《非线性物理》PPT课件

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1、第五章孤立波一个轮廓清晰又光滑的水堆，犹如一个大鼓包，沿着运河一直向前推进。第五章孤立波第一节历史回顾第二节KdV方程第三节正弦—高登方程第四节非线性薛定谔方程与光学孤立子1.一个奇特的水波2.孤立波与孤立子第一节历史回顾1.一个奇特的水波1834年，苏格兰海军工程师罗素(J.ScottRussell)在一次偶然中观察到一种奇特的水波。他看到两匹骏马拉着一条船沿运河迅速前进，当船突然停止时，随船一起运动的船头处的水堆并没有停止下来。它激烈地在船头翻动起来，随即突然离开船头，并以巨大的速度向前推进。一个轮廓清晰又光滑的水堆，犹如一个大鼓包，沿着运河一直向前推进在行进过程中其形状与速度没有

2、明显变化。罗素称之为孤立波-Solitarywave。罗素的发现1.一个奇特的水波罗素的发现实验结果表明水波的运动速度与波幅高度有关，波幅越高速度越快，且波幅的宽度对高度之比也越小。水槽中的实验罗素在一长水槽的一端，用一重锤垂落入水中，反复的观察重锤激起的水浪的运动。实验发现水波移动速度v、水的深度d及水波幅度A的关系为B为比例常数1.一个奇特的水波KdV方程半个多世纪后，1895年，两位荷兰科学家科特维格(Kortweg)与德弗雷斯(deVries)认为：罗素观察到的孤立波是波动过程中非线性效应与色散现象互相平衡的结果。他们建立了KdV方程：sech(x)为双曲正割函数,具有钟形形状

3、。漫长的发展史FPU问题又过了半个多世纪，1955年，美国阿尔莫斯国家实验室，著名物理学家费米(E.Fermi)、帕斯塔(J.Pasta)和乌莱姆(Ulam)设计了一个数值计算实验：“非线性弹簧联结的64个质点组成弦的振动”，发现初始对少数质点激发，长时间后能量几乎全部回到了初始集中在少数质点上的状态。1.一个奇特的水波漫长的发展史1965年，两位美国数学家，采布斯基(Zabusky)与克鲁思卡尔(Kruskal)，用计算机计算发现，FPU问题与KdV方程的解直接有关。此后，人们发现，在许多物理体系中都存在KdV方程，说明孤立波是一种普遍存在的物理现象。KdV方程成为数学物理的一个基本

4、方程1.一个奇特的水波孤立波方程人们在理论上和实验上对孤立波巳作了大量的研究。此后发现，除KdV方程外还有其它微分方程具有孤立波解。在数学上通常认为下列非线性方程的解的性质具有孤立波特性。(1)KdV方程(2)正弦—高登(Sine-Gordon)方程(3)户田(M.Toda)非线性晶格方程(4)非线性薛定谔方程(NLSE)漫长的发展史在形态上孤立波是存在于自然界里的相干结构(coherentstructure，或称拟序结构)。从美丽的木星上的巨型红斑到固体中的电荷密度波都属于这样的有序结构。从运动形态上讲相干结构与混沌运动既是相互对立的，又是具有内在联系的两种非线性现象。混沌运动是非线

5、性中奇妙的无序状态，相干结构反映了非线性系统中的惊人有序性。孤立波在尺度上：大到天文范围(木星上巨型红斑达4×108米，约地球与月亮之间的距离；泰国安达曼海面出现的孤立波约150公里宽；水面上孤立水波的尺寸在1米量级)，小到纳米(二硫化钽晶体中的电菏密度孤立波)。2.孤立波与孤立子木星红斑2.孤立波与孤立子孤立子计算发现，两个在空间传播的孤立波具有碰撞特性，说明：(1)孤立波非常的稳定；(2)象一个物质粒子。人们将具有碰撞特性孤立波称为“孤立子-soliton”，简称“孤子”。孤立子是由非线性场所激发的、能量不弥散的、形态上稳定的准粒子。2.孤立波与孤立子孤立子定义①向单方向传播的行波

6、；②分布在空间的一个小区域中；③波动形状不随时间演变而发生变化；④孤立波之间的相互作用具有类似粒子一样的弹性碰撞。孤立子具有一切粒子所具有的特性，如能量、动量、质量、电荷、自旋等等，也遵循一般的自然规律，如能量、动量、质量守恒定律。它又有波动性，存在于一切可以出现波动的介质里。孤立波在哪里？孤立波除存在于浅水层外，还可在水层深处。固体介质、电磁场、等离子体、生物体、以及微观粒子的波动性中都可能有孤立波存在。它是一种行波，既可以速度v在空间传播，又可以处于静止状态。2.孤立波与孤立子孤立波类型(i)波包型(ii)凹陷型(iii)扭折型(iv)反扭折型(i)、(ii)两种在时，(iii)、

7、(iv)两种是在时,u(x)趋近于不同的数值1.波动中的非线性会聚效应2.波动中的色散3.KdV方程4.KdV方程的孤立波解第二节KdV方程1.波动的会聚效应浪花的形成远处传来的海浪越近海岸，浪头越高，终于在离海岸不远处卷起了浪花。这是因为海滩对水浪运动产生某种阻滞力，浪的较低部分受到阻滞力大，较高部分阻滞力小。因此当水浪高处前进速度大，低处前进速度小，水浪会在前进中越来越前倾，在某一时刻波前出现坍塌，卷起了浪花。当水浪的不同部分有不同行进速度