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质点沿此轨道运动,r随t变化的函数关系r-t确定后,θ随t变化得函数关系也随之确定.
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为获得r-t,可在(4.16)式中消去vθ,得
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这是关于r-t的一阶微分方程,原则上可从中解出r-t关系.另一方面,也可以通过对(4.18)式的定性讨论,了解r随t的变化范围,确定轨道的线度是有限的(例如行星的椭圆轨道),还是趋于无穷的(例如行星的抛物线、双曲线轨道).
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取随质点径矢r一起变速转动的非惯性系,质点的惯性离心力为
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或径向地表述成
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此力具有“保守”性,取无穷远为势能零点,r处的离心势能便是
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据此,称(4.18)式中为离心势能.为简化,定义有效势能为
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于是,由(4.18)式给出的径向运动方程,可表述成“径向能量守恒”方程形式:
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可以定性讨论轨道中r随t变化的线度范围.如果有心力是排斥性的,径向加速度使质点始终有径向朝外的运动趋势,直至无穷远,故质点运动轨道必定是无限的.排斥性的有心力势能V(r)为正,且随r增大而减小,Vc(r)也是如此.(4.21)式中E是守恒量,r增大,Vequ(r)减小,径向动能增大,质点确有越走越远的趋势.对于吸引性的有心力,取力的形式为
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对α进行讨论:
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α=1的有心力具有胡克力的性质,取r=0为势能零点,有
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在E-r坐标面上画出的势能曲线如图4-38所示,有效势能Vequ(r)先随r减小,后随r增大,极小值Emin对应的r0已在图中示出.若E=Emin,则(4.21)式中vr=0,质点仅有角动量L对应的角向运动,轨道是半径为r0的圆.很容易验证,此时圆运动向心力等于f(r0),也不难判定这样的圆运动是稳定的.r=r1或r=r2时,vr降为零.对于r<r1或r>r2位置,因Vequ增大,E守恒,要求(4.21)式中径向动能取负,这是不可能的.r1≤r≤r2是质点的运动范围,可以证明轨道是闭合的,即为椭圆.
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