關於天體運動的乙個問題?

時間 2021-05-05 14:56:16

1樓:王英潔

這問題最早的三個回答屬實令人無語,不知道題主是何心情……來湊個熱鬧,其實這個已知是橢圓的情況下倒著推挺簡單的(

以地心為原點, 處平行於 軸正方向平拋。則根據對稱性,已知軌跡為橢圓的情況下,容易知道長軸在 軸上。於是繞過求解動力學直接寫出 。

因原點是焦點,知 ;又因頂點是 ,知 。由此解得 另一方面,我們已經知道對平拋運動, 可看成恆定的 ,由此得拋物線 兩者對比即知 ,再加上 和 ,可以算得

這個表示式其實是精確的。我們看似在近似計算,其實不然。(1)是精確的,(2)是其展開,而(3)是精確的低階解,對比得到的待定係數自然是精確的。

為與通常的表示式對照,注意到 解得 代入一通爆算即回到通常的

表示式(4)的乙個好處在於方便做估計。平拋運動要求 ,對(4)進行展開非常簡單 這就容易看出這是乙個如樓上所言極扁的橢圓。

2樓:紙飛機

嚴格求解橢圓的解析式,確實需要如 @程思浩 說的那樣,先找能量,再找偏心率,最後得到橢圓的極座標方程。其中能量和偏心率的關係雖然隨手一搜就能搜到,但要證明起來確實要花一些功夫。

這裡提供一種近似計算的思路:

橢圓的「頂端」和拋物線近似重合,可以認為這個橢圓在頂端的曲率,近似等於拋物線的曲率。

曲率正比於二階導,所以橢圓拋物線在頂端的二階導近似相等

拋物線:

如果以丟擲物體軌跡的最高點為原點建系,很容易寫出拋物線的運動方程

在原點(頂點)的二階導就是

橢圓:

以橢圓中心為原點建系,高中熟悉的橢圓方程是

求導再求導, 並在 處取值

現在到了最關鍵的一步:從程思浩答主的圖中看到,這個橢圓非常扁,以至於長軸幾乎等於地球半徑。於是讓拋物線和橢圓的曲率相等,得到

所以橢圓的方程 (以橢圓中心為原點),就寫成

乙個人把石頭扔出去,頂多能扔 , 這時候橢圓的長軸就是地球半徑 , 短軸大約等於 .長軸和短軸差了 1000 倍,這個橢圓可以說是非常扁了。

3樓:巡遊人

為和諧起見,我就不追問你的學歷了。

根據初中物理知識,在地面上平拋運動是乙個拋物線——準確的說是拋物線的一半,因為其初速度是水平的,最簡單的軌跡方程式就是y=x^2+C,C是平拋時的高度。它不是橢圓。

我知道你這個問題是哪來的。幾百年前,人們在想天體執行的規律,比如圍繞地球轉的某個衛星是怎麼執行的。於是有人構想了這樣乙個模型:

在地面上平拋乙個物體,它會落到地上,是因為速度太慢;因為地球是球形,在物體向前飛的時候,地面也在向下彎曲,因此,如果平拋速度足夠快,那它下降的彎曲和地面向下彎曲的形狀一樣的時候,不就成了繞地球飛行了麼。既然是這樣,那這個平拋執行軌跡自然也就是圓或橢圓形的啦。

但很遺憾,這是早期人們對物體運動的規律並沒有準確了解時的錯誤認知。那時候牛頓的三大定律還沒出現,也就還沒有重力加速度這個概念,而對物體執行軌跡的描述還沒準確到方程式的水平。其實人們已經把平拋和環形運動區別看待了——不然怎麼會有「拋物線」這個名詞呢。

根據牛二律,物體運動速度的改變與所受力成正比,其變化定義為加速度——重點是,速度這個東西不僅有大小而且有方向,加速度也是有大小並且有方向的,按物理課的知識(用到向量分解),加速度中與速度方向相同(或相反)的部分造成速度大小的變化,而方向垂直的部分則造成速度方向的變化。因此,如果物體運動時所受到的力始終垂直於速度方向,其結果就是物體速度不變方向改變,也就是當力和速度滿足一定關係的時候,物體就會呈圓形或橢圓形軌跡運動。什麼關係呢?

就是加速度方向不斷在變,而它的變化剛好和速度方向的變化同步,保證了始終是垂直的。

在地面上,我們通常在小尺度下近似認為大地是平的,因此重力就是乙個大小方向不變的力,加速度也是不變的。而平拋物體下降過程中,它的速度方向變了,這個變化正是重力加速度造成的,於是重力不再是始終垂直於速度的了,這就跑出了拋物線的形狀。而當平拋速度足夠快的時候,確實,因為地球是圓的,事情會不一樣——在足夠大的尺度下,不能再近似認為大地是平的了,也就是說重力的方向變了。

當然,如果速度不夠快,繞地運動是實現不了的,因為速度方向的變化會大於重力加速度方向的變化,物體還是會落下來。那最小是什麼速度呢?了解一下「第一宇宙速度」吧。

4樓:alex

橢圓麼,誰說的?

雖然學生時代物理可以考到年級第一,不過現在物理忘的差不多了,但是我覺得乙個初速度+引力的計算不難吧,最多算上空氣阻力,也不難吧。

PS.這個題跟天體運動啥關係?

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