Musterlösungen. Theoretische Physik I: Klassische Mechanik

Ähnliche Dokumente
Übungen zum Ferienkurs Theoretische Mechanik

1. Probeklausur. φ = 2x 2 y(z 1).

Theoretische Physik: Mechanik

(a) Transformation auf die generalisierten Koordinaten (= Kugelkoordinaten): ẏ = l cos(θ) θ sin(ϕ) + l sin(θ) cos(ϕ) ϕ.

Übungen zur Theoretischen Physik 2 Lösungen zu Blatt 13

Musterlösungen. Theoretische Physik I: Klassische Mechanik

10. Lagrange-Formalismus

Theoretische Physik: Mechanik

dt L q, q,t 3. Lagrange-Formalismus 3.1. Hamilton'sches Prinzip

Blatt 10. Hamilton-Formalismus- Lösungsvorschlag

INSTITUT FÜR THEORETISCHE PHYSIK. Prof. Dr. U. Motschmann Dr. M. Feyerabend. Theoretische Mechanik SS 2017

Probeklausur zur T1 (Klassische Mechanik)

Lösungsvorschlag Theoretische Physik A Elftes Übungsblatt

Klassische Theoretische Physik II (Theorie B) Sommersemester 2016

Theoretische Physik: Mechanik

Klassische Theoretische Physik II. V: Prof. Dr. M. Mühlleitner, Ü: Dr. M. Rauch. Klausur 1 Lösung. 28. Juli 2014, Uhr

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Theoretische Physik: Mechanik

Name: Gruppe: Matrikel-Nummer:

Theoretische Physik: Mechanik

Übungen zu Theoretischer Mechanik (T1)

Klassische Theoretische Physik II. V: Prof. Dr. M. Mühlleitner, Ü: Dr. M. Rauch. Klausur 1 Lösung. 27. Juli 2015, Uhr

Universität Karlsruhe Klassissche Theoretische Physik II (Theorie B) Sommersemester 2009 V: PD. Dr. M. Eschrig Ü: Dr. habil. W.

Name: Gruppe: Matrikel-Nummer:

Ferienkurs Theoretische Mechanik 2010 Lagrange Formalismus

Übungen zu Lagrange-Formalismus und kleinen Schwingungen

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Implizite Differentiation

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Bewegung auf Paraboloid 2

Theoretische Physik: Mechanik

Lösung Repetitionsübung

Übungen zur Theoretischen Physik 2 Lösungen zu Blatt 11

(a) Λ ist eine Erhaltungsgröße. (b) Λ ist gleich der Exzentrizität ε der Bahnkurve.

Übungen zur Theoretischen Physik 2 für das Lehramt L3 Blatt 3

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Klausur zu Theoretische Physik 2 Klassische Mechanik

Theoretische Physik: Mechanik

Theoretische Physik I: Lösungen Blatt Michael Czopnik

Theoretische Mechanik

Klausur zu Theoretische Physik 2 Klassische Mechanik

Übungen Theoretische Physik I (Mechanik) Blatt 8 (Austeilung am: , Abgabe am )

1. Prinzip von d'alembert

Übungen zu Theoretische Physik I - Mechanik im Sommersemester 2013 Blatt 7 vom Abgabe:

Übungen zur Kosmologie Lösungen zu Blatt 1

Aufgaben zur Analytischen Mechanik SS 2013 Blatt 10 - Lösungen. Aufgabe 1 Wiederholung Eigenwerte und Eigenvektoren (15 Punkte)

Musterlösungen. Theoretische Physik I: Klassische Mechanik

(t - t ) (t - t ) bzw. δ ε. θ ε. (t - t ) Theorie A (WS2005/06) Musterlösung Übungsblatt ε= 0.1 ε= t ) = lim.

Theoretische Physik II: Analytische Mechanik und Spezielle Relativitätstheorie

Musterlösung Analysis 3 - Funktionentheorie

Theoretische Physik I Mechanik Probeklausur - Lösungshinweise

m 1 m 2 V 2 = m 2 gh.

Klassische Theoretische Physik II (Theorie B) Sommersemester 2016

Ferienkurs Theoretische Mechanik Frühjahr 2009

Theoretische Physik: Mechanik

M. 59 Perle auf rotierendem Draht (F 2018)

Die Bewegungsgleichungen eines geladenen Teilchens im externen elektromagnetischen Feld sind bekannt d dt m v = e E + e [

(dφ) 2 + (dz) 2. φ 2 dφ mit z=z(φ).

Übungen zum Ferienkurs Theoretische Mechanik

Klausur zur T1 (Klassische Mechanik)

5. Raum-Zeit-Symmetrien: Erhaltungssätze

1 Lagrange-Formalismus

2. Lagrange-Gleichungen

Abbildung 1: Atwoodsche Fallmaschine mit Feder

10. Vorlesung Wintersemester

A1: Diplomvorprüfung HM II/III WS 2007/

Mathematikaufgaben > Analysis > Kurven (Polarkoordinaten)

Repetitorium D: Starrer Körper

8.1 Lösung der Laplace-Gleichung durch Separation der Variablen

Ferienkurs Mechanik: Probeklausur

0 1 0 b Die inverse Funktion muss die Translation um b sein und hat daher die homogene Matrix b b 1

Theoretische Physik 1 (Mechanik) Aufgabenblatt 3 Lösung

Lösung - Serie 20. D-MAVT/D-MATL Analysis II FS 2018 Dr. Andreas Steiger. MC-Aufgaben (Online-Abgabe)

Musterlösung zur Probeklausur Theorie 1

ELEKTRODYNAMIK UND RELATIVITÄTSTHEORIE

Nachklausur: T1: Theoretische Mechanik

Blatt 08: Reihenentwicklung

Ferienkurs Theoretische Mechanik Frühjahr 2009

Beispiel 1:Der Runge-Lenz Vektor [2 Punkte]

2. Lagrange-Gleichungen

1. Prinzip der virtuellen Leistung

Übungsblatt 04. PHYS4100 Grundkurs IV (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt) Hans-Dieter Vollmer,

Übungen zum Mathematischen Vorkurs

Probeklausur zur Theoretischen Physik I: Mechanik

Lösung zu Übungsblatt 3

Klausur mit Lösung. Baudynamik. 17. Februar 2014

Repetitorium Theoretische Mechanik, SS 2008

Theoretische Physik 2 (Theoretische Mechanik)

Explizite und Implizite Darstellung einer Funktion

+m 3 2. L = M 1 2 v2 1 + M 2. r 3 r 2. 2 v2 2 + γm 1M 2

Aufgaben zum Wochenende (2)

2 Lagrange sche Bewegungsgleichungen

Analytische Mechanik in a Nutshell. Karsten Kirchgessner Dezember Januar 2008

Übungen zu Lagrange-Formalismus und kleinen Schwingungen

1d) Die z Komponente L z des Drehimpulses. 1e) f(x)g (x)δ(x z) = f(z)g (z) nach Definition der Delta-Distribution. heißt

Aufgabe 1: Doppelpendel a) [2 Pkte.] Zwangsbedingungen: Massenpunkte auf Kreisen, also A 1 : x y 2 1 l 2 = 0,

Grundlagen der Lagrange-Mechanik

Theoretische Physik B - Lösungen SS Pendel mit bewegter Aufhängung (6 Punkte) (a) Die Zwangsbedingung lautet

Übungen zur Theoretischen Physik 1 Lösungen zu Blatt 6 Hausübungen (Abgabe: )

Theoretische Mechanik

Transkript:

Blatt 4 08.11.01 Musterlösungen Theoretische Physik I: Klassische Mechanik Prof. Dr. G. Alber MSc Nena Balanesković Die Lagrange Methoe zweiter Art, Symmetrien un Erhaltungsgrößen 1. y r x Gegeben sei eine Anornung wie in er Skizze argestellt. Zwei Massenpunkte mit Massen m 1 un m sin über einen masselosen Faen er Länge l über eine im Mittelpunkt fixierte Rolle mit Raius r miteinaner verbunen un unterliegen em Schwerefel er Ere g = g e y. m 1 m a Stellen Sie ie Zwangsbeingungen auf. Es gibt rei holonom skleronome Zwangsbeingungen: b Wie lautet ie Lagrangefunktion? y 1 +rπ y = l y 1,y < 0 1 x 1 = r = x. L = m 1 ẏ 1 + m ẏ 1 gm 1y 1 +m y 1 +rπ l 3 c Bestimmen Sie ie Bewegungsgleichungen er beien Massenpunkte. Unter welcher Beingung gibt es eine Gleichgewichtskonfiguration? Wir erhalten aus m 1 +m ÿ 1 = gm 1 m 4 ie Bewegung y 1 t = y 1 0 + ẏ 1 0t t gm 1 m m 1 +m. Falls m 1 = m ergibt sich ein Gleichgewicht.. Eine Perle er Masse m gleite reibungslos auf einem Drahtring mit Raius R. Der Ring rotiere mit konstanter Winkelgeschwinigkeit ω um seinen Durchmesser im Schwerefel g. g θ R m ω 1

a Formulieren Sie ie Zwangsbeingungen. Wir legen en Koorinatenursprung in en Mittelpunkt es Drahtrings. Die z-achse ist abei antiparallel zu g un zum Zeitpunkt t = 0 sei y = 0. Damit lauten ie Zwangsbeingungen x +y +z = R holonom skleronom unanωt = y/x holonom rheonom. b Führen Sie geeignete verallgemeinerte Koorinaten ein. Wir benutzen Kugelkoorinaten, xθ, t Rsinθcosωt rθ,t = yθ, t = Rsinθsinωt zθ, t Rcosθ c Wie lautet ie Lagrangefunktion in iesen Koorinaten?. 5 Lθ, θ,t = m R ω sin θ+r θ mgrcosθ 6 Wie lauten ie Bewegungsgleichungen? Aus L θ L θ = 0 7 erhalten wir θ + g R ω cosθsinθ = 0. 8 e Betrachten Sie en Fall kleiner Frequenzen ω g/r. Bestimmen Sie ie Gleichgewichtsposition θ 0 am Ring, un berechnen Sie θt für kleine Auslenkungen θ0 = 0,θ0 = θ 0 +δ, δ 1 inem Sie ie Bewegungsgleichung nach δ entwickeln. Der Ausruck g R ω cosθ ist immer positiv. Mögliche Gleichgewichtspositionen sin aher θ0 = θ 0 = π un θ0 = θ 0 = 0, genau ann gilt nämlich θ0 = 0 un somit falls θ0 = 0 θt = θ 0. Ist as Teilchen in θ 0 = 0 ist as Gleichgewicht stabil un wir können ie Bewegungsgleichung für θ = θ 0 + δ nach δ entwickeln. Wir erhalten bis auf Terme höherer Ornung δ + g R ω δ = 0. 9 Für eine kleine Auslenkungδ 0 erhalten wir also g δ 0 g θt = δ 0 cos t R ω + sin g t R ω R ω. 10 f Betrachten Sie en Fall großer Frequenzenω g/r. Bestimmen Sie ie Gleichgewichtspositionθ 0 am Ring, un berechnen Sieθt für kleine Auslenkungen θ0 = 0,θ0 = θ 0 +δ, δ 1. Der Ausruck ω g g cosθ verschwinet für cosθ ω R ω R 0, so ass gilt θ0 = 0 un amit falls θ0 = 0 θt = θ 0. Wir entwickeln ie Bewegungsgleichung für θ = θ 0 + δ nach δ un erhalten δ +ω cosθ 0 cosθ 0 +δsinθ 0 +Oδ sinθ 0 +δcosθ 0 +Oδ = 0 δ +δω sin θ 0 = 0. 11

Für eine kleine Auslenkungδ 0 erhalten wir also θt = θ 0 +δ 0 cos t ω g ω R + δ 0 sin ω g ω R t ω g ω R Es gibt weiterhin ie zwei labilen Gleichgewichtspositionenθ 0 = 0 unθ 0 = π.. 1 3. Die Lagrangefunktion eines relativistischen Massenpunktes mit Ruhemasse m in einem äußeren PotentialU x, x,t lautet L x, x,t = mc 1 a Wie lauten ie Euler-Lagrange Gleichungen? Aus L L = erhalten wir x x x U x, c x,t. 13 mγ x = U x U x. 14 b Betrachten Sie zunächst en Fall eines freien Massenpunktes,. h. U = 0. Zeigen Sie, ass iese Dynamik symmetrisch unter er speziellen Lorentztransformation T ǫ = γt xǫ/c X ǫ = γx ǫt Y ǫ = y Z ǫ = z 15 ist. Bewegung in negativer x-richtung, γ = 1/ 1 ǫ/c. Welche Erhaltungsgröße ist mit ieser Symmetrie verbunen? Mit Tǫ = 1 ǫẋ/c +Oǫ, Xǫ T ǫ = Xǫ ẏ1+ǫẋ/c +Oǫ un Zǫ L Tǫ ǫ ǫ=0 = 1 ǫẋ mc ǫ c = ǫ = mc 1 ǫẋ c mc ẋ c T ǫ = ẋ1+ǫẋ/c ǫ+oǫ, Yǫ T ǫ = Yǫ T ǫ = ż1+ǫẋ/c +Oǫ erhalten wir 1 1 ẋ1+ ǫẋ +ẏ1+ ǫẋ c c ǫ 1 1 c ẋ +ẏ +ż 1+ ǫẋ 1 ẋ +ẏ +ż c + ẋ 1 ẋ +ẏ +ż c c Y ǫ = c +ż1+ ǫẋ c c +Oǫ ǫẋ+oǫ wobei wir beim letzten Schritt ie Oǫ Terme vernachlässigt haben. Die Erhaltungsgröße = 0 16 3

ergibt sich aus 0 = l = t = ψ l L q l +ϕ L l mẋ 1 ẋ +ẏ +ż c m 1 ẋ +ẏ +ż c L q l ql 0 xc L mẋ +ẏ +ż x ẋt. 1 ẋ +ẏ +ż c 17 c Zeigen Sie, ass ie Lagrangefunktion eines freien Teilchens invariant unter Translationen in Raum un Zeit un Drehungen ist. Welche Erhaltungsgrößen folgen araus? Wir betrachten zunächst ie Translationen im Raum, T ǫ = t X k ǫ = xk +ǫe k. 18 Die Lagrangefunktion in iesen neuen Koorinaten ist gleich er in en alten Koorinaten, a sie nur von x abhängt. Daher istf = 0 un wir erhalten ie Erhaltungsgröße aus γm x e+0 0 = 0, 19 wobei γ = 1/ 1 x/c. Es bleibt also er relativistische Impulsγm x erhalten. Für eine Translation er Zeit, T ǫ = t+ǫ X k ǫ = x k, 0 bleibt ie Lagrangefunktion in en neuen Koorinaten ebenfalls gleich er in en alten Koorinaten. Daher ist wieerf = 0 un wir erhalten ie Erhaltungsgröße aus 0 = 0+1 L γm x x 0 = γmc. 1 Die relativistische Energieγmc bleibt erhalten. Zuletzt betrachen wir Rotationen um en Winkel ǫ um ie Achse e, T ǫ = t X k ǫ = xk +ǫε lmk e l x m. Die Lagrangefunktion ist wieerum invariant un ie Erhaltungsgrößen ergeben sich aus 0 = γmẋk ε lmk e l x m +0 0 = x γm x e, 3 so ass ie Konstanz es relativistischen Drehimpulses x γm x folgt. 4

Betrachten Sie as spezielle geschwinigkeitsabhängige Potential U x, x,t = qφ x,t q A x,t x 4 mit em elektromagnetischen PotentialenΦun A, für ie gilt E x,t = x Φ x,t A x,t t 5 B x,t = x A x,t. 6 vgl. mit Aufgabe.3. Wie lauten ie azugehörigen Euler-Lagrange Gleichungen? Es istl = mc 1 v/c U un wir erhalten mγ x = U x U x. 7 Die rechte Seite ieser Gleichung haben wir bereits in Aufgabe.3 berechnet, wir erhalten mγ x = q E xt,t+q x B xt,t. 8 e Betrachten Sie en speziellen Fall U/ t = 0. Welche Ehaltungsgröße folgt araus? Wir betrachten eine Translation er Zeit, T ǫ = t+ǫ X k ǫ = xk. 9 Die Lagrangefunktion ist invariant un wir erhalten ie Erhaltungsgröße aus 0 = 0+1 L γm x x 0 = γmc U. 30 Die relativistische Gesamtenergieγmc +U bleibt erhalten. 5