تاريخ الفيزياء
علماء الفيزياء
الفيزياء الكلاسيكية
الميكانيك
الديناميكا الحرارية
الكهربائية والمغناطيسية
الكهربائية
المغناطيسية
الكهرومغناطيسية
علم البصريات
تاريخ علم البصريات
الضوء
مواضيع عامة في علم البصريات
الصوت
الفيزياء الحديثة
النظرية النسبية
النظرية النسبية الخاصة
النظرية النسبية العامة
مواضيع عامة في النظرية النسبية
ميكانيكا الكم
الفيزياء الذرية
الفيزياء الجزيئية
الفيزياء النووية
مواضيع عامة في الفيزياء النووية
النشاط الاشعاعي
فيزياء الحالة الصلبة
الموصلات
أشباه الموصلات
العوازل
مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة
فيزياء الجوامد
الليزر
أنواع الليزر
بعض تطبيقات الليزر
مواضيع عامة في الليزر
علم الفلك
تاريخ وعلماء علم الفلك
الثقوب السوداء
المجموعة الشمسية
الشمس
كوكب عطارد
كوكب الزهرة
كوكب الأرض
كوكب المريخ
كوكب المشتري
كوكب زحل
كوكب أورانوس
كوكب نبتون
كوكب بلوتو
القمر
كواكب ومواضيع اخرى
مواضيع عامة في علم الفلك
النجوم
البلازما
الألكترونيات
خواص المادة
الطاقة البديلة
الطاقة الشمسية
مواضيع عامة في الطاقة البديلة
المد والجزر
فيزياء الجسيمات
الفيزياء والعلوم الأخرى
الفيزياء الكيميائية
الفيزياء الرياضية
الفيزياء الحيوية
الفيزياء العامة
مواضيع عامة في الفيزياء
تجارب فيزيائية
مصطلحات وتعاريف فيزيائية
وحدات القياس الفيزيائية
طرائف الفيزياء
مواضيع اخرى
Nonlinear Oscillator
المؤلف:
Sidney B. Cahn And Boris E. Nadgorny
المصدر:
A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
الجزء والصفحة:
part 1 , p 22
28-7-2016
1349
Nonlinear Oscillator
a) A nonlinear oscillator has a potential V(x) given by
with λ a small parameter. Find the solution of the equations of motion to first order in λ, assuming x = 0 at t = 0.
b) Comment on the temperature dependence of the thermal expansion coefficient, if the interaction of the atoms in a solid is described by V(x) from (a).
SOLUTION
a) The Lagrangian for the potential V(x) is
Therefore, the equation of motion for the nonlinear harmonic oscillator is
(1)
where is the principal frequency of a harmonic oscillator. We will look for a solution of the form
(2)
Where x(0) is a solution of a harmonic oscillator equation
(3)
Since we are looking only for the first order corrections, we do not have to consider a frequency shift in the principal frequency ω0. The solution of equation (3) with initial condition x(0) = 0 is x(0) = A sin ω0t. Substituting this into (1) and using (2), we obtain an equation for x(1) (leaving only the terms which are first order in λ).
(4)
or
(5)
The solution for x(1) is a sum of the solutions of the linear homogeneous and the linear inhomogeneous equations:
(6)
where is the inhomogeneous solution of the form
(7)
Substituting (6) and (7) into (5), we obtain
So
(8)
Using the initial condition x(1)(0) = 0 we obtain C = -2A2/3ω20. The solution of the equation of motion (1) will be
(9)
where is A' defined from initial conditions.
b) The average of <x> over a period T = 2π/ω0 is certainly nonzero for a given amplitude of oscillation A. Inspection of (9) reveals that
(10)
To take into account the energy distribution of the amplitude, we have to calculate the thermodynamical average of <x> as a function of temperature
(11)
where τ is the temperature in energy units and is Boltzmann’s constant.
(12)
The amplitude of the oscillator as a function of energy is given by
(13)
Substituting (13) into (12) gives
(14)
This result can explain the nonzero thermal expansion coefficient of solids.