题目
一电子在电场中运动,其运动学方程为 x=3t,y=12-3t^2,其中 x,y 以 m 为单位,t 以 s 为单位。计算 t=1, (s) 时电子的切向加速度、法向加速度以及轨迹上该点处的曲率半径。
一电子在电场中运动,其运动学方程为 $x=3t$,$y=12-3t^2$,其中 $x$,$y$ 以 $m$ 为单位,$t$ 以 $s$ 为单位。计算 $t=1\, \text{s}$ 时电子的切向加速度、法向加速度以及轨迹上该点处的曲率半径。
题目解答
答案
根据题目给出的运动学方程 $x = 3t$ 和 $y = 12 - 3t^2$,可得速度和加速度分量:
\[
v_x = \frac{dx}{dt} = 3, \quad v_y = \frac{dy}{dt} = -6t
\]
\[
a_x = \frac{dv_x}{dt} = 0, \quad a_y = \frac{dv_y}{dt} = -6
\]
总速度和加速度分别为:
\[
v = \sqrt{v_x^2 + v_y^2} = 3\sqrt{1 + 4t^2}
\]
\[
a = \sqrt{a_x^2 + a_y^2} = 6
\]
切向加速度 $a_t$ 为:
\[
a_t = \frac{dv}{dt} = \frac{d}{dt}\left(3\sqrt{1 + 4t^2}\right) = \frac{12t}{\sqrt{1 + 4t^2}}
\]
法向加速度 $a_n$ 为:
\[
a_n = \sqrt{a^2 - a_t^2} = \frac{6}{\sqrt{1 + 4t^2}}
\]
曲率半径 $\rho$ 由 $a_n = \frac{v^2}{\rho}$ 得:
\[
\rho = \frac{v^2}{a_n} = \frac{9(1 + 4t^2)}{\frac{6}{\sqrt{1 + 4t^2}}} = \frac{3}{2}(1 + 4t^2)^{3/2}
\]
当 $t = 1\,\text{s}$ 时:
\[
a_{t1} = \frac{12}{\sqrt{5}} \approx 5.37\,\text{m/s}^2
\]
\[
a_{n1} = \frac{6}{\sqrt{5}} \approx 2.68\,\text{m/s}^2
\]
\[
\rho_1 = \frac{3}{2}(1 + 4)^{3/2} = \frac{3}{2} \times 5^{3/2} = \frac{3}{2} \times 5\sqrt{5} \approx 16.8\,\text{m}
\]
最终结果:
\[
a_{t1} = 5.37\,\text{m/s}^2, \quad a_{n1} = 2.68\,\text{m/s}^2, \quad \rho_1 = 16.8\,\text{m}
\]