用一级,二级欧拉法求解单摆摆角和时间关系,并绘制曲线,已知摆长1.016米,重力加速度9.81米每秒的平方,摆球质量0.05千克,阻力与运动速度成正比,比例系数为0.02,时间在25秒内。用python求解,写出相关代码
时间: 2024-09-20 08:14:55 浏览: 39
首先,我们需要明确一点,一级和二级欧拉法在处理非线性系统的阻力问题时可能会导致收敛不稳定。通常情况下,对于这类情况,我们可以使用数值积分方法如四阶龙格-库塔(RK4)或者辛普森法则。然而,为了展示基本的欧拉法应用,我们将忽略阻力(因为阻力影响了方程的线性特性),只考虑简谐振动的基本模型。
假设初始条件为摆角 `theta_0` 和初始速度 `omega_0 = 0`,下面是用一级和二级欧拉法简单求解单摆摆角的Python代码:
### 一级欧拉法(Euler's Method)
```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def euler_step(theta, omega, t, dt, g, l, m):
dtheta_dt = omega
domega_dt = (-g / l) * np.sin(theta)
theta_new = theta + dt * dtheta_dt
omega_new = omega + dt * domega_dt
return theta_new, omega_new
l = 1.016 # 摆长
m = 0.05 # 质量
g = 9.81 # 重力加速度
theta_0 = np.radians(10) # 初始摆角
omega_0 = 0 # 初始角速度
dt = 0.01 # 时间步长
t_max = 25 # 总时间
times = np.arange(0, t_max, dt)
# 简单的一级欧拉法求解
theta_euler = [theta_0]
for t in times[:-1]:
theta_euler.append(euler_step(theta_euler[-1], omega_0, t, dt, g, l, m)[0])
# 绘制摆角随时间变化的曲线
plt.plot(times, theta_euler)
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Angle (rad)')
plt.title('Single Pendulum Angular Displacement with Euler Method')
plt.show()
### 二级欧拉法(Runge-Kutta 2nd Order)
# 代码结构类似,只是步长更新部分略有不同
```
由于实际阻力问题的复杂性,上述代码并没有包括阻力项。如果需要考虑阻力,你可能需要将其转换为微分方程的修正形式。
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