Answer for HW_12

1 三维各向同性谐振子:球坐标

已知基本关系:

L=m2(r˙2+r2θ˙2+r2φ˙2sin2θ)V(r,θ,φ),V(r)=12kr2pr=Lr˙=mr˙pθ=Lθ˙=mr2θ˙pφ=Lφ˙=mr2φ˙sin2θH=r˙pr+θ˙pθ+φ˙pφL=12m(pr2+pθ2r2+pφ2r2sin2θ)+V(r,θ,φ)

于是 HJ 方程为

12m(S0r)2+12kr2+12mr2(S0θ)2+12mr2sin2θ(S0φ)2=E

φ 是循环坐标,所以记 S0φ 为一常数 pφ,分离变量得到

(S0θ)2+pφ2sin2θ=2mr2{E12m(S0r)212kr2}

可以令 S0=pφφ+S1(r)+S2(θ) ,代入上式,有

(dS2 dθ)2+pφ2sin2θ=2mr2{E12m( dS1 dr)212kr2}

上式两边分别为 θr 的函数,于是有

(dS2 dθ)2+pφ2sin2θ=β12m( dS1dr)2+12kr2+β2mr2=E

由以上两式可得

S1=2m[E12kr2β2mr2]drS2=βpφ2sin2θ dθS=Et+pφφ+2m[E12kr2β2mr2]dr+βpφ2sin2θ dθ

于是可以给出三个新的运动积分

ξ=t+S0E=t+r=r(t)Qβ=S0β=f(r(t),θ)=0θ(t)Qφ=S0pφ=g(φ,θ(t))=0φ(t)

三个坐标对时间的依赖关系都在以上三个积分表达式当中。特别的,如果选取 θπ2,上述结果会退化在 x-y 平面上的椭圆的极坐标形式,并且坐标原点位于椭圆正中心。

2 三维各向同性谐振子:笛卡尔坐标

类似地,已知基本关系:

L=m2(x˙2+y˙2+z˙2)12kr2p=Lr˙=mr˙H=p22m+12kr2

于是 HJ 方程为

12m[(S0x)2+(S0y)2+(S0z)2]+12k(x2+y2+z2)=E

可以令 S0=Sx(x)+Sy(y)+Sz(z) ,代入上式,有

[12m(dSxdx)2+12kx2]+[12m(dSydy)2+12ky2]+[12m(dSzdz)2+12kz2]=E

于是有

[12m(dSidxi)2+12kxi2]=Ei,i=x,y,z

积分得到

Si(xi)=2mEimkxi2dxi

选取 Ex,Ey,Ez 作为独立运动积分得到

S=Et+S0=(Ex+Ey+Ez)t+2mExmkx2dx+2mEymky2dy+2mEzmkz2dz

新的广义坐标(假设 ω=k/m,Ai2=2Eimω2):

Qx=SEx=t+m2mExmkx2dx=t+12Ex/mω2x2dx=t+1ωarcsin(xAx)

得到简谐振动方程

x=Axsin(ωt+Qx)=2Exmω2sin(ωt+Qx)=2Exksin(k/mt+Qx)

另外两个方向同理。如果你选取 E 作为其中一个独立运动积分,比如 Ex,Ey,E,将会让计算变得复杂,但是结论是一致的,这种选择会给出:

Qx=S0Ex=m2mExmkx2dxm2m(EExEy)mkz2dz=1ωarcsin(xAx)1ωarcsin(zAz)Qy=S0Ey=1ωarcsin(yAy)1ωarcsin(zAz)QE=t+S0E=t+m2mEzmkz2dz =t+1ωarcsin(xAx)