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第九章:牛顿动力学定律

Newton’s Laws of Dynamics

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

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