Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Реферат- Теоретическая физика- механика

Работа добавлена на сайт samzan.net:


“Согласовано”

“Утверждено”

Преподаватель Джежеря Ю.И. ___________

Методист ____________________

План-конспект занятия

По теоретической физике

Студента V курса физико-математического факультета, гр. ОФ-61

Филатова Александра Сергеевича

Дата проведения занятия: 20.12.2000

Тема: «Канонические преобразования. Функция Гамильтона-Якоби. Разделение переменных»

Цели: Развить навык использования канонических преобразований. Закрепить умение осуществлять преобразования Лежандра для перехода к производящей функции от необходимых переменных. Научить использовать метод Гамильтона-Якоби при решении задач с разделением переменных. Сформировать понимание сути и могущественности метода. Воспитывать трудолюбие, прилежность.

Тип занятия: практическое.

Ход занятия

Краткие теоретические сведения

Канонические преобразования

Канонические преобразования переменных – это такие преобразования, при которых сохраняется канонический вид уравнений Гамильтона. Преобразования производят с помощью производящей функции, которая является функцией координат, импульсов и времени. Полный дифференциал производящей функции определяется следующим образом:

  

Выбирая производящую функцию от тех или иных переменных, получаем соответствующий вид канонических преобразований. Заметим, что если частная производная будет браться по "малым" , то будем получать малое , если же по "большим" , то и получать будем соответственно .

Функция Гамильтона-Якоби

При рассмотрении действия, как функции координат (и времени), следует выражение для импульса:

 

Из представления полной производной действия по времени следует уравнение Гамильтона-Якоби:

 

Здесь действие рассматривается как функция координат и времени: .

Путем интегрирования уравнения Гамильтона-Якоби , находят представление действия в виде полного интеграла, который является функцией s координат, времени, и s+1 постоянных (s – число степеней свободы). Поскольку действие входит в уравнение Гамильтона-Якоби только в виде производной, то одна из констант содержится в полном интеграле аддитивным образом, т.е. полный интеграл имеет вид:

 

Константа А не играет существенной роли, поскольку действие входит везде лишь в виде производной. А определяет, что, фактически, лишь s констант меняют действие существенным образом. Эти константы определяются начальными условиями на уравнения движения, которые для любого значения А будут иметь одинаковый вид, как и само уравнение Гамильтона-Якоби.

Для того чтобы выяснить связь между полным интегралом  уравнения Г.-Я.  и интересующими нас уравнениями движения, необходимо произвести каноническое преобразование, выбрав полный интеграл действия в качестве производящей функции.

Константы  будут выступать в качестве новых импульсов. Тогда новые координаты

 

тоже будут константы, поскольку

 

Выражая из уравнения  координаты  в виде функций от , мы и получим закон движения:

 

Решение задачи на нахождение зависимости  существенно упрощается в случае разделения переменных. Такое возможно, когда какая-то координата  может быть связана лишь с соответствующим ей импульсом  и не связана ни с какими другими импульсами или координатами, входящими уравнение Г.-Я. В частности это условие выполняется для циклических переменных.

Итак, нахождение уравнений движения методом Гамильтона-Якоби сводится к следующему:

  1.  составить функцию Гамильтона;
  2.  записать уравнение Г.-Я., и определить какие переменные разделяются;
  3.  Путем интегрирования уравнения Г.-Я. получить вид полного интеграла ;
  4.  Составить систему s уравнений, и получить закон движения ;
  5.  По необходимости найти закон изменения импульсов: . Для чего продифференцировать полный интеграл по координатам , а потом подставить их явный вид, полученный в пункте 4.

Примеры решения задач

№11.14 [] Как известно, замена функции Лагранжа  на

,

где  – произвольная функция, не изменяет уравнений Лагранжа. Показать, что это преобразование является каноническим, и найти его производящую функцию.

Решение:

Перепишем штрихованную функцию Лагранжа, представив полную производную функции  через частные:

 

Функции Гамильтона, соответствующие штрихованной и не штрихованной функциям Лагранжа, определяются следующим образом:

 

 

Распишем , используя представление штрихованной функции Лагранжа :

 

Подставляя формулы  и  в выражение для штрихованной функции Гамильтона , получим:

 

Взаимно сократив второе слагаемое с последним, учитывая зависимость , получим:

 

Или

 

Но согласно каноническим преобразованием с производящей функцией Ф:

 

Следовательно,

 

Полученное соотношение определяет условие на временную часть производящей функции канонического преобразования, соответствующего преобразованию функции Лагранжа .

Поскольку вид обобщенных импульсов и координат при преобразовании функции Лагранжа  не изменился, координатно-импульсная часть производящей функции должна соответствовать тождественному каноническому преобразованию. Как было показано в задаче №9.32 [] (д/з пред. занятия), производящая функция определяющая тождественное каноническое преобразование с неизменным гамильтонианом, имеет вид:

 

Учитывая условие  на временную часть производящей функции, окончательно получим:

 

Полученная производящая функция определяет тождественное каноническое преобразование с заменой функции Гамильтона  соответствующей замене функции Лагранжа .

Задача. Система, состоящая из двух шариков массами , соединенных невесомой пружиной, расположенной вертикально, начинает двигаться в поле сил тяжести. Длина пружины - . Произвести каноническое преобразование и записать новую функцию Гамильтона, соответствующие производящей функции

.

Решение:

Составим функцию Гамильтона системы:

 

Здесь потенциальная энергия состоит из энергии гармонических колебаний и потенциальной энергии шариков в поле сил земного тяготения. По определению потенциального поля:

 

Мы имеем дело с одномерным движением, поэтому градиент в формуле  заменяется производной по х. В то же время сила, является суммарной силой тяжести. Принимая во внимание принцип суперпозиции гравитационного поля, проинтегрируем последнее уравнение:

 

Значение смещения пружины  от положения равновесия будет определяться следующим образом:

 

Подставив выражения  и  в формулу , получим вид функции Гамильтона, выраженной через импульсы и координаты явно:

 

Переход к новым каноническим переменным производится в случае, когда возможно упростить вид функции Гамильтона, а соответственно и исходящих из нее уравнений движения.

В данной ситуации удобно выбрать новые координаты так, чтобы одна описывала движение центра масс системы, а вторая колебания пружины в собственной системе отсчета. Убедимся, что заданная в условии производящая функция отвечает именно такому преобразованию.

 

Новая координата  совпадает со значением смещения пружины от положения равновесия.

 

Новая координата  совпадает со значением положения центра масс системы.

 

 

Сложив оба уравнения, получим:

 

Соответственно

,

где

,

–  приведенная масса.

Запишем функцию Гамильтона в новых переменных:

,

где

,

–  суммарная масса системы.

Действительно, функция Гамильтона в новых переменных распалась на две части, что соответствует двум парам канонических уравнений. Одна часть описывает колебания шариков в собственной системе отсчета, другая – движение системы как целого в поле сил тяжести.

№9.21 [] Найти полный интеграл уравнения Г.-Я. и закон свободного движения материальной точки.

Решение:

1. Составим функцию Гамильтона свободной частицы:

 

2. Запишем уравнение Г.-Я.:

 

3. Произведем разделение переменных и проинтегрируем по времени.

 

Используем начальное условие:

 

Тогда подставляя вид функции S  в уравнение Г.-Я. , последнее примет вид:

 

Откуда

 

Следовательно, полный интеграл уравнения Г.-Я.:

 

4. Закон движения определяется из канонического преобразования:

 

Откуда сам закон движения:

 

5. Импульс свободно движущейся материальной точки определяется следующим образом:

 

Действительно, частица в отсутствии внешнего поля движется с постоянным импульсом.

Домашнее задание:

№11.2 [] Найти производящую функцию вида , приводящую к тому же каноническому преобразованию, что и .

Решение:

 

 

№9.38 [] Найти уравнение, которому удовлетворяет производящая функция , порождающая каноническое преобразование к постоянным импульсам и координатам.

№9.23 [] Найти полный интеграл уравнения Г.-Я. для тела, движущегося по гладкой наклонной плоскости, составляющей угол с горизонтом.

№12.1 a) [] Найти траекторию и закон движения частицы в поле

Литература:

  1.  Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц «Механика, электродинамика», - М.: «Наука», 1969 г., - 272 с.
  2.  Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц «Механика», - М.: «Наука», 1965 г., - 204 с.
  3.  И.И. Ольховский, Ю.Г. Павленко, Л.С. Кузьменков «Задачи по теоретической механике для физиков», - М.: 1977 г., - 389 с.
  4.  Г.Л. Коткин, В.Г. Сербо «Сборник задач по теоретической механике», - М.: «Наука», 1977 г., - 320 с.
  5.  И.В. Мещерский «Сборник задач по теоретической механике», - М.: «Наука», 1986 г., - 448 с.
  6.  Л.П. Гречко, В.И. Сугаков, О.Ф. Томасевич, А.М. Федоренко «Сборник задач по теоретической физике», - М.: «Высшая школа» 1984 г., - 319 с.

Студент-практикант: Филатов А.С.

5

Х

m2

m1




1. тематическое исследование процессов развития научный метод лонгитюдный метод метод поперечных срезов ком
2. коэффициент неравномерности распределения нагрузки; ~ коэффициент межосевого расстояния для шевронной п
3. Неметалічні елементи та їх сполуки
4. Введение Точность формообразования на гексаподах Схема гепсапода Модели инструментов
5. Педагогика и методика начального образования 20092010 учебный год Преподаватель- Винокурова Л
6. Принципы выбора бухгалтерских программ
7. 2005гг; ns-стоимость основного капитала на конец 19902005гг
8. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора політичних наук Киї
9. ЛЕКЦИЯ ’ 4 ИСТОРИЯ ПЕРЕВОДА 1 часть ПЕРЕВОД В ДРЕВНОСТИ И В ЭПОХУ АНТИЧНОСТИ История перевода длинная
10. абсолютная идея
11. Религиозно-цивилизационные выборы воспитания
12. Эта пьеса для сцены так хороша как вероятно не надеялся ни сам автор ни переводчик и это дело г
13. Інвестиційна діяльність промислового підприємства й оцінка економічної ефективності інвестиційного проекту
14. курсовая
15. Лабораторная работа 1 Отбор проб газа
16. Кейнсиансто
17. К ЧААДВЕВУ 1818 Любви надежды тихой славы Недолго нежил нас обман Исчезли юные забавы Как сон как у
18. РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ НАЧЕРТАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
19. Культурний ландшафт як географія культурних осередків їх характер та способи взаємозв~язку
20. х гг Восстание декабристов подтолкнуло оппозиционную правительству часть студенчества к организаци