i,k12ai,k(q)q˙iq˙k−U(q)

此处的 ai,k(q) 可通过坐标变换得到。再记广义力 Fi=∂L∂qi,拉格朗日方程(1.4)可写作(其中 pi 为广义动量):

(1.8)p˙i=Fi

3.3 半封闭质点系统的拉格朗日量

对于封闭的质点系A&B,B的状态随时间的变化已知(即 qb(t) 已知)。整体的拉格朗日量:

Ltot=Ta(qa,q˙a)+Tb(qb,q˙b)−U(qa,qb)=Ta(qa,q˙a)+Tb(t)−U(qa,qb(t))

等效于半封闭系统A有个拉格朗日量

LA=Ta(qa,q˙a)−U(qa,qb(t))

去掉 Tb(t) 是因为它必然是一个 ddtf(r→,t) 形式,不会产生影响。