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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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图 4-40 α=-3
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质点作半径为r的圆运动.
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α=-4的有心力,取无穷远为势能零点,有
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势能曲线如图4-41所示,Vequ(r)先随r增大,达极大值Emax后,又随r减小.Emax对应的r0已在图中示出,E=Emax时,若恰好位于r=r0,则质点可作圆运动,不难验证圆运动向心力等于f(r0).极大值处的圆运动是不稳定的,稍有径向扰动,便会沿扰动方向获得增大的径向速度,最终或“掉入”力心,或远离力心而去.具有能量E<Emax的质点,若处于图中r1位置,而后便会向左偏移,“掉入”力心;若处于图中r2位置,而后便会向右偏移,远离力心而去.总之,质点不会在r1≤r≤r2之间往返运动.
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图 4-41 α=-4
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从上面几个实例可以看出,取(4.22)式类型的吸引性有心力,仅当Vequ-r曲线有极小值时,才会有稳定的圆轨道和径矢r在某两个有限值r1,r2之间振荡的轨道.Vequ-r曲线有极大值时,出现的或者是不稳定的圆轨道,或者是会“掉入”力心的轨道和远离力心而去的无限轨道.第一类曲线似乎具有α>-3特征,第二类曲线对应α<-3,过渡曲线对应α=-3.为予以确认,将(4.22)式有心力对应的势能记为V(r),有
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Vequ-r曲线极值点出现在
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