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目标公式:

T2r3=4π2GM=常量(推广到椭圆:r→a,长半轴)

适用范围/假设:

  • 圆轨道近似:轨道半径 r 恒定(推导末尾说明向椭圆的推广 r→a)。
  • 中心天体质量 M 远大于绕行者质量 m(M≫m),可视 M 为静止、r 为到其质心的距离。
  • 引力是唯一作用力,并且恰好充当向心力(FZ=FG)。
  • 牛顿力学适用(v≪c、弱引力场)。

用到的公式 ​

公式名称Formelnheft
FZ=mω2r=mv2rZentripetalkraft✅ S. 2 („Zentripetalkraft FZ=mω2r=mv2r")
FG=Gm1m2r2Gravitationsgesetz✅ S. 2 („Gravitationsgesetz")
ω=ΔφΔt=2πfWinkelgeschwindigkeit✅ S. 2 („Winkelgeschwindigkeit")
f=1TFrequenz✅ S. 2 („Frequenz")
v=ωrBahngeschwindigkeit❌ 不在 Formelnheft——考场需自己写出(可由 S. 2 的 aZ=ω2r=v2r 两种写法对比立即得到:ω2r=v2r⇒v=ωr)
(T1T2)2=(r1r2)33. Keplergesetz(比值形式)✅ S. 2 („3. Keplergesetz")——见下方「与 Formelnheft 比值形式的关系」

推导(Schritt für Schritt) ​

  1. 写出角速度与周期的关系(这是纯定义:转一整圈即 Δφ=2π,耗时 Δt=T;等价地由 S. 2 的 ω=2πf 与 f=1/T 组合):ω=2πT
  2. 写出轨道速度与角速度的关系(同一角速度下,外侧的点在相同时间走过更长的弧:弧长 =φ⋅r,除以时间得 v=ωr;或由 aZ 的两种写法对比):v=ω⋅r
  3. 用 ω 表示向心力(把第 2 步的 v2=ω2r2 代入 S. 2 的 FZ=mv2r,这样后面代入 ω=2π/T 更直接):FZ=mω2r2r=mω2r
  4. 建立力的平衡 FZ=FG(物理核心步骤:行星没有被绳子拉着,引力就是使它拐弯的向心力——这是允许令二者相等的理由):mω2r=GM⋅mr2
  5. 约去绕行者质量 m(m 在两边都以一次方出现且 m≠0,允许相除;物理含义:轨道与绕行者质量无关——卫星无论轻重,同一轨道同一周期):ω2r=GMr2
  6. 两边除以 r(纯代数整理,把所有 r 收到右边;注意不是「约掉」,右边幂次升为 r3):ω2=GMr3
  7. 代入 ω=2πT 并平方(把几何量 ω 换成可观测量 T:ω2=4π2T2):4π2T2=GMr3
  8. 交叉整理,把变量 T,r 与常量分边(两边同乘 T2GM ——目标形式即得):T2r3=4π2GM右边只含 G 与中心质量 M → 对同一中心天体的所有绕行者都是同一常量。
  9. 推广 r→a(圆 → 椭圆)——只作说明,不冒充严格证明:开普勒第一定律说真实轨道是椭圆。牛顿在其完整理论中证明:上式对椭圆轨道依然成立,只需把 r 换成长半轴 a:T2a3=4π2GM严格证明需要对椭圆轨道求解运动方程(结合面积定律),超出口试范围;圆轨道推导给出的常量 4π2GM 恰与椭圆情形一致——口试时主动点明这里只对结论作说明。

与 Formelnheft 比值形式的关系 ​

Formelnheft S. 2 给的是比值形式 (T1T2)2=(r1r2)3,不含常数。两者的关系:

  • 由第 8 步:对绕同一 M 的两个天体,T12r13=T22r23=4π2GM。把左边两项交叉整理(两边同乘 r13T22)即得比值形式——比值形式是带常数形式的直接推论。
  • 反之,比值形式只说「常量对所有行星相同」,不告诉你常量是多少;要测中心质量 M(下方算例),必须用推导给出的带常数形式 T2a3=4π2GM。

真题级算例 ★:由地球轨道求太阳质量 ​

已知地球轨道:T=1 a=3,156⋅107 s(务必换算成秒!),a=1,496⋅1011 m。把第三定律对 M 求解:

M⊙=4π2a3GT2

逐步代入(G=6,673⋅10−11 N·m2kg2,Formelnheft S. 1):

  1. a3=(1,496⋅1011)3=3,348⋅1033 m3
  2. 4π2⋅a3=39,48⋅3,348⋅1033=1,322⋅1035
  3. T2=(3,156⋅107)2=9,960⋅1014 s2;GT2=6,673⋅10−11⋅9,960⋅1014=6,647⋅104
  4. M⊙=1,322⋅10356,647⋅104≈1,99⋅1030 kg≈2⋅1030 kg ✓

验算:与 Formelnheft S. 1 的 MS=1,989⋅1030 kg 几乎完全一致。同法可由月球轨道求地球质量、由银心附近恒星轨道求中心黑洞质量——只要有东西绕着 M 转,就能称出 M。

变量表 ​

符号含义SI 单位
T绕行周期(转一整圈 360° 的时间)s(算例务必用秒)
r圆轨道半径(到中心天体质心的距离)m
a椭圆轨道长半轴(推广后取代 r)m
ω角速度rad/s
φ扫过的角rad
f频率Hz = 1/s
v轨道(切向)速度m/s
m绕行者质量(推导中约去)kg
M被绕中心天体的质量kg
FZ向心力N
FG引力N
G引力常数 =6,673⋅10−11 N·m2kg2(Formelnheft S. 1)N·m²/kg²
M⊙太阳质量 =1,989⋅1030 kg(Formelnheft S. 1,„MS")kg

关联 ​

  • H08——同一套路「令两个力相等、约去试探质量」;测 G 之后才能由本式算出 M。
  • 主题 11 §11.4——讲义原推导(九步口径一致)与「被绕质量表」。
  • 主题 2 §2.2——同一平衡 FZ=FG 解出轨道速度;§2.3 地球同步轨道即本式对 r 反解。
  • 主题 8 §8.7——向心力为何存在、为何是「角色」而非独立的力。