< 經典力學
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考慮一箇中心勢場 V(r)。中心勢場是指勢能僅依賴於場點到原點的距離的勢場;換句話說,勢能是各向同性的。
系統的拉格朗日量可以寫成
L = 1 2 m x → ˙ 2 − V ( r ) {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}m{\dot {\vec {x}}}^{2}-V(r)}
由於勢能具有球對稱性,因此用球座標表示拉格朗日量是有意義的。
x → ˙ 2 = ( d d t ( r sin ϕ sin θ , r cos ϕ sin θ , r cos θ ) ) 2 {\displaystyle {\dot {\vec {x}}}^{2}=\left({\frac {d}{dt}}\left(r\sin \phi \sin \theta ,r\cos \phi \sin \theta ,r\cos \theta \right)\right)^{2}}
然後可以計算得到
x → ˙ 2 = r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 + r 2 ϕ ˙ 2 sin 2 θ {\displaystyle {\dot {\vec {x}}}^{2}={\dot {r}}^{2}+r^{2}{\dot {\theta }}^{2}+r^{2}{\dot {\phi }}^{2}\sin ^{2}\theta }
因此,拉格朗日量的方程為
L = 1 2 m ( r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 + r 2 ϕ ˙ 2 sin 2 θ ) − V ( r ) {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}m\left({\dot {r}}^{2}+r^{2}{\dot {\theta }}^{2}+r^{2}{\dot {\phi }}^{2}\sin ^{2}\theta \right)-V(r)}
然後可以使用尤拉-拉格朗日公式從拉格朗日量中提取三個運動定律
d d t ( ∂ L ∂ r ˙ ) = ∂ L ∂ r {\displaystyle {\frac {d}{dt}}\left({\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {r}}}}\right)={\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial r}}} 代入 L {\textstyle {\mathcal {L}}} : d d t ( m r ˙ ) = ( m r θ ˙ 2 + m r ϕ ˙ 2 sin 2 θ − ∂ V ∂ r ) {\displaystyle {\frac {d}{dt}}\left(m{\dot {r}}\right)=\left(mr{\dot {\theta }}^{2}+mr{\dot {\phi }}^{2}\sin ^{2}\theta -{\frac {\partial V}{\partial r}}\right)} 計算導數: m d 2 r d t 2 = m r θ ˙ 2 + m r ϕ ˙ 2 sin 2 θ − ∂ V ∂ r {\displaystyle m{\frac {d^{2}r}{dt^{2}}}=mr{\dot {\theta }}^{2}+mr{\dot {\phi }}^{2}\sin ^{2}\theta -{\frac {\partial V}{\partial r}}}
這看起來很亂,但當我們檢視 ϕ {\displaystyle \phi } 的尤拉-拉格朗日關係時,我們得到
d d t ( m r 2 ϕ ˙ sin 2 θ ) = 0 {\displaystyle {\frac {d}{dt}}\left(mr^{2}{\dot {\phi }}\sin ^{2}\theta \right)=0}
因此, m r 2 ϕ ˙ sin 2 θ {\displaystyle mr^{2}{\dot {\phi }}\sin ^{2}\theta } 在整個運動過程中是一個常數。