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数学 宇宙中的自由粒子力学系统

时间:2023-07-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:首先考虑一个自由粒子,其拉格朗日函数为,由于在惯性参考系中时间和空间都是对称的(时间具有平移对称性、空间具有平移对称性和旋转对称性),因此(1)由时间和空间的对称性可知其拉格朗日函数不显含时间t和位置向量,即为;(2)由空间的旋转对称性可知其拉格朗日函数不依赖于速度的方向,只能是速度大小的函数,因此可取特别的,令得将L的表达式代入欧拉-拉格朗日方程,有得,即加速度,此即牛顿第一定律.下面考虑s个自

数学 宇宙中的自由粒子力学系统

将L的表达式代入欧拉-拉格朗日方程,有

下面考虑s个自由质点组成的质点组的拉格朗日函数

将其代入欧拉-拉格朗日方程

此即牛顿第二定律.

那么,拉格朗日力学系统如此精简,我们为什么不从一开始就学习拉格朗日力学,而是学习牛顿经典力学呢?这是因为拉格朗日力学系统虽然精简,但却不容易用直观感受来理解.例如,拉格朗日函数的物理意义,欧拉-拉格朗日方程的物理意义,都不容易理解.其次,因为拉格朗日力学系统中有一些难以通过严格推导、也难以用实验直接验证的地方.例如,在证明牛顿第二运动定律的时候,假设拉格朗日函数中表示自由质点之间的互相影响的函数取负号,就很难用理论推导来证明,并且也难以用实验来直接验证.这就不如可以很容易地设计实验来验证的牛顿经典力学体系.

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