高中拓展 · 硬科幻模型 · 轨道 · 开普勒定律

行星靠近太阳,为什么走得更快?

单位中心引力参数μ=1、半长轴a=1,椭圆轨道;轨道相位为偏近点角E。从近日点移到远日点,对照速率与面积速度。

问题的来处1609年 · 开普勒的行星定律

开普勒等面积:问题从哪里来?

开普勒分析第谷精密的行星观测,发现行星并不匀速沿圆运动。连接太阳和行星的线段在相等时间扫过相等面积,成为理解轨道快慢的钥匙。

读一段背景,带着问题动手

开普勒分析第谷精密的行星观测,发现行星并不匀速沿圆运动。连接太阳和行星的线段在相等时间扫过相等面积,成为理解轨道快慢的钥匙。

本页用椭圆轨道和面积扇形连接位置与时间。太阳在焦点而不是椭圆中心;近近日点运动更快并不违反等面积规律。

现在,换你来试从近日点移到远日点,对照速率与面积速度。 固定其他条件,亲手将偏近点角E分别设为0和180°,各核验一次;速率变了,面积速度是否仍固定?

开普勒等面积

C11 / 轨道
今天的问题

速率变了,面积速度是否仍固定?

独立探索要做什么?

从近日点移到远日点,对照速率与面积速度。 固定其他条件,亲手将偏近点角E分别设为0和180°,各核验一次;速率变了,面积速度是否仍固定?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
金球:中心天体青线:椭圆扇形:自近日点扫过区域
看这里 · 面积速度0.433 归一化

同一条椭圆上面积速度恒定;位置控件是E,不能把等角步进当成等时步进。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

30 °平均近点角每秒推进30°;偏近点角按等面积运动推进。
面积速度
0.433 归一化
轨道速率
1.5898 归一化
轨道周期进度
0.0435

同一条椭圆上面积速度恒定;位置控件是E,不能把等角步进当成等时步进。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

偏心率为0时,近日点与远日点还有区别吗?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

r=1−e cosE,v=√(2/r−1),面积速度h/2=√(1−e²)/2;M=E−e sinE。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

速率变了,面积速度是否仍固定?

换个条件,再试一次

偏心率为0时,近日点与远日点还有区别吗?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识轨道 · 开普勒定律涉及的量与单位:偏近点角E(°)、偏心率(无量纲)。高中拓展 · 硬科幻模型为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:从近日点移到远日点,对照速率与面积速度。

再做定量:保持其他条件,比较偏近点角E与面积速度(归一化),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

r=1−e cosE,v=√(2/r−1),面积速度h/2=√(1−e²)/2;M=E−e sinE。

对照核验提示:近日点:偏近点角E 0 °;远日点:只改变偏近点角E 180 °。按这些题设自己操作并比较面积速度,不把参考情景当个人完成。

适用范围:同一条椭圆上面积速度恒定;位置控件是E,不能把等角步进当成等时步进。

NASA Science · 天文与行星科学阅读(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。