姜付錦

(武漢市黃陂區(qū)第一中學(xué) 湖北 武漢 430300)

郎 軍

(重慶市第十一中學(xué)校 重慶 400061)

對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中球面擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

姜付錦

(武漢市黃陂區(qū)第一中學(xué) 湖北 武漢 430300)

郎 軍

(重慶市第十一中學(xué)校 重慶 400061)

通過(guò)對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中一種球面擺運(yùn)動(dòng)的理論研究，證明了其正則角動(dòng)量守恒，分析了當(dāng)小球的速率有微擾時(shí)運(yùn)動(dòng)的定量規(guī)律以及不脫離而穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的條件，最后通過(guò)數(shù)值模擬直觀地顯示了運(yùn)動(dòng)軌跡并驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果．

球面擺 微擾 正則角動(dòng)量 數(shù)值模擬

1 提出問(wèn)題

如圖1所示，半徑為R的光滑球面固定在空間某點(diǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)豎直向下穿過(guò)球面．一個(gè)質(zhì)量為m，帶電荷量為+q的小球正在某一個(gè)水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，已知小球與球心連線與豎直方向上的夾角為θ0，若小球的速度突然有一個(gè)變化量±Δv(方向不變)時(shí)，試分析以后小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

圖1 提出問(wèn)題

2 理論研究

2.1理論依據(jù)

2.1.1 動(dòng)力學(xué)方程

兩個(gè)方向上的分速度為

在er方向：

化簡(jiǎn)得

FN=mgcosθ+qBvφsinθ-

(1)

在eθ方向：

eφ方向：

由以上兩式求得

2.1.2 正則角動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒

變?yōu)?/p>

等式兩邊同時(shí)乘于sinθ，并對(duì)時(shí)間不定積分得

即

(2)

將小球的運(yùn)動(dòng)分解為經(jīng)線運(yùn)動(dòng)和緯線運(yùn)動(dòng)，由機(jī)械能守恒和正則角動(dòng)量守恒有

經(jīng)線

緯線

聯(lián)立以上兩式求得

(3)

(4)

(5)

2.2運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.2.1 做穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng)的初速度條件

設(shè)初速度為v0,要做穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng)，則

由式(5)得

化簡(jiǎn)得

求得

2.2.2 變軌運(yùn)動(dòng)規(guī)律

以下討論中，設(shè)+q被雙向約束在球面上(如設(shè)想有一根輕桿與+q相連，輕桿可繞球心各向自由轉(zhuǎn)動(dòng))，如圖2所示.

圖2 極角合力與初速度關(guān)系

(6)

(7)

(8)

FN=3mgλ-2mgcosθ0+

(9)

(2)最高點(diǎn)(或最低點(diǎn))的極角θm

在最高點(diǎn)(或最低點(diǎn))：vθ=0，由式(7)得

得

λ1=cosθ0

和

令

由一元三次方程的卡爾丹公式可得

(10)

式中

而λ3,λ4為復(fù)數(shù)根(舍去)，所以

θm=arccosλ2

討論：

(1)若k=0，式(7)變?yōu)?/p>

(k2sin2θ0-1)cosθ0]=0

進(jìn)一步化簡(jiǎn)為

(λ1-cosθ0)(λ-1)(λ+1)

這里λ1=cosθ0為初態(tài)值，λ2為最高點(diǎn)值，λ3,λ4舍去．

(3)沿經(jīng)線方向的運(yùn)動(dòng)周期Tθ

(11)

在一個(gè)周期內(nèi)，沿緯線方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度Δφ.

由于

所以

軌跡閉合性的條件：n1Δφ=n22π(n1,n2為正整數(shù))．

2.2.3 不脫離的條件

(1)如果|k|值太大，初始狀態(tài)可能就會(huì)脫離球面，由θ=θ0時(shí)，F(xiàn)N≥0求出k0.

(12)

(2)如果|k|值太小，在向上變軌的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脫軌，要求運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)不脫離球面，由FN(θ)≥0,vθ(θ)=0可求得k1.

利用式(9)，由FN(θ)=0求得

(13)

由vθ=0及式(7)和式(13)化簡(jiǎn)得到一個(gè)關(guān)于λ的一元三次方程

λ3+bλ2+cλ+d=0

式中

由卡爾丹公式[參見式(10)]可得求得λ.

由求得的λ代入式(13)可求得k絕對(duì)值，設(shè)為k1．

(14)

將k2的值代入vθ=0，利用式(7)，化簡(jiǎn)有

因此λ1=λ2=cosθ0(這為初態(tài)值，不是我們要求的情況，舍去)

于是得到

由卡爾丹公式求得λ3的值(另兩解為復(fù)數(shù)解，舍去．)

將λ3的值代入式(14)求得k2的值．

(4)不脫離的條件為：k1≤|k|≤min(k0,k2)，若k1無(wú)解，則|k|≤min(k0,k2)

(5)實(shí)例分析

因此不脫離的條件為：0.784<|k|<1.068

因此不脫離的條件為：|k|<0.713.

因此不脫離的條件為：0.905<|k|<1.031.

2.3特例分析

2.3.1 當(dāng)v0=0時(shí)

圖3 小球在近似平面上的運(yùn)動(dòng)

圖4

2.3.2v0=v01±Δv或v0=v02±Δv,Δv?v01或Δv?v02

(1)在這種微擾下，小球在經(jīng)線方向極角的變化非常小，在經(jīng)線方向近似做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).

(2)振動(dòng)周期的計(jì)算

式中

v02±Δv與v0=v01?Δv兩種情況的Tθ相同，結(jié)合特例1可知兩種情況下均有

3 數(shù)值模擬

在Mathcad中輸入有關(guān)微分方程及初始條件，設(shè)置好q，m，g，B，v0等有關(guān)參數(shù)后，可以得到不同條件下小球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果．

3.1實(shí)例1的數(shù)值模擬

圖5 實(shí)例1的數(shù)值模擬

3.2實(shí)例2的數(shù)值模擬

圖6 實(shí)例2的數(shù)值模擬

3.3實(shí)例3的數(shù)值模擬

圖7 實(shí)例3的數(shù)值模擬

3.4小球運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬

圖10 小球在不同初始值時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬

4 結(jié)束語(yǔ)

1 何廣源，黃迺本.球面擺的運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．大學(xué)物理，2006，25(7)：46～49

2 趙凱華.磁場(chǎng)中正則動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用．大學(xué)物理，1988，1(3)：9

3 涂德新.復(fù)合場(chǎng)中的守恒量．物理通報(bào)，2016(4)：69～71

2017-04-24)