两个问题:①当卫星处于椭圆轨道的近日点(和远日点)时,重力提供全部向心力吗? ②如果是这样高中万有引力公式,为什么还是椭圆轨道? (课本上没有说如果:万有引力=向心力,卫星应该有圆形轨道!)
答案直接:在椭圆轨道上,只有在近日点(和远日点),所有引力都提供向心力,即:万有引力=向心力。
① 较弱的文字证明:在近日点(远日点),由于没有切向加速度,所有重力都提供向心力。 但这种证明方法显然都不能令争论双方满意,甚至有一种“循环论证”的味道。
没有严格的数学推导,单纯依靠文字辩论,谁也无法说服对方。
同学们的提问,相信很多同学也有过这样的困惑
坤哥的分析【数学公式一出,一切推理都变得有说服力】:
求近日点和远日点的速度
曲率半径的算法之一:
曲率半径的算法之一
得到椭圆任意一点的曲率半径公式:
这张图就是最后的结论了!
结论:椭圆轨道的近地点(远地点)这两个特殊点没有切向加速度,正好满足万有引力=向心力。 因此,由于同一点的引力相同,所以向心力(向心加速度)也相同; 另外,由于没有切向加速度,所以向心加速度=加速度。
所以:坤哥物理课上讲过,同一个点同a(这个a既是向心加速度又是加速度),而且是一个大圆和一个大v。
同一个点同a,大圆就是大v
这实际上引出了一个新问题(即本文的第一个问题②):由于课本上说,当合力(供给)大于所需的向心力(需求)时,向心运动(离心运动高中万有引力公式,原理连接的)。 那为什么这里得出椭圆轨道与近地点(远地点)的合力正好等于向心力呢?
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虽然我们计算出椭圆轨道的A、B两点正好满足“万有引力=向心力”,但例如A点沿切线方向移动一点点(惯性运动),速度和方向就不会变化。此时此刻发生了变化(略为袁发的思想),只是引力变小了(因为距离变大了),所以后续的轨迹不再能保持圆,这与课本知识并不矛盾(坤哥物理)。 【当然,这个推理利用了无穷小量的矛盾性质,但本文不打算再对此进行分析】
注:本文公式过多,提交B站时无法输入公式,所以用了大段截图,影响阅读。 我道歉。