理論物理基礎(chǔ)教程答案劉連壽

1、1分析力學(xué)作業(yè)講解第一章 低速宏觀運(yùn)動(dòng)的基本原理23 設(shè)質(zhì)點(diǎn)在勢(shì)能場(chǎng)U(r)中運(yùn)動(dòng)，在笛卡爾坐標(biāo)系中寫出其拉格朗日方程。解：拉格朗日方程為：0(1,2,3)dLLdtqqLTUL為拉格朗日函數(shù)笛卡爾坐標(biāo)中的坐標(biāo)變量為 ，那么123,x x x321/2iiTmx4所以，321231/2( ,)iiLTUmxU x x x帶入那格朗日方程得到321231/2( ,)jjiiiLUmxU x xxxxx321231/2( ,)jijiiLmxU x xxmxxx0ijxx0ijxx帶入拉格朗日方程50(1,2,3)iidLLdUmxdtqqdtx即有(1,2,3)iiUmxx這就是笛卡爾坐標(biāo)系中的

2、拉格朗日方程。6 已知柱坐標(biāo) 與笛卡爾坐標(biāo)的關(guān)系是( , , ) z cos , = cos , xyzz如圖1設(shè)質(zhì)點(diǎn)在軸對(duì)稱勢(shì)能場(chǎng) 中運(yùn)動(dòng)，寫出其那格朗日方程。( )U解：由柱坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)的關(guān)系可知ddddzz reeerzxyz等式兩邊同時(shí)除以dtzzreee那么，系統(tǒng)的動(dòng)能為222211()22mmz 2T =r7那么，系統(tǒng)的拉格朗日為22221()( )2LTUmzU =2( )LUm Lm0L2Lm 0LzLmzz所以帶入拉格朗日方程，則有：2( ),dUmmd 20, 0mz 8 長度為l的細(xì)繩系一小球，懸掛點(diǎn)按照 方式運(yùn)動(dòng)，如圖所示，小球被限制在 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 時(shí)懸線豎直向下

3、。 （a）求懸線和豎直線偏離 所對(duì)應(yīng)的虛位移 （b）已知在這一時(shí)刻的角速度為 ，求經(jīng)過 時(shí)間后的位移 。問：當(dāng) 時(shí)， 與 有何差別？X 0sin()Att( , )x z0ttrdtdrd0t drrlm3xM （a）在任意時(shí)刻，約束所容許的位移為虛位移，途中的小球，受到細(xì)繩的和自身重力的約束，在這個(gè)時(shí)刻，解：9小球只能圍繞O點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)偏離角為 時(shí)，對(duì)應(yīng)的虛位移為 。l（b）小球經(jīng)過 時(shí)間后的位移，可以看作有兩部分組成：（1）小球繞O點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的位移（2）小球隨O點(diǎn)一起作簡諧運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的位移dtdlteddXX tAtedddXlteAter所以，小球的位移為lm3xM 和 的區(qū)

4、別如圖所示：drr10lm3xMdr3xlmMr虛位移和實(shí)際位移的主要區(qū)別在于虛位移之和約束有關(guān)。實(shí)際位移除了和約束有關(guān)以外，還和物體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。11長度同為l 的輕棒四根，相互連接成一個(gè)可以無摩擦的改變頂角的菱形ABCD，AB和AD兩棒無摩擦的支于處于同一水平線上且相距2a的兩根釘上，BD之間用一根輕質(zhì)棒連接，在連接點(diǎn)（B和D處），各棒之間可以無摩擦的轉(zhuǎn)動(dòng)，C點(diǎn)上系有一重物W，C點(diǎn)和重物受到約束，只能上下運(yùn)動(dòng)，設(shè)A點(diǎn)兩棒之間的夾角為 ,試用虛功原理求平衡時(shí)聯(lián)結(jié)棒BD2TF中的張力 ，討論的 方向與 的大小的關(guān)系。問：在什么情況下有 ，說明其意義。TF0TF WABDC22allll4

5、.12WABDC22allll虛功原理解：0Fr( )反我們考慮當(dāng)A處的夾角增加 ,只有B、D和C處的約束力的虛功不為零。那么：1122sin()sin2 cos()cosctan()ctan0TTTFFF llar +r +Wr-WW利用近似方法 可得：()( )ff xxf xxxsin()sincos cos()cossin 2ctan()ctancsc TFTF132/(2 sincos)tanTFalWW22cos2sincsc0TF lla+ WW將上面的近似式代入虛功方程可得：即有：3330sin20sin20sin2TTTaFlaFlaFl杠對(duì)B的作用力向外杠對(duì)B的作用力向內(nèi)杠

6、對(duì)B無作用力149質(zhì)量為M的斜面可以無摩擦地在水平桌面上滑動(dòng)。斜面上無摩擦地放一滑塊 m，如圖所示。寫出拉格朗日方程，并求斜面的加速度 和滑塊相對(duì)于斜面的加速度 。OXxx X222211(cos )sin221sin2Lm XxmxMXmgxsinLmgx0LX2cos ( cos)sinLmxXmxx(cos )Lm XxMXX解：系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)為152cos ( cos)sinsinmxXmxmg(cos )0m XxMXcossinmxmXmg(cos )0m XxMX2sincossinmgXMm2() sinsinMm gxMm即有：解之得：帶入拉氏方程：1610直接用拉格朗日

7、方程 1.1.2 (2.21) 式 證明，由相差一廣義坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)的時(shí)間全導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)拉格朗日函數(shù)L 和L 1.1.3 (3.13)式 得到的運(yùn)動(dòng)方程相同。 證明：L和L相差一個(gè)廣義坐標(biāo)和時(shí)間的全微分,dLLtftdtLtftqfttqq,qqq,qqq那么22,dLftqq dtLftqftqt qqq qqq17帶入拉格朗日方程,dLLftqqq dtLftqqqq2,dddLLftdtqdtqdtqdLftqftdtqt qqq qqq那么dLLdtqq由L 和L 得到的運(yùn)動(dòng)方程相同。18經(jīng)過伽利略有限速度變換 的拉氏量為11證明一維運(yùn)動(dòng)自由質(zhì)點(diǎn)的拉格朗日函數(shù) 1 . 1 . 4 (4

8、 .10) 式 滿足有限相對(duì)速度變換下伽利略相對(duì)性原理的要求。212LmV2222221111()22221122LmmVmm VmVdmmVxCmmVxCtdt解：由（4.10）可得自由質(zhì)點(diǎn)的拉格朗日函數(shù)為19L 和L相差一廣義坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)的時(shí)間全導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)拉格朗日函數(shù)，由上題知，他們滿足相同的拉格朗日方程。所以自由質(zhì)點(diǎn)的拉格朗日函數(shù) (4 .10) 式 滿足有限相對(duì)速度變換下伽利略相對(duì)性原理的要求。注意：解決此類問題的關(guān)鍵是弄懂題意，在作業(yè)中我發(fā)現(xiàn)很注意：解決此類問題的關(guān)鍵是弄懂題意，在作業(yè)中我發(fā)現(xiàn)很多同學(xué)沒有弄清題目要求證明什么。要證明拉格朗日函數(shù)滿多同學(xué)沒有弄清題目要求證明什么。要

9、證明拉格朗日函數(shù)滿足有限相對(duì)速度變換下伽利略相對(duì)性原理的要求。就要先搞足有限相對(duì)速度變換下伽利略相對(duì)性原理的要求。就要先搞清楚什么是伽利略相對(duì)性原理：所有慣性系，對(duì)研究機(jī)械運(yùn)清楚什么是伽利略相對(duì)性原理：所有慣性系，對(duì)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律是等效的。那么我們要證明的是在兩個(gè)慣性系中，拉動(dòng)規(guī)律是等效的。那么我們要證明的是在兩個(gè)慣性系中，拉格朗日函數(shù)滿足相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。要注意拉格朗日量本身是格朗日函數(shù)滿足相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。要注意拉格朗日量本身是沒有物理意義的。重要的是他滿足的函數(shù)形式和滿足的運(yùn)動(dòng)沒有物理意義的。重要的是他滿足的函數(shù)形式和滿足的運(yùn)動(dòng)方程。方程。2012已知一維運(yùn)動(dòng)自由質(zhì)點(diǎn)的拉氏量是 (a)證明

10、：當(dāng)按真實(shí)運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用量是(b)設(shè) ，求 ；并任意假定一種非真實(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，計(jì)算相應(yīng)的作用量 ，驗(yàn)證 。2/2Lm221021()2()m xxSmtt12( ), ( )x ta x tb0S1S10SS221122021( , , )d/2d()/2ttttSL x x ttmtmtt解：按真實(shí)情況運(yùn)動(dòng)時(shí)，自由質(zhì)點(diǎn)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為常數(shù) 。將 帶入得到2121()/()xxtt221021()2()m xxSmtt2121(t)dttbat將 帶入得到2121()/()xxtt221021()2()m xxSmtt（b）假設(shè)自由質(zhì)點(diǎn)不做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則速度為時(shí)間的函數(shù) ，且滿足

11、：( ) t那么22112122122021211122()2()2()ttttttSmdtmdtmm badtStttt平方的平方的平均值大平均值大于于平均平均值的平方。值的平方。等號(hào)成立的條件是 為常數(shù)。22OXx滑塊的能量滑塊的能量斜面的能量斜面的能量系統(tǒng)的總能量系統(tǒng)的總能量21(cos )2sinEm XVxmgx212EMX221( cos)21()2sinEm xXVM XVmgx21(cos )2sinEm Xxmgx21()2EM XV221(cos )21()2sinEm XxM XmgxK系系K系系2324v1.2.3.4.7.8251.設(shè)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的拉格朗日L=T-U其中

12、是坐標(biāo)和速度的函數(shù)(a)證明：整個(gè)系統(tǒng)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度 對(duì)應(yīng)的廣義動(dòng)量不再是如1.2.2(2.16)式，而是22sinza aaaLm r 1/NzzaaapLUerr (b)已知在電磁場(chǎng)中電荷為e 的粒子 ，其中 和 A A 是電磁場(chǎng)的表示和矢勢(shì)，求廣義動(dòng)量 。p( , )UUr r Uee A解：由廣義動(dòng)量的定義：aLUmprrr可得1111()NNzaaazaazNNaazaazUpmUmeLrprrrrrrr26上式得第一項(xiàng)已在課本中求出，那么將值代入即得11()NaazNzaazUpmULrrrrr(b)將帶電粒子的是能表帶式代入上式可得：111()NzaazNzazaNzayaaxa

13、aeepLLeLex Ay A ArrrA272.質(zhì)量為 半徑為 的半球形碗，放在光滑的水平桌面上，如圖1 。有一個(gè)質(zhì)量為 的滑塊沿碗的內(nèi)壁無摩擦的滑下。用 表示滑塊位置與球心連線和豎直方向的夾角。這個(gè)系統(tǒng)起始時(shí)靜止且 。求滑塊滑到 時(shí) 的值。aMm01解：系統(tǒng)的拉格朗日為：222222211(cos)sin(1 cos)2211(2cos)(1 cos)22LmXaaMXmgam XaXaMXmga那么則對(duì)應(yīng)的拉格朗日方程為(cos)Lm XaMXX2cosLmaXma0LXsinsinLmaXmga 2cossinsindmaXmamaXmgadt (cos)0dm XaMXdt化簡得XO

14、sinxXa28cossinXag ()cosdmMaXdtm 將上面第二式寫成再帶入第一式得注意到等式左邊是一個(gè)全微分，積分即得利用 ，即得dddddtddtdsincosagX2()cossinsincosmMaaagm22sinsincossin()()MmamagmMmM 22sinsincossin()()MmamaddgdmMmM 10212()coscos(sin)mM gMma29質(zhì)量為 半徑為 的半球形碗，放在光滑的水平桌面上，如圖1 。有一個(gè)質(zhì)量為 的滑塊沿碗的內(nèi)壁無摩擦的滑下。用 表示滑塊位置與球心連線和豎直方向的夾角。這個(gè)系統(tǒng)起始時(shí)靜止且 。求滑塊滑到 時(shí) 的值。aMm

15、01解：由于系統(tǒng)在水平方向不受力，所以系統(tǒng)在水平方向上的動(dòng)量守恒：cos0mMV在有能量守恒得到22011coscos22mMVmga式中的 和 為滑塊和半球形碗相對(duì)于地面的速度。而V222cossincoscosVaaVa代入可得cos0m VaMV2220111cossin222 coscosm Vam aMVmga由第一式得 ，代入第二式得cosmVamM 302220111cossincos222 coscosMmmam aMamMmMmga220sin2coscosMmagamM022()coscos(sin)mM gMma化解可得即：當(dāng) 時(shí)110212()coscos(sin)mM

16、 gMma313.質(zhì)量為 的質(zhì)點(diǎn)在三維空間中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能是證明之一質(zhì)點(diǎn)由 區(qū)域經(jīng)過分界面進(jìn)入 區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡等同于光線從空氣入射到折射率為 的介質(zhì)所受到的折射。 其中， 是質(zhì)點(diǎn)在 區(qū)域中的動(dòng)能。m0000zUUz0z 0z 01/nUE21/2Em0z z解：系統(tǒng)具有xy平面內(nèi)的平移對(duì)稱性，所以動(dòng)量的x，y分量守恒：1p2p又系統(tǒng)的能量守恒，則有1211 , xxyypppp221212022ppEEUmm那么，則有2221022ppUmm220211/pUEp 即：1232而散射前后動(dòng)量與z軸的夾角之比為112202211sin1/sinpppUEppp即滿足折射定律。4.求半徑為 ，圓心角為

17、2的均勻扇形薄片的質(zhì)心。a2a解：設(shè)均勻薄片的定點(diǎn)在原點(diǎn)，取對(duì)稱軸為y軸，則其重心一定在y軸上那么質(zhì)心的y坐標(biāo)為2321sin122 sin33cyydrdrdAaaa所以扇形的質(zhì)心在其角平分線距圓心2asin/(3)處。337.寫出角動(dòng)量的笛卡爾分量 和它的平方 用球坐標(biāo) 表示的表達(dá)式。,xyzL L L2L( , , )r 解：由sincosxrsinsinyr?xzyLypzp帶入得( sincoscoscossinsin)xpmxm rrrcoszr?yxzLzpxp?zyxLxpyp2222?zzzLLLL( sinsincos sinsincos)ypmxm rrr( cossin

18、)zpm rr348.在下列場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，動(dòng)量P的什么分量守恒？角動(dòng)量的什么分量守恒？(a)無窮大均勻平面所產(chǎn)生的場(chǎng)；(b) 無窮長均勻柱所產(chǎn)生的場(chǎng)；(c) 兩個(gè)電源所產(chǎn)生的場(chǎng)；(d) 均勻圓環(huán)所產(chǎn)生的場(chǎng)；(e) 均勻圓球所產(chǎn)生的場(chǎng)。解：根據(jù)空間的平移對(duì)稱性導(dǎo)致動(dòng)量守恒，空間的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性導(dǎo)致角動(dòng)量守恒可知：(a)無窮大均勻平面所產(chǎn)生的場(chǎng)：P沿平面方向的任意分量，L的垂直平面方向的分量(b) 無窮長均勻柱所產(chǎn)生的場(chǎng)：P沿柱方向的分量，L的沿柱方向的分量(c) 兩個(gè)電源所產(chǎn)生的場(chǎng)：L沿兩個(gè)電源連線方向的分量(d) 均勻圓環(huán)所產(chǎn)生的場(chǎng)：L沿垂直圓環(huán)方向的分量(e) 均勻圓球所產(chǎn)生的場(chǎng)：L守恒353

19、61、質(zhì)點(diǎn)受到的有心力為：231Fm rr 解：由比萊公式2p1cosarek其中 ，A為積分常數(shù)。2222221/, /, /kpak peAk p 2222d up uumFd 將F帶入可得：222232232222222d up uuuudrrd upuudd ukk uda其中 ，試證明其軌道方程為37那么令 ，帶入可得2220dkd1ua其通解為：120cossincos ()AkAkAk我們總是可以選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，使得 ，帶入可得001cos1cos1cos1cosuAkauAkaarAakarek382、一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在有心引力作用下沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)，力心在此圓的圓周上。求證這一有心力

20、與距離的五次方成反比。r2a解：設(shè)置點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圓周的半徑為a，則其軌跡方程為：2 cosra則：2232242223222233231 1 sin2112 cos1 cos2sincos2cos1cos2cos2cos88urad udad udad uara uudra22238p ua uuumF 帶入比萊公式：整理之后可得：2255581p a uFumr所以有心力與距離成五次方成反比。39系統(tǒng)的拉格朗日為222222221()21(csc)cot2LTUmzmgzmmg =2cotLmmg 2cscLm0L2Lm 所以3、在一個(gè)頂角為 的圓錐形光滑杯中放置一個(gè)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)。圓錐的軸沿

21、豎直方向，杯口向上。求證當(dāng) 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在兩個(gè)水平圓環(huán)之間的杯壁上運(yùn)動(dòng)，并寫出決定這兩個(gè)圓環(huán)半徑的方程。0E 2解：系統(tǒng)的約束方程為cot0fz22csccotg 2(Constant)mJ （1）（2）（3）（4）402223csccotJgm2Jm（1）由（4）式可得帶入（3）式可得2224csccot0Jgm利用 ，可得dddddtddtd2223csccotJdgdm 22222csc2cotJgCm 解之系統(tǒng)的總能量22222222221(csc)cot211(2cot)cot22ETUmmgJJm CgmgmCmm 41222222csc2cotEJgmm所以，C=2E/m，帶入可得當(dāng)

22、質(zhì)點(diǎn)到達(dá)最低點(diǎn)或者最高點(diǎn)時(shí) ，那么22222cotEJgmm0minmax22222cotEJgmm這個(gè)方程有三個(gè)解，兩正一負(fù)，顯然負(fù)數(shù)解應(yīng)舍棄。設(shè)余下的兩根為 ，那么（如圖）minmaxmaxmin,(0)22222122cotsinEJgmmmin2顯然只有當(dāng) 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的速度才為實(shí)數(shù)，所以質(zhì)點(diǎn)只能在 之間運(yùn)動(dòng)。minmaxminmax,424、由橢圓的焦點(diǎn)F引一條線段，以均勻的角速度 繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，求證此線段與橢圓的交點(diǎn)M的速度為 ，其中a和b是橢圓的半長軸和半短軸。(2) /rrarb2, (01, / , / )1cosprepba ec ae解：由橢圓的極坐標(biāo)方程而2sin1cos1c

23、osdpeprdeeFM所以222222( )( )( )( )( )( )dsdd drrdrrdrrdtdtddt所以2222222222222 ()/1sin2 cos11cos1cos1cos/12/2p ee rperpepp eerreeep rrrep rrarpb 22(2)rrrarar rbb435、(a).有心力勢(shì)能為 。分別對(duì)于 ， 和 。畫出有效勢(shì)能 的曲線，并分別討論這三種情況下的各種可能的運(yùn)動(dòng)方式。(b).證明只有當(dāng) 時(shí)，粒子才能落到力心上。說明其物理原因。并對(duì) 計(jì)算落到力心上的截面。/nUr 2n 2n 2n 222( )/(2)nUU rpmrrr 有效2n 2n 解：(a)等效勢(shì)能為：U有效根據(jù) 和 的關(guān)系，三種情況下的 的曲線如下：（黑： ；紅： ；綠： ）U有效2n 2n 2n 44在有心力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的粒子的能量為kEEU有效我們?cè)谟懻摿Ｗ釉诓煌膭?shì)能中運(yùn)動(dòng)，只