我想看看静电作用下运动方程的解。下面的脚本有什么错误?这是初始条件下的问题吗?多谢各位
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint
def dr_dt(y, t):
"""Integration of the governing vector differential equation.
d2r_dt2 = -(e**2/(4*pi*eps_0*me*r**2)) with d2r_dt2 and r as vecotrs.
Initial position and velocity are given.
y[0:2] = position components
y[3:] = velocity components"""
e = 1.602e-19
me = 9.1e-31
eps_0 = 8.8541878128e-12
r = np.sqrt(y[0]**2 + y[1]**2 + y[2]**2)
dy0 = y[3]
dy1 = y[4]
dy2 = y[5]
dy3 = -e**2/(4 * np.pi * eps_0 * me * (y[0])**2)
dy4 = -e**2/(4 * np.pi * eps_0 * me * (y[1])**2)
dy5 = -e**2/(4 * np.pi * eps_0 * me * (y[2])**2)
return [dy0, dy1, dy2, dy3, dy4, dy5]
t = np.arange(0, 100000, 0.1)
y0 = [10, 0., 0., 0., 1.e3, 0.]
y = odeint(dr_dt, y0, t)
plt.plot(y[:,0], y[:,1])
plt.show()
这是轨迹形状的预期结果:
我应用以下初始条件:
t = np.arange(0, 2000, 0.1)
y01 = [-200, 400., 0., 1., 0, 0.]
y02 = [-200, -400., 0., 1., 0, 0.]
得到这个:
为什么轨迹的形状不同
是的,你说得对。初始条件似乎是问题所在。在
dy4
和dy5
中被零除,这导致了RuntimeWarning: divide by zero encountered
将启动条件替换为:
给出以下输出:
中心力在半径方向上的大小确实为
F=-c/r^2
,c=e**2/(4*pi*eps_0*me)
。要获得向量值的力,需要将其与远离中心的方向向量相乘。这给出了F=-c*x/r^3
的向量力,其中r=|x|
初始条件{}对应于与固定在原点的质子相互作用的电子,从10米远开始,以1000米/秒的速度垂直于半径方向移动。在旧物理学中(你需要一个合适的过滤器来过滤微米大小的粒子),这直观地意味着电子几乎不受阻碍地飞走,在1e5秒后,它将有1e8米的距离,这一代码的结果证实了这一点
至于添加的双曲线摆动图,请注意开普勒定律的圆锥截面参数化如下所示:
它的最小半径
r=R/(1+E)
在φ=φ_0
。所需渐近线位于顺时针移动的φ=π
和φ=-π/4
处。然后将φ_0=3π/8
作为对称轴的角度,将E=-1/cos(π-φ_0)=1/cos(φ_0)
作为偏心。要将水平渐近线的高度合并到计算中,请计算y
坐标,如下所示:当图形集
y(π)=b
时,我们得到R=E*sin(φ_0)*b
远离原点的速度为
r'(-oo)=sqrt(E^2-1)*c/K
,其中K
为常数或面积定律r(t)^2*φ'(t)=K
,其中K^2=R*c
。将其作为初始点[ x0,y0] = [-3*b,b]
处水平方向上的近似初始速度因此,对于
b = 200
,这将导致初始条件向量积分到
T=4*b
给出了图上面代码中的初始条件是
b=40
,这会产生类似的图像使用
b=200
将初始速度乘以0.4,0.5,...,1.0,1.1
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