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分析力学 第12次作业

Chasse_neige

7.6 用两种方法证明以下变换是正则变换

Q=2psinq,P=2pcosq

(2) 计算泊松括号。

计算泊松括号为

[Q,P]pq=QqPpQpPq=2pcosqcosq2p+sinq2p2psinq=1

并且显然有

[Q,Q]pq=[P,P]pq=0

所以是正则变换。

7.8 用两种方法证明以下变换是正则变换

Qi=qicosθipisinθi,Pi=qisinθi+picosθi,i=1,2,3,,s

其中 θi 是适当的常量,s 是系统自由度个数。

(2) 计算泊松括号。

计算泊松括号

[Qi,Pj]pq=kQiqkPjpkQipkPjqk=kδikcosθiδjkcosθjδiksinθkδjksinθk=δij[Qi,Qj]pq=kQiqkQjpkQipkQjqk=kδikcosθiδjksinθjδiksinθkδjkcosθk=0[Pi,Pj]pq=kPiqkPjpkPipkPjqk=kδiksinθiδjkcosθjδikcosθkδjksinθk=0

所以是正则变换。

7.11 求证: 角动量 J=(J1,J2,J3) 分量之间满足 [J1,J2]=J3

证明:

写出角动量的分量式子

Jk=ϵijkripk

所以

[Ji,Jj]=[ϵklirkpl,ϵmnjrmpn]=ϵkliϵmnj[rkpl,rmpn]=ϵkliϵmnj(δknplrmδlmrkpn)=ϵnliϵmnjplrmϵkmiϵmnjrkpn=(δljδimδlmδij)plrm(δinδkjδknδij)rkpn=pjriδijplrlpirj+δijrkpk=ripjrjpi

所以

[J1,J2]=r1p2r2p1=J3

7.13 在中心力场 V(r)=kr 运动的质点,质量 m,动量 p,角动量 J,还有一个守恒量,拉普拉斯-龙格-楞次 (Laplace-Runge-Lenz) 矢量

A=p×Jmkrr

利用泊松括号证明该矢量是守恒量。

由于 A 不显含 t ,所以

dAdt=At+[A,H]=[A,H]

由于

H=p22mkr

所以

[A,H]=[p×Jmkrr,p22mkr]

展开上述式子

[p2r(pr)pmkrr,p22mkr]=[p2,p22m]r+[r,p22m]p2[p2r,kr][(pr)p,p22m]+[(pr)p,kr][mkrr,p22m]+[mkrr,kr]

做等价变换

[,p22m]=[,pp2m]=[,p]pm

带入泊松括号的表达式

[p2,p22m]=0[ri,p22m]=[ri,pj]pjm=δijpjm=pim[p2ri,kr]=[ri,kr]p2+2pj[pj,kr]ri=0+2pjrjr3kri[(pjrj)pi,p22m]=[pjrjpi,pk]pkm=pjpiδjkpkm=p2mpi[pjrjpi,kr]=kr2(rjpirjr+pjrjrir)[mkrir,p22m]=pjk[rir,pj]=pikrkpjrjrir3[mkrir,kr]=0

所以带入得到

[Ai,H]=p2pim2pjrjr3krip2mpi+kr2(rpi+pjrjrir)pikr+kpjrjrir3=0

所以是守恒量

7.14 计算拉普拉斯-龙格-楞次矢量 A 各分量之间的泊松括号。

[Ai,Aj]=[ϵlmiplJmmkrir,ϵknjpkJnmkrjr]=ϵlmiϵknj[plJm,pkJn]mkϵknj[rir,pkJn]mkϵlmi[plJm,rjr]

第一项

ϵlmiϵknj[plJm,pkJn]=2mHϵijkJk2mk1rϵijkJk+2mk(rjrpirirpj)

第二项

mkϵknj[rir,pkJn]=2mk1rϵijkJk2mkrjrpi+2mkrirpj

第三项

mkϵlmi[plJm,rjr]=2mk1rϵijkJk+2mkrjrpi2mkrirpj

将三项相加,所有含 mkrripj 的项相互抵消,最终结果为

[Ai,Aj]=2mHϵijkJk

其中 H=p22mkr 是系统的哈密顿量。

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