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量子力學之路 開普勒第二定律證明( 四 )



你怎么知道它是一個乘積的時間導數(shù)的?
求解微分方程,首先要猜測解的形式,看看能不能解出來 。如果不能,再另一種形式 。令人惱火的是,許多關于微分方程的課程(資源)只給出了可行的猜測,這就給人制造了一種錯覺,以為某些作者(編者)一下知道了解的形式 ?,F(xiàn)實中,他們嘗試了各種形式的函數(shù),直到得出正確的解 。
角動量守恒
我們要加一個常數(shù),但應該加什么常數(shù)呢?在本文的前面,我提到了角動量,但沒有計算它 ?,F(xiàn)在計算它,得到

量子力學之路 開普勒第二定律證明


角動量等于質量乘以ρ^2φ '(在z方向上) 。因此,C=L/m 。此外,角方程還可以幫助我們解徑向方程
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要清楚的是,我們還沒有解出角方程,但是我們可以用它來去掉徑向方程中的一些煩人的因素 。
開普勒第二定律
在討論徑向方程之前,我們先來推導一下開普勒第二定律 。我們知道函數(shù)ρ(φ)在兩個角度φ_1和φ_2之間的面積是
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讓τ表示它達到φ_1和達到φ_的時間間隔 。如果我們做u代換,有
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從角方程,我們知道ρ^2φ ' = L/m,所以可以把它代入積分
量子力學之路 開普勒第二定律證明


注意,除了從一個角度到另一個角度所需的時間是τ外,我們沒有對這兩個角度做任何說明,這就證明了開普勒第二定律 。
徑向方程
把角方程的解代入得到
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這個方程和伯努利微分方程很相似 。非線性項的二階導數(shù)會引入無法抵消的項 。為了解決這個問題,我們將放棄尋找ρ(t)和φ(t)的封閉解,而嘗試尋找它所走的路徑,ρ(φ) 。
追蹤路徑vs.位置的時間函數(shù)
為了強調這一區(qū)別,我們可以考慮一些以不同方式在賽道上前進的人:
開賽車,騎自行車,步行,在賽道上走了一半,然后轉身,所有這些都可以有不同的ρ(t)和φ(t),但它們都有相同的ρ(φ) 。同樣地,只要知道ρ(φ),太陽系中的行星和其他天體就有可能以隨機的速度運動,旋轉,甚至是瞬移,只要它們一直在軌道上 。為了確定行星的運動方式,我們還需要φ(t),這可以從角方程中得到,目前還沒有解出來 。
伯努利方程
在伯努利方程中,我們會猜想ρ(t)是α(t)的冪
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如果求一階導數(shù)
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這個表達式看起來沒什么問題,我們來求二階導數(shù)
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正如你所看到的,有一個導數(shù)的平方,它阻止了我們求出閉合解 。我們還沒有設n的值,所以看看是否可以將它設為某個值,以去掉平方導數(shù) 。如果n = 0或n = 1,就可以消去平方導數(shù),但也會把有用的東西消去 。我們注意到平方導數(shù)來自于一階導數(shù)中的α項,所以看看能不能去掉它 。我們用鏈式法則把dα/dt寫成(dα/dφ) (dφ/dt) 。從角方程,我們知道dφ/dt = L/(m ρ^2),從α的定義,有
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為了消去α項,需要- n - 1 = 0,也就是n = - 1,這就得到

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