试议用相对旋转法研究天体运动中的共线次数

来源 :中华少年·研究青少年教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangdianxitong
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  本刊2011年第9期第65页《用图解法研究天体运动中的共线次数》一文,笔者读后很受启发,但原文说的物理情景不符合实际,为了维护本刊的权威性,物理过程的真实性,笔者说一说自己的看法,不妨采用相对运动的方法做一说明.
  【原题】如图1所示,3个质点、、质量分别为、、(,).在的万有引力作用下,、在同一平面内绕沿逆时针方向做匀速圆周运动,轨道半径之比,则它们的周期之比
   ;从图示位置开始,在运动一周的过程中,、、共线了 次。
  解析:根据开普勒第三定律有,得.第2空的解析⑴是:当转动一个周期,转动8个周期,在第1个周期内,三者共线1次,最后一个周期共线1次,其他每个周期共线2次,共计14次.解析⑵是:当转动一个周的过程中,转动8周,由于共线不单指在同一侧还有异侧,所以在转动一周的过程中、、共线了14次.
  假设质点、的旋转角速度分别为、,则有,即.现转换参考系,取质点绕的连线为参考系,那么质点绕旋转,相对的相对角速度为,也就是说质点绕相对做角速度为的逆时针匀速圆周运动.依题意在质点旋转一周的时间内,在上看来在新参考系下质点相对旋转经过的圆心角为 ,即对来说相对旋转了完整的7个圆周运动.由题设条件知初始时刻,质点超前质点任一角度.如果、、在同侧一条直线上开始旋转,将经过在异侧一条直线上共线,经过时又在同侧一条直线上共线,依次重复.实际情况同理,在新的参考系下只考察质点,第一次共线在异侧,经过;第二次共线又在同侧,经过;第三次重复共线;……;第次共线,经过时间.实际发生共线时的时间,即,即有,得 (此为放大法),取整时最大只能是。
  在新的参考系下,当经过时间时,、、第十三次异侧共线,相对旋转经过的圆心角 ,剩下的时间可供旋转的相对圆心角为 ,在新参考系下可见此后只能共线一次.而实际上质点第7周旋转结束时刻是;第8周旋转结束时刻是 ;下面进行讨论,比较第13次异側共线时刻与实际上质点第7周旋转结束时刻,有,可见与有关,则
  ⑴当时,质点第8周一次共线;
  ⑵当时,,即 ,质点第8周2次共线;
  ⑶当时,质点第8周一次共线.
  由此可见原文作者对各种资料上给出的答案及解析的质疑是不恰当的,资料上提供的答案没有错.反而原作者的图解法使笔者有眼花缭乱,很费劲的感觉,不如采用相对运动,转化参考系,在新的参考系下只考察质点一个的旋转来的省事、直观、简单.
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