Answer for HW_13

1 三维各向同性谐振子

本题的哈密顿量表示的是一个 3-D 各向同性的谐振子,因此轨道是一个椭圆,该椭圆所在的平面经过原点。很容易发现,直角坐标中三个坐标的变化周期比是 1:1:1,柱坐标中是 Tρ:Tz:Tθ=12:1:1,球坐标中是 Tr:Tθ:Tφ=12:1:1。所以,结果可以直接猜到:

H=ω(Jx+Jy+Jz)=ω(2Jρ+Jθ+Jz)=ω(2Jr+Jθ+Jφ)

接下来是更严格的求解。

1.1 直角坐标

已知基本关系:

L=m2(x˙2+y˙2+z˙2)12mω2r2p=Lr˙=mr˙H=p22m+12mω2r2

于是 HJ 方程为

12m[(S0x)2+(S0y)2+(S0z)2]+12mω2(x2+y2+z2)=E

可以令 S0=Sx(x)+Sy(y)+Sz(z) ,代入上式,有

[12m(dSxdx)2+12mω2x2]+[12m(dSydy)2+12mω2y2]+[12m(dSzdz)2+12mω2z2]=E

于是分离变量有

[12m(dSidxi)2+12mω2xi2]=Ei,i=x,y,z

作用变量

Ji=12πpidxi,pi=Sxi=dSidxi=2mEim2ω2xi2

注意到取 (dSidxi)2=0,可以得到运动范围 xi[Ai,Ai],Ai=2Eimω2,于是

Ji=12π2AiAi2mEim2ω2xi2 dxi=Eiω,i=x,y,z

上面这个积分实际上就是 [pi22m+12mω2xi2]=Ei 这个相空间椭圆的面积 S 除以 2π,即:Ji=12πS=12ππ2mEi2Eimω2=Eiω。所以新的哈密顿量为

H=ω(Jx+Jy+Jz)

角频率

ωi=HJi=ω,i=x,y,z

1.2 柱坐标

已知基本关系:

L=m2(ρ˙2+ρ2θ˙2+z˙2)12mω2(ρ2+z2)pρ=Lρ˙=mρ˙pz=Lz˙=mz˙pθ=Lθ˙=mρ2θ˙H=12m(pρ2+pθ2ρ2+pz2)+12mω2(ρ2+z2)

于是 HJ 方程为

12m(S0ρ)2+12mω2(ρ2+z2)+12mρ2(S0θ)2+12m(S0z)2=E

可以令 S0=pθθ+Sρ(ρ)+Sz(z) ,代入上式,分离变量有

dSθdθpθ12mω2z2+12m(dSzdz)2=Ez12mω2ρ2+pθ22mρ2+12m(dSρdρ)2=Eρ

作用量

Jθ=12πpθdθ=pθJz=12πpzdz=EzωJρ=12πpρdρ=1πρminρmax2mEρm2ω2ρ2pθ2ρ2 dρ=Eρ2ω|Jθ|2

最后一个积分其实可以与 ρmin,max 无关,详见[[#附录%]]。于是

H=Eρ+Ez=ω(2Jρ+|Jθ|+Jz)ωi=HJi=2ω,  ωsign(Jθ),  ω,i=ρ,θ,z

1.3 球坐标

已知基本关系:

L=m2(r˙2+r2θ˙2+r2φ˙2sin2θ)V(r,θ,φ),V(r)=12mω2r2pr=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+12mω2r2+12mr2(S0θ)2+12mr2sin2θ(S0φ)2=E

可以令 S0=pφφ+Sr(r)+Sθ(θ) ,代入上式,分离变量有

dSφdφpφ(dSθ dθ)2+pφ2sin2θ=L212m( dSrdr)2+12mω2r2+L22mr2=E

作用量

Jφ=12πpφdφ=pφJθ=12πpθdθ=1πθminθmaxL2pφ2sin2θ dθ=1πarcsin|pφL|πarcsin|pφL|L2pφ2sin2θ dθ=L|pφ|Jr=12πprdr=1πrminrmax2mE+2m2ω2r2L2r2dr=2πi(Res(0)+Res())=E2ωL2

最后一个积分的计算方式和柱坐标的 Jρ 类似。就得到

H=E=ω(2Jr+Jθ+|Jφ|)ωi=HJi=2ω,  ω,  ωsign(Jφ),i=r,θ,φ

2 位力定理

直接计算:

Ir+Iθ=mr˙dr+mr2θ˙dθ=0T(mr˙2+mr2θ˙2)dt,T=20TEkdt,Ek=2T1T0TEkdt=2TEk

根据位力定理,Ek=12V,所以

Ir+Iθ=TV=0Tkrdt

成立。

3 平面谐振子

3.1

Ii=12πpidx=12π0Tiωixi˙2dt,i=x,y

所以

2Ek=2π(IxTx+IyTy)

根据位力定理

V=Ek

所以

EV+Ek=2π(IxTx+IyTy)

3.2

ωi=EIi=2πTi=φ˙i,i=x,yφi=ωit+φi0E=ωxIx+ωyIy=12mωx2Ax2+12mωy2Ay2Ai=2Iimωi

所以

xi=Aicos(ωit+φi0)=2Iimωicosφi,i=x,y

3.3

如上,代入 φi=ωit+φi0 即可。

3.4

这是一个李萨如图形。

zz_figure/Pasted image 20251219170743.png

4 变长单摆

E=12ml2θ˙2mglcosθ12ml2θ˙2+12mglθ2=pθ22ml2+12mglθ2

作用量

J=12πpθdθ=12ππ2ml2E2mglE=Elg

得到

ElJg

为绝热/浸渐不变量。

附录%

来处理这个丑陋的积分

Jρ=12πpρdρ=12π2mEρJθ2ρ2m2ω2ρ2 dρ

u=ρ2dρ=du2u

Jρ=12π2mEρJθ2um2ω2u du2u=14πu1u2m2ω2u2+2mEρuJθ2u du

设被积函数为 f(u)=R(u)uR(u)=m2ω2u2+2mEρuJθ2,上式中 u1,2R(u)=0 的两个正实根,因此积分路径是复平面上包裹 u1,2 连线 (即割线) 的闭合曲线。根据留数定理,包裹割线的回路积分等于包裹复平面上除割线以外所有奇点(原点 u=0 和无穷远点 u=)留数之和的负值:

Jρ=14π(2πi)[Res(f,0)+Res(f,)]=i2[Res(f,0)+Res(f,)]

u0 附近,展开 R(u)

R(u)=Jϕ2+2mEρum2ω2u2=Jϕ21(2mEρJθ2u+O(u2))

为保证积分路径的相位正常,需要改写根号为

R(u)=eϕ1+ϕ22Jθ2+2mEρum2ω2u2,ϕi=arg(uui)

当积分路径为正常地沿实轴 u1u2 积分时,相位 ϕ1+ϕ22=π+π2=0。注意这里不能选用根号的另一个分支 ϕ1+ϕ22+π,这会令积分得到的 Jρ<0,不符合物理意义,因为 Jρ=12πpρdρ 为相空间中闭合轨迹的面积,须大于 0。

采用留数和上述积分围道时,在 u0 附近得到

f(u)=|Jθ|u(1mEρJθ2u+O(u2))eϕ1+ϕ2+π2

此时 ϕi=arg(0ui)=π,即 eϕ1+ϕ2+π2=i,因此,

Res(f,0)=i|Jθ|

u 附近:

R(u)=m2ω2u2(12mEρm2ω2u+Jθ2m2ω2u2)=mωu(12Eρmω2u+O(1u2))1/2eϕ1+ϕ2+π2

此时

f(1u)=uR(1u)mω(12Eρmω2u+O(u2))1/2eϕ1+ϕ2+π2imω(1+Eρumω2)

于是

Res(f(u),)=Res(f(1u)u2,0)=iEρω

将两个留数代回 Jρ 的公式:

Jρ=i2(i|Jθ|+iEρω)=12|Jθ|+Eρ2ω

这就是积分的最终结果。你也可以尝试用实积分求解,会得到相同的答案。