一个天文学中的“缪误”

来源 :中外教学研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuzhugugulili
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  笔者在教学中发现出自于天文学中的一个“缪误”,拿它去考查了许多学生,终不能解释其中原委,为了不让大家白白浪费时间,萌生了抛砖引玉的想法,现将它公布于众,以饷读者。
  下面先例出“缪误”:
  开普勒第二定律告诉我们,地球绕太阳运行在任何时刻面积速度不变。
  即:V1*r1=V2*r2(1)
  我们考虑近日点A和远日点B两点,由万有引力定律和圆周运动知识可得出:
  F=GM*m/r2=m*V2/r(2)
  
  得到V=代入(1)式,得到一个奇怪的结果=,从而得到r1= r2
  同样的问题还出现在天体的能量计算中。大家都知道,地球的总能量E=﹣GM*m/2r,由机械能守恒定律可知地球在远、近日点的能量相等,即﹣GM*m /2r1=﹣GM*m /2 r2 (3)
  从而也得到r1= r2,显然是错误的。问题出在何处?
  是开普勒定律出了问题,还是万有引力定律在这里不能用?
  以上两条定律都是经典定律,绝对不会出问题。那么究竟是哪里出了问题?下面且看正解。正解:
  (1)和(2)式都没有问题,问题出在(2)式中等式的左右两边的r不是同一个r,左边的r是矢径,其大小是指太阳到地球的距离,而右边的r是A、B点的曲率半径,这是两个不同的概念。只有在圆周运动时它们才相等。但教材在这里没加区分,长期下来就造成缪误,人们普遍认为是同一个量。曲率半径是这样算的,=(1+Y’2)3/2/|Y’’|=(a2-c2)/a(4)
  a是椭圆的半长轴,c是椭圆的焦距。它是不等于左边的矢径r的。式中的Y’和Y’’分别是椭圆轨迹方程中Y对X的一阶和二阶导数。
  由(2)式可得V=
  这样一来(1)式的左边可以写成
  r1*r1=*r1=,同理(1)式的右边也可以写成v2* v2=*r2==左边,同理(3)左右两边应该按如下方法计算:E=Ek+Ep=mv2/2-GMm/r (5)
  式中的动能部分中的V2应用曲率半径来计算,而势能部分应用矢径的长度来计算。将(4)代入(5),并结合r1=a-c、r2=a+c
  则有:mv12/2–GMm/r
   =m/2–GMm/r1
   =GMm[(a2-c2 )/2a r12 -1/ r1]
   =GMm/2a
  同理右边也=–GMm/2a
  至此“缪误”问题解决。由此可见,开普勒定律和机械能守恒定律在任一点都成立,而(3)却只在把地球绕太阳的运动看成匀速圆运动时才能成立。
  (作者单位:518010广东省深圳市滨河中学)
  
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