接下来,我们用类似上面的一般方法来推导波动方程。
我们知道\(\vec{F}=-\nabla V\)(1.6)
在一维空间中:
\(\nabla =\frac{\partial}{\partial \Delta_1}\vec{e_{\Delta_1}}\)(1.7)
注意是对\(\Delta\)的偏导数!这是因为两个邻近质元的位移差才是这个维度,势能和力肯定只依赖于它,而不是单个质点偏离平衡位置的位移。
那么我们可以求出力:
\(\vec{F}=-\frac{\partial}{\partial \Delta_1}(dV)\vec{e_{\Delta_1}} = -\frac{\varepsilon_1}{dx}\Delta_1\vec{e_{\Delta_1}} = -\varepsilon_1\frac{\partial u}{\partial x}\vec{e_{\Delta_1}}\)(1.8)
注意,势能是该质元的势能,所以这个力也是该质元施加给邻近且坐标比它大的质元的力。
而我们要列牛顿第二定律的方程,就要找该质元受的力。
由牛顿第三定律,\([x,x+dx]\)内的质元受到的合力(以u正方向为正,写为标量式)可算出:
\(F = \varepsilon_1\frac{\partial u}{\partial x}|_{x+dx}-\varepsilon_1\frac{\partial u}{\partial x}_{x}=\varepsilon_1\frac{\partial^2u}{\partial x^2}dx\)(1.9)
那么,我们便可以导出一维形式的波动方程
\(F=\varepsilon_1\frac{\partial^2u}{\partial x^2}dx=\rho_1\frac{\partial^2u}{\partial t^2}dx\)(1.10)
即:
\(\frac{\partial^2u}{\partial t^2}-\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}\frac{\partial^2u}{\partial x^2}=0\)(1.11)
这是一个偏微分方程的定解问题,为了方便我们选取无限长一维介质,即无边界条件。
对于初始条件,我们设:
\(u|_{t =0} = \varphi(x),\frac{\partial u}{\partial t}|_{t =0} = \psi(x)\)(1.12)
即给定每一质元初始时相对平衡位置的位移和速度
梁昆淼先生的数理方法上,介绍了用达朗贝尔公式去解,下个回复我会把它放上来。然而,这个方法确实较简单,但是于我们今天的证明和高维的推广不利,我后面会使用别的方法求解的。
时段 | 个数 |
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