从开普勒定律到牛顿万有引力定律[摘要]:在高中阶段甚至大学的普通物理中,从开普勒三定律到万有引力定律的推导都是在简化之后的圆轨道上进行的。本文从椭圆轨道出发,推导出了万有引力定律。[关键词]:万有引力定律、开普勒定律、行星运动、椭圆轨道、极坐标[正文]高中阶段,由于缺少数学知识,从开普勒定律到万有引力的推导只能在简化之后的圆轨道上进行。甚至大学阶段,普通物理的教材中,也采用了这个方法。本文力图从原始的椭圆轨道入手,导出万有引力定律。当然,这个过程不可能不涉及高等数学的知识。首先我们做一个准备工作,然后再集中考虑推导的过程。如果“准备”中的知识已完全清楚,则可以直接考虑定律的推导了。第一部分准备一、极坐标中的椭圆方程椭圆定义为到定点的距离与到定直线的距离之比为常数e的点的集合。如图1所示,在极坐标中,Ox为极轴l是垂直于极轴的定直线,它与O点的距离为p。由椭圆的定义可知:xOθ图1lr整理可得:………………………………………………(1)二、极坐标中的位置矢量极坐标中,r表示从原点到曲线上一点的距离,如果我们以原点O为参考,则r实际上只表示出了位置矢量的大小。为了明确其方向,我们沿着r所在的直线做出单位矢量i作为径向单位向量。另外,将i旋转得到j作为横向单位向量。显然物体的位置矢量可表示为:……………………………………………(2)上式中等号右边的r表示的是位矢的大小,i表示的位矢的方向。但是应当注意的是,不管是r还是i,都不一定是常量。这和直角坐标系中的单位向量是常量是有区别的。xOθ图2rij另外,r和i都是θ的函数,在运动学中θ又是时间t的函数。所以,r和i都是时间t的函数,所以我们也可以说位置矢量是时间的函数。在这里,我们必须清楚的是,极坐标中的矢量表示和用极坐标表示函数关系并不完全是一回事。若用极坐标表示数量关系,我们只需要用标量式即可,在表示矢量时,我们不得不在这个基础上加上了单位向量i。三、极坐标中的速度和加速度下面我们先求单位向量对时间的导数。x图3rijθOΔi在图3中,以Ox方向为x轴,O为原点,垂直Ox向上为y轴建立直角坐标系,用、表示沿x轴、y轴的单位向量,则i、j可分别表示为:因此对比j的表达式有,……………………………………………(3)其中表示对时间的导数。同理可知:……………………………………………(4)下面我们对位矢函数求导,这样可以得到在极坐标系中的速度公式。……………………………………………(5)将上面得到的速度公式再次求导可以得到加速度的表达式:其中……………………………………………(6)……………………………………………(7)分别表示径向加速度和横向加速度。第二部分推导开普勒定律的内容是:开普勒第一定律,也称椭圆定律:每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律,也称面积定律:在相等时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。开普勒第三定律,也称调和定律:各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由(7)式可知:由开普勒第二律可知:故上式中这就是说,……………………………………………(8)由椭圆方程可得:……………………………………………(9)对时间t求导可得:……………………………………………(10)由(10)式可得:………………………………
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