大阪大学 理学研究科 物理学専攻 2019年8月実施 問題1
Author
Miyake
Description
題意の要約(暫定)
質量 m、長さ l の単振り子を考える。重力加速度を g とし、振れ角 θ は十分小さいとする。初期条件は
θ(0)=α,θ˙(0)=0.
である。
【I:微小振動】
- 運動方程式から θ(t) と角振動数 ω を求めよ。
- 振動の力学的エネルギー E を求めよ。
- θ2 の項まで残す近似の下で、糸の張力 T(t) を求めよ。
- 一周期にわたる平均張力 ⟨T⟩ を求めよ。
【II:振り子の長さの緩やかな変化】
振り子の長さを緩やかに δl だけ変化させ、微小変化の一次の項のみを考える。
- 角振動数の変化 δω を求めよ。
- 平均張力による仕事から、力学的エネルギーの変化 δE を求めよ。
- この緩やかな変化に対し、
ω+δωE+δE=ωE+O(δl2),
すなわち E/ω が断熱不変量であることを示せ。
【III:位相空間】
- 微小振動する単振り子の Lagrangian を書き、θ に共役な運動量 p を求めよ。
- エネルギー E を固定したとき、位相平面 (θ,p) における楕円軌道の方程式を書け。
- 作用積分
∮pdθ,
を求め、振り子の長さを緩やかに変えるときに不変であることを説明せよ。
题目描述
考虑质量为 m 的单摆,摆长为 l,重力加速度为 g,摆角 θ 很小;初始条件为
θ(0)=α,θ˙(0)=0.
【I:小振动】
- 由运动方程求 θ(t) 与角频率 ω。
- 求振动的机械能 E。
- 在保留至 θ2 的近似下,求摆线张力 T(t)。
- 求一个周期内的平均张力 ⟨T⟩。
【II:缓慢改变摆长】
将摆长缓慢改变 δl,只保留一阶小量。
- 求角频率变化 δω。
- 由平均张力所做功求机械能变化 δE。
- 证明在这一缓慢变化下
ω+δωE+δE=ωE+O(δl2),
即 E/ω 为绝热不变量。
【III:相空间】
- 写出小角度单摆的 Lagrangian,并求与 θ 共轭的动量 p。
- 在固定能量 E 下,写出相平面 (θ,p) 中轨道的椭圆方程。
- 计算作用量
∮pdθ,
并说明它在摆长缓慢变化时保持不变。
Kai
(1)
θ¨=dθ˙/dt と書くと、運動方程式は次のようになる:
mlθ¨∴ θ¨=−mgsinθ=−lgsinθ≃−lgθ
よって、 ω=g/l とおいて、
θ(t)=αcosωt=αcos(lgt)
が与えられた初期条件を満たす解である。
(2)
θ˙(t)=−αωsinωt
の最大値は αω であるから、
E=21ml2α2ω2=21mglα2
である。
(3)
糸の方向の運動方程式より、
mlθ˙2∴ T=T−mgcosθ=mlθ˙2+mgcosθ≃mlθ˙2+mg−21mgθ2
がわかる。
(4)
(1), (3) より、
T∴ ⟨T⟩=mlα2ω2sin2ωt+mg−21mgα2cos2ωt=mgα2sin2ωt+mg−21mgα2cos2ωt=mg(4α2+4−43α2cos2ωt)=4α2+4mg
がわかる。
II.
(5)
δω=l+δlg−ω=ω(1+lδl)−1/2−ω≃ω(1−2lδl)−ω=−2lδlω
(6)
δW=−⟨T⟩δl=−4α2+4mgδl
また、 δW=δE−mgδl より、
δE=δW+mgδl=−4α2mgδl
である。
(7)
(2), (5), (6) の結果を使って、
δl の1次までで次のように計算できる:
ω+δωE+δE=ωE(1+EδE)(1+ωδω)−1≃ωE(1+EδE−ωδω)=ωE(1−2lδl+2lδl)=ωE
III.
(8)
L∴ p=21ml2θ˙2−mgl(1−cosθ)=∂θ˙∂L=ml2θ˙
(9)
E∴ =21ml2θ˙2+mgl(1−cosθ)≃21ml2θ˙2+21mglθ2=2ml2p2+21mglθ22ml2Ep2+mgl2Eθ2=1
これは楕円の方程式である。
(10)
(9) より、
∮pdθ=π2ml2Emgl2E=2πEgl=2πωE
となるが、 (7) より、これは糸の長さが δl 変化する前後で変わらない。