如何推导行星椭圆轨道方程
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16世纪之前,人们认为地球处于中心,而太阳和其他行星围绕着它转。后来,哥白尼提出了“日心说”,把太阳放在中心,地球和其他行星围绕着太阳转。虽然哥白尼的日心说是一项壮举,但该理论中行星是圆轨道,为了与观测数据相符,需要添加一个又一个的本轮。 16世纪末期,开普勒分析了他的老师第谷留下来的观测数据,整理出了著名的开普勒三大定律,其中第一定律又称为椭圆定律:所有行星轨道都是椭圆,太阳处于其焦点。我们想,开普勒是从实践中得出椭圆轨道,那么如何才能从理论上推导出椭圆轨道。
为了做到这一点,我们需要知道椭圆的数学表达式。在高中,我们都学过直角坐标系下的椭圆标准方程:
如上图,参数a、b、c所代表的含义都已标明,我们主要还有:偏心率e=c/a,半正焦弦l=a(1-e^2)。 事实上,在分析行星运动时,坐标原点取太阳中心比取椭圆中心更为自然。因此,我们将用极坐标系(r, θ)代替直角坐标系(x, y)。我们选取焦点F2为原点,于是有下面的关系:
把它代入上述直角坐标系方程中,得到:
求解这个方程,并剔除掉使r成负数的解,我们就可以得到椭圆在极坐标系下的方程:
为了等下推导行星轨道更容易看出椭圆方程,我们用半正焦弦l代替,并重新排列方程:
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