9–1 动量与力
动量 p = m v。牛顿第二定律的普遍形式:
F = d(mv)/dt;(常质量)⇒ F = ma
加速度既可改变速度大小,也可改变方向;匀速圆周的向心加速度 a=v²/R。
9–2 速度与速率
速度含方向,速率为大小。三分量:v_x=dx/dt, v_y=dy/dt, v_z=dz/dt;|v|=(v_x²+v_y²+v_z²)^{1/2}。
9–3 分量形式
F_x = m d²x/dt²,F_y = m d²y/dt²,F_z = m d²z/dt²
力与运动可在各方向独立分析;例如水平匀速、竖直自由落体相互独立。
9–4 力从何来:重力与弹簧
- 近地重力:F=mg ⇒ x 方向 a=g,v_x=v_0+gt,x=x_0+v_0 t + ½ g t²。
- 弹簧:F=−kx ⇒ m d²x/dt² + kx=0 ⇒ 简谐振动 x=cos(ωt) 等(数值/解析皆可)。
9–5/9–6 数值解法要义
以小步长 ϵ 迭代: x(t+ϵ)=x(t)+ϵ v(t+ϵ/2);v(t+ϵ/2)=v(t−ϵ/2)+ϵ a(t)。
中点法显著提高精度;示例:谐振子与轨道近似(与解析解 x=cos t 符合)。
9–7 行星运动的数值计算
a_x=−x/r³,a_y=−y/r³,r=(x²+y²)^{1/2}
用小步积分可追踪椭圆轨道;扩展到 N 体:对每对 (i,j) 累加 −G m_j (r_i−r_j)/|r_i−r_j|³。
核心要点
- 牛顿第二定律最一般形式 F=d(mv)/dt。
- 分量法处理三维运动,独立叠加。
- 谐振子与轨道问题可用中点法高精数值解。
- N 体问题可由计算机高精度模拟。