2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
已閱讀1頁,還剩32頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、天文學(xué)基礎(chǔ)(公共選修課教程),上海工程技術(shù)大學(xué) 施 韡,§4 行星系統(tǒng)和行星運動規(guī)律,1.知道行星系統(tǒng)的物理定義,了解行星運動空間規(guī)律和視運動規(guī)律;2.能用行星運動規(guī)律指導(dǎo)實踐觀測。,重點:學(xué)習(xí)和了解行星運動規(guī)律,以指導(dǎo)實踐觀測。難點:行星系統(tǒng)二體問題(知道)、開普勒行星運動定律(了解)、行星視運動規(guī)律(熟悉)。,§4.1 行星系統(tǒng),一、萬有引力,萬有引力定律是牛頓于1687年發(fā)表的。這一定律的最大貢獻

2、是把天體運行規(guī)律和地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來了。,1、意義,2、數(shù)學(xué)表達,表示任何兩個相距為r并具有質(zhì)量m1及m2的質(zhì)點之間必然存在的相互吸引的力F。,G為萬有引力常數(shù),G=6.67259×10-11 m3/kg·s2,天文學(xué)中取天文單位、太陽質(zhì)量和日(86400秒)為長度、質(zhì)量、時間的單位,則G=k2,k=0.01720209895,名為“高斯常數(shù)”,是天文常數(shù)系統(tǒng)中視作不變的“定義常數(shù)”。,※庫侖定律:,注意

3、 具有密度分層均勻的同心球?qū)咏Y(jié)構(gòu)的正球體——各向同性的正球體——與質(zhì)量集中于球心的一個具有嚴(yán)格意義的質(zhì)點等價。,二、二體問題,二體問題是假設(shè)只有兩個天體,不考慮其他天體的干擾,在萬有引力作用下如何運動的問題。,1、什么是二體問題?,2、二體問題的空間示意圖,,,,,,,O,P,Q,x,y,z,·,·,建立任一空間坐標(biāo)系O-xyz,P和Q分別是兩個天體 是天體P的位置矢量 是天體Q的位置矢量

4、是天體Q相對于天體P的位置矢量。,※為便于理解可以把天體P看作太陽,把天體Q看作行星。,天體P受天體Q的引力:,天體Q受天體P的引力:,根據(jù)牛頓第二定律:,,?,?,?,,?,?,,這是一組聯(lián)立的二階非線性常微分方程,通解是包含6個相互獨立的積分常數(shù)的6個積分。解的結(jié)果表明,行星運動是沿著圓錐曲線的平面運動,太陽位于一個焦點上。,6個積分常數(shù)決定了軌道的空間位置和某一時刻行星在軌道上的位置,在天文學(xué)中成為6個軌道根數(shù)。二體問題的微分

5、方程及其積分,完滿地解釋了開普勒行星運動定律的動力學(xué)原因,徹底地解決了只有兩個天體時全部的運動學(xué)問題。,*三、多體問題與攝動方法簡介,※兩個天體在萬有引力作用下如何運動的二體問題已經(jīng)獲得十分精確而完滿的解答,但是實際天體不止兩個,只要再多出一個天體,即“三體”問題,求解就相當(dāng)困難。,對于空間直角坐標(biāo)系,n個天體在相互之間存在的萬有引力的作用下,可以列出3n個二階微分方程組,其通解由6n個積分組成,共包含6n個積分常數(shù),其中有10個積分總

6、是可以得出的:,n個天體的質(zhì)量中心運動定律?3個積分n個天體的總動量守恒定律?3個積分n個天體的總動量矩守恒定律?3個積分n個天體的總能量守恒定律?1個積分,*三、多體問題與攝動方法簡介,如果再找出余下的6n-10個積分,n體問題就能徹底解決。,1843年,雅克比證明:如果包括10個初積分在內(nèi)的6n-2個積分都已找到,則最后兩個積分就一定能找到。,讓我們來看一下三體問題的微分方程:,,設(shè)有1,2,3三個天體,質(zhì)量分別為沒m1, m

7、2, m3;r12 , r23 , r 13分別表示它們相互之間的距離。在空間直角坐標(biāo)系中,用q1i , q2i , q3i , i=1,2,3表示三個天體對應(yīng)于x軸(i=1),y軸(i=2),z軸(i=3)的三組坐標(biāo)。,三組共9個聯(lián)立的二階非線性常微分方程,通解是包含18個相互獨立的積分常數(shù)的18個積分。,*三、多體問題與攝動方法簡介,除10個初積分外,還剩8個積分,按雅克比定理,只要找出其中6個積分,三體問題就徹底解決,但不幸的是,

8、直到現(xiàn)在一個也沒有找到。,1900年國際數(shù)學(xué)家大會上,希爾伯提出了23個數(shù)學(xué)難題,另外還舉了兩個大難題,即費馬大定理和三體問題,(1994年費馬大定理被美國的懷爾斯徹底解決),19世紀(jì)末,龐加萊等證明,找到三體問題的全部代數(shù)函數(shù)形式的解是不可能的,于是數(shù)學(xué)家和力學(xué)家轉(zhuǎn)而尋找級數(shù)形式的解。,1912年,芬蘭數(shù)學(xué)家松德曼找到了附加限制條件的冪級數(shù)解,但是這些級數(shù)收斂得非常慢,以至于沒有使用價值。,如要獲得三體問題的一個位置數(shù)據(jù),級數(shù)至少要取

9、108000項!,為了計算行星軌道和預(yù)知天體的位置,人們探求有效的近似求解的方法,提出了攝動理論。,攝動是指在二體問題中天體沿軌道運動時,因受到其他天體的影響而偏離原來的軌道。,四、攝動力、潮汐現(xiàn)象和洛希極限,如圖,M是中心天體,m是作軌道運動的天體,m′是攝動天體,M、m、m′分別是他們的質(zhì)量。r、r′、p表示兩兩之間的距離。,1、攝動力,,,,,,,M,m,m′,r′,r,p,-g1,g2,-g2,g1,g3,g0,g,g2,g′,

10、,,,,,,,,,,-g2,根據(jù)萬有引力,M對m的力產(chǎn)生m的運動加速度,m′的存在使M產(chǎn)生加速度,m也使M產(chǎn)生運動加速度,這兩個加速度相反。,使m產(chǎn)生加速度,g2的作用相當(dāng)于使m產(chǎn)生了相對于M的加速度-g2 ,于是m′的存在形成和了g3和-g2的合成加速度g′,g′相應(yīng)的作用力就是攝動力,,,g3,在日、地、月三體問題中,地球是中心天體,月球是繞地球作軌道運動的天體,而太陽是攝動天體。設(shè)r和R分別為月球和太陽到地球的距離。在朔時,太陽

11、使月球產(chǎn)生的引力加速度g3=k2M/(R-r)2(M為太陽質(zhì)量),太陽使地球產(chǎn)生的引力加速度g2=k2M/R2,則g′= g3 -g3 =k2M(2Rr-r2)/R2(R-r)2,若忽略r,可得到近似結(jié)果: g′=2 k2rM/R3 。同理,在望時, g3=k2M/(R+r)2 , g2=k2M/R2, g′=-2 k2rM/R3 。這兩個結(jié)果都表明太陽的攝動影響使月球偏向地球的反方向,即遠離地球。單純從萬有引力公式計算,太陽對月球的

12、引力比地球?qū)υ虑虻囊Υ笠槐抖?,但由于月球繞地公轉(zhuǎn),太陽的引力只起攝動作用,而攝動力的大小與距離的立方成反比,所以決定月球運動的主力不是來自太陽而是地球。太陽對月球的攝動力比地球?qū)υ虑虻囊π?0倍,但這一攝動力在太陽系內(nèi)仍是相對較大的。因此月球繞地公轉(zhuǎn)比單純的橢圓運動要復(fù)雜得多,精確確定月球的位置通常要考慮好幾百項因素。,※日、地、月三體問題中需要注意的地方,2、潮汐現(xiàn)象,由于地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和月球的運動,海洋各處輪流處于A或B的位置

13、,造成海水有漲有落的潮汐現(xiàn)象。,A相對于O而言的加速度為:,B相對于O而言的加速度為:,起源于月亮、太陽或其它天體的引力而造成潮汐現(xiàn)象的力稱為引潮力或起潮力。其數(shù)值與引力來源天體的質(zhì)量成正比,與兩天體間的距離的立方成反比。,2、洛希極限,式中,R為行星半徑,?為衛(wèi)星密度, ?′為行星密度。系數(shù)2.45539是假定衛(wèi)星質(zhì)量同行星質(zhì)量之比可以忽略時洛希給出的值。如果這一比值?不能忽略,系數(shù)應(yīng)有變化,達爾文給出的對應(yīng)關(guān)系如下:,19世紀(jì)法國

14、天文學(xué)家洛希在研究衛(wèi)星形狀理論中提出一個使衛(wèi)星解體的極限數(shù)據(jù),稱為洛希極限。,當(dāng)衛(wèi)星(流體團)與行星的距離小于洛希極限,說明引潮力超過極限,那么衛(wèi)星將會解體分散。,§4.2 行星運動規(guī)律,一、軌道,二體問題的行星運動軌道是圓錐曲線,包括橢圓、拋物線、雙曲線三種類型。決定軌道在空間的位置和行星在軌道上的位置依賴于6個常數(shù),稱為軌道根數(shù)。(以下以橢圓軌道為例),i 是行星軌道面對黃道面的傾角,?是軌道面與黃道面交線與x軸方向的夾

15、角。這兩個根數(shù)決定了軌道平面的空間位置。,? 是軌道長軸上近日點方向與軌道交線的夾角,它決定了橢圓長軸的方向。,半長徑a和偏心率e決定了橢圓的大小和扁平的程度。,以上根數(shù)決定了行星在空間的實際軌道,最后一個根數(shù)?決定行星在軌道上何時處于何處。,二、開普勒行星運動定律,開普勒(1571.12.27~1630.11.15)是德國人,嘔心瀝血地畢生從事行星運動的研究,于1609年發(fā)表第一、第二定律,1619年發(fā)表第三定律。開普勒糾正了哥白尼認

16、為行星在以太陽為中心的圓軌道上勻速運動的錯誤,精確地描述了行星運動的軌道及行星在軌道上運動的規(guī)律。,1、開普勒,開普勒行星運動定律是萬有引力的必然結(jié)果,但其發(fā)表卻領(lǐng)先萬有引力定律80年,對天文學(xué)作出了卓越的貢獻。,2、開普勒行星運動三大定律,第一定律 行星運動的軌道是橢圓,太陽位于橢圓的一個焦點上。,第二定律 以太陽為坐標(biāo)原點的行星向徑在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。,2、開普勒行星運動三大定律,第三定律 不同行星在其軌

17、道上公轉(zhuǎn)周期T的平方與軌道半長徑a的立方成正比。即:,或者,2、開普勒行星運動三大定律,開普勒第一、第二定律是嚴(yán)格正確的,第三定律忽略了不同行星之間的質(zhì)量差別,所以是有偏差的。嚴(yán)格的第三定律應(yīng)為:,或者,對于太陽系所有行星,3、開普勒行星運動定律的推論,第二定律?行星在軌道上運動的速度是不均勻的,且在近日點附近要比遠日點附近運動得快。,第三定律?行星離太陽越遠,公轉(zhuǎn)周期越長,且軌道半長徑與周期之間有確切的數(shù)量關(guān)系。,第三定律?離太陽越遠

18、的行星,公轉(zhuǎn)角速度越小,公轉(zhuǎn)線速度也越小。,第三定律?可以計算太陽質(zhì)量和有衛(wèi)星繞轉(zhuǎn)的大行星的質(zhì)量,三、太陽系行星運動基本特征,1、行星軌道三大基本特征,近圓性,,,軌道的偏心率都比較小,使得軌道接近于圓形,偏心率最大的是冥王星(0.2482)和水星(0.2056),同向性,公轉(zhuǎn)方向都是自西向東,無一例外。,共面性,行星的軌道基本都在一個平面上,即黃道面。軌道傾角最大:冥王星(17°)、水星(7 °),2、提丟斯—波得

19、定則,1766年,德國的一位中學(xué)教師提丟斯在《自然的探索》德文版中首次提出了后來被稱為“提丟斯—波得”定則的見解,不過并未做出任何解釋。,1772年,德國天文學(xué)家波得在《星空研究指南》一書中研究并引用了提丟斯的見解,也未做說明。,提丟斯—波得定則給出的數(shù)值,各行星與太陽平均距離的數(shù)值(AU),0.4,0.7,1.0,1.6,2.8,5.2,10.0,0.387(水星),0.723(金星),1.000(地球),1.524(火星),?,5.

20、203(木星),9.555(土星),19.6,38.8,77.2,19.191(天王星),30.061(海王星),39.530(冥王星),四、行星視運動規(guī)律,1、(地)內(nèi)行星,上合時肯定無法觀測內(nèi)行星 ;下合的位置上只有當(dāng)凌日時才能觀測,通??床坏?;觀測內(nèi)行星的最佳時機就是大距。,東大距時的內(nèi)行星在黃昏日落后不久在西方低空。西大距時的內(nèi)行星在黎明日出前不久在東方低空。,2、(地)外行星,合(?)時肯定無法觀測內(nèi)行星; 東方照位置上的外行

21、星,將在日落時出現(xiàn)在頭頂;西方照時的外行星,日出時出現(xiàn)在頭頂;觀測內(nèi)行星的最佳時機就是沖(?) 。,兩次發(fā)生同一位形的時間間隔叫做行星的會合周期,記作S。,其中T為地外(內(nèi))行星的公轉(zhuǎn)周期,E為地球的公轉(zhuǎn)周期,叫恒星年=365.2564日。,在一個會合周期里,行星視運動情況如下:,上 合,東大距,留,下 合,留,上 合,,看不見,昏星,看不見,晨星,看不見,,,,,,,,,,,,西大距,,,,,順行,逆行,順行,,,,,合,西方照

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 眾賞文庫僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論