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等效位能是將許多效應綜合成單一位能的數學表達式。在[[古典力學]]中,等效位能即為離心力位能與位能的和。等效位能常被用來計算[[行星]]的軌道及半古典的原子計算,可用來降低問題的維度。 ==定義== 等效位能 <math>U_\text{eff}</math> 可定義如下: <math> U_\text{eff}(\mathbf{r}) = \frac{L^2}{2mr^2} + U(\mathbf{r}) </math> :''L'' 為[[角動量]]。 :''r'' 為兩物體之距離。 :''m'' 為繞行物體之質量。 :''U(r)'' 為位能。 等效力,也就是等效位能的梯度取負號則為: <math> \begin{align} \mathbf{F}_\text{eff} &= -\nabla U_\text{eff}(\mathbf{r}) \\ &= \frac{L^2}{mr^3}\hat{\mathbf{r}} - \nabla U(\mathbf{r}) \end{align} </math> 其中 <math>\hat{\mathbf{r}}</math> 為r方向的單位向量。 ==特性== 等效位能有許多有用的特性: :<math> U_\text{eff} \leq E </math> 要找到一個圓形軌道的半徑,我們只要將等效位能對r取最小值,或是找<math>r_0</math>使總力為0: :<math> \frac{d U_\text{eff}}{dr} = 0 </math> 在解出<math>r_0</math>後,代回<math>U_\text{eff}</math>以求等效位能之最大值<math>U_\text{eff}^\text{max}</math>。 也可求得微小振盪之頻率: :<math> \omega = \sqrt{\frac{U_\text{eff}''}{m}} </math> 其中[[角分符號]]代表對r的微分。 ==例子:重力位能== 以質量為m的小天體繞行質量為M的大天體為例,並假設M遠大於m。在牛頓力學中,大天體的運動可被忽略,且[[能量]]E及[[角動量]]L守恆: :<math>E = \frac{1}{2}m\left(\dot{r}^2 + r^2\dot{\phi}^2\right) - \frac{GmM}{r},</math> :<math>L = mr^2\dot{\phi} \, </math> 其中 :<math>\dot{r}</math> 為r對時間的微分, :<math>\dot{\phi}</math> 為小天體之[[角速度]], :''G'' 為重力常數。 因為整個運動發生在一平面,所以我們只需要兩個變數r及<math>\phi</math>。將第二個式子代回第一個式子,整理之後可得 :<math>m\dot{r}^2 = 2E - \frac{L^2}{mr^2} + \frac{2GmM}{r} = 2E - \frac{1}{r^2}\left(\frac{L^2}{m} - 2GmMr\right),</math> :<math>\frac{1}{2}m\dot{r}^2 = E - U_\text{eff}(r),</math> 其中 :<math>U_\text{eff}(r) = \frac{L^2}{2mr^2} - \frac{GmM}{r} </math> 即為等效位能。<ref group="Note">A similar derivation may be found in José & Saletan, ''Classical Dynamics: A Contemporary Approach'', pgs. 31–33</ref> 如同上式所述,原問題的兩個變數被化簡成單變數的問題。在許多應用中,等效位能可視為一維系統的位能,譬如說用等效位能來決定轉折點及[[力學平衡|穩定平衡區]]。類似的方法可用來決定[[廣義相對論]]中[[史瓦西度規]]的軌道。 ==注释== <references group="Note"/> ==参考资料== {{Reflist}} * {{Cite book|last1=José|first1=JV|last2=Saletan|first2=EJ|year=1998|title=Classical Dynamics: A Contemporary Approach|edition=1st|publisher=Cambridge University Press|isbn=0-521-63636-1|postscript=<!-- Bot inserted parameter. Either remove it; or change its value to "." for the cite to end in a ".", as necessary. -->{{inconsistent citations}}}}. * {{cite journal |url = http://jcp.aip.org/jcpsa6/v117/i4/p1869_s1?isAuthorized=no |last = Likos et al |first = C.N. |last2 = Rosenfeldt |first2 = S. |last3 = Dingenouts |first3 = N. |last4 = Ballauff |first4 = M. |last5 = Lindner |first5 = P. |last6 = Werner |first6 = N. |last7 = Vögtle |first7 = F. |title = Gaussian effective interaction between flexible dendrimers of fourth generation: a theoretical and experimental study |journal = J. Chem. Phys. |volume = 117 |pages = 1869–1877 |year = 2002 |doi = 10.1063/1.1486209 |bibcode = 2002JChPh.117.1869L |issue = 4 |deadurl = yes |archiveurl = https://web.archive.org/web/20110719010918/http://jcp.aip.org/jcpsa6/v117/i4/p1869_s1?isAuthorized=no |archivedate = 2011-07-19 }} * {{cite journal |url = http://www.springerlink.com/content/t238g8pk30606027/ |last = Baeurle |first = S.A. |author2=Kroener J. |title = Modeling Effective Interactions of Micellar Aggregates of Ionic Surfactants with the Gauss-Core Potential |journal = J. Math. Chem. |volume = 36 |pages = 409–421 |year = 2004 |doi = 10.1023/B:JOMC.0000044526.22457.bb |issue = 4}} * {{cite journal |url = http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVP-439VDH7-1&_user=616165&_coverDate=07%2F31%2F2001&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1343199058&_rerunOrigin=scholar.google&_acct=C000032338&_version=1&_urlVersion=0&_userid=616165&md5=09b16d8bfcfeecad13e87c345623bd4e |last = Likos |first = C.N. |title = Effective interactions in soft condensed matter physics |journal = Physics Reports |volume = 348 |pages = 267–439 |year = 2001 |doi = 10.1016/S0370-1573(00)00141-1 |bibcode = 2001PhR...348..267L |issue = 4–5 |author = |access-date = 2015-07-23 |archive-url = https://archive.today/20130201204600/http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVP-439VDH7-1&_user=616165&_coverDate=07/31/2001&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1343199058&_rerunOrigin=scholar.google&_acct=C000032338&_version=1&_urlVersion=0&_userid=616165&md5=09b16d8bfcfeecad13e87c345623bd4e |archive-date = 2013-02-01 |dead-url = yes }} {{DEFAULTSORT:Effective Potential}} [[Category:Mechanics]]
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