已经计算出轨道的彗星,约有40%是椭圆轨道。椭圆轨道的彗星可以有规律地返回太阳,这种彗星称为周期彗星。众所周知,最小的椭圆轨道科恩彗星绕太阳运行的时间只有3.3年。已知最大的椭圆轨道彗星是1914年出现的一颗彗星。它是已知最长的彗星,周期为2400万年。

什么行星绕日是椭圆轨道,而不是正圆轨道?

答:一般的解释,用开普勒定律就行了;要去证明这个结论,对数学有较高要求;不过相信有部分读者,希望我能给出严格数学的证明,那我们就来试试吧!万有引力的历史开普勒定律,在1618年由德国科学家开普勒提出,开普勒第一定律就指出了行星运行的轨道为椭圆;万有引力定律,在1687年,由牛顿于《自然哲学的数学原理》上发表。

两者是统一的,开普勒定律是万有引力的表象,意味着我们可以由万有引力定律,去推导开普勒三大定律,在历史上,最先有万有引力和距离平方成反比想法的,是英国科学家胡克,就是那个对牛顿来说嫉恶如仇的胡克。最先胡克是牛顿的领导(英国皇家学会会长),胡克在数学上远远不及牛顿,虽然胡克有了万有引力的想法,但是仅限于想法而已,

好比某些民科,天天唠叨这个是错的,那个是不对的,我的说法才是对的!然而,并没有什么用,因为他只会做“猜想”,然后什么也做不了!(当然,我的意思并不是贬低胡克,胡克也是一位伟大的科学家)胡克就失败在这里,不然发现万有引力的皇冠,就是他的了!胡克还是英国皇家学会会长时,请教过牛顿,问牛顿是否能通过“引力和距离平方成反比”,来推导行星椭圆运动规律,牛顿给胡克的回答是肯定的,但是并没有告诉胡克具体的推导过程。

牛顿大神利用自创的微积分,加上天才的头脑,推导行星椭圆轨道,简直就是易如反掌,以至于后来牛顿和胡克,因为“万有引力第一发现者”而结仇,当牛顿坐上英国皇家学会会长的位置后,恨不得把胡克打入“十八层地狱”。万有引力定律推导椭圆轨道在这里,我们不用牛顿的证明方法,我们借助虚数的性质来证明,会更容易些,但是过程并不简单,

第一步:万有引力定律大家都知道,但是大家知道万有引力的矢量形式吗?其中(-e^iθ)借助欧拉公式后,表示的就是单位大小的矢量因子,给出了万有引力的方向,同时与万有引力结合参与运算;至于负号,是因为θ=0时,万有引力方向指向原点;然后利用牛二定律,得到加速度a。第二步:这里,我们需要来研究一下,速度和加速度极坐标的微分形式:请记住这两个方程,后面需要反复用到,

第三步:根据前面万有引力得到的加速度公式,和(2)得到微分方程:是不是有点吓人!第四步:不过注意啦!我们引入虚数是有原因的,我们让实部等于实部,虚部等于虚部,就能化简为两个微分方程。第五步:对于第一个微分方程,不就是一个分部积分嘛,立马得到:其中c1为积分常数,有人可能看出来了,这是开普勒第二定律——面积定律!我们得到了一个结果,看样子并不难!第六步:但是对于第二个微分方程,求解很困难,我们先放到一边;因为对于第一个微分方程,我们还没利用完,把面积定律的结果,再次带入最先得到的加速度公式:第七步:然后把我们得到的速度,带入速度的微分形式(1):第八步:这里,同样可以简化为两个微分方程:第九步:对于第二个微分方程,再次带入面积定律,将得到万有引力下,物体运动的轨迹方程:这不就是,圆锥曲线的标准方程吗?其中e为偏心率!(1)当e=0时,曲线为正圆;(2)当0


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