带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹推导

质量为m,电荷量为q的粒子在B磁场中做匀速圆周运动,动能守恒。当磁场沿z方向时,粒子在xy平面上的运动形成圆周轨迹,半径r=|q|Bmv⊥/m,轨迹方程为(x-x0)^2+(y-y0)^2=r^2。

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设质量为 m m m,带电荷量为q的带电粒子在匀强磁场 B ⃗ \vec{B} B 中运动,某一时刻的运动速度为 v ⃗ \vec{v} v ,则其运动方程为
m v ⃗ ˙ = q v ⃗ × B ⃗ m\dot{\vec{v}}=q\vec{v}\times\vec{B} mv ˙=qv ×B

其中 v ⃗ ˙ \dot{\vec{v}} v ˙ 为速度 v ⃗ \vec{v} v 对时间 t t t 的一阶导数,即加速度。
在运动方程等号两侧点乘 v ⃗ \vec{v} v ,由于 v ⃗ ⋅ ( v ⃗ × B ⃗ ) = 0 \vec{v}\cdot(\vec{v}\times\vec{B})=0 v (v ×B )=0,可以得到
m d

### MATLAB GUI 设计用于模拟带电粒子在非均磁场中运动 为了实现这一目标,MATLAB 提供了丰富的图形界面开发环境 (GUIDE) 或 App Designer 来构建自定义应用程序。对于物理仿真而言,除了基本的绘图和交互组件外,还需要调用特定的功能模块。 #### 所需工具箱 - **Symbolic Math Toolbox**: 有助于处理复杂的数学表达式推导[^1] - **MATLAB Compiler**: 如果希望打包成独立应用的话会用到此工具箱 - **Image Processing Toolbox** 和 **Mapping Toolbox**(可选): 对于更高级别的可视化需求可能需要用到这些库来进行背景图像绘制或地理坐标转换等操作 #### 关键函数列表 - `ode45`: 解决常微分方程组的核心求解器,在本案例中用来计算粒子轨迹随时间变化的情况。 - `quiver` / `streamline`: 可视化矢量场分布情况下的速度方向与大小。 - `plot3`, `scatter3`: 绘制三维空间内的路径点位。 - `uicontrol`, `uitable`: 创建用户输入控件如滑动条、按钮以及表格编辑框以便调整参数设置并显示结果数据表单形式呈现给使用者查看修改。 下面是一个简单的例子展示如何利用上述提到的技术栈快速搭建起这样一个小型项目框架: ```matlab function ParticleInMagneticField_GUI() % 初始化GUI窗口布局 fig = uifigure('Name','带电粒子在非均强磁场中的运动'); % 添加一些UI部件让用户能够控制实验条件 ax = uiaxes(fig,'Position',[0.2,0.2,0.6,0.7]); sliderBz = uislider(fig,... 'Label',"磁感应强度 B_z",... 'Limits',[-1e-4,1e-4],... 'Value',0); btnStartSimulaiton =uibutton(fig,... "Text","开始/重新运行仿线"); txtOutput=uitextarea(fig,... 'Position',[0.8,0.2,0.19,0.7]); % 定义回调事件处理器当点击“开始”按键时触发实际运算过程 callbackFcn=@(src,event)simulateParticleMotion(ax,sliderBz.Value); addlistener(btnStartSimulaiton,"ButtonPushed",callbackFcn); end % 模拟核心逻辑封装在一个单独的方法里方便维护管理 function simulateParticleMotion(axisHandle,BfieldStrength) clearvars; close all; q=-1.6*10^-19; m=9.1*10^-31;%电子电量质量设定 tspan=[0:.01:1]; y0=[0;0;0;0;0;0]; options = odeset('RelTol',1e-9,'AbsTol',1e-9); [t,y]= ode45(@(t,Y)[Y(4:end);q/m*(cross([Y(1:3)],BfieldStrength))], ... tspan ,y0,options ); plot3(y(:,1),y(:,2),y(:,3)); grid on ;xlabel X axis ylabel Y axis zlabel Z axis ; view(-37.5,30) end ``` 这段代码展示了怎样通过MATLAB建立一个简易版的应用程序原型,允许用户调节外部施加的垂直方向上的恒定磁场强度值,并观察不同条件下带负电荷的小球(假设为自由电子)沿曲线前进的过程。当然这只是一个非常基础的例子,真实场景下往往涉及到更多细节考量比如边界约束条件设定、碰撞检测机制引入等等。
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