19012

Движение в кулоновском поле притяжения (задача Кеплера). Классификация орбит при финитном и инфинитном движении

Лекция

Физика

Лекция 10. Движение в кулоновском поле притяжения задача Кеплера. Классификация орбит при финитном и инфинитном движении В предыдущей лекции мы выяснили при каких значениях энергии движение будет инфинитным финитным а так же определили условия при которых траект

Русский

2013-07-11

281 KB

20 чел.

Лекция 10. Движение в кулоновском поле притяжения (задача Кеплера). Классификация орбит при финитном и инфинитном движении

В предыдущей лекции мы выяснили, при каких значениях энергии  движение будет инфинитным, финитным, а так же определили условия, при которых траектория финитного движения будет окружностью. Мы вычислили скорость вращения при заданном начальном расстоянии от центра . Теперь, проведя общее исследование возможных особенностей движения, получим уравнения траекторий движения частицы в поле притяжения  . Получим уравнения возможных траекторий частицы.

Будем использовать полученное ранее выражение для зависимости , которое фактически уже определяет траекторию движения в неявном виде. Напомним, что

   (1)

Для определения вида траектории (а не самого закона движения), совершенно не важен выбор знака перед интегралом в формуле (1). Кроме того, в астрономии принято выбирать  так, чтобы в начальный момент времени, тело находилось на наименьшем расстоянии от центра, т.е. в перигелии орбиты. С учетом сказанного, выражение (1) для нашей конкретной задачи,  можно записать в виде:

.             (2)

Используя выражения для параметра и эксцентриситета, введенные в предыдущей лекции, получим:

   (3)

Здесь, как и ранее,  - безразмерное расстояние до центра поля и . Осуществляя в (3) замену переменной интегрирования: , , приводим интеграл к табличному виду:

.

Поэтому получаем:

.

Легко видеть, что второе слагаемое равно нулю. Поэтому:

     (4)

Откуда

     (5)

Это и есть уравнение семейства траекторий в поле притяжения  в полярных координатах.

Теперь приступим к анализу выражения (5) для различных значений энергии частицы . Проведем анализ различных траекторий движения в задаче Кеплера, записав уравнение (9.6)

,                                            (6)

в обычных декартовых координатах. Учитывая, что ,  запишем , т.е.

    (7)

Это и есть уравнение траекторий в декартовых координатах.

Рассмотрим сначала случай финитного движения, когда энергия отрицательна: . В этом случае эксцентриситет орбиты . Перепишем уравнение (7) в виде

    (8)

Далее

.

Отсюда видно, что уравнение траектории при финитном движении принимает канонический вид:

     (9)

Это есть уравнение эллипса с полуосями  и  с началом координат в точке :

.      .        (10)

Поскольку , то . Большую полуось эллипса можно было сразу определить из уравнения: . Отсюда получаем, что

    (11)

Таким образом, большая полуось эллипса зависит только от энергии частицы. При  получаем уравнение окружности с радиусом .

Таблица 9.1

В таблице 9.1 приведены значения нескольких характерных точек траектории при финитном движении, рассчитанные по полученным выше формулам.

На рис.1 представлены орбиты движения частицы в поле  притяжения   при финитном движении для различных значений эксцентриситета , рассчитанные по формуле (9) в приведенных единицах . Видно, что все орбиты имеют две общие точки  при , когда .

Рис.1 Орбиты при финитном движении частицы при различных

эксцентриситетах орбиты

Чтобы вычислить время обращения по эллиптической орбите, т.е. период обращения  воспользуемся законом сохранения момента импульса:

,

где  - площадь сектора орбиты. Интегрируя это равенство по , получим, что , где - площадь эллиптической орбиты: . Подставляя сюда значения  и  из (9.17), будем иметь:

   (12)

Заметим, что период зависит только от энергии частицы.

Теперь рассмотрим случай инфинитного движения, когда энергия положительна: . В этом случае эксцентриситет орбиты .

Рассмотрим сначала самый простой случай, когда энергия частицы , т.е. . В этом случае уравнение (7) принимает вид:

,           (13)

Уравнение (13) есть уравнение параболы в области  (красная кривая на рисунке 2.

Если , т.е. , то уравнение траектории в декартовых координатах будет иметь вид:

    (14)

Здесь

,      ,       (15)

Уравнение (15) есть уравнение гиперболы, с «полуосью» .

На рис.2 представлены орбиты движения частицы в поле притяжения   при инфинитном движении для различных значений эксцентриситета в приведенных единицах .

Рис.9.2 Орбиты при инфинитном движении частицы

при различных эксцентриситетах орбиты.

При  () траекториями движения являются гиперболы, огибающие центр поля (фокус) – черная и синяя кривые. При  значение  и траекторией движения является парабола – красная кривая. Видно, что, как и при финитном движении, все орбиты имеют две общие точки  при , когда .

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80439. Древний Египет. Фараон Эхнатон 48.67 KB
  Небывалые успехи завоевательных походов фараонов ХVШ династии привели к расширению границ Египта и притоку богатств из завоеванных областей, оседавших, большей частью, в храмах Амона в Фивах. Это способствовало возрастанию власти Амона, т.е. власти фиванского жречества, и в то же время противопоставляло их царской власти.
80440. Общее понимание стиля и стилистическое расслоение языковых средств на функциональные стили русского языка 35.43 KB
  Таким образом согласно поставленным целям в этой работе были рассмотрены разнообразные точки зрения включая полемичные определены основные характеристики и отличительные признаки разных стилей а так же смежные черты и используемые в функциональных стилях речи языковые средства.
80441. Последовательные регулировочные трансформаторы (Вольтодобавочные трансформаторы) 32.6 KB
  Причинами, вызывающими колебания напряжения в электрической сети, являются: недостаток энергетической мощности, неравномерность нагрузки, вызываемая энергоёмкими промышленными комплексами, в первую очередь металлургическими заводами и горнорудными разрабатывающими комплексами...
80442. Урок-аукцион. Деление 52 KB
  Цель: Повторить изученные приемы умножения и деления многозначных чисел Отработать алгоритм деления на двузначное число Прививать навыки самостоятельного мышления и анализа Развивать логическое мышление, внимание, интерес к математике.
80443. Розвиток музики 50.5 KB
  Мета: систематизувати та поглибити знання учнів про прийоми розвитку музики; формувати навички аналізу музичного твору, хорового співу; виховувати інтерес до музичного мистецтва. Обладнання: комп’ютер, проектор, презентація, фортепіано, кольорові картки.
80444. І. Калинець « Про що розповіли незабудки» 142 KB
  Мета: ознайомити учнів з життям і творчістю українського письменника І. Калинця; формувати навички правильного, виразного читання прозових творів, насичених діалогами; розширювати уявлення про добрі вчинки; розвивати уяву, вміння орієнтуватися в тексті казки; виховувати людяність, доброзичливість...
80445. Образ людини у мистецтві. Портрет як жанр мистецтва 7.36 MB
  Мета. Формувати у дітей первинні уявлення про особливості форми та пропорцій голови людини, засоби створення виразного портретного образу. Розвивати увагу, мислення, окомір. Виховувати естетичні смаки, любов то творчості та краси.
80447. Прилітайте, птахи, додому! 194.5 KB
  Загальнопізнавальні цілі: ознайомити дітей з перелітними та зимуючими птахами;повторити вивчений матеріал про цифри, геометричні фігури, множини; удосконалювати навички розв’язування прикладів і задач; розвивати навички усної лічби, уваги, мислення; виховувати любов бережливе ставлення до природи, до птахів.