引入

为什么行星绕太阳的轨道是椭圆,而不是正圆?

为什么行星靠近太阳时跑得快,远离时跑得慢?

为什么周期平方与半长轴三次方的比值对所有行星都相同?

开普勒三定律是从观测数据中总结出来的经验规律,牛顿后来用万有引力定律解释了它们。这条线索很典型:先有规律,再有原因。

正文

定义

开普勒三定律描述行星绕太阳运动的规律,是万有引力定律的实验基础。

第一定律(轨道定律)

行星沿椭圆轨道运行,太阳位于椭圆的一个焦点上。

概念含义
近日点离太阳最近的点
远日点离太阳最远的点
半长轴 椭圆长轴的一半
半短轴 椭圆短轴的一半
偏心率 ,描述椭圆的扁平程度

偏心率决定了轨道的形状:

轨道形状例子
0正圆近似:多数行星
0 < < 1椭圆行星、彗星
1抛物线逃逸轨道
> 1双曲线高速掠过

行星轨道偏心率都很小(地球约 0.017),所以近似为圆,但彗星可以非常扁。

第二定律(面积定律)

行星与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。

这一定律的物理本质是角动量守恒:太阳引力沿径向,力矩为零,所以行星的角动量守恒。

推导:

推论:近日点距离小,速度必须大;远日点距离大,速度小。

位置距离速度
近日点最小最大
远日点最大最小

第三定律(周期定律)

行星公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比:

其中 只与中心天体质量有关:

对太阳系所有行星, 相同(因为中心天体都是太阳)。

行星半长轴(AU)周期(年)
水星0.3870.2411.00
金星0.7230.6151.00
地球1.0001.0001.00
火星1.5241.8811.00
木星5.20311.861.00

这个比值的高度一致,是万有引力平方反比律的直接证据。

从圆轨道推导第三定律

对圆轨道,万有引力提供向心力:

整理得:

这正是第三定律。椭圆轨道的情形把 换成半长轴 即可。

三定律的关系

定律描述对应物理原理
第一定律轨道形状万有引力与惯性
第二定律速度变化角动量守恒
第三定律周期与距离万有引力平方反比律

三定律合起来,完整描述了行星的运动学特征,牛顿的万有引力定律则给出了动力学原因。

常见误区

错误说法问题
“行星轨道是正圆”是椭圆,只是偏心率小
“太阳在椭圆中心”在一个焦点上
“行星匀速运动”速度随距离变化
“第三定律中的 对所有系统相同”只对同一中心天体相同

引出

如何从万有引力定律严格导出椭圆轨道?这需要解二体问题。

为什么第三定律的 与中心天体质量有关?用它能否测量恒星质量?

双星系统中,两颗星都绕共同质心运动,第三定律如何修正?