理论力学课后答案第五章周衍柏.docx
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理论力学课后答案第五章周衍柏
第五章思考题
5.1虚功原理中的“虚功”二字作何解释?
用虚功原理理解平衡问题,有何优点和缺点?
5.2为什么在拉格朗日方程中,不包含约束反作用力?
又广义坐标与广义力的含义如
a
何?
我们根据什么关系由一个量的量纲定出另一个量的量纲?
5.3
广义动量
pa和广义速度qa是不是只相差一个乘数
m?
为什么pa比qa更富有意义?
5.4
既然
T
是广义动量,那么根据动量定理,
d
T
是否应等于广义力
?
为什么
qa
dt
q
a
在拉格朗日方程5.3.14式中多出了T项?
你能说出它的物理意义和所代表的物理量
qa
吗?
5.5
为什么在拉格朗日方程只适用于完整系?
如为不完整系,能否由式
5.3.13得出式
5.3.14?
5.6
平衡位置附近的小振动的性质,由什么来决定?
为什么
2s2个常数只有2s个是独立
的?
5.7
什么叫简正坐标?
怎样去找?
它的数目和力学体系的自由度之间有何关系又每一简正
坐标将作怎样的运动?
5.8多自由度力学体系如果还有阻尼力,那么它们在平衡位置附近的运动和无阻尼时有何
不同?
能否列出它们的微分方程?
5.9
dL和dL有何区别?
L和
L有何区别?
qa
qa
5.10
哈密顿正则方程能适用于不完整系吗?
为什么?
能适用于非保守系吗?
为什么?
5.11
哈密顿函数在什么情况下是整数?
在什么情况下是总能量?
试祥加讨论,
有无是总能
量而不为常数的情况?
5.12何谓泊松括号与泊松定理?
泊松定理在实际上的功用如何?
5.13哈密顿原理是用什么方法运动规律的?
为什么变分符号可置于积分号内也可移到
积分号外?
又全变分符号能否这样?
5.14
正则变换的目的及功用何在?
又正则变换的关键何在?
5.15
哈密顿-雅可比理论的目的何在?
试简述次理论解题时所应用的步骤
.
5.16
正则方程5.5.15与5.10.10及5.10.11之间关系如何?
我们能否用一正则变换由
前者得出后者?
5.17在研究机械运动的力学中,刘维定理能否发挥作用?
何故?
5.18分析力学学完后,请把本章中的方程和原理与牛顿运动定律相比较,并加以评价.
第五章思考题解答
5.1答:
作.用于质点上的力在任意虚位移中做的功即为虚功,
而虚位移是假想的、符合约束
的、无限小的.即时位置变更,故虚功也是假想的、符合约束的、无限小的
.且与过程无关的
功,它与真实的功完全是两回事
.从W
Fi
ri可知:
虚功与选用的坐标系无关,这
i
正是虚功与过程无关的反映;
虚功对各虚位移中的功是线性迭加,
虚功对应于虚位移的一次
变分.在虚功的计算中应注意:
在任意虚过程中假定隔离保持不变,这是虚位移无限小性的
结果.
虚功原理给出受约束质点系的平衡条件,
比静力学给出的刚体平衡条件有更普遍的意义;
再
者,考虑到非惯性系中惯性力的虚功,
利用虚功原理还可解决动力学问题,
这是刚体力学的
平衡条件无法比拟的;
另外,利用虚功原理解理想约束下的质点系的平衡问题时,
由于约束
反力自动消去,可简便地球的平衡条件;
最后又有广义坐标和广义力的引入得到广义虚位移
原理,使之在非纯力学体系也能应用,增加了其普适性及使用过程中的灵活性
.由于虚功方
程中不含约束反力.故不能求出约束反力,这是虚功原理的缺点
.但利用虚功原理并不是不能
求出约束反力,一般如下两种方法:
当刚体受到的主动力为已知时,
解除某约束或某一方向
的约束代之以约束反力;
再者,利用拉格朗日方程未定乘数法,景观比较麻烦,但能同时求
出平衡条件和约束反力
.
5.2答因拉格朗日方程是从虚功原理推出的,
而徐公原理只适用于具有理想约束的力学体
系虚功方程中不含约束反力,
故拉格朗日方程也只适用于具有理想约束下的力学体系,
不
含约束力;再者拉格朗日方程是从力学体系动能改变的观点讨论体系的运动,
而约束反作用
力不能改变体系的动能,故
不含约束反作用力,最后,几何约束下的力学体系其广义坐
标数等于体系的自由度数,而几何约束限制力学体系的自由运动,
使其自由度减小,这表明
约束反作用力不对应有独立的广义坐标,
故
不含约束反作用力
.这里讨论的是完整系的拉
格朗日方程,对受有几何约束的力学体系既非完整系,
则必须借助拉格朗日未定乘数法对拉
格朗日方程进行修正.
广义坐标市确定质点或质点系完整的独立坐标,
它不一定是长度,可以是角度或其他物
理量,如面积、体积、电极化强度、磁化强度等
.显然广义坐标不一定是长度的量纲
.在完整
约束下,广义坐标数等于力学体系的自由度数;
广义力明威力实际上不一定有力的量纲可以
是力也可以是力矩或其他物理量,如压强、场强等等,广义力还可以理解为;若让广义力对
应的广义坐标作单位值的改变,且其余广义坐标不变,则广义力的数值等于外力的功由
n
s
i1
Fi
ri
1
q
W知,
q
有功的量纲,据此关系已知其中一个量的量纲
则可得到另一个量的量纲
.若q是长度,则
一定是力,若
是力矩,则q
一定是角度,
若q是体积,则
一定是压强等.
5.3
答
p
与q不一定只相差一个常数
m,这要由问题的性质、坐标系的选取形式及广
义坐标的选用而定。
直角坐标系中质点的运动动能
T
1m(x2
y2
z2),若取y为广义
2
坐标,则qy
y,而py
t
my
mqy
,相差一常数m,如定轴转动的刚体的动能
y
T
1I
2,取广义坐标q
,而P
t
I,p与q相差一常数——转动惯量
I,
2
又如极坐标系表示质点的运动动能
T
1m(r2
r2
2),若取q
,
q
,而
2
p
t
mr2
,二者相差一变数
mr
2;若取q
r有q
r,而p
r
T
mr,二者
r
r
相差一变数m.在自然坐标系中T
1ms2,取q
s,有qs
s
v,而ps
ms,二者
2
相差一变数m.从以上各例可看出:
只有在广义坐标为长度的情况下,
p
与q
才相差一常
数;在广义坐标为角量的情形下,
p与q相差为转动惯量的量纲.
p
为何比q
更富有物理意义呢?
首先,
p
对应于动力学量,他建立了系统的状态函
数T、L或H与广义速度、广义坐标的联系,它的变化可直接反应系统状态的改变,而
q
是对应于运动学量,不可直接反应系统的动力学特征;再者,系统地拉格朗日函数
L中不
含某一广义坐标qi
时,对应的广义动量
pi
L
常数,存在一循环积分,给解决问题带
qi
来方便,而此时循环坐标
qi对应的广义速度
qi
并不一定是常数,如平方反比引力场中
2
L
L
1
mr2
r2
2km,L不含
,故有p
常数,但q
mr
常数;最
2
r
后,由哈密顿正则方程知
p,q
是一组正则变量:
哈密顿函数H中不含某个广义坐标qi
时,
对应的广义动量pi
常数,不含某个广义动量
pi
时,对应的广义坐标
qi
常数
5.4
答只有对于完整系,广义坐标数等于自由度数,才能消去所有的约束方程,式(
5.3.13)
S
1
dTT
dtqq
Qq0
各q
才能全部相互独立,得到式(
5.3.14),故拉格朗日方程只适用于完整系,非完整力学
体系,描述体系的运动需要的广义坐标多于自由度数,
各q不全部独立,不能得到(5.3.14)
式,但(5.3.13)式结合拉格朗日方程未定乘数法可用于非完整系。
5.6答力学体系在平衡位置附近的动力学方程(
5.4.4)得久期方程(本征值方程)(5.4.6)
式a
2
C
0,其中,
1,2
S,久期方程的各根(本征值)
的性质决定体
l
系平衡位置附近的小振动性质。
因从本征方程(5.4.6)式中可求出
2S个的本征值
l
(l1,22S),每一个
l
对应
一个独立的常数故
2S2个常数中只有
2S个是独立的。
5.7答多自由度体系的小振动,每一广义坐标对应于
S个主频率的谐振动的叠加。
若通过坐
标间线性变换使得每一广义坐标仅对应一个频率的振动,则变换后的坐标称之为简正坐标,
对应的频率为简正频率,每一简正坐标对应一个简正频率,
而简正频率数和力学体系的自由
度数相等,故简正坐标数等于自由度数。
值得说的是,每一简正振动为整个力学体系所共有,反映的是各质点(整体)的振动之
一,其他坐标都作为简正坐标的线性函数,由S个简正振动叠加而成。
这种方法在统计物
理,固体物理中都有运用。
5.8答对一完整的稳定的力学体系在有阻尼的情况下,它们在平衡位置附近将作衰减运动。
引入耗散函数
1
S
F
b
2,
1
则阻力
F
S
R
b
q
q
1
力学体系的运动方程改为
d
T
T
V
F
dt
q
q
q
q
1
S
1
S
,F中是的函数,把在平衡位形区域展开成
其中T
aqq
,V
C
2
1
2
1
泰勒级数
S
b
b
b
qr
高级项
0
qr
r1
0
qr
很小,只保留头一项,则
a,b
c
均为常数。
T,V,F代入运动方程得
S
a
q
b
q
c
q
0,
1,2
S
1
把q
Aet
代入上式得本征值方程
a
2
b
c
0
1,2
S
1,2
S
在V
0,F2
4VT的小阻尼情况下,本征值
l
l
i
ll
1,2
2S,且l
0振
动方程为
S
ltAl
eilt
Al
leilt
q
e
i
l
i
l
i
l
i
1,2
S
l1
显然是按指数率的衰减振动。
5.9答:
因L
Lq,q,t,
1,2,....s,故
s
L
L
L
dL
dq
dq
dt
1q
q
t
由p
L
解得
q
s
L
pdqpdq
dt
1
t
1,2,.....s
qqq,p,t,
1,2,....s
所以
Iq,p,tLq,qq,p,t,t
则
s
dI
1
而
LdqLdqLdtdL
qqt
I
L
s
L
q
L
q
q
1q
q
q
5.10答:
拉格朗日方程只适用于完整系,
哈密顿正则方程有保守系拉格朗日方程推出,
故只
能适用于完整的,保守的力学体系,对非保守体系(
5.3.18)改写为
d
T
T
V
Q,
1,2...s
dt
q
q
q
其中Q为非有势力,或写为
d
L
L
Q,
1,2....s
dt
q
q
即pQL。
经勒让德变换后用课本上同样的方法可推得非保守系中的哈密顿正则
q
方程
q
H,
p
p
H
Q,1,2...s
q
5.11答:
若哈密顿函数不显含时间
t,则H
Hq,p常熟;对稳定约束下的力学体
系,动能不是速度的二次齐次函数,
则H
TV,是以哈密顿正则变量表示的广义总能量,
因不稳定约束的约束范例可以做功,
但拉格朗日方程中不含约束力,故有此差异,此时H并
不是真正的能量;对稳定的,保守的力学体系,若
H含t则H是能量但不为常熟。
5.12答:
泊松括号是一种缩写符号,
它表示已同一组正则变量为自变量的二函数之间的关系。
若
p,q,t,
p,q,t,
1,2...s,则
s
1
qp
pq
H是物理学中最常用的泊松括号,用泊松括号可表示力学体系的运动正则方程
pp,H,qq,H,
1,2...s
用泊松括号的性质复杂微分运算问题化为简单的括号运算,这种表示法在量子力学,量子场
论等课程中被广泛应用。
每一正则方程必对应一个运动积分,利用泊松括号从正则方程=积分
p,q,tC1,p,q,tC2
可以推出另外一个积分,C3,这一关系称为泊松定理。
5.13答:
哈密顿原理是用变分的方法确定运动规律的,它是力学变分原理的积分形式。
基
本思想是在描述力学体系的S维空间中,用变分求极值的方法,从许多条端点相同的曲线中挑选一条真是轨道确定体系的运动变化规律。
因为对等时变分t0,故变分符号可置于积分号内也可置于积分号外,而不等时变分
t0,故全变分符号不能这样。
5.14答:
力学体系的哈密顿函数
H中是否有循环坐标系或循环坐标的数目与坐标系(或参
变数)的选取有关,故在正则方程形式不变的前提下,
通过某种变数变换找到新的函数
H*,
使之多出现一些循环坐标,此即正则变换的目的及公用。
由于每一循环坐标对应一个运动积
分,正则变换后可多得到一些运动积分,给解决问题带来方便,正则变换的关键是母函数的
选取,其选取的原则是使H*中多出现循环坐标,但并无一定的规律可循,要具体问题具体
分析。
5.15答:
哈密顿正则方程是2s个一阶微分方程的方程组,用泊松定理解之,由而已知运动
积分求出其余的运动积分往往是已知解的线性组合或横等时,并不能给出新的解;而用正则变换可多得到一些循环坐标是正则方程立即有解,但母函数的选取往往很困难,哈密顿—雅
可毕理论的目的既是要弥补上述缺陷,通过一个特殊的正则变换,使得用新变量
P,Q,(
1,2.....s)表示的哈密顿函数H*
0,此时P,Q全部为常数
i,i,(i
1,2...s),这样哈密顿得主函数极为母函数,从而解决母函数难以寻找的困难。
5.16答:
对(5.9.8)式若为不稳定约束,只需以
h代替E即可,故对(5.9.8)式分离变量
后推出的(5.9.12)中也只需以h代E即可用于不稳定约束。
正则方程利用哈—雅理论后得到结果十分普遍,可同时得出运动规律,轨道级动量,故比拉格朗日方程优越。
5.17答:
经典“牛顿力学”常用于几何的观点,运用形象化思维的方式,研究力学体系的受
力情况及运动情况,然后通过运动非常及时物体的受力与运动变化间的相互联系和前因后
果。
这种方法形象,直观,物理意义鲜明,被广泛应用于工程实际。
但由于它着眼于力,速
度,加速度等矢量,给解决复杂的力学体系的运动问题带来许多不便;再者,它仅仅局限于
纯力学体系的运动分析,其理论与方法难以建立与其它学科的联系。
5.18答:
十九世纪发展起来的“分析力学‘方法弥补了上述缺陷,它用纯数学分析的方法用
更具有概括性的抽象思维方式,从力学体系的一切可能的运动中挑选出实际运动的规律。
这
种方法尽管物理意义不如牛顿力学方法鲜明,但它给人们解决复杂力学体系的运动问题提供
了有一方法;再者,由于广义坐标,广义力的引入使其理论在其它学科中也能广泛的应用。
建立了经典物理学向近代物理学过渡的桥梁。
下面通过分析力学与牛顿力学理论及方法的比较扼要阐述分析力学的优越性。
牛顿力学的着眼点是力,实际力学体系除受到促使其运动状态改变的主动力,往往还
存在很多限制其运动的约束条件体现这些约束的约束反作用力都要作为未知数出现于运动
微分方程,使未知量增加给解算带来许多麻烦;分析力学着眼于功和能在一定条件下,常常
可以不考虑约束反作用力。
如在理想条件下,用虚位移原理解决力学体系的平衡问题可撇开众多的未知未知约束力,直接得出平衡条件,比用牛顿力学中刚体受力的平衡方程方便得多;
达朗伯——虚位移原理解决力学体系的动力学问题,由于虚功的概念、广义坐标的引入,也
可撇开约束力得解,比用牛顿方程即由此推出的动量定理,动量矩定理方便;拉格朗日方程、
哈密顿原理即由此得到的分析力学一系列方程均具这一优点。
从一分为二的观点来看,这也
是分析力学的缺点——不能求出约束反作用力。
当把待求的约束反力或做功的约束反力作为
主动力来看,分析力学的理论修改后仍能应用。
牛顿力学用矢量的方法研究力学体系的运动,着眼于力、加速度、速度等矢量,而矢
量具有方向性、相对性,在坐标变换中很费事,故牛顿力学的动力学方程都与参考系极坐标
系的选取有关;分析力学用标量描述力学体系的运动及变化规律,着眼于功和能广义坐标和
广义速度等一系列标量,标量便于变换及叠加,标量形式的运动方程也是便于写出的,且由
于广义坐标和广义力的引入,是指超出立宪的范围也能应用,给参变量的选用也带来了许多
方便,提高了灵活性。
如用拉格朗日方程,哈密顿原理或哈密顿正则方程推证极坐标系,球
坐标系的质点运动方程,比用牛顿力学的方法简便,但分析力学不如牛顿力学方法直观物理
意义也不如牛顿力学方法清晰。
牛顿力学的动量守恒定律动量矩守恒定律总是以牛顿第三定律为先决条件的;而分析
力学中循环坐标对应的广义动量守恒原理并不以牛顿第三定律为先决条件,其先决条件是拉
格朗日函数或哈密顿函数中不含某广义坐标。
若拉格朗日函数中不含某广义坐标,则对应于
拉格朗日动力学的广义动量守恒;若哈密顿函数中不含某广义坐标,则对应于哈密顿动力学
的广义动量守恒。
牛顿动力学的动量守恒定律,动量矩守恒定律都是广义动量守恒原理对应
的某循环坐标下的特例。
恩西力学的理论更具有概括性,
广义动量守恒原理具有更普遍的意
义。
牛顿力学研究力学问题也用到共和能的概念,但其功能关系动能定理,功能原理,机
械能守恒定律等,只不过提供了力学体系运动的某一方面特征,
它的注意力集中于实际实现,
而在实际实现的运动中,功能关系只能给出一个独立的方程不能提供完全的解;
分析力学则
不然,它不只是注意实际实现的
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- 理论 力学 课后 答案 第五 章周衍柏
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