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[原创Python] turtle模拟示波管偏转系统(高中物理带电粒子在匀强电场中的运动)

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楼主
mtDNA 发表于 2022-9-22 23:02 回帖奖励
根据各种参数,用turtle模拟示波管偏转系统

import math, turtle

def Init_Parameters():    #初始化参数
    global U, d, L, m, q, v0, v_y, v, E, F, a, t1, t, x, y, α, θ, t_d, t_L, t_x, t_y, k, X0, t_pos
    U=eval(input("U /V = "))    #偏转电压(U>0场强E向下,U<0场强E向上)
    d=eval(input("d /m = "))    #偏转板间距
    L=eval(input("L /m = "))    #偏转板长度
    m=eval(input("m /kg = "))   #粒子质量
    q=eval(input("q /C = "))    #粒子电荷
    v0=eval(input("v₀ /(m•s⁻1) = "))    #粒子初速度,只能取正值

    #矢量:规定水平向右为x轴正方向,竖直向下为y轴正方向
    E=U/d    #电场强度
    F=q*E    #电场力
    a=F/m    #加速度

    t1=L/v0    #粒子水平方向上最长运动时间
    if a==0:
        t2=math.inf    #竖直方向无加速度,不偏移,t2无穷大
    else:
        t2=(d/abs(a))**0.5    #粒子竖直方向上最长运动时间

    t=min(t1, t2)    #t为粒子实际运动时间

    x=v0*t                   #粒子水平方向上的位移
    y=0.5*a*(t**2)           #粒子竖直方向上的位移
    v_y=a*t                  #粒子竖直方向上的末速度
    v=(v0**2+v_y**2)**0.5    #粒子末速度
    α=math.atan(v_y/v0)      #速度偏角
    θ=math.atan(y/x)         #位移偏角

    #   t_L,t_d,t_x,t_y各参数在屏幕上显示的尺寸
    if d<=L:    #调整示意图大小,使偏转板尺寸不超过600像素,确保整个示意图显示在屏幕范围内
        t_L=600
        t_d=t_L*(d/L)
    else:
        t_d=600
        t_L=t_d*(L/d)

    K=t_L/L                #参数换算比例
    t_x=K*x
    t_y=-K*y
    k=t_y/(t_x**2)         #粒子轨迹方程的参数k
    X0=-t_L/2              #粒子轨迹方程的参数X0
    t_pos=(t_x+X0, t_y)    #粒子最终位置

def Set_Screen():
    turtle.ht()
    screen=turtle.Screen()
    screen.title("Oscilloscope")
    screen.bgcolor("white")
    screen.setup(1000,1000,None,0)

def Set_Turtle():
    global coordinate, capacitor, annotate_L, annotate_d, electric_line, \
               annotate_v0, annotate_vy, annotate_v, particle, auxiliary_line, annotate_angle

    coordinate=turtle.Turtle()        #画坐标系
    capacitor=turtle.Turtle()         #画偏转板
    annotate_L=turtle.Turtle()        #标注L
    annotate_d=turtle.Turtle()        #标注d
    electric_line=turtle.Turtle()     #画电场线
    annotate_v0=turtle.Turtle()       #标注v0
    annotate_vy=turtle.Turtle()       #标注vy
    annotate_v=turtle.Turtle()        #标注v
    particle=turtle.Turtle()          #画粒子轨迹
    auxiliary_line=turtle.Turtle()    #画辅助线
    annotate_angle=turtle.Turtle()    #标注偏转角

    coordinate.speed(0)
    capacitor.speed(0)
    annotate_L.speed(0)
    annotate_d.speed(0)
    electric_line.speed(0)
    annotate_v0.speed(0)
    annotate_vy.speed(0)
    annotate_v.speed(0)
    particle.speed(0)
    auxiliary_line.speed(0)
    annotate_angle.speed(0)

    coordinate.color("grey")
    capacitor.color("black")
    annotate_L.color("grey")
    annotate_d.color("grey")
    electric_line.color("blue")
    annotate_v0.color("red")
    annotate_vy.color("green")
    annotate_v.color("orange")
    particle.color("black")
    auxiliary_line.color("grey")

    capacitor.width(5)
    electric_line.width(2)
    annotate_v0.width(3)
    annotate_vy.width(3)
    annotate_v.width(3)
    particle.width(1)
    annotate_angle.width(3)

    coordinate.ht()
    capacitor.ht()
    annotate_L.ht()
    annotate_d.ht()
    electric_line.ht()
    annotate_v0.ht()
    annotate_vy.ht()
    annotate_v.ht()
    particle.ht()
    auxiliary_line.ht()
    annotate_angle.ht()

    coordinate.pu()
    capacitor.pu()
    annotate_L.pu()
    annotate_d.pu()
    electric_line.pu()
    annotate_v0.pu()
    particle.pu()
    annotate_v0.pu()
    annotate_vy.pu()
    annotate_v.pu()
    auxiliary_line.pu()
    annotate_angle.pu()

def Coordinate():    #画坐标系
    coordinate.goto(-t_L/2,0)
    coordinate.pd()
    coordinate.write("O", font=("Arial",20,"normal"))
    coordinate.goto(t_L/2,0)
    coordinate.write("x", font=("Arial",20,"normal"))
    coordinate.seth(150)
    coordinate.fd(10)
    coordinate.bk(10)
    coordinate.lt(60)
    coordinate.fd(10)
    coordinate.bk(10)
    coordinate.goto(-t_L/2,0)
    coordinate.seth(270)
    coordinate.fd(t_d/2)
    coordinate.write("y", font=("Arial",20,"normal"))
    coordinate.seth(120)
    coordinate.fd(10)
    coordinate.bk(10)
    coordinate.rt(60)
    coordinate.fd(10)
    coordinate.bk(10)

def Capacitor():    #画偏转板
    capacitor.seth(0)
    capacitor.goto(-t_L/2,t_d/2)
    capacitor.pd()
    capacitor.fd(t_L)
    capacitor.pu()
    capacitor.goto(-t_L/2,-t_d/2)
    capacitor.pd()
    capacitor.fd(t_L)
    capacitor.pu()

    capacitor.seth(45)
    capacitor.width(3)
    for i in range(-24,25,1):
        capacitor.goto(t_L*i/48,t_d/2)
        capacitor.pd()
        capacitor.fd(15)
        capacitor.pu()

    for i in range(-24,25,1):
        capacitor.goto(t_L*i/48,-t_d/2)
        capacitor.pd()
        capacitor.bk(15)
        capacitor.pu()

def Annotate_L():    #标注L
    if a>0:
        annotate_L.goto(-t_L/2, t_d/2)
    else:
        annotate_L.goto(-t_L/2, -t_d*5/8)
    annotate_L.pd()
    annotate_L.seth(90)
    annotate_L.fd(t_d/8)
    annotate_L.bk(t_d/16)
    annotate_L.seth(30)
    annotate_L.fd(t_L/32)
    annotate_L.bk(t_L/32)
    annotate_L.rt(60)
    annotate_L.fd(t_L/32)
    annotate_L.bk(t_L/32)
    annotate_L.seth(0)
    annotate_L.fd(t_L)
    annotate_L.seth(150)
    annotate_L.fd(t_L/32)
    annotate_L.bk(t_L/32)
    annotate_L.lt(60)
    annotate_L.fd(t_L/32)
    annotate_L.bk(t_L/32)
    annotate_L.seth(90)
    annotate_L.fd(t_d/16)
    annotate_L.bk(t_d/8)
    annotate_L.pu()
    if a>0:
        annotate_L.goto(-t_L/8, t_d*5/8)
    else:
        annotate_L.goto(-t_L/8, -t_d*3/4)
    annotate_L.write("L={}m".format(L),font=("Arial",40,"normal"))

def Annotate_d():    #标注d
    annotate_d.goto(-t_L/2, t_d/2)
    annotate_d.pd()
    annotate_d.seth(180)
    annotate_d.fd(t_d/8)
    annotate_d.bk(t_d/16)
    annotate_d.seth(240)
    annotate_d.fd(t_L/32)
    annotate_d.bk(t_L/32)
    annotate_d.lt(60)
    annotate_d.fd(t_L/32)
    annotate_d.bk(t_L/32)
    annotate_d.seth(270)
    annotate_d.fd(t_d)
    annotate_d.seth(120)
    annotate_d.fd(t_L/32)
    annotate_d.bk(t_L/32)
    annotate_d.rt(60)
    annotate_d.fd(t_L/32)
    annotate_d.bk(t_L/32)
    annotate_d.seth(0)
    annotate_d.fd(t_d/16)
    annotate_d.bk(t_d/8)
    annotate_d.pu()
    annotate_d.goto(-t_L*13/16, 0)
    annotate_d.write("d={}m".format(d),font=("Arial",40,"normal"))

def Electric_line():    #画电场线
    if U>0:
        electric_line.seth(270)
        for i in range(-5,6,2):
            electric_line.goto(t_L*i/12,t_d/2)
            electric_line.pd()
            electric_line.fd(t_d)
            electric_line.pu()

        electric_line.lt(150)
        for i in range(-5,6,2):
            electric_line.goto(t_L*i/12,-t_d/2)
            electric_line.begin_fill()
            for j in range(3):
                electric_line.fd(15)
                electric_line.lt(120)
            electric_line.end_fill()
        electric_line.write("E={}V/m".format(E),font=("Arial",40,"normal"))

    elif U<0:
        electric_line.seth(90)
        for i in range(-5,6,2):
            electric_line.goto(t_L*i/12,-t_d/2)
            electric_line.pd()
            electric_line.fd(t_d)
            electric_line.pu()

        electric_line.rt(150)
        for i in range(-5,6,2):
            electric_line.goto(t_L*i/12,t_d/2)
            electric_line.begin_fill()
            for j in range(3):
                electric_line.fd(15)
                electric_line.rt(120)
            electric_line.end_fill()
        electric_line.write("E={}V/m".format(E),font=("Arial",40,"normal"))

def Annotate_velocity(turtle_v, name, value, criterion, t_pos, heading):    #标注速度
    turtle_v.goto(t_pos)
    turtle_v.pd()
    turtle_v.seth(heading)
    turtle_v.fd(50*value/criterion)
    turtle_v.rt(150)
    turtle_v.begin_fill()
    for i in range(3):
        turtle_v.fd(10)
        turtle_v.rt(120)
    turtle_v.end_fill()
    turtle_v.lt(150)
    turtle_v.pu()
    turtle_v.fd(30)
    turtle_v.write("{}={:.2f}m/s".format(name, value), font=("Arial",20,"normal"))

def Particle():    #画粒子轨迹
    particle.goto(-t_L/2,0)
    particle.pd()
    particle.shape("circle")
    particle.shapesize(0.2)
    particle.st()
    for X in range(round(-t_L/2),round(t_x-(t_L/2))):
        Y=k*((X-X0)**2)
        particle.goto(X,Y)
    particle.ht()

def v_Decomposition():    #速度v正交分解
    Annotate_velocity(annotate_v, "v", v, v0, t_pos, -math.degrees(α))
    if a!=0:
        Annotate_velocity(annotate_v0, "v₀", v0, v0, t_pos, 0)
        Annotate_velocity(annotate_vy, "vy", abs(v_y), v0, t_pos, 180+90*a/abs(a))

def dotted_line(t, Len, dot_len):    #画虚线
    line_len=0
    n=0
    while True:
        if n%2==0:
            t.pd()
        else:
            t.pu()
        n+=1
        line_len+=dot_len
        if line_len>=Len:
            last=Len-line_len+dot_len
            t.fd(last)
            break
        else:
            t.fd(dot_len)
    t.pu()

def Auxiliary_line():    #画辅助线
    if a!=0:
        v_pos=[]
        v_pos.append(t_pos[0]+50)
        v_pos.append(t_pos[1]+50*math.tan(-α))

        auxiliary_line.goto(v_pos[0], v_pos[1])
        auxiliary_line.seth(180-90*a/abs(a))
        dotted_line(auxiliary_line, 50*math.tan(abs(α)), 5)

        auxiliary_line.goto(v_pos[0], v_pos[1])
        auxiliary_line.seth(180)
        dotted_line(auxiliary_line, 50, 5)

        auxiliary_line.goto(t_pos)
        auxiliary_line.pd()
        auxiliary_line.seth(180-90*a/abs(a))
        dotted_line(auxiliary_line, abs(t_y), 5)

        auxiliary_line.goto(t_pos)
        auxiliary_line.pd()
        auxiliary_line.seth(180-math.degrees(α))
        dotted_line(auxiliary_line, ((t_x/2)**2+t_y**2)**0.5, 5)

        auxiliary_line.goto(t_pos)
        auxiliary_line.pd()
        auxiliary_line.seth(180-math.degrees(θ))
        dotted_line(auxiliary_line, (t_x**2+t_y**2)**0.5, 5)

def Annotate_angle():    #标注偏转角
    if a!=0:
        r=t_x/10

        annotate_angle.goto(t_x/2+X0+r, 0)
        annotate_angle.seth(180+90*a/abs(a))
        annotate_angle.color("cyan")
        annotate_angle.pd()
        annotate_angle.circle(-a/abs(a)*r, a/abs(a)*math.degrees(α))
        annotate_angle.pu()
        annotate_angle.goto(t_x/2+X0+r, -30*a/abs(a))
        annotate_angle.write("α={:.2f}°".format(abs(math.degrees(α))), font=("Arial",20,"normal"))

        annotate_angle.goto(X0+r, 0)
        annotate_angle.seth(180+90*a/abs(a))
        annotate_angle.color("purple")
        annotate_angle.pd()
        annotate_angle.circle(-a/abs(a)*r, a/abs(a)*math.degrees(θ))
        annotate_angle.pu()
        annotate_angle.goto(X0+r, -30*a/abs(a))
        annotate_angle.write("θ={:.2f}°".format(abs(math.degrees(θ))), font=("Arial",20,"normal"))

def Output():    #输出结果
    print("E={:.2f}V/m".format(E))
    print("F={:.2f}N".format(F))
    print("a={:.2f}m/s2".format(a))
    print("t={:.2f}s".format(t))
    print("x={:.2f}m".format(x))
    print("y={:.2f}m".format(y))
    print("v={:.2f}m/s".format(v))
    print("vy={:.2f}m/s".format(v_y))
    print("α={:.2f}°".format(abs(math.degrees(α))))
    print("θ={:.2f}°".format(abs(math.degrees(θ))))

def main():
    Init_Parameters()
    Set_Screen()
    Set_Turtle()
    Coordinate()
    Capacitor()
    Annotate_L()
    Annotate_d()
    Electric_line()
    Annotate_velocity(annotate_v0, "v₀", v0, v0, (X0, 0), 0)
    Particle()
    v_Decomposition()
    Auxiliary_line()
    Annotate_angle()
    Output()
    turtle.done()

if __name__=="__main__":
    main()


调试:输入参数后回车输入下一个




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参与人数 3威望 +1 吾爱币 +22 热心值 +3 收起 理由
苏紫方璇 + 1 + 20 + 1 感谢发布原创作品,吾爱破解论坛因你更精彩!
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hkq666 发表于 2022-9-22 23:13
本帖最后由 hkq666 于 2022-9-22 23:14 编辑

楼主是高中或者刚上大学吧,用turtle画这些总有种怪怪的感觉
推荐
KMT-jiang 发表于 2022-9-23 08:54
3#
YdaMs 发表于 2022-9-22 23:58
主是高中或者刚上大学

免费评分

参与人数 1吾爱币 -3 收起 理由
苏紫方璇 -3 请勿灌水,提高回帖质量是每位会员应尽的义务!

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4#
cqfytlc 发表于 2022-9-23 00:32
看不懂呀
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nj2004 发表于 2022-9-23 00:42
感谢分享
6#
sjz051 发表于 2022-9-23 07:13
谢谢分享
7#
00031300 发表于 2022-9-23 08:06

谢谢分享
8#
bigqyng 发表于 2022-9-23 08:34
python学以致用
9#
aa2923821a 发表于 2022-9-23 08:46
谢谢分享
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