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万有引力中椭圆轨道线速度的计算

2026-03-12 09:38:46教学视频361

在万有引力与航天章节中,我们知道行星绕中心天体做圆周运动的线速度大小计算方法m0q物理好资源网(原物理ok网)

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对m:G\frac{Mm}{r^2}=m\frac{v^2}{r}m0q物理好资源网(原物理ok网)

可解得线速度大小:v=\sqrt{\frac{GM}{r}}m0q物理好资源网(原物理ok网)

如果行星绕中心天体的运动是椭圆,那线速度大小该如何计算?刘叔物理先说明一下,这是竞赛内容,高中阶段不做要求,属于高考超纲内容,高考生可以直接下拉看最终结果。m0q物理好资源网(原物理ok网)

如下图所示,质量为m的行星环绕质量为M的天体做椭圆运动,椭圆的半长轴为a,半短轴为b,设离M天体无穷远处引力势能为零,则离天体M距离为d时引力势能E_p=-\cfrac{GMm}{d}m0q物理好资源网(原物理ok网)

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设A点的速率为v_A,C点的速率为v_Cm0q物理好资源网(原物理ok网)

在A、C两点由能量守恒可得:m0q物理好资源网(原物理ok网)

E_总=-\cfrac{GMm}{a+c}+\cfrac{1}{2}m{v_A}^2=-\cfrac{GMm}{a}+\cfrac{1}{2}m{v_C}^2

在A、C两点根据开普勒第二定律:v_C a\cos \theta =v_A(a+c)m0q物理好资源网(原物理ok网)

其中\cos \theta=\cfrac{b}{a}m0q物理好资源网(原物理ok网)

椭圆满足a^2=b^2+c^2m0q物理好资源网(原物理ok网)

可得:E_总=-\cfrac{GMm}{2a}m0q物理好资源网(原物理ok网)

当行星m距天体M为d时,设此时的线速度为v,由能量守恒可得:m0q物理好资源网(原物理ok网)

-\cfrac{GMm}{2a}=-\cfrac{GMm}{d}+\cfrac{1}{2}m{v}^2

最后可得椭圆轨道线速度大小与距天体M的d关系式:m0q物理好资源网(原物理ok网)

v=\sqrt{\frac{2GM}{d}-\frac{GM}{a}} m0q物理好资源网(原物理ok网)