这种曲线运动,用自然坐标系可能更合适——切向和法向分解。”
“我试过。”苏雨晴摇头,“但法向的洛伦兹力处理起来更复杂。”
轮到凌凡。
“我采用的是物理图景法。”他把自己的草稿纸展开,上面画满了示意图和受力分析,“先分析清楚每个力的性质和变化规律,再建立方程。”
他指着自己画的图:“但我在处理洛伦兹力时卡住了。因为速度方向不断变化,洛伦兹力方向也在变,导致方程极其复杂。”
赵鹏看着两人的分析,忽然开口:“我有个问题——这个轨道形状,是不是可以用参数方程表示?”
凌凡和苏雨晴同时看向他。
“你说什么?”苏雨晴问。
“就是……”赵鹏指着题目中描述的轨道,“它说轨道是某种曲线,那是不是可以像数学里那样,用参数方程把位置表示成某个参数的函数?这样速度和加速度也好求导。”
这个想法简单,但出人意料。
凌凡的眼睛亮了:“对啊!如果引入轨道参数,把位置、速度、加速度都用参数表示,那么洛伦兹力就可以写成参数的形式,可能可以简化!”
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苏雨晴也迅速反应过来:“不止如此。如果轨道可以用参数方程描述,那么约束条件也自然满足,不需要额外处理!”
两人几乎同时抓起笔,在草稿纸上演算。
赵鹏看着他们突然兴奋起来的样子,有点懵:“我……我就是随便一说……”
“你这个‘随便一说’,可能解决了关键问题。”凌凡头也不抬地说,笔尖在纸上飞快移动。
苏雨晴也在快速计算:“设定轨道参数为θ,位置矢量可以写成r(θ),那么速度就是dr/dθ乘以dθ/dt,加速度也类似……”
接下来的二十分钟,三人进入了真正的“共研”状态。
凌凡负责物理分析,确定每个力的表达式如何用参数表示。苏雨晴负责数学推导,把物理方程转化成关于参数θ的微分方程。赵鹏负责检查,确保每一步的物理意义都正确,没有出现违背常识的推导。
“这里不对。”赵鹏突然指着苏雨晴写的一个式子,“这个力的方向反了。按照右手定则,应该是这个方向。”
苏雨晴仔细一看,确实错了:“谢谢,我改。”
“还有这里。”凌凡指着自己写的一个表达式,“这个系数的量纲不对,少了一个时间因子。”
三人互相纠正,互相补充。
原先一个人可能需要几个小时才能理清的问题,在三人的协作下,进展飞快。
但真正的难关还在后面。
当所有方程都建立好后,他们得到了一个关于参数θ的二阶非线性微分方程。这个方程复杂到看一眼就让人头疼,根本无法直接求解。
“这下麻烦了。”苏雨晴皱眉,“这个方程没有解析解。”
“不一定要解析解。”凌凡盯着方程,“题目只要求分析运动特点,不要求具体数值。我们可以用定性分析的方法。”
“定性分析?”赵鹏问。
“就是分析方程的性质,推断解的行为。”凌凡解释,“比如看是否存在周期解,运动是否有界,能量如何变化……”
苏雨晴立刻明白了:“对!可以用相图分析!把方程化成相平面上的轨迹!”
她重新拿起笔,开始进行变量变换。凌凡在旁边协助,两人配合默契,就像合作多年的搭档。
赵鹏虽然看不懂那些复杂的数学变换,但他努力理解每一步的物理意义。当苏雨晴画出一个奇怪的曲线图时,他忍不住问:“这个图是什么意思?”
“这是相