兩個問題:①當衛星處于橢圓軌道的近日點(和遠日點)時,重力提供全部向心力嗎? ②如果是這樣高中萬有引力公式,為什么還是橢圓軌道? (課本上沒有說如果:萬有引力=向心力,衛星應該有圓形軌道!)
答案直接:在橢圓軌道上,只有在近日點(和遠日點),所有引力都提供向心力,即:萬有引力=向心力。
① 較弱的文字證明:在近日點(遠日點),由于沒有切向加速度,所有重力都提供向心力。 但這種證明方法顯然都不能令爭論雙方滿意,甚至有一種“循環論證”的味道。
沒有嚴格的數學推導,單純依靠文字辯論,誰也無法說服對方。
同學們的提問,相信很多同學也有過這樣的困惑
坤哥的分析【數學公式一出,一切推理都變得有說服力】:
求近日點和遠日點的速度
曲率半徑的算法之一:
曲率半徑的算法之一
得到橢圓任意一點的曲率半徑公式:
這張圖就是最后的結論了!
結論:橢圓軌道的近地點(遠地點)這兩個特殊點沒有切向加速度,正好滿足萬有引力=向心力。 因此,由于同一點的引力相同,所以向心力(向心加速度)也相同; 另外,由于沒有切向加速度,所以向心加速度=加速度。
所以:坤哥物理課上講過,同一個點同a(這個a既是向心加速度又是加速度),而且是一個大圓和一個大v。
同一個點同a,大圓就是大v
這實際上引出了一個新問題(即本文的第一個問題②):由于課本上說,當合力(供給)大于所需的向心力(需求)時,向心運動(離心運動高中萬有引力公式,原理連接的)。 那為什么這里得出橢圓軌道與近地點(遠地點)的合力正好等于向心力呢?
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雖然我們計算出橢圓軌道的A、B兩點正好滿足“萬有引力=向心力”,但例如A點沿切線方向移動一點點(慣性運動),速度和方向就不會變化。此時此刻發生了變化(略為袁發的思想),只是引力變小了(因為距離變大了),所以后續的軌跡不再能保持圓,這與課本知識并不矛盾(坤哥物理)。 【當然,這個推理利用了無窮小量的矛盾性質,但本文不打算再對此進行分析】
注:本文公式過多,提交B站時無法輸入公式,所以用了大段截圖,影響閱讀。 我道歉。