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地球公转近日点快还是远日点快?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-05-24 09:13:54

地球公转近日点快还是远日点快?两者差距约为1 km/s。看这个问题有几种方法。


第一个来自开普勒


开普勒第二定律指出:当这颗行星在它的轨道上运行时,从太阳到这颗行星的一条直线以相同的时间扫过相同的面积。

地球公转近日点快还是远日点快?

引力是一种中心力——无论行星在其轨道的哪个位置,引力都会把它拉向太阳。这个力矩是引力和两个天体(太阳和行星)半径矢量的叉积。因为这两个向量方向相同,它们的外积是零。这意味着角动量是恒定的。

有一个概念叫做面速度。面积速度是物体沿曲线运动时扫过的面积的速率。如果你真的想看它的数学运算,它很容易通过搜索面积速度找到,但数学运算表明,面积速度等于半径矢量与速度矢量的交叉除以2 (DA/dt = (rxv)/2)。我们知道角动量等于rxmv (r叉乘mv)代入就得到角动量等于2m(DA/dt)

所以,如果角动量守恒,那么随着时间扫出的面积也一定是恒定的。从上面的图表中,我们可以看到,为了使扫过的面积保持不变,行星必须在靠近太阳时运动得更快,在远离太阳时运动得更慢。


第二个来自牛顿


虽然牛顿也用数学证明了开普勒看待这个问题的方式,但他提供了另一种看待它的方式。

能量守恒。一颗绕轨道运行的行星的总能量是其动能和势能之和。
 

KE = 1/2(mv^2)
PE = -G(Mm/r)


从这两个方程可以看出,当行星与太阳的距离r减小时,势能减小(离零更远),当行星与太阳的距离增大时,势能趋于零。同样地,动能也一定成比例地变化。

地球公转近日点快还是远日点快?

在近日点,动能最大,势能最小。在远日点,情况正好相反。

由于行星的质量(m)是一个常数,改变动能大小的唯一方法就是改变行星的速度。所以,如果动能在近日点最大,那么行星在近日点一定运行得更快,如果动能在远日点最小,那么行星在近日点一定运行得更慢。


考虑这个问题的一种更基本的方法是考虑相关的向量


地球公转近日点快还是远日点快?

如上所述,重力是有中心的力。这意味着总有一个力(因此是一个加速度)从行星朝向太阳。因为行星绕太阳运动,加速度的方向和行星的速度之间的关系将不断变化。当行星远离太阳时,加速度将使其减速,当行星向太阳移动时,加速度将使其加速。我们可以看到,在远日点,行星的运行速度是最慢的在近日点,行星的运行速度是最快的。
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