行星軌道與克卜勒定律

發射一顆繞太陽的行星,或繞地球的人造衛星。拖曳起點與速度箭頭(或用滑桿),看發射速率如何決定軌道的形狀——圓、橢圓、拋物線或雙曲線。打開等時間扇形驗證克卜勒第二定律,再發射幾條軌道,確認它們的 T²/a³ 都相同。切換到 3D 立體檢視可以轉動視角,看出整條軌道都在通過中心天體的同一個平面上。

飛行中的軌道 預測軌道(尚未發射) 速度 v 圓周速率圈 v圓 脫離速率圈 v脫 角動量 h = r × v(垂直於軌道面,只表示方向) 軌道面(距離圈)

拖曳發射點可移動位置,拖曳紅色箭頭的尖端可設定發射速率與方向。箭頭長度與速率成正比;箭頭尖端碰到綠色或橙色虛線圈時,速率剛好等於圓周速率或脫離速率(靠近時會自動吸附)。按「發射」後,之前的軌道會留下淡淡的殘影。

拖曳旋轉,滾輪或雙指縮放,右鍵或雙指拖曳平移。按側面看軌道面:整條軌道縮成一條通過中心天體的線——運動一直在同一個平面上。發射條件用滑桿調整(拖曳把手請用 2D 平面)。軌道與箭頭比例都和 2D 畫面相同。

克卜勒第二定律:相等時間掃過相等面積

    克卜勒第三定律:T² ∝ a³

    每發射一條封閉(橢圓或圓)軌道就記錄一筆。繞同一個中心質量的軌道,不論大小與形狀,T²/a³ 都等於 4π²/GM。

    背後的物理

    環繞的物體(質量 \(m\))受到中心天體(質量 \(M \gg m\))的萬有引力,力永遠指向中心,所以運動保持在同一個平面上:

    \[ \vec{F} = -\frac{G M m}{r^{2}}\,\hat{r}, \qquad \vec{a} = -\frac{G M}{r^{2}}\,\hat{r} \]

    每公斤的力學能 \(\varepsilon\) 與角動量 \(h\) 都守恆(萬有引力是保守力,而且對中心沒有力矩):

    \[ \varepsilon = \frac{v^{2}}{2} - \frac{GM}{r} = \text{constant}, \qquad h = |\vec{r} \times \vec{v}| = r v \sin\theta = \text{constant} \]

    圓周速率與脫離速率

    圓軌道上,萬有引力剛好提供向心力;要脫離,動能必須讓 \(\varepsilon\) 至少等於零:

    \[ \frac{GMm}{r^{2}} = \frac{m v^{2}}{r} \Rightarrow v_{\text{circ}} = \sqrt{\frac{GM}{r}}, \qquad \frac{1}{2} m v^{2} - \frac{GMm}{r} = 0 \Rightarrow v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM}{r}} = \sqrt{2}\, v_{\text{circ}} \]

    在地球表面附近,這就是第一宇宙速度約 \(7.9\ \mathrm{km/s}\) 與第二宇宙速度約 \(11.2\ \mathrm{km/s}\)。

    軌道的形狀是圓錐曲線

    解牛頓運動方程式,得到以中心天體為一個焦點的圓錐曲線 \(r = \dfrac{p}{1 + e\cos\nu}\),其中 \(\nu\) 是由最近點(近日點、近地點)量起的角度,\(p = h^{2}/GM\),\(e\) 為離心率。能量決定軌道類型:

    \[ e = \sqrt{1 + \frac{2\varepsilon h^{2}}{(GM)^{2}}}, \qquad \begin{cases} \varepsilon < 0: & 0 \le e < 1,\ \text{橢圓(}e = 0\text{ 時為圓)} \\ \varepsilon = 0: & e = 1,\ \text{拋物線} \\ \varepsilon > 0: & e > 1,\ \text{雙曲線} \end{cases} \]

    橢圓的半長軸只由能量決定,\(a = -\dfrac{GM}{2\varepsilon}\),由此得到軌道上任一點速率的活力方程式,以及最近與最遠距離 \(r_p = a(1-e)\)、\(r_a = a(1+e)\):

    \[ v^{2} = GM\left(\frac{2}{r} - \frac{1}{a}\right) \]

    克卜勒三大定律

    \[ \frac{\Delta A}{\Delta t} = \frac{1}{2} r v \sin\theta = \frac{h}{2} = \text{constant} \]
    \[ T = 2\pi\sqrt{\frac{a^{3}}{GM}}, \qquad \frac{T^{2}}{a^{3}} = \frac{4\pi^{2}}{GM} \]

    以太陽為中心,\(T\) 用年、\(a\) 用天文單位(AU)時,\(T^{2}/a^{3} \approx 1\ \mathrm{yr^{2}/AU^{3}}\)。

    觀察重點

    模擬方法