Решение задачи с помощью программ Mathcad и MatLab

Содержание
Задание
1. Теоретический расчет формул
2. Программа в Matchad
3. Программа в Matlab
Выводы по работе

Задание
Легкая заряженная частица падает вертикально вниз (под влиянием силы тяжести) на одноименно заряженную пластину (начальная скорость обеспечивает движение вниз независимо от соотношения силы тяжести и силы отталкивания). Промоделировать движение частиц, считая поле, созданное пластиной однородным.
Исходные данные:
a) m=10^(-3);
b) q=10^(-9);
c) qp=10^-6);
d) r0 =1;
e) ε0 =8,85*10^(-12);
f) ε=1;
g) g=9,8.

1. Теоретический расчет формул
Рис. 1. Частица падает на пластину
Данная частица меняет свою высоту над пластиной и скорость движения в 2 случаях:
1. Частица падает на пластину под влиянием силы тяжести. Высота rменяется по закону: r =r0+ν01 *t+(g*t^2)/2 . Так как ν01 =0, то r=r0 – (g*t^2)/2. Подлетая к пластине на эту частицу действует отталкивающая сила, равная силе Кулона Fk =(qпл *q)/(4*π*ε0 *ε*r^2). В какой-то момент t0 скорость частицы будет равна 0, т.е. она «повиснет в воздухе», ее результирующая сила также равна 0: F=Fk +Fm =0. => (qпл *q)/(4*π*ε0 *ε*r^2)=mg =>
r - - минимальное значение высоты,на которое падает частица
Скорость меняется по закону:
ν(t)=ν0+dr/dt=2*r0/t–g*t
2. Частица отталкивается от пластины под влиянием силы Кулона. Высота меняется по закону:

r =rк+ν02 *t+(а*t^2)/2. Так как ν02 =0, получим:
.
Скорость менятся по закону: ν(t)=dr/dt
2. Программа в Mathcad
Исходные данные:
Результаты расчетов:
Задано:

3. Программа в Matlab
m=10^(-3);
q=10^(-9);
qp=10^(-6);
r0=1;
e0=8.85*10^(-12);
e=1;
g=9.8;
rk=sqrt((qp*q)/4*pi*e0*e*m*g);
t1=[0:0.08:0.48];
r1=r0-(g*t1.^2)./2
subplot(2,2,1);plot(t1,r1)
grid on
xlabel('t')
ylabel('r1')
v1=r0./t1-g.*t1
subplot(2,2,2);plot(t1,v1)
grid on
xlabel('t')
ylabel('v1')
t2=[0.5:1:6.5];
r2=rk+((qp*q)/(4*pi*e0*e*m)).*(t2.^2)./2
subplot(2,2,3);plot(t2,r2)
grid on
xlabel('t')
ylabel('r2')
v2=((qp*q)/(4*pi*e0*e*m)).*t2
subplot(2,2,4);plot(t2,v2)
grid on
xlabel('t')
ylabel('v2')
Результат:

Выводы по работе
Данная задача была решена с помощью двух программ: Mathcad и MatLab. Были построены зависимости высоты, на которой находится точка, от времени и скорости движения этой частицы от времени. Были построены 4 графика: первые 2 – это случай, когда частица падает вниз, а 2 других – частица оттолкнулась от данной пластины. В первом случае высота rуменьшается под действием силы тяжести от некоторого значения r0 до какого-то конечного значения rk . Скорость также уменьшается, так как на нее действует сила Кулона. Она «тормозит» данную частицу. При каком-то значении t0 сила Кулона становится равной силе тяжести, а затем и больше нее по модулю, поэтому частица отталкивается и летит вверх по той же траектории (в идеальном случае). Значение rувеличивается, скорость также увеличивается.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию