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我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-09-24 09:03:25

在17世纪早期,开普勒花了大量时间分析布拉赫等人对行星的观测结果。根据这个分析,他确定了一个数学关系。

我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量

也就是说,行星的周期(绕太阳运行一圈所需的时间)的平方等于太阳和行星之间的距离的立方。也就是说,如果单位是年和天文单位——天文单位(AU)是太阳和地球之间的距离。根据这一关系,他总结出以下距离:

我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量

开普勒发现了太阳系中距离的几何关系,但他不知道尺度——他不知道天文单位实际有多远。

大约半个世纪后,卡西尼号利用视差的概念找到了解决这个问题的方法。

我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量

卡西尼号决定使用视差来确定到火星的距离。他有个朋友叫理查,同意和他同时观测火星,但理查要在法属圭亚那观测,而卡西尼要在巴黎观测。他们会在火星离地球最近的时候进行实验,基本上是把太阳、地球和火星放在一条直线上。他们观察到的是这样的:

我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量

虽然非常遥远的恒星看起来是静止的,但由于视差的原因,距离近得多的火星似乎在一个稍微不同的地方。

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因为卡西尼号知道他和里奇之间的距离,也知道观测过程中涉及的角度,所以他可以用三角学来确定地球和火星之间的距离。

这个距离大约是7800万公里。开普勒告诉我们地球和火星的距离是0.52天文单位。

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这意味着太阳和地球之间1.0 AU的距离大约是1.5亿公里。既然我们知道了距离,就可以求出质量了。地球的轨道略呈椭圆形,但我们可以简化它,把它想象成一个圆。对于圆形轨道,计算合适速度的方程是:



G是引力常数。M是太阳的质量。R是太阳中心到地球的距离。我们重新组织一下这个方程来解M。

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卡文迪许为我们算出了G:

G = 6.67384 × 10-11 m3 kg-1 s-2


我们决定R为:

R = 1500亿米


所以我们需要得到v(轨道速度)来算出M。

圆的周长为:

我们如何测量地球和太阳之间的引力来计算太阳的质量

因此,地球轨道的周长为:9.4245E+11米

一年有31557600秒(一个轨道),所以把这两个数除以平均速度是每秒29864.43米。

代入V R G,得到太阳的质量:2.005738 e + 30公斤

实际接受质量为1.989E+30 kg。我们落后0.841%——不错。如果我们花点时间使用椭圆方程和一些变量的更精确的值,我们会更接近。
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