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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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图 4-38 α=1
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α=-2的有心力如万有引力和库仑力,取无穷远为势能零点,有
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势能曲线如图4-39所示.与α=1类似,Vequ(r)先随r减小,后随r增大,极小值Emin对应的r0也已在图中示出.E=Emin时,轨道是半径为r0的圆,E=E-(Emin<E-<0)时,对应的轨道是r1≤r≤r2的椭圆.(需要注意,不同的L对应不同的势能曲线,L1对应的某个E-,可能等于L2对应的Emin.)E=E0=0时,质点可在r≥r3的范围运动,r→∞时,vr→0,轨道是无限曲线,与万有引力情况相同,为抛物线.E=E+>0时,质点可在r≥r4的范围运动,r→∞时,vr>0,轨道也是无限曲线,实为双曲线.
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图 4-39 α=-2
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α=-3的有心力,取无穷远为势能零点,有
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对应的曲线和对应的曲线如图4-40所示,前者随r单调下降,后者随r单调上升.对于,必有E+>0,质点可沿r≥r+无限轨道运动,对,E-可取任意值.取图示E-<0值时,质点可沿r≤r-螺旋轨道运动,最终“掉入”力心.若E-≥0,质点也可沿某无限轨道运动,远离力心而去.余下,对应.在这一势能直线上任何一个r位置处,只要E=0,便有vr=0,vθ则满足
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