2q1V_VeyIc

问题1:带电粒子运动

在光滑平面内有带电粒子A,电荷量为+Q+Q,质量为 MM,位于(L,0)(L, 0)处,带电粒子B,电荷量q-q,质量为 mm,位于(0,H)(0, H)处,粒子A以固定速度 v0v_0 向x轴方向运动,粒子B由于电荷间的引力而随之运动,如图所示,求粒子B在任意时刻 tt 的轨迹方程。 s
解:假设粒子A的轨迹方程为:{x0=h(t)=L+v0ty0=0\begin{cases} x_0=h(t)=L+v_0t \\ y_0=0 \end{cases}
粒子B的轨迹方程为:{x=f(t)y=g(t)\begin{cases} x=f(t) \\ y=g(t) \end{cases}
tt 时刻,粒子A的位置为(h(t),0)(h(t),0),粒子B的位置为(x,y)(x,y),此时经过 dtdt 时间内,粒子A的位置为(h(t+dt),0)(h(t+dt),0),粒子B的位置如下图所示: s

此时两粒子之间的引力为:F=kQqr2F=\frac{kQq}{r^2}r2=(xx0)2+(yy0)2r^2=(x-x_0)^2+(y-y_0)^2

角度:sinθ=yy0r, cosθ=xx0r\sin\theta=\frac{y-y_0}{r},\ \cos\theta=\frac{x-x_0}{r}

粒子B的加速度为:a=Fm=kQqmr2, ax=acosθ, ay=asinθa=\frac{F}{m}=\frac{kQq}{mr^2},\ a_x=a\cos\theta,\ a_y=a\sin\theta

粒子B的速度为:v=0Tadt, vx=vcosθ=0Tacosθdt, vy=0Tasinθv=\int_{0}^{T}a dt,\ v_x=v\cos\theta=\int_{0}^{T}a\cos\theta dt,\ v_y=\int_{0}^{T}a\sin\theta

粒子位移:x=0Tvxdt, y=0Tvydtx=\int_{0}^{T}v_xdt,\ y=\int_{0}^{T}v_ydt

vx=0Tacosθdt=0TkQqmr2xx0rdt=kQqm0Txx0r3dtv_x=\int_{0}^{T}a\cos\theta dt=\int_{0}^{T} \frac{kQq}{mr^2} \frac{x-x_0}{r}dt=\frac{kQq}{m}\int_{0}^{T}\frac{x-x_0}{r^3}dt

vx=kQqm0TxLv0t((xLv0t)2+y2)32dtv_x=\frac{kQq}{m}\int_{0}^{T}\frac{x-L-v_0t}{((x-L-v_0t)^2+y^2)^{\frac{3}{2}}}dt

假如B与A都在x轴上,距离为L,那么

a=kQqm(L+v0tx)2a=\frac{kQq}{m(L+v_0t-x)^2}

v=0Tadt=0TkQqm(L+v0tx)2dtv=\int_{0}^{T}adt=\int_{0}^{T}\frac{kQq}{m(L+v_0t-x)^2}dt

x=0T0vdT=0T00TkQqm(L+v0tx)2dtdTx=\int_{0}^{T_0}vdT=\int_{0}^{T_0}\int_{0}^{T}\frac{kQq}{m(L+v_0t-x)^2}dtdT